舌簧繼電器是本質(zhì)上可靠的設備。然而，不正確的使用可能會(huì )損害可靠性。 Kevin Mallett 解釋了使用不當會(huì )如何縮短舌簧繼電器的使用壽命并導致過(guò)早失效。

當在指定的操作參數范圍內使用時(shí)，舌簧繼電器可以執行數百億次操作，而性能變化很小或沒(méi)有變化。例如，每天每小時(shí)運行 100 次（24 小時(shí)周期），大約需要 1141 年才能達到 10 億次運行的里程碑。增加操作頻率不應引起關(guān)注，因為要達到每分鐘 100 次操作 19 年后才能達到相同的里程碑，而每秒 100 次操作則需要近 4 個(gè)月。

誠然，您不太可能設計預期壽命為 1000 年的產(chǎn)品或系統，但我們的觀(guān)點(diǎn)是：對于大多數處于常規的切換頻率的應用，您只需要考慮在您的系統產(chǎn)品達到其預期使用壽命之前，繼電器（如果使用正確）簧片的使用不會(huì )超過(guò)預期壽命。

然而，很難為舌簧繼電器簡(jiǎn)單描述可靠性指標。雖然固態(tài)設備（例如數字 I/O 緩沖器等集成電路 （IC））的平均故障間隔時(shí)間 （MTBF） 表示為預計的故障間隔時(shí)間，但舌簧繼電器的預期壽命很大程度上取決于它正在切換的能量和它正在傳導的電流。

某些應用需要繼電器在每次操作時(shí)切換相同的電壓和電流。也有應用會(huì )切換不同的電壓和電流。

不正確使用舌簧繼電器可能會(huì )導致設備發(fā)生永久性或間歇性故障，并可能損壞與其關(guān)聯(lián)的電路（以及擴展產(chǎn)品/系統）的其他部分。但即使在此類(lèi)故障發(fā)生之前，您也可能會(huì )看到繼電器性能下降，也可能會(huì )對產(chǎn)品和/或系統產(chǎn)生連鎖反應。

永久性故障

一旦投入使用，舌簧繼電器可能失效的類(lèi)型之一是簧片已熔合在一起，導致開(kāi)關(guān)永久閉合。

而簧片熔斷通常是由于熱切換而導致的（見(jiàn)圖 1），即當舌簧繼電器使能（線(xiàn)圈通電，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合）時(shí)，觸點(diǎn)兩端的電動(dòng)勢產(chǎn)生了大電流。例如，您可能將高電壓切換至低電阻負載。此外，如果負載具有顯著(zhù)的電容性或電感性，那么還會(huì )出現其他問(wèn)題。

當舌簧繼電器的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，容性負載將吸收初始高電流（稱(chēng)為浪涌電流）。

感性負載會(huì )帶來(lái)不同類(lèi)型的問(wèn)題。打開(kāi)舌簧繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，通常會(huì )出現電壓尖峰和高電流。這是因為反電動(dòng)勢。

請注意，盡管我們在上面提到了電壓和電流，但會(huì )造成損壞的電壓和電流不一定很高。關(guān)鍵是能量。例如，正如讀者所知，電容器中能量的表達方式之一是 CV2/2。這意味著(zhù)充電至 5V 的 1μF 電容器可存儲 12.5μJ 的能量，這足以使簧片開(kāi)關(guān)粘住。

無(wú)論釋放能量的原因是什么，也無(wú)論開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)是打開(kāi)還是閉合，熱開(kāi)關(guān)期間都可能會(huì )產(chǎn)生電弧。

圖 1：熱切換期間產(chǎn)生的電弧會(huì )損壞簧片

注意：也可能出現繼電器永久無(wú)法斷開(kāi)的情況，即向線(xiàn)圈提供所需的功率不再導致簧片開(kāi)關(guān)閉合，但這在很大程度上取決于簧片的設計和/或制造質(zhì)量（我們將在第 2 部分中討論）。也就是說(shuō)，不正確的使用（溫度和/或磁性相互作用 - 見(jiàn)下文）也可能導致觸點(diǎn)無(wú)法閉合。

性能下降

給線(xiàn)圈通電導通開(kāi)關(guān)，給線(xiàn)圈斷電斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)所需的時(shí)間取決于磁場(chǎng)的強度，而磁場(chǎng)的強度又取決于流過(guò)線(xiàn)圈的電流。

為了確保電流足夠高，所有舌簧繼電器都設計為在一定程度的過(guò)載下運行。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)載會(huì )縮短操作時(shí)間，但會(huì )增加釋放時(shí)間。這是因為線(xiàn)圈的磁場(chǎng)需要更長(cháng)的時(shí)間才能消失。圖 2 顯示了過(guò)載與操作和釋放時(shí)間之間的關(guān)系。

圖 2：上圖顯示了磁簧開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間如何隨電壓過(guò)載變化。數據是從 Pickering Electronics 109P-1-A-5/2D 舌簧繼電器記錄的，該繼電器的標稱(chēng)線(xiàn)圈電壓為 5V，并包含一個(gè)用于抑制反電動(dòng)勢的二極管。 0% 過(guò)載相當于約 2.7V，剛好足以閉合觸點(diǎn)。在40% 的過(guò)載情況下，相當于 3.75V。這是繼電器數據表中規定的“必然動(dòng)作電壓”。此外，其標稱(chēng) 5V 相當于 2.7V 上的 85% 過(guò)載?；蛘?，換句話(huà)說(shuō)，其標稱(chēng) 5V 是具有 33% 過(guò)載的“必然動(dòng)作電壓。

上述數據是在受控環(huán)境條件下收集的。然而，溫度也會(huì )產(chǎn)生影響。因為繼電器的線(xiàn)圈是由銅制成的，其溫度系數幾乎為每度 0.4%，隨著(zhù)溫度的升高，銅的電阻也會(huì )增加。溫度升高 25°C 相當于電阻增加 10%。

由于為繼電器線(xiàn)圈供電的電壓很可能來(lái)自集成電壓調節器（IVR – 接近恒定），因此通過(guò)線(xiàn)圈的電流將減少 10%。

如果您知道繼電器將在明顯高于額定溫度的環(huán)境中工作，那么比較好的設計實(shí)踐是增加一點(diǎn)過(guò)載（電壓）。但請注意，過(guò)多的過(guò)載也會(huì )導致額外的發(fā)熱。

性能下降的另一個(gè)方面是磁簧開(kāi)關(guān)接觸電阻的增加。

在電子行業(yè)中，接觸電阻達到 1Ω 或以上就被認為是舌簧繼電器的使用壽命終止。然而，這個(gè)數字有些隨意，是為了方便而選擇的。對于大多數繼電器，接觸電阻為 0.1Ω。是的，十倍肯定是壽命終止，但實(shí)際上，例如，如果繼電器用于精密儀器，0.2Ω 的接觸電阻可能會(huì )導致問(wèn)題。

如果閉合的磁簧開(kāi)關(guān)傳導的電流很高，就會(huì )導致發(fā)熱。當接觸電阻為0.1Ω時(shí)考慮冷切換2A。這會(huì )產(chǎn)生 400mW 的熱量（即 P = I2R）。如果接觸電阻高達 1Ω，則為 4W。

如前所述，熱量會(huì )削弱線(xiàn)圈的磁場(chǎng)，因為流經(jīng)線(xiàn)圈的電流不足（如果未考慮電壓過(guò)驅動(dòng)）。此外，如果開(kāi)關(guān)變得非常熱，也會(huì )失去磁性（基于居里效應）。當開(kāi)關(guān)冷卻后，這些屬性可以恢復。

然而，如果磁簧開(kāi)關(guān)輸入側的電流仍然存在，則該器件在返回工作狀態(tài)時(shí)會(huì )處于熱開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且其壽命將會(huì )縮短。

間歇性故障

除了性能下降之外，舌簧繼電器的不正確使用也會(huì )導致間歇性故障。如前所述，溫度可能是一個(gè)問(wèn)題。過(guò)載不足是另一個(gè)問(wèn)題，在這方面，盡管舌簧繼電器可能已正確指定，但如果在需要操作（線(xiàn)圈通電）觸點(diǎn)時(shí)有某種原因導致 PCB（安裝有設備）上的電源電壓下降，可能無(wú)法關(guān)閉。

間歇性故障的另一個(gè)（且經(jīng)常被忽視的）原因是磁干擾。其常見(jiàn)來(lái)源是未屏蔽繼電器（我們將在第 2 部分中討論屏蔽），這些繼電器在 PCB 上放置得太近。見(jiàn)圖 3。

圖 3：上圖展示了彼此靠近放置的非屏蔽舌簧繼電器的磁場(chǎng)如何相互作用。

磁干擾也可能來(lái)自變壓器、螺線(xiàn)管、揚聲器或其他具有強磁場(chǎng)的組件。

有趣的是，盡管簧片很柔軟并且它們之間的間隙非常小，但振動(dòng)幾乎不是間歇性故障的原因。舌簧繼電器的質(zhì)量非常輕。注：Pickering Electronics 的一些鐵路行業(yè)客戶(hù)已在 50G 下測試了舌簧繼電器，沒(méi)有出現任何故障。

重要提示

如果使用不當，舌簧繼電器的性能會(huì )下降，其可靠性也會(huì )受到影響?？赡軙?huì )發(fā)生間歇性和永久性故障。為了降低出現上述情況的風(fēng)險，我們建議：

確保負載條件（正在切換的電壓和電流）在設備的總體額定功率范圍內。

考慮電容和/或電感如何影響負載條件。

確保施加在線(xiàn)圈上的電壓接近設備的標稱(chēng)線(xiàn)圈電壓，并且不會(huì )受到驅動(dòng)器上壓降的影

請注意可能影響操作的外部影響，特別是溫度和磁相互作用。

除上述內容外，我們建議您了解哪些操作參數對應用很重要以及哪些因素可能會(huì )影響它們。此外，雖然我們在本文開(kāi)頭說(shuō)舌簧繼電器在達到使用壽命之前可以執行數百億次操作，但如果應用程序發(fā)現設備在其指定的操作參數之外工作，則該數字將大大減少。

最后，在保障產(chǎn)品/系統的可靠性方面，正確選擇舌簧繼電器非常重要。除了基本規格（例如額定功率、**開(kāi)關(guān)電流以及操作和釋放時(shí)間）外，設備還必須精心設計和制造。

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