继电器原理及可靠性应用.doc

在电子元器件中，继电器一般被认为是一种最不可靠的电子元件，在整机可靠性设计中，把继电器、电位器、可调电感器及可变电容器列为建议不用或少用的元件。 但是，由于继电器在控制电路中有独特的电气、物理特性，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻，使得其它任何电子元器件无法与其相比，加上继电器标准化程度高、通用性好、可简化电路等优点，所以继电器广泛应用在航天、航空、军用电子装备、信息产业及国民经济的各种电子设备中。随着科技的飞速发展，继电器在程控通信设备中的使用量还在进一步增加，所以，如何保证继电器的可靠性，满足整机系统的可靠性，成为人们关洋的焦点。 电子元器件的可靠性应由两部分组成，一是元器件的固有可靠性；二是元器件的使用可靠性。固有可靠性是元器件可靠性的基础，主要靠元器件制造商从设计、制造等方面进行有效的控制，以保证制造出来的元器件达到要求的可靠性等级。使用可靠性则是从使用入手，如何保证和提高元器件的可靠性，使其能满足整机系统的可靠性要求。没有高可靠质量等级的元器件，不可能制造出高可靠的电子设备，所以元器件的固有可靠性是整机可靠性的基础。但是，有了高可靠质量等级的元器件也并不一定能制造出高可靠的整机，这里面就有一个使用可靠性的问题。所谓使用可靠性，就是根据各种元器件的特点利用可靠性设计技术，即元器件的合理选用、降额设计、容差与漂移设计、抗振设计、热设计、三防设计、抗幅射设计、电磁兼容设计、人机工程设计及维修设计等，最大限度的发挥元器件固有可靠性的作用，以达到整机系统的可靠性要求。 根据有关部门对整机失效原因的分析统计，其中有百分之四十以上的故障是由于元器件选用不合理造成的。随着元器件制造技术的不断提高，在元器件的固有可靠性已经有了较大提高的情况下，使用可靠性就显得特别重要，而且，随着整机系统功能愈来愈全，所用元器件愈来愈多，对可靠性要求也愈来愈高，所以使用可靠性也愈来愈受到科技界的重视，并且发展成一门新的学科人为工程。由于继电器是一种机电一体化的元件，是由电磁及机械传动部份组成的，与其它电子元件相比，要复杂得多，加之在制造过程中有些装配调整是手工操作，所以产品的一致性和可靠性要差一些。但是，如果在使用中采取一些防范措施，仍能达到较满意的效果。在对失效继电器进行失效分析中发现，由于使用原因造成的失效约占百分之三十以上。由以上分析可知，继电器可靠性不高，除自身质量原因外，使用不当也是一个主要原因。现在，我们重点研究如何在使用中提高继电器可靠性的措施。继电器的种类较多，这里重点研究目前使用较多的电磁继电器的使用可靠性。 2合理选择继电器 在整机的可靠性设计中，要求合理选用元器件。元器件的选择和控制是需要多学科知识才能完成的一项任务，一般应由元器件工程师、可靠性设计师、总体及电路设计师、失效分析人员共同完成。首先要根据整机系统的重要程度、可靠性要求、所使用的环境条件及成本等项要求综合考虑和选择。选择时必须重视以下几个方面的要求。 2.1对使用环境条件的选择 环境条件主要指温度、湿度、低气压、振动、冲击等。环境条件的好坏对继电器可靠性的影响极大。 2.1.1温度对继电器的影响 继电器是怕热元件，在美军标MILHDBK217电子设备可靠性预计手册中的14种主要电子元器件的失效数据中，有8种元器件的失效率取决于环境温度，其中就包括继电器。高温可加速继电器内部塑料及绝缘材料的老化、触点氧化腐蚀、熄弧困难、电参数变坏，使可靠性降低，所以，要求设计时使继电器不要靠近发热元件，并有良好的通风散热条件。 继电器虽然是怕热元件，但对过低温度（如军用航空条件55）也不能忽视，低温可使触点冷粘作用加剧，触点表面起露，衔铁表面产生冰膜，使触点不能正常转换，尤其是小功率继电器更为严重。试验证明，对于有些按部标生产的国产小功率继电器，虽然使用条件规定低温为55，但实际上在此条件下继电器根本无法进行正常转换，建议在选择时要留有充分的余量，对于重要的军用电子整机，建议选用国军标产品。 2.1.2低气压对继电器的影响 在低气压条件下，继电器散热条件变坏，线圈温度升高，使继电器给定的吸合、释放参数发生变化，影响继电器的正常工作；低气压还可使继电器绝缘电阻降低、触点熄弧困难，容易使触点烧熔，影响继电器的可靠性。对于使用环境较恶劣的条件，建议采用整机密封的办法。 2.1.3机械应力对继电器的影响 电磁继电器的簧片均为悬梁结构，固有频率低，振动和冲击可引起谐振，导致继电器触点压力下降，容易产生瞬间断开或触点出现抖动，严重时可造成结构损坏，可动的衔铁部分可产生误动作，影响继电器的可靠性。建议设计师尽量采取防振措施以防产生谐振。 根据上述环境条件对继电器的影响，在选择继电器时，首先要使继电器满足整机规定的各项环境条件的要求。但是，有些设计师由于不能全面考虑各项环境条件，使研制出来的整机达不到合同规定的要求。如在军用机载电子设备上选用JRC5M小型电磁继电器，设计师只重视环境温度可满足整机要求而忽视振动、击冲条件（军用机载条件为196M/S2、20g、10Hz2000Hz，而JRC5M为49M/S2、5g、10Hz500Hz）。如果有些条不能满足，设计师要采取防范措施，否则可靠性得不到保证。 2.2合理选用继电器质量等级 所谓“质量等级”，是指元器件在装机之前，按产品执行的标准或供需双方的技术协议，在制造、检验及筛选过程中的质量控制等级。其质量系数Q是指不同质量等级对元器件工作失效率P影响的调整系数。元器件的失效率可用下式表示：P=b(EQK) 式中:P表示工作失效率；b表示基本失效率；E表示环境系数；Q表示质量系数；K：表示其它因素造成的综合系数，如应用系数、种类系数等。不同质量等级的元器件，其质量系数Q不同。从上式可以看出质量系数对元器件失效率的影响程度，所以要求在选择元器件时，要根据整机系统的可靠性要求，选择元器件的质量等级。继电器的质量等级按GJB/Z299B电子设备可靠性予计手册规定划分为5个质量等级，如表1所示。表1质量等级与质量系数Q 质量 等级 质量要求说明 补充说明 Q A A1 符合GJB65A91有可靠性指标的电磁继电器总规范，列入质量认证合格产品目录的W级产品。 0.15 A2 符合GJB65A91的Y级产品；符合GJB104290电磁继电器总规范的产品；符合GJB143492真空继电器总规范的产品；符合GJB143692干簧继电器总规范的产品；按质量认证标准，经中国电子元器件质量认证委员会认证的合格产品。 符合QZJ840617密封继电器“七专”技术条件的产品；符合QZJ840618密封温度继电器“七专”技术条件的产品 0.3 B B1 按军用标准筛选要求进行筛选的B2质量等级的产品。 符合“七九0五”密封继电器“七专”质量控制技术协议的产品 0.6 B2 符合SJ238683干簧继电器总技术条件的产品；符合SJ245684电子时间继电器总技术条件的产品。 1 C 低档产品 5 3继电器在使用中的正确连接 继电器在使用中能否做到正确连接对继电器可靠性及使用寿命影响极大，所以要求设计师在使用时要根据继电器的特点正确连接。 3.1关于继电器触点的并联使用 3.1.1不能用触点并联的方式提高功率 有时，用一组触点不能满足电路的功率要求时，有的设计师采用两组或多组触点并联的方式来保证电路的功率要求。但是，由于继电器触点在动作时存在微小的时间差（一般两组触点动作时间相差0.1毫秒0.2毫秒）。由此可知，先接通的一组触点将承受全部功率，处在超应力条件下进行切换，很容易被大电流形成的电弧烧毁而失效，所以，要求在使用继电器时，不能用触点并联的方式提高功率。 3.1.2一般不采用触点并联的方式提高可靠性 在可靠性设计中，冗余设计可以提高可靠性。有些设计师利用冗余设计的原理，主观上想利用继电器触点并联的方式提高控制电路的可靠性。但是，一般控制电路的作用是利用触点相互转换作用达到对电路的控制。如果采用触点并联的方式，接通的可靠性虽然提高了，但断开的可靠性却降低了，所以对一般用继电器控制的转换电路，采用并联方式提高可靠性是不可取的。只有对特殊要求，例如一次接通或断开就能完成规定功能的电路（如发射卫星，只要求继电器触点把火箭的点火系统接通就完成任务），采用触点并联的方式可提高可靠性。 3.2继电器触点的正确连接 3.2.1应尽量多用动合触点、少用动断触点 在对继电器触点连接时，应尽量多采用动合触点的连接方式，少用动断触点，其原因是动合触点比动断触点在动作时的触点回跳次数少。众所周知，触点抖动对电路产生不良影响，而且缩短了触点的寿命。 3.2.2对转换触点极性的正确连接 转换触点极性的连接对触点寿命的影响极大，正确的连接应是可动触点接电源阴极，固定触点接电源阳极。其原因是通过对两种不同连接的测试表明，在相同负载条件下，按上述正确的极性连接与相反的极性连接，其触点的燃弧时间要减短二分之一，因而提高了触点寿命。 3.2.3对继电器线圈电压的正确连接 继电器的技术条件一般对线圈的电压都给出工作电压、吸合电压、释放电压。要保证继电器的正常工作，在电路连接时，一定要保证在任何情况下都要使给定的三个电压满足技术条件规定的数值。否则，继电器无法正常转换。下面介绍一个连接不正确的实例。 设计者想用3支工作电压为6V的JRC5M小型电磁继电器和两支开关组成的控制电路。要求K1闭合时，J1继电器工作；K2闭合时 J3继电器工作；当K1、K2同时闭合时，J1、J2、J3继电器同时工作；当K1、K2同时打开时，J1、J2、J3继电器同时不工作。我们从图中可以看出，继电器的工作条件都可满足，线圈所加的电压为6V，大于该继电器的吸合电压，符合工作电压条件。但是，当K1、K2在此情况下打开时，继电器J1、 J2、J3不能恢复到不工作状态。 不正确的继电器连接是因为此时J1、J2、J3继圈与6V电流形成串联回路，此时，每个线圈的电压为6V电源电压的1/3（2V），而该继电器的释放电压0.5V，所以3只继电器仍处在工作状态，达不到设计者的要求。 4继电器触点负荷的正确使用 根据现场使用统计，在继电器使用中，由于对触点负荷使用不当造成的失效，约占继电器总失效率的70。如何正确设计触点负荷应力是保证继电器可靠性的关键。 一般在可靠性设计中，降额设计是提高可靠性最有效的措施，对其它元器件来讲，如果不考虑其它因素如成本、体积等，降额越多，可靠性越高。但是，继电器与其它元器件有不同之处，并不是触点所加的负荷应力越小越可靠，这主要是由触点失效机理决定的。当触点电流使用到100毫安时，触点的电弧作用明显减弱，触点在高温条件下析出的含碳物质不能被电弧烧掉而沉积在触点表面，使触点接触电阻增大，影响接触可靠性。 当触点负荷使用在10毫安以下或50毫伏以下时，接触可靠性明显降低，因为这时电压无法击穿触点表面的膜电阻，将出现低电平失效。尤其在高温条件下，加速了触点的氧化，低电平失效表现得更为严重，所以把10毫安以下，50毫伏以下的负载称为低电平负载。如果要求继电器工作在低电平条件下，需要与生产厂签订专门技术协议，生产厂要按低电平要求进行生产和筛选，否则将出现低电平失效，严重影响可靠性。 继电器的负荷应力虽然不能过小，但是，技术条件给出的负荷应力，是触点的最大额定值，是在任何情况下都不应该超过的参数。如果在使用中超过，轻者可造成寿命缩短，可靠性降低，重者可烧毁触点，造成失效。这主要是继电器触点在大负荷下工作时所产生的飞弧导致触点被烧熔，在触点表面形成凹凸不平，形成机械咬合而无法分开，触点负荷越大，飞弧越大，触点被烧毁的可能性越大。从以上分析可知，适当的降额仍是提高继电器可靠性的有效措施。 触点负荷的正确使用，在一般情况下，负荷应力应设计在100毫安以上、技术指标给定的额定负荷值的百分之八十以下比较可靠。 值得注意的是，继电器触点的额定负荷值是在阻性负载条件下给定的，当使用的负载是感性、容性及灯载时，可产生10倍的浪涌电流，所以如果不是阻性负载，使用时一般应按表2所示进行换算。表2负载换算 阻性负载电流 感性负载电流 电机负载电流 灯泡负载电流 100 30 20 15 5继电器的降额使用 继电器的降额使用，虽然与其它元器件有所不同，但是，合理降额仍是提高继电器可靠性的有效措施。所谓合理降额就是有些参数可以降额，而有些参数不能降额。例如继电器的线圈给定的工作电压（或电流），一般是不能降额的。如果使用低于规定的工作电压（或电流），继电器虽然可能工作，但将会严重影响继电器的使用寿命及可靠性。继电器给定的吸合电压（或电流）是指保证继电器吸合的最低值，但并不能保证继电器在此电压（或电流）条件下能正常工作。因为继电器的寿命特征是根据额定工作电压（或电流）确定的，如果降低这个值将会使触点动作时间和飞弧时间大大增加，从而降低触点使用寿命与接触可靠性。 对触点的合理降额则可提高继电器的可靠性，因为触点的负荷越大，所产生的飞弧越大，触点被烧毁的可能性越大。合理减小触点负荷可以减少由飞弧引起的触点损坏，提高触点的接触可靠性。但是触点不能过度降额，根据触点失效机理，通过上节分析可知，过度降额将严重影响接触可靠性或产生低电平失效。 表3给出继电器的一般降额准则，供参考。表3继电器的一般降额准则 降额参数 降额等级 级 级 级 触点电流/A 电阻负载 0.5 0.75 0.90 电感负载 0.35 0.4 0.75 电容负载 0.50 0.75 0.90 电机负载 0.15 0.20 0.75 灯泡负载 0.10 0.20 0.30 最高额定温度/Tm 20 20 20 振动最大额定值 0.60 0.60 0.60 6在继电器线路中采取灭弧措施 由于非阻性负载的转换会严重降低继电器触点的可靠性，因此，为了保护继电器触点，要根据不同性质的负载加装不同的灭弧电路。对于容性负载，可在触点与负载之间串联一个瞬态抑制电阻，可减少通过触点的瞬态电流。对于感性负载，一般是在负载两端并联一个反向保护二极管。 继电器的线组是一个电感，绕组中又有衔铁，因此在绕组通电后要贮存磁能，在继电器绕组断电的瞬间，磁能释放会产生很高的反向电动势，这个瞬间反向电动势形成的脉冲尖峰可能干扰其它电路的正常工作。另一方面，由于反向电动势比正常电压高数倍，很容易击穿驱动继电器工作的晶体管。一般的解决办法是在继电器绕组两端并联一个分流二极管来减小绕组所产生的瞬间反向电压峰值。 7合理安装 继电器的使用可靠性，除上面提到的合理选择、适当降额、正确使用外，合理安装也是保证可靠性不可忽视的问题。例如某航空电子设备在做可靠性增长试验过程中发生两个相关故障，其中有一个故障就是由于继电器安装不合理造成的。正确的选择安装焊接方式是防止人为因素造成继电器失效的有利措施，根据各方面的经验，在安装和焊接过程中应注意以下几个方面的问题。 7.1重视对引出端的保护 在继电器失效原因中，有相当一部分是由于引出端损伤引起的，对引出端的保护要根据引出端的结构形式分别采取不同的处理方式。 (1)对于硬引出端的继电器，在安装时不允许弯折，以防止玻璃绝缘子破裂造成漏气。如果采用插座形式安装，要严格按继电器规定的插拔力要求选择插座以防过紧或过松，并保证插座清洁，防止接触不良。 (2)对于软引出端的继电器，如果要求引脚弯曲安装，需离根部3毫米5毫米处用工具夹紧根部后，再缓慢弯曲到需要位置，尽量避免往返弯折，并保证根部不受力。 (3)如果采用直接把继电器焊接在印制板上使用，要求印制板的孔距符合继电器引出线的尺寸要求，孔径不能太小，要保证继电器引出线能顺利插下，并与印制板留有适当间隙，防止贴得过紧使继电器根部受到张力的作用。 (4)焊接时要防止温度过高，要根据继电器功率大小选择焊接温度，对一般中小功率的继电器，电烙铁不要超过60W，焊接时间不大于3 秒。因焊接温度过高可造成继电器线圈与引出端脱焊，并影响簧片触点性能，还可能造成构件开裂。焊接完后要进行清洗，防止焊料的有害物质侵害到继电器根部。对于非密封继电器的焊接，要防止焊料流入继电器内部，直接影响继电器的接触可靠性。 7.2正确选择安装方式 一般电磁继电器的簧片均为悬梁结构，因而固有频率低，选择合理的安装方式可防止或减少振动放大，保证继电器的正常工作。因为产生谐振可使触点压力降低、瞬时开路、触点抖动等故障，严重时可导致继电器结构损坏。绝大多数触点抖动是由衔铁振动引起的，因此，安装时要求触点的振动方向和衔铁的吸合方向尽量不与整机振动方向一致，最好是将继电器衔铁的振动方向与整机振动方向垂直。 另外，在安装继电器时，要采取一些减振措施，如压片安装架、锁紧装置，加减振热垫等，对提高继电器的耐振能力有一定的好处。 由于继电器的失效率与环境温度有密切的关系，所以要求继电器的安装位置要远离发热元件，使周围空气形成自然对流，以保证有效的热交换。一般情况下，加电工作时，小功率继电器本身的温度为30，中功率的为40，大功率的为50左右，如果与其它发热元件安装在一起或元件之间排列过密，可产生过高局部温度，影响可靠性，应通过合理设计元器件的安装位置，来防止局部温升过高。 由于微电子技术、电子计算机技术、通信技术、光电技术、军用电子装备系统及宇航技术的飞速发展，对继电器的性能及可靠性提出了更高的要求。今后，继电器的发展方向是通用继电器向小型化、表面贴装化及低成本方向发展；军用及宇航所需要的继电器向小型、高可靠、耐环境方向发展；对于特种继电器如温度、射频、高压、小型大功率及非电学控制的继电器要采用新技术、新材料、新工艺使性能日臻完善。 继电器技术的不断发展要求电路设计师不断学习正确使用各类继电器方面的知识，进一步总结和探讨使用可靠性方面的问题，以满足整机系统对继电器的可靠性要求。影响电磁继电器使用可靠性的因素由于电磁继电器的结构原理、动作过程、非线性的能量转换过程，决定了电磁继电器的本身具有一些固有的特征，这些特征不是设计、制造缺陷，往往在继电器的技术文件中又没有明确加以描述。如果我们在使用中对这些特征认识不清，没有采取必要的技术防范措施，就可能引起电子设备出现意想不到的、捉摸不定的故障，影响使用设备的可靠性。1 线圈的瞬态抑制问题 电磁继电器的激励线圈是个电感元件，当线圈断电时，会产生一个数百伏的反电势。作用到电源回路中去，会对其他微电子器件产生不良影响。为此普遍地在继电器线圈两端加“瞬态抑制电路”。 线圈瞬态抑制电路有多种多样（请查阅有关文献资料）。值得注意的是，它们在成本，占用空间，极性要求，温度特征，对线路浪涌的敏感性，特别是对继电器的释放时间、切换功率、继电器的电寿命等方面，存在着程度不同的影响。用户应根据具体使用要求，特别是对继电器本身的不良影响，慎重地作出选择。推荐使用二极管加电阻，双二极管串联，二极管加稳压管抑制电路。2 线圈的激励电压 a 继电器线圈采用欠压激励是不允许的。连续工作的继电器所加电压应为额定电压，波动在10%以内。 b 继电器线圈采用串电阻降压或过压激励的方式会加剧继电器的机械磨损，触点电蚀，触点寿命减少，也是不正确的使用。 c 在复杂的控制电路中，把多只不同类型的继电器线圈并联集中控制是不正确的。正确的联接方式。3 继电器的电磁干扰问题 电磁继电器的感应机构是由电磁铁构成。存在着漏磁场和磁分路的问题，使用中应注意： a 磁性敏感元件（如磁性姿态控制传感器）安装位置应远离电磁继电器； b 不应将电磁继电器安装在用铁磁物质制成的安装板或仪器盒上； c 相邻同类继电器的安装排列间距，按总规范GJB65A或GJB2888的规定，网格间距式，安装间距沿磁轴线方向排列间矩应为1.27mm的整倍数。最近的网格间距，最小为2.54mm。层间间距为3.18mm的整倍数最靠近的板间间隔。非网格间距式的，用户在订货前应与本公司协商或通过验证试验来加以确定。4 继电器的安装方式对抗振性的影响 继电器不同的安装方式，在不同的振动方向，加速度的放大的程度有很大差异。QJ546-89中规定的五种安装方式中，加速度放大的程度，从小到大秩序为C型B型E型A型D型。 继电器的安装板（特别是印刷电路板）应进行抗振设计，以保证足够的强度和谐振频率在使用频率之外，或与所用继电器固有频率错开，以防止在使用中因谐振和加速度放大造成继电器的失效。5 继电器触点的联接方式问题 a 冗余技术 将继电器触点串、并联可以提高其接通、断开的可靠性。目前多数采用将两个（或以上）同类型，两组触点串并联使用来提高其可靠性。其可靠度 Rt=1-(1-R)n Rt为并联后的可靠度 R 为每个继电器的可靠度 为了提高继电器切断电路的能力，也有采用触点串联式的。但一般不推荐简单采用触点的串联形式。 为保证继电器触点串并联使用时的可靠度： （1）不允许将两个触点并联起来去切换一个大于单个触点额定负载（电流）的电路； （2）不允许将两个触点串联起来去切换一个高于单个触点切换能力（电压）的电路。 b 触点的降额使用 继电器触点在切换低于自身额定负载（阻性电压电流）时，其寿命次数可以延长，可靠性提高。 降额范围应在每种具体继电器中等电流额定值以上到额定值的50%70%范围内。若低到6V，100MA以下，应按照低电平或中等电流的条件和本公司协商并在订货合同中加以注明。 c 应避免的触点联接方式 航天继电器的体积小，重量轻，动作速度快。触点联接应避免采用所谓“竞争电路”（即触点转换时间与触点燃弧时间的竞争）。6 不同性质负载的影响 继电器在实际使用中，许多问题是出在实际负载性质与继电器触点规定的额定阻性负载性质不同而引起的。切不可认为继电器的触点无论是什么性质的负载都能切换额定电流值。实际继电器触点负载有：阻性负载，直流感性负载，电机负载，灯负载，容性负载，低电平负载等。 受接点参数、切换功率大小、负载性质变化等因素影响，各家产品均有不同，我公司给出的触点切换不同性质负载大体的电流比例，如下表所示。额定阻性负载直流感性负载电机负载灯负载100%2530%1520%1015% 继电器触点对不同性质负载的切换能力和触点的设计参数有关。用户应将实际负载参数提供给制造厂与之协商，并通过试验验证加以确定，以保证使用的可靠性。不同型号继电器切换不同负载能力亦有区别，具体情况使用者应向工厂咨询。 低电平负载是指通过继电器的触点来传输毫伏级、微安级电信号。这里的主要问题是如何保证接触电阻低而稳定，以减少信号衰减，保证接触可靠的问题。因而用户在这种条件下使用继电器时应在合同中注明，事前和制造厂协商，以便采取特殊的设计工艺，试验检测、筛选措施。 容性负载易造成电磁继电器触点粘连失效，应特别关注，目前国内外尚无厂家能明确给出降额值，可采用并联系统电路或选择合适类型继电器办法解决工程问题。7 灭弧电路 当继电器的触点负载为感性或电机负载时，为消除反电势和泄放磁场能量，减少电弧的影响，应采用“触点保护电路”或称“灭弧电路”。 灭弧电路有多种多样。它们在成本，占用空间，极性要求，温度特性，灭弧速度，对继电器触点负载功率的影响方面存在差异（请参阅有关文献资料）。用户应根据实际需要，考虑对继电器负载功率与电寿命的影响来慎重选择“灭弧电路”。