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繼電器選用準則
來源: | 作者:客服部 | 發布時間: 2021-03-01 | 240 次瀏覽 | 分享到:
作者:一平
1 選用繼電器的一般原則
   怎樣才能正確地選用繼電器呢?一是要做到“知已知彼”,即首先必須對繼電器所控制的對象一一被控回路的性質、特點以及對繼電器的要求等都要有周密地考察和透徹地了解。其次,對繼電器本身的各種特性一一原理、使用條件、技術參數、結構工藝特點以及規格型號等,做到全面的掌握與認真分析;二是按“價值工程”原則,從先進性、合理性、可用性、經濟性全面考慮,作到正確地選用和使用繼電器。正確選用繼電器的原則具體來講應該是:(1)繼電器的主要技術性能,如觸點負荷 ,動作時間參數,機械和電氣壽命等,應滿足整機系統的要求;(2)繼電器的結構型式(包括安裝方式)與外形尺寸應能適合使用條件的需要;(3)經濟合理。
2 選用提綱
   為了減少繼電器選用中的隨意性,提高自主性,選用前應編寫選用提綱,一般包括以下要素:
  (1)氣候應力作用要素
   溫度范圍:濕度范圍;大氣壓力;沿海大氣;砂塵污染;化學污染;磁干擾;其它特殊氣候應力。
  (2)機械應力作用要素
   振動應力;沖擊應力;離心作用及其它。
  (3)輸入參量要素
   交流參量激勵;直流參量激勵;溫度變化影響;有或無觸點開關激勵方式;固體器件開關激勵方式;遠距離有線激勵方式;互相干擾等激勵因素;低壓激勵與高壓(強電回路)輸出隔離因素等。   (4)輸出參量要素 白熾燈;容性負載;電機負載;電感器、螺線管、接觸器線圈、扼流圈負載;直流阻性負載;中等電流負載;低電平負載;干電路負載等。
  (5)安裝方式要求
   焊接式、插入式、螺釘式或其它(如導軌式安裝等)
  (6)安全要素
    阻燃要求;過載能力要求;絕緣抗電水平。
  (7)篩選要求
   篩選要求包括篩選的項目、所加應力,監測水平、監測手段、失效判據等。
  (8)失效率要求與可靠性評估
   失效判據;失效率評估及置信度。
3 選用電磁繼電器的一般步聚:
   作為選用繼電器的第一步,是確定其應用分類,由此初選一種在給定條件下曾經有過成功應用的繼電器類型,然后按下列步聚使所選用繼電器最適合于規定應用。
   (1)按照輸入的信號確定繼電器的種類
   不同作用原理或結構特征的繼電器,其要求輸入的信號的性質是不同的。例如熱繼電器是利用熱效應而動作的繼電器;聲繼電器是利用聲效應而動作;而電磁繼電器則是由控制電流通過線圈產生的電磁吸力而實現觸點開、閉。這就要求使用者首先要按輸入信號的性質選擇繼電器種類。例如反應電壓、電流或功率信號時,選用電壓、
電流或功率繼電器;反應脈沖信號或有極性要求
時,應選用脈沖、極化繼電器等。
   在這里,簡要地介紹一下電壓和電流繼電器的區別,以供用戶正確選用。從工作原理來講,二者均屬電磁繼電器,沒有任何區別。但從繼電器的設計講,二者是有區別的。電流繼電器磁路系統按IW=C來考慮,即在繼電器動作過程中由于銜鐵的動作而導致線圈電感發生變化時,也不會影響到回路電流值。該電流是由回路中其它電
路元件較大的阻抗決定了的,電流繼電器線圈阻抗對整個回路阻抗的影響可忽略不計。因此,一般電流繼電器線圈導線匝數少,電感和電阻均較小,因而線圈電流較大。供給電流繼電器線圈的是恒定的電流值。電壓繼電器線圈輸入的信號是相對恒定的電壓值,一般是電源電壓直接加在線圈上或通過網絡分配給它以恒定的電壓值。因此,回路電流主要取決于線圈阻抗,一般不涉及其它回路元件。為了盡量減小它對其它支路的分流作用,一般導線細,匝數多,電感和電阻都較大,線圈電流不大。
   選用電流或電壓繼電器時,要有相對的電路條件。電流繼電器要求恒流源電路條件 ,即回路有較大阻抗與之串聯,它本身阻抗對回路電流影響很小 。電壓繼電器要求提供恒定的電壓。電流繼電器當作電壓繼電器用,因其線圈電阻小,很容易燒壞線圈, 甚至造成電源短路。如將電壓繼電器當電流繼電器使用線圈串接在線路里時,由
于其大的阻抗會明顯地改變原來回路參數,會因線圈得不到足夠的電流而繼電器不動作。
   值得注意的是交流繼電器線圈通常承受過電壓的能力比直流繼電器差。在直流繼電器線圈中,外加電壓的增加所引起電流增加的速率較低。這是因為線圈的溫升引起線圈電阻的上升 。然而在交流繼電器中,外加電壓的增加引起電流的增加,同樣引起線圈電阻增加, 這將造成導磁零件進一步飽和 ,使感抗進而使阻抗大幅度下降。結
果是線圈電流增加速率要比外加電壓增加的速率快,因此,由于外加過電壓造成的過熱比直流繼電器容易發生。
  (2)按使用環境條件選擇繼電器型號
   環境適應性是繼電器可靠性指標之一。使用環境和工作條件的差異,對繼電器性能有很大的影響。下面介紹幾個主要環境因素的變化對電磁繼電器性能的影響。
   環境溫度
   ①環境溫度的升高加速了絕緣的老化,絕緣性能下降,縮短使用壽命。
   ②對于反應溫度變化的溫度繼電器、熱繼電器等,環境溫度的變化直接影響保護特性的變化;對電磁繼電器來講,溫度的升高, 某些絕緣材料的熱變形使產品結構參數和動作參數會發生變化。
   ③溫度升高 ,線圈溫升相應增高,不但漆層老化加劇,對電壓繼電器來講,還直接影響到吸合、釋放參數的變化。電流繼電器,溫度升高,功耗增大,亦影響絕緣和觸點切換特性。
   ④溫度升高加速某些零件的氧化過程。對觸點來講,不但其材料本身氧化,而且加劇表面膜電阻的形成,直接影響接觸可靠性,特別在低電平下。
   ⑤溫度升高,熄弧困難,切換能力下降,觸點腐蝕加劇。額定負荷時,易形成觸點粘結,中等電流時易析出碳化物,降低接觸可靠性。
   ⑥在低溫下,鍍層材料,如金鍍層冷粘作用加劇,小電流負載或低電平下會形成冷粘故障。對一些非密封或密封性不好的繼電器,低溫下可能觸點間形成冰霜,直接影響觸點的導通。對于釬焊錫封繼電器,在低溫下,錫的脆裂會影響產品的氣密性。
   振動與沖擊
   電磁繼電器觸點簧片多為懸臂梁系統,固有頻率較低。在接近或達到固有頻率的外界振動作用下會引起諧振,導致結構損壞或使觸點壓力降低直至產生瞬時斷開,即出現抖動??蓜拥你曡F部分會因過振動而誤動作,進而使觸點接觸不良或斷開。周期性的作用力會使結構松動或破壞脫落造成結構失效。振動和沖擊作用會改變繼電器的機械特性,降低動作可靠性。繼電器內殘存的松散微粒(毛刺脫落物、焊渣、材料碎屑)在振動和沖擊作用下會落入觸點間隙或轉動支承處造成嚴重故障。
   低氣壓
   ①低氣壓下,散熱條件變壞,尤其在高溫低氣壓下,對流作用減弱,小尺寸簧片只能靠熱傳導散熱,切換額定負載時,簧片溫度可高達300℃以上。滅弧困難,電弧持續時間增加,觸點金屬蒸發加劇,壽命縮短,導致觸點分斷容量的降低。
   ②線圈散熱困難,溫升加快,引起吸合、釋放參數的變化。
   ③低氣壓下,介質強度降低,觸點間絕緣下降,在絕緣子底板上可能形成通道。一般來講,海拔每升高1000米,絕緣水平大約降低10%。
   輻照
   嚴重核幅照下 ,部分有機材料會變為粉塵。高分子絕緣材料分子結合鏈被破壞,絕緣性能下降,直至失效。如聚四氟乙稀薄膜材料耐輻照性能就很差。
   電磁干擾
   電磁繼電器是靠電磁力的作用來動作的,在強的磁場元件、強的雜散場儀器周圍使用時,要注意布放位置及離磁干擾源的距離。否則會危及動作可靠性。高頻電源還會使繼電器被感應加熱造成熱損壞。
   相對濕度
   在高濕,特別是高溫、高濕條件下:
   ①金屬零件的腐蝕速度顯著上升。例如,鋼鐵零件在含0.1%SO2干燥大氣中,腐蝕速度很低,當相對濕度達到70%時,腐蝕速度立即上升100倍以上。普通金屬的臨界濕度(使金屬腐蝕速度顯著升高的最低相對濕度)一般為60~70%(此相當于繼電器的正常使用環境濕度條件)。
   ②敞開式或封閉式繼電器在潮濕下,絕緣會明顯降低,泄漏急劇增大。另外相對濕度達到80%以上,霉菌、昆蟲繁殖很快,對不耐霉的有機材料極易長霉,以致影響產品性能。例如,絕緣漆和層壓塑料表面發霉后,使表面電阻下降10%。
   ③在有灰塵的環境中,相對濕度大,灰塵易吸附水分,使一部分可溶性雜質溶于水中,變成電解液,灰塵本身與金屬間形成腐蝕微電池,加速金屬腐蝕。對非密封繼電器,線圈的失效,往往是由于這種“電解腐蝕”引起斷線所造成。
   ④高濕下,會加劇繼電器觸點膜電阻的生成,當水汽含量超過1000PPm時,會引起接觸電阻發生不規則變化。對一些應用在高溫高濕條件下的非密封繼電器,其絕緣零件還要進行特殊的三防(防濕、防霉、防菌)處理。
   在其它環境條件下,如鹽霧、油霧、噪聲場、恒加速度等,繼電器的內部結構損壞與其它電器元件類似。例如鹽霧或其它有害氣體對電器產品零件的腐蝕很嚴重。
   用戶在選用繼電器時,必須對上述情況有所了解。
  (3)根據輸入量選定繼電器的輸入參數。
   ①在電磁繼電器的輸入參數中,與用戶密切相關的是線圈的工作電壓(或電流),而吸合電壓(或電流)則是繼電器制造廠約束繼電器靈敏度并對其進行判斷、考核的參數,它只是一個工作下限參考值。不少用戶因不了解繼電器動作原理的特殊性,往往把吸合電壓(或電流)錯認為是繼電器應可靠工作的電壓(或電流),而把工作電壓值取在吸合電壓值上,這是十分危險也是不允許的。因為吸合值只是保證繼電器可靠動作的最小輸入量,而繼電器動作后,還需要一個保險量,以提高維持可靠閉合所需的接觸壓力、抗環境作用所需的電磁吸力。否則,一旦環境溫度升高或在機械振動和沖擊條件下,或輸入回路電流波動和電源電壓降低時,僅靠吸合值是不可能
保證可靠工作的。所以選擇繼電器時,首先看繼電器技術條件規定的額定工作電壓是否與整機線路所能提供的電壓相符,絕不能與繼電器吸合值相比。
   ②按照繼電器工業標準,交流繼電器應該在其標稱電壓的85%下吸合,而直流繼電器應該在標稱電壓的75%下吸合。如果需要的數值與此不同,就應該加以說明。
   ③在極限溫度下,用戶對線圈激勵量的變化往往未給予足夠的余量。尤其在較高的溫度下,這個問題是很關鍵的。因為在高溫下線圈電阻增加,線圈功率下降。另外,由于線圈內部產生的溫升也需要過激勵或余量。對于低溫下釋放,也存在著同樣的問題,不過不經常出現。
   (4) 根據負載情況選擇繼電器觸點的種類與參數
   與被控電路直接連接的觸點是繼電器的接觸系統。國外和國內長期實踐證明,約百分之七十以上的故障發生在觸點上。這除了與繼電器本身結構與制造因素密切相關之外,未能正確選用和使用也是重要因素之一。且大多數問題是由于用戶的實際負載要求與繼電器觸點額定負載不同而引起的。
   ①根據控制要求確定觸點組合形式,如需要的是常開還是常閉觸點或轉換觸點;
   ②根據被控回路多少確定觸點的對數和組數;
   ③根據負載性質與容量大小確定觸點有關參數,如額定電壓、電流與容量,有時還需要考慮對觸點接觸電阻、抖動時間、分布電容等的要求。關于觸點切換的額定值,電磁繼電器一般規定它的性質及大小。它的含義是指在規定的動作次數內,在定的電壓和頻率下,觸點所能切換的電流的大小。這一負載值是由繼電器結構要素決定
的。為了便于考核比較,一般只規定阻性負載。
  在實際使用中需要切換其它性質的負載,如電機、感性、燈、電容等負載時,其切換能力可參考表1換算:

繼電器的額定負載是指在規定的動作次數(壽命)內,在規定動作頻率下,觸點所能切換的純阻性負載的大小。顯然,負載增大,繼電器的壽命將縮短,但不存在一個通用的負載壽命對應關系,不同的繼電器具有不同的負載與壽命的關系曲線,即壽命曲線,如圖1所示。

   一般情況下,減小負載電壓可使負載電流提高,減小負載電流可使負載電壓提高,但不存在一個通用的負載電壓電流對應關系。而且,即使負載電壓電流中的一個無限制的減小,負載電壓電流中的另一個不可能無限制的增大,而是有一個上限值。不同的繼電器具有不同的負載電壓與負載電流的關系曲線,即負載曲線,如圖2所示,實際施加的負載應限制在此曲線之下。


   這里還要提醒的是,繼電器額定值不一定適用于從零到規定值的所有負載。能可靠切換 10A負載的觸點,并不意味著它能可靠地切換10mA的負載。這是因為在不同范圍負載下,觸點的失效機理不同。
    繼電器觸點交流額定值僅在規定的頻率下適用。如果額定值是按400Hz規定的,那么60Hz下的切換能力通常顯然是要低的。
   在切換不同步的單相交流負載時,會存在相位差。所以應選擇觸點額定電壓為負載電壓2倍、額定電流為負載電流4倍的產品。其次, 適合交流負載的觸點不一定適用于幾個電源相位之間的負載切換;用于相位轉換的繼電器(一般采用三位式觸點)必須進行三相交流負載轉換試驗或符合有關規范,如GJB1042 。
   在某些電路中,說明的負載可能是交流負載(典型的燈負載)。但其線圈驅動源可能是一個總是在正弦波的同一點上轉換的電子電路。由于大多數繼電器基本上是在一定的電壓下動作時間恒定的器件,因此,繼電器觸點實際切換的負載基本上是直流負載。這種情況可能會使觸點壽命明顯縮短。
  (5)按工作狀態選擇繼電器
   繼電器的工作狀態主要是指輸入信號對線圈的作用狀態。繼電器線圈的設計是對應于不同的輸入信號狀態的,有長期連續作用的信號,有短期重復工作(脈沖)信號。連續工作是指線圈能連續地承受工作信號的長期作用。對脈沖信號還要考慮脈沖頻率、通斷比等。因此,要根據信號特點選用適合于不同工作狀態的繼電器,一般不允許隨便使用,特別要注意不能將短期工作狀態的繼電器使用在連續工作狀態,高溫工作條件下尤其要注意。在實際切換功率負載或大功率負載時,尤其要考慮不宜切換速率過高。一般應少于10~20次/min。最大循環速率為:0.1次/(最大吸合時間+最大釋放時間)s。
  (6)按安裝工作位置、安裝方式及尺寸,重量的選擇
   繼電器工作位置與其結構特點有關,大多數繼電器可在任意位置下工作,但也有部分繼電器工作位置有具體的規定。例如普通水銀繼電器,就規定要直立安裝,其偏斜極限不得超過30℃,否則,由于水銀的連接中斷將不起繼電器作用。

   繼電器除需滿足在各種穩態的線路和環境條件下工作的要求外,還必須考慮到各種動態特性,即吸合時間、釋放時間,由于電流的波動因素造成的抖動,以及觸點碰撞造成的回跳等。
    上面我們講了怎樣選用已批量穩定生產的繼電器。如果在已生產的繼電器中沒有適合整機要求的品種、規格,那就要向繼電器制造廠提出設計任務書,進行新品設計。
   電磁繼電器的設計任務書一般包括:
   ①控制電路參數:控制電源類型(是交流還是直流)、工作狀態(線圈是處于長期、短期或是脈沖工作狀態)、吸合值、額定值、釋放值等。
   ②被控制電路參數:負載類型(是直流還是交流:是阻性、感性或是其它)、負載大小(閉路電流、開路電壓或開斷功率的大小及變化范圍)、觸點組數及形式。
   ③使用環境條件:極限溫度、相對濕度、氣壓、振動條件、沖擊條件、離心條件,使用環境氣氛(指一些特殊條件)等。
   ④壽命要求:一般應該說明使用壽命和貯存壽命要求,使用壽命又分正常條件下和極限或特殊情況下。
   ⑤外形尺寸、重量及安裝尺寸要求。
   對有失效率指標要求的繼電器,除提出失效率指標置信度外,還要提出篩選項目及篩選要求,壽命試驗的監測水平,監測延時,失效判據等。必要時還必須對繼電器生產廠提出可靠性質量保證方面的要求及一些特殊試驗方法的規定等。
  (6)試制周期、費用、首次提供樣品數量等。
   4 影響電磁繼電器可靠性的使用因素
  (1)如果將有防塵罩的繼電器用于溫度有變化(晝夜)的和高濕的環境,則可能出現冷凝現象,從而導致絕緣電阻下降甚至短路。這就需要在罩殼上開孔以供繼電器換氣,或采用密封繼電器。
  (2)在清洗印制板上的繼電器時,有些清洗劑對銅有很強的腐蝕性,而其它一些清洗劑會與線圈包帶上的粘劑結起化學反應。
  (3)舌簧繼電器使用在強的外磁場附近,應有足夠的磁屏蔽,以保證其正常工作。
  (4)負載接法
   ①觸點失效機理分析表明,在中功率負載下,觸點材料從陰極轉移到陽極。觸點電弧測試得出,在相同負載下,動觸點接陰極(如圖1(a)所示),其燃弧時間要比動觸點接陽極(圖1(b)所示)短一半以上,如JZX-10M、JZC-1M按圖6-1(a)接法,一般燃弧為50μs左右,而按圖1(b)接法,燃弧時間大于100μs。由于燃弧時間短,材料轉移量就小,其壽命就長,且可靠,所以使用時應按圖1(a)接法;而鑒定試驗時則要按圖1(b)接法,即加嚴要求。
   ②切不可在連接電源到雙擲觸點時將額定負載接到如圖2所示的觸點上。這樣使用時,許多繼電器都不能正常切換負載。
  (5)線圈接法
   通常繼電器的線圈是不標正負極的,兩端可以隨便連接。但在線圈去激勵時,由于電感的作用,線圈內會產生反電動勢,其峰值可高出額定電壓的5倍以上,盡管其作用時間很短,但會造成

線圈漆層擊穿或電路中的開關器件擊穿。如按圖 3的方法在線圈兩端接上保護二極管(當然用戶也可以要求生產廠家按圖2的要求生產繼電器),此時線圈兩端的正負極性就固定下來,不能反接。

   對非密封繼電器來講,線圈在高濕非激勵狀態下,產生電解腐蝕的危險必須給予注意。為了減少線圈腐蝕的危險,使用正極接地的電源,而且當繼電器閑置不用時,盡可能將正極斷開,讓線圈保持負電位。對于商業和工業用繼電器,保險商實驗室規定若電壓超過50V,則不允許將地線切斷。
  (6)應將機電開關器件裝在電源正極與繼電器線圈之間,以求在斷開狀態下, 安全地隔離繼電器電路,以免電擊危險。在選用固體電子開關器件控制繼電器線路時, 應選擇漏電流足夠小的器件,使繼電器能在斷電時可靠釋放。用于控制繼電器的任何開關器件, 必須承受線圈電路開路時引起的瞬時電壓峰值與線圈電路最小電壓值之
和,開關不發生損壞。
  (7)由于連接導線中的電壓降,繼電器的吸合可能不得不低于電源電壓。當使用連接導線較長的門鈴型布線時,尤其是這樣。
  (8)如果將繼電器激勵了一段時間后釋放,然后在短時間內再次激勵, 那么由于線圈本身的溫升,吸合電壓將會變大。
  (9)當繼電器或混合繼電器與靈敏邏輯電路一道工作或靠近時, 繼電器這些裝置既不應發射也不應傳導能損壞靈敏邏輯電路或使其誤觸發的足夠大的射頻瞬態電壓。
  (10)繼電器的安裝
   耐振是繼電器的一個重要指標,除繼電器本身提高耐振能力外,安裝方法對繼電器耐振能力的影響也是很大的。
  (11)運輸保管的影響
   如用戶由總庫向各使用單位發貨運輸時,任意裝盒、裝箱會因碰撞造成產品機械參數變化,特別是非密封繼電器。繼電器的存放環境應符合產品技術條件標準要求, 特別要注意不能在高濕和有害氣氛中存放。
  (12)繼電器動作過程中的特性對使用可靠性的影響
   ①觸點回跳時間  任何電磁繼電器都存在機械回跳時間,只不過因其結構、動作原理不同而時間長短不同而已。長的可達幾ms甚至10ms, 短的僅100微秒左右。在特殊電路中,如電碼電路、脈沖電路中, 可能因回跳產生短暫閉合及斷開引起失誤,如產生漏字錯碼或誤動作,這是普通繼電器在電路中致命的弱點之一。在使用中適當選
擇工作電壓、動作頻率等可以降低回跳 ?;靥陔娐分羞€會形成干擾脈沖影響其它電路。
   ②動作不同時性   多觸點的電磁繼電器動作不可能做到觸點同時接通或斷開。這就是動作的不同時性,一般相差0.1~0.2ms左右。在緩慢型輸入信號作用下,這個時間差會明顯增大。
   ③橋接  當采用水銀舌簧繼電器時,要注意一般都有0.5ms左右的橋接時間,即存在兩個電路同時接通現象。    ④交流聲,幾乎所有的交流繼電器都會出現某種
噪聲或交流聲。用戶如有特定使用場合,與繼電器廠商定交流聲允許強度。在舌簧繼電器中,噪聲系指緊跟著閉合后幾ms時間內出現在開關引線之間的電壓。它的產生是因為簧片在磁場里運動和由磁致伸縮效應在它們中間產生了電壓。如果舌簧切換的信號是用在緊跟著閉合后幾 ms 之內,噪聲影響較大。
   5 繼電器線圈的瞬態抑制
   當繼電器線圈斷電時,其儲存的感應電能可能在直流電源線上產生高達 1500V 的浪涌電壓,隨著固體器件使用量的不斷增加,必須對繼電器線圈進行抑制,將其電壓峰值限制在一定的范圍。
   常見的線圈瞬態抑制方法有:在線圈上并聯一個電阻器或阻容電路、或并聯一個二極管。線圈瞬態抑制電路會使繼電器釋放時間延長,使觸點轉換速度變慢。

   6 繼電器觸點的保護
  (1)當觸點斷開感性負載電路時,負載中儲存的能量必須通過觸點燃弧來消耗為了消除和減輕電弧在斷開感性負載時的危害,延長觸點的使用壽命,消除或減輕繼電器對相關靈敏電路的電磁干擾、損害,通常采用電弧抑制保護措施。
   常見的觸點保護電路有:在感性負載上并聯一個電阻或阻容電路、或并聯一個二極管。
  (2)應盡量避免繼電器輸出端和輸入端共線或連通,因為線圈去激勵時,線圈上的反電勢會加在觸點上,使觸點的斷開電壓增大,同時也會干擾其它電路。
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