机电式继电器被公认是可靠、具鲁棒性的低成本器件。继电器的制造量与日俱增,并被成功运用于实现信号和能量分配的无数应用中。即使是在最恶劣的环境条件下,它却仍然具有良好的鲁棒性和可靠性。各种继电器类型覆盖了广泛的开关负载范围,从μV和μA级到数百安和高达500V的电压。而且,继电器在通电状态下具有非常低的电阻(mΩ),在断电状态下则具有非常高的绝缘电阻(GΩ),二者都适用于负载电路和控制电路,以及开路的开关路径中。
继电器在容许电压、电流或温度方面具有很大的过载能力。尽管继电器已具有非常好的物理特性,但却还有一些额外要求。PCB占板空间必须尽可能小,而且继电器应该具有防泼溅(防洗涤或抗风雨),或者甚至完全密封的性能。新设计不仅可以满足所有这些要求CONTROL ENGINEERING China版权所有,而且还能提高可靠性。未来继电器技术的创新将进一步实现更小的设计,而且不会改变开关特性。
材料成本
继电器构造中需要用到许多原材料,例如:用于制造线圈或电流承载部件的铜,用于制造开关触点的贵金属(例如:金、银和钯),用于制造磁路的铁,以及用于创建绝缘系统的塑料。这些原材料的成本近年来显著上升,有些材料的成本已增加了好几倍。银成本的增加尤其严重,因为目前还没有实用的材料能够替代开关设备中的银。
小型化
机电式继电器取得巨大成功的一个主要原因是,继电器业能够通过新的小型化设计创新,满足电子业、电信和汽车电子设备的需求(图1)。通用及功率继电器的情形较为麻烦,其标准化的引脚布局和必要的空气与漏电流路径,使得这些继电器的小型化设计愈加困难,甚至在一定程度上阻碍了小型化的发展。继电器小型化设计中面临的主要挑战是,在减小物理尺寸的同时,提高开关能力。
图1:过去40年信号继电器的小型化进程(第1代到第4代)。
在继电器小型化设计中,必须考虑许多不断改变的因素:在接触力和断开力减小的情况下,保持触点的可靠性;保护继电器免遭内部和外部污染;材料改变和触点腐蚀引起的闭合力减小;尽管物理尺寸减小,但绝缘性能仍要提高;热性能、自加热以及在环境温度升高时的性能;更长的服务寿命和更高的开关能力;更高的可靠性要求;制造技术带来的限制。
新技术和新概念也将促成未来继电器技术的巨大创新。
表1表明信号继电器尺寸在不断缩小。尽管尺寸显著缩小,但线圈功耗和开关能力却几乎保持不变www.cechina.cn,介电特性有所改进,开关时间也明显缩短,但热阻却有所增加。
表1:第2代至第4代信号继电器的关键特性。
以下是允许在缩小继电器体积的同时,又能改进特性的一些因素。
设计:微型继电器全部使用极化磁路。这一特性允许缩小物理尺寸,同时还支持双稳态开关特性。线圈涂层允许显著减小继电器的间隙和漏电流路径。气密外壳的使用是另一项优势,它能够最佳地保护继电器内部免受外部污染的影响,进而减小所需要的最小接触力。
材料:在小型化设计过程中,体积与表面积的比例将会变差,这将导致热阻增加。这种情况下,如果仍要保持良好的触点可靠性www.cechina.cn,就需要提高所用绝缘材料的特性。为了能够提供相同甚至更高的可靠性,则必须显著改进绝缘材料的热稳定性和排气特性。
使用的铜材料也相当重要。越高的传导率越允许减小必要的横截面,并越支持更小的物理形状。对于使用的弹簧材料而言,高温时的松弛性非常重要。
工艺:小型化设计对继电器中所用各部件的精度和组装工艺的精度,提出了更加高的要求。只有两者都得到了控制,才能有效实现更小的物理尺寸。制造过程中更小的公差,还会使开关特性具有更少的分散。更小的物理尺寸要求全自动生产,以便在组装和测试过程中系统性排除人为因素。
介电强度
较大尺寸设计可以增加介电强度。这句话听起来非常合理,但不是在每种情况下都一定正确。如图2所示,与第3代继电器相比,第4代产品的介电强度有了明显增加。在线圈与触点之间以及在断开的开关路径之中的这种改进,可以通过以下措施首先实现:涂覆线圈;将驱动和开关腔分开;使用气密外壳和合适的惰性气体。
图2:第3代和第4代信号继电器介电强度比较。
通过这些措施,尽管物理体积减小了2/3,但介电特性却仍可增强50%。
开关能力
许多人认为,更大尺寸的设计可以处理更大的开关负载,因此,也就可以实现更长的服务寿命。正如图3所示例子,事实并不一定如此。从图3可以看出,体积比第3代继电器小得多的第4代继电器www.cechina.cn,可以实现高得多的开关工作指标。第3代继电器只能达到刚好超过20万次的开关操作,而第4代继电器却可在60万次以上的开关操作后仍能正常工作。小型化设计可以改进开关特性控制工程网版权所有,因为它具有更小的移动质量,更少的通电弹跳,通常更快的开关过程,以及由此引起的更短的电弧持续时间。
图3:第3代和第4代信号继电器的开关能力(交流电压24V,通电电流5A,断电感应电流1A)。触点电压被变阻器限制在80V。
开关噪声
在许多应用,特别是在汽车或人居环境中,声开关噪声将作为干扰被感知。小型化设计具有轻得多的移动质量,因而能够极大减小开关噪声。第2代信号继电器产生的平均噪声电平为53.5dB(图4),到第3代产品可减小到39.6dB,而第4代继电器的噪声可降至28.2dB。低于30dB的开关噪声即便是在卧室等安静的房间内,也一般不会被察觉。
图4:从第2代到第4代继电器开关噪声的平均值和最大值呈减小趋势。
前景展望
机电式继电器成功上市至今已有几十年时间,并且在未来还将继续忠诚地陪伴我们。这种继电器极具可靠性、鲁棒性和非常高的性价比,并且非常容易使用。在现代电子设备中,它们的使用越来越广泛。与一些预测相反,其至今也未被半导体器件所取代,而是与之和平共存。
作者:Werner Johler
Werner Johler。
Johler博士现担任TE Electronics继电器产品部首席技术官(CTO)。
他已经出版80多篇关于继电器技术、机电器件微型化、机电式继电器接触物理学和可靠性研究的论文。