功率继电器需要设计师深入考虑

第一次接触继电器还是在小时候，有个朋友在他家屋后的林中发现了一个无线电高空测候仪，就是一种探空气球携带的小气象仪器。我的朋友Ben想要那个降落伞，而那些电子设备就归我了。对于一个十一、二岁的孩子来说，电路并没什么意义，但第一次接触到了一个简单的继电器。我能用继电器来关闭一个小灯泡，我觉得很好玩。

　　继电器可以分成几个独立部分，一个线圈、衔铁、触点和封装材料。观察这些部件时，必须全面考虑来分析继电器特性，才能将这些设备整体集中到一个电路中。

　　负载与触点

　　一般来说，功率继电器中的触点能承受10A甚至更高的电流。这种继电器可以控制电机、大功率灯具、电磁阀或较大的继电器。可惜，许多工程师并不理解他们要继

　　电器控制的负载的特性。Tyco Electronics通用继电器集团的开发工程师RandyHannah说。“首先要知道继电器触点要开关的是什么，这要求他们必须了解电流、电压及负载类型，不论其有没有浪涌电流、环境温度等、以及能满足其需要的继电器的额定触点电流。”多数的数据表中提供了UL及CSA一类的机构在负载特性方面给出的负载类型额定值，包括功率、负载电阻及镇流工作条件等。所以，了解由各种机构批准的负载类型，对为特殊应用选择适当的继电器非常重要。

　　电机负载的规格通常包括：可达到电机标最大电流三到

　　六倍的的锁定转子电流(LRA)、以及确定电机在全负荷下电流的全负荷电流(FLA)。“这些规格适用于压缩机、鼓风机电机及泵，”Hannah说。“可以在数据表或电机的标签上找到这些数值。”尽管功率继电器触点对以纯电阻负载一般能闭合10万次，但驱动电机则会将触点寿命缩短到数千次。(继电器工程师以工作次数而不是时间表示寿命。)

　　Magnecraft的产品营销经理MichaelO’Donnell说“总会有可开关更大电流并有更长寿命的继电器。”例如，果要控制一个1/4马力的电机，并需要比继电器数据表中指定该规格的电机更多的工作次数，最好采用有较大额定功率的继电器。

　　O’Donnell说。“如果电路需要一个寿命超过厂方发布的100-K或200-K次继电器，工程师可以查看厂方的持久强度曲线。“如果继电器并不需要开关其最大的额定载荷，从持久强度曲线上可以看出，继电器的预期寿命能超过100-K或200-K次。”

　　“如果一个客户使用额定电流20A的继电器来开关一个20A电阻性负载，他就必须接受规格中所提供的寿命。根据UL和CSA测试，我们无法预测超过该值的

　　寿命。此外，负载类型也影响继电器的寿命。例如，希望连续五年、每天都会使用100次继电器来驱动电机的工程师必须认识到，继电器并不能使用那么久。必须

　　针对特定类型的负载确定继电器工作的次数。然后根据该信息来选择相应的继电器。”

　　如果客户需要20万次的工作寿命，最好采用固态继电器(SSR)。但固态继电器并不是进行电机控制的最佳方式。O’Donnell指出：“固态继电器中会流过一些漏电流。因此，电机会出现“哒哒”的响声，并造成轴承与齿轮的故障。即使你认为没有通电，电机也可能缓慢转动。”

　　选择适当的继电器

　　工程师会觉得同一种继电器在多种应用中都适合，而不根据任务匹配继电器的规格。“看一下工程师控制风扇与电机的HVAC（加热、通风、空调）行业，”O’Donnell说。

　　“他们设计新设备时，可能并不指定新的继电器类型，而直接采用一种现有的大功率继电器。他们以为大功率继电器能很轻松地处理小功率负载。但是大功率继电器的触点必须通过相当大的电流来避免氧化物的附着。较低的电流，如几十毫安(监控报警电路的典型电流)无法击穿氧化物，不能形成可靠的低电阻电流通路。所以，新设计的系统就很快就开始出现故障了。”在这种情况下，O’Donnell建议工程师选择有处理低电流触点的专用继电器。

　　Tyco Electronics通用继电器部门的高级产品工程师Harold

　　Leipold说：“工程师应该记住，继电器也有最小的触点额定电流。有人选取过一个额定电流30A的继电器，并试图让逻辑级别的信号通过其触点。这当然

　　会造成故障了。必须注意触点的高低额定电流值。”

　　继电器无法长久使用

　　继电器无论如何使用，最终都会“死掉”。用

　　户可不必等到继电器出现故障，在某种程度上来监测其“健康”状态。Magnecraft的O’Donnell说，如果发现继电器反应或工作时间延长，最可

　　能的情况就是触点间隙由於触点老化而加大了。“出现这种情况时，要测量触点电阻，”O’Donnell说。“触点会积碳，老化，表面不如最初那样清洁。在

　　继电器寿命临近后期时，其接触电阻会迅速增大。”

　　“我不知道测量哪种特性可了解继电器达到了其寿命的50％、75％或90％，”Tyco

　　Electronics的Hannah说。“这很大程度上取决于继电器所控制的负载。”Hannah说，触点电阻也不能说明开关交流线路电压的功率继电器的寿命。

　　“由触点磨损、氧化所出现的材料损耗与其几天或几周内都不使用所产生的氧化损耗没有多少差别。”

　　在触点材料磨损掉后，继电器触点寿命就到了终点，继电器就只剩下很小的接触力了。在这种情况下，当通电的触点接触时，会容易粘到一起。这表明常开的继电器触点会保持在闭合的位置，甚至在线圈不通电时也是如此。

　　“如果这种故障永久地出现，设备设计师最好同时使用不同的继电器，或更适合负载的不同触点材料。”Hannah解释说。“在项目开始时，工程师必须确定负载、浪涌电流及其它特性，以选择最好的继电器及触点材料来确保较长的寿命。”

　　Tyco Electronics通用继电器部门的产品工程经理Tim

　　Hasenour说：“工程师要考虑采用一种触点闭合的故障保护继电器。毕竟你不想从假期中回来后，发现工作炉持续开了整整一周。“设计师必须采用一个故

　　障保护电路，以确保继电器出现故障时设备能适当地以一种可控的方式关闭，而不会产生安全问题。”

　　线圈负载过重

　　触 点质量可能很好、触点状态也比较正常，但线圈却出现了问题。(冒昧地套用Mark

　　Twain的句子。)电流通过一个有金属芯的电磁感应线圈会产生磁场，使继电器的衔铁移动。根据继电器触点的类型，该动作象SPDT开关一样“断开”一个

　　电路，而连接另一个电路。继电器规格包括电流的大小和类型(交流或直流)、以及施加到线圈保证正常运行的电压。

　　有时候，工程师会忘记线圈的电流指标。“我见过有些客户选择有12V直流线圈的继电器，要用它来控制1mA的电流，而线圈实际上需要20mA的电流。”Omron的功率继电器产品营销经理Mark

　　Boston说。

　　表

　　面看来，线圈就是线圈，但交流线圈与直流线圈在构造上不同，不能互换。“线圈是以安匝数为基础来运行的：让电流通过给定匝数的线圈，就会形成一个磁场

　　x，”Tyco

　　Electronics的Leipold解释说。在直流线圈中，导线的电阻会限制电流；而在交流线圈中，在60Hz或50Hz下的阻抗加上线圈的直流电阻

　　会限制电流。”交流线圈多了一个“shader

　　ring”，通常是在线圈上方靠近衔铁位置的一个铜环。这个铜环可在交流线路功率通过零伏时，将磁场维持在一定的强度，以保持衔铁定位。“在同一系列中，

　　有交流线圈的继电器的寿命没有与直流线圈的继电器长，”Leipold指出。“在某些继电器系列中，这两种的区别更大。”

　　所有的交流或直

　　流继电器线圈都有一个使衔铁闭合触点的接触电压。但电压必须提高到标称的工作电压，才能使继电器正常地工作。继电器也有一个输入输出电压差，低于该值电磁

　　铁就不能将衔铁保持在动作的位置上。这些电压取决于继电器的温度，这也是不熟悉继电器的工程师经常会忽略的问题。“凭经验看，环境温度每上升10°C，线

　　圈电阻就会增加4％，”Omron的产品支持经理Glenn

　　Tarnawa说。“随着温度升高，接触电压与输入输出电压差必然也会提高。而标称电压保持不变。”所以，要设计一个在室温下工作的线圈驱动电路，让所驱

　　动的继电器在更热的环境中工作，也许该电路并不能总会正常地工作。

　　“在这种情况下，必须保证电源提供继电器标称电压，并要施加稍微大点的驱动电压，”Tarnawa说。“但如果对线圈施加电压过大，线圈会发热，温度也会升高。不论什么情况下，都不要使线圈的温度超过指标中的最大值。”

　　工程师会采用一个捷径，以半波或全波电桥对交流电压进行整流，然后将整流信号施加到直流线圈中。“但是线圈并不能正常地工作，”Tarnawa解释说。“我们建议对直流-线圈信号施加5％以上的脉动电压。未经滤波的整流交流信号改变了实际接触压力，会缩短继电器寿命。”

　　“一般来说，没有特殊说明时，数据表或UL或CSA报告中提供的额定值，都假定继电器线圈采用经过滤波的直流电流工作。”Tyco

　　Electronics的Leipold介绍说。“如果用未经滤波的全波或半波整流电压驱动线圈，这些额定值不一定适用。”

　　“设计师也可以用脉冲宽度调制(PWM)信号驱动继电器线圈，以节省功耗。”Tarnawa解释说。“但是，典型有直流线圈的现成继电器并不是为PWM运行而设计。需要用PWM信号驱动继电器时，继电器供应商必须专门设计一种继电器才能接受该信号。”

　　继

　　电器需要线圈电流将衔铁保持在动作位置。这表明，继电器开关电路时必须消耗一定的功耗。为节约功耗，工程师可选择一个自锁继电器将衔铁保持在工作位置，而

　　不用施加线圈电流。“自锁继电器中线圈接收一个短暂的电压脉冲，然后锁定在工作状态，”Magnecraft的O’Donnell介绍说。“向次级线圈施

　　加一个重新定向的电压脉冲或脉冲可释放继电器的衔铁。在电压脉冲结束后，线圈不会继续消耗任何功耗。”

　　“我们还有一种独特的711型脉冲顺序动作继电器，它只在一条控制线路上需要脉冲。”O’Donnell说。“它象触发器一样地工作。一个脉冲启动继电器衔铁，另一脉冲释放衔铁。在两个脉冲之间，线圈并不消耗功耗。”

　　保护继电器触点

　　“ 我接触的许多工程师都知道，他们要处理电阻性、电感性或电容性的负载。”Tarnawa

　　Omron的说。“以电机为例，继电器触点闭合时会有较大的浪涌电流，释放时会产生一个电感性反冲电压。电涌抑制器可降低电压反冲，防止其损坏继电器触

　　点。更难于控制的是浪涌电流。在某些情况下，可以在电路中加入一个电阻或电涌抑制器来限制电流。如果浪涌电流导致继电器触点闭合时粘连，可在触点间串联某

　　种熔断元件。”

　　但某些工程师认为继电器触点必然会这样。“他们把每种负载都当作是一种电阻，并以此特点来指定继电器。”Tarnawa说。“但在浪涌电流超过100A时，就需要更高的继电器额定电阻性负载。这种情况下，就需要一个大功率的继电器。”

　　有许多公司生产有负温度系数的特殊热敏电阻，可用来限制浪涌电流。开始由一个大电阻限制流过热敏电阻的电流。电流会使设备温度升高，从而导致其电阻迅速下降，使其成为一个低电阻的导体。热敏电阻将初始电流浪涌降低，使正常工作电流流过负载。

　　在继电器开关交流电源的情况下，工程师可采用过零技术来保护继电器触点。实际上，在电路检测到交流电压过零伏时，继电器成为了开关负载电源的微控制器或微处理器电路的一部分。处理器使用线电压信号来定时控制继电器。

　　过 零技术提高了继电器的性能和寿命。“电感性或电容性负载可以将浪涌电流增大到负载的稳定状态电流10或15倍。”Tyco

　　Electronics的Leipold解释说。“当浪涌电流与线电压正弦波形增加同步时，继电器可以更好地耐受浪涌电流。要避免在较高的线电压下闭合继

　　电器的触点，所以在进行过零开关时，要使用较小的继电器。”

　　还可以就在经过零电流之前中断到电感性负载的连接，以减少电弧放电、并降低触点腐蚀，这样可延长触点寿命。为降低继电器开关时间的微小波动，工程师可对继电器线圈施加稍微过大的电压来保证其每次都以相同的速度开关。

　　偶尔工程师也会不慎地将继电器与60Hz或50Hz的线路信号同步运行。“比如，线路信号对软件过程提供一个脉动的中断命令，让继电器不停地打开与闭合。”Leipold说。“每到交流线路电压正弦波的同一点时，软件就会启动或闭合继电器。”

　　出现这种情况时，触点线电压信号的极性总是一样的。“触点会从触点X向触点Y转移金属。”Tyco

　　Electronics的Hannah说。“这就就会在一个触点上产生弧口，而在另一触点上留下积聚的金属材料。这会缩短触点间隙，并造成过早的触点故障。”

　　非同步开关一般会随正弦波随机出现，造成触点间金属材料的少量转移。“将某些接近零伏的正常闭合与某些合接近峰值交流线电压不良的闭合平均一下，”Leipold解释说。“但是如果总是以60°的相位角闭合触点，就是不良的闭合了。”

　　继

　　电器线圈也需要保护电路，但通常是用来保护线圈驱动电路而不是线圈本身。许多工程师将一个小信号反向偏压二极管线圈与线圈连接，以短接断电时线圈的消退磁

　　场所感应的电流。这样，就不必将线圈的能量传回到驱动芯片或晶体管，线圈与极管回路会形成短路，而将由此而产生的能量消耗掉。但工程师不会意识到这样使用

　　二极管会延长继电器的回动时间（Drop-out time）。实际上，触点需要更长的时间来打开。

　　“尽管一个标准二极管能显著

　　地延长回动时间，”Hannah说，“将常规的二极管与齐纳二极管串联并不会过多地影响回动时间。如果是电感性负载，当触点分开时，较长的回动时间延长电

　　弧产生的时间，并会缩短触点寿命。例如，一个线圈上连接了二极管的继电器需要9.8ms的时间才能释放触点。将齐纳二极管与小信号二极管结合在一起，可将

　　时间缩短到1.9ms。线圈上没连接二极管的继电器的回动时间为1.5ms。

　　在某些情况下，要防止继电器线圈

　　免于电压浪涌的影响，或防止电路受闭合继电器线圈造成的尖峰电压影响。“我们提供二极管、金属-氧化变阻器及RC电路作为继电器附属产品。

　　”Magnecraft的O’Donnell解释说。“工程师不用动手与线圈的端子连线，只要将附属电路插入到继电器的插槽中即可，这些插槽是专门容纳电

　　路模块的。

　　继电器体积逐渐缩小

　　每个设计师都想使用更小的元件，继电器制造商对些需求予以积极响应。但选择较小体

　　积的继电器总是要综合权衡各项指标。“某些情况下，体积较小的继电器使用寿命要短于体积较大的继电器。”Omron的Boston说。“我们有一种新的小

　　体积继电器，比上一代有相同面积的产品短2.7mm。这种新继电器寿命为5万次，而原来的继电器为10万次。”

　　“而且，工程师还

　　必须适应较小的继电器绝缘强度4,000V，而不是5,000V。”Boston指出。“由于安装尺寸还在缩小，空间距离与直线间隙距离也在缩小，这都会

　　影响到需要相关机构批准的设计。”如果一个标准继电器线圈具有UL

　　F级的(155°C)额定绝缘强度可在更高最大环境温度下工作，那么较小的F级继电器需要在较低地温度环境下工作。所以，要权衡空间节省与降低环境温度的

　　问题。

　　细心地进行电路内测试

　　“通常工程师使用一个电路内测试仪(In-circuit Tester,

　　ICT)来测试继电器，特别是对那些用于印刷电路板上的继电器。”Tyco

　　Electronics的Hasenour说。“一般来说，电路内测试仪采用较低的电流和电压来进行测试，但这样的电流无法穿透继电器触点的氧化层。电路

　　内测试仪可能会检测到实际上并有存在的故障，而以为继电器真的出现了故障。测试工程师必须要确保其电路内测试仪提供足以进行正常测试通过触点的电压和电

　　流。

　　凭经验看，对于一个10A的功率继电器，Hasenour建议测试电流至少要在10mA，电压在6V和12V之间。“这并不

　　是个固定范围。但工程师必须了解，不能使用普通的电路内测试仪信号来测试继电器。但如果必须这么做，并检测到了继电器故障，可将其放到工作台上，在触点间施加较大的电流和高电压，以提供明确的好/坏测试。”

　　自从1835年JosephHenry发明继电器以来，其基本设计并未改变多少，工程师还在现代的电子设备中使用衔铁吸入式继电器。尽管Henry很熟悉他发明的电磁铁衔铁原理，他还是会对市场上丰富的继电器种类感到惊讶。