如何設計與構造舌簧繼電器以確保其可靠性

在正確使用的情況下，舌簧繼電器的壽命取決于其設計和制造的好壞。本文解釋了優質舌簧繼電器的構成要素，可以為設計和構造舌簧繼電器作參考。

不正確的使用會縮短舌簧繼電器的使用壽命，可能發生間歇性或永久性故障。換句話說，假設正確選擇了器件，用戶有責任遵循預期的操作參數來使用它。然而，對于全新的繼電器，其可靠性和在現場能夠工作的時長依賴于制造商的設計實踐（包括材料的選擇）和制造工藝（應通過檢查和測試來驗證）的共同作用。

在深入討論這些主題之前，我有必要先表達一下我們（Pickering Electronics）有資格撰寫本文的原因。自 1968 年成立專門的繼電器部門以來，我們一直致力于開關技術領域，目前我們的產品家族已超過 1，100 種型號。另外，我在本文中的討論限制于相對簡單的設備，即具有單個干觸點的開關。然而，我將要討論的有關通過設計、制造和測試確保質量的所有內容也適用于更復雜的設備，例如雙刀開關和換向開關，以及具有濕/汞觸點的器件。另外，我只能解釋一下 Pickering 是如何保證設備質量的。其他制造商有自己的設計、制造工藝和對質量保證的態度。

舌簧繼電器的結構和操作都相對簡單（見圖 1）。有兩個主要子組件：

舌簧開關，通常是密封在玻璃管內，包含兩個重疊但不接觸的鐵磁性簧片。

一個線圈（圍繞舌簧開關管），當有足夠的電流通過時，會產生足夠強的磁場，使簧片極化，使簧片相互彎曲直至接觸。

一些舌簧繼電器的線圈上可能還并聯一個二極管，以減少線圈斷電時反電動勢的影響。

圖 1 - 上圖展示了帶有單個開關的舌簧繼電器的工作原理。沿著舌簧開關的軸向引入磁場會磁化簧片，它們會因為極性相反而相互吸引。

盡管開關中的簧片在線圈產生的磁場的影響下發生偏轉，但它們并不被視為運動部件。另外值得注意的是，與機電繼電器不同，開關觸點密封在玻璃管中，這可以保障它們免受環境影響，意味著它們可以在需要避免火花的潛在危險環境中使用。

此外，與固態器件相比，開關過程中不涉及半導體材料，因此舌簧繼電器不易受到瞬變和靜電的損壞。它提供了更好的電氣隔離，并且還可以切換交流電。

設計

任何設備都可以按照高標準制造，但如果其設計不可靠且在現場使用壽命較長，那么一切都是徒勞。設計目標將包括實現某些性能目標（例如高關斷電壓、最大開關電壓和線圈工作時間）以及對驅動器件的電路非常重要的工作特性。這些特性包括線圈電壓和電阻。

可以說，最重要的元件是舌簧開關。如前所述，兩個重疊的刀片/簧片。它們由鐵磁材料（通常是鎳鐵）制成，涂有銠、釕或鎢；最后一種通常用于高壓開關應用。

刀片的長度和橫截面積也很重要。較長的刀片比較短的刀片更容易偏轉。但如果尋求物理尺寸較小的繼電器，則必須縮短刀片長度。為了輕松彎曲，需要減小其厚度。減少其寬度也是一種選擇，但這樣做會減少接觸面積，從而減少可切換的功率水平。

可以理解，線圈在舌簧繼電器的操作中起著至關重要的作用。然而，它是否與舌簧開關直接接觸，或者兩者之間是否有線圈架（又名線軸），都會產生影響。使用線圈架會占用空間并弱化開關中的磁場。Pickering的產品均采用無支架繞線的設計。

關于場強，如果希望線圈有較高的電效率，理想情況下場強應該集中。在這方面，磁屏蔽的使用不僅將磁場集中在簧片周圍，而且還能保護它們免受其他磁影響（例如來自附近未屏蔽繼電器的磁場 - 見圖 2）。 Pickering 選擇的屏蔽材料是高導磁合金（Mu-Metal），與鋼不同，它具有非常高的磁導率和非常低的剩磁。

注意：當切斷驅動線圈的電能時，干簧管內的簧片會在自身彈力的作用下彈開。靈敏度較低的開關需要較多的能量來閉合觸點，但在斷電時其簧片的恢復力也較大（我們在本文的第 1 部分中討論過）。同樣，無支架繞線的設計是最好的選擇。

圖 2 – 與屏蔽線圈相比，非屏蔽線圈需要更高的線圈電流，并且可能會影響相鄰（也是非屏蔽）設備中的舌簧開關。

這里再次觸及簧片問題。顯然，金屬引腳與玻璃管兩端必須牢固地固定。然而，這兩個玻璃/金屬密封件又相對脆弱。這兩個封口處乃至整個玻璃管必須得到妥善的保護，免受物理沖擊和內應力（通常來自熱循環）破壞，以保持管內部真空（或防止惰性氣體逸出）。

Pickering 的解決方案是使用 SoftCenter 封裝材料系列，其中包括高性能硅膠和聚氨酯。它們灌注了線圈和開關，并允許組件在熱循環下適度膨脹。

圖 3 顯示了 Pickering 的無支架線圈以及 SoftCenter 設計中的所有子組件。

圖 3 – 設計可靠：無支架線圈具有更高的電效率，SoftCenter 化合物提供機械保護，高導磁合金屏蔽可聚攏磁場，同時保護開關免受外部 EMI 影響。

生產制造

實施設計并充分利用所選材料需要高質量的制造技術。在Pickering，制造過程包括三個主要階段：

干簧管插入預繞線圈中。如前所述，兩者之間不存在支架。然后，線圈粘合到玻璃管上（使用硅橡膠或高性能聚氨酯），以確保參照簧片之間的接觸間隙實現最佳對準。一般而言，必須非常小心地處理舌簧開關，因為如果兩個金屬/玻璃密封中的任何一個受損，開關的使用壽命都會大大縮短。高壓開關失去真空屬于破壞性的故障。

將開關和線圈組件（加上二極管，如果需要）添加到引線框架中。這里的一個要點是線線圈的導體非常細，在某些情況下低至 25μm。為了加強與引線框架的連接，Pickering會用幾股電線將它們絞在一起。

組裝好的引線框架（見圖 4）被倒置并放入倒置的封裝外殼中，高導磁合金電磁屏蔽預先放置在其中。 SoftCenter 材料被灌注到外殼中，直到覆蓋舌簧開關的玻璃/金屬密封件。接下來，灌注熱固化環氧樹脂，直到到達倒置殼體的邊緣。然后將該器件進行烘箱固化，以達到最佳的高絕緣電阻。固化后，移除引線框架的回收桿，只留下從器件中伸出的引腳。

圖 4 – 上圖是舌簧繼電器的引線框架。

檢驗與測試

應在每個制造階段進行目視檢查。在 Pickering，檢查包括尋找機械缺陷和不完美的焊點。

至于測試，對舌簧開關（例如測量隔離電壓）和線圈（例如其電阻）進行電氣測試。這些要在開關和線圈進入組裝工序之前進行批量測試。

器件制造完成后，會經歷以下熱循環：-20°C 下 60 分鐘，然后溫度升至 80°C 并保持 30 分鐘，然后降至 -20°C。這個循環重復三次。

然后進行各種電氣測試，以確保器件可靠運行且符合數據表中標稱的規格（包括吸合和釋放時間）。接觸電阻和線圈電阻也要測量（即使在組裝前進行了檢查）。此外，還要確認二極管（如果安裝）工作正常。

進行測試以確認設備絕緣性能符合規范。這對于要求在極低漏電流的應用中使用的器件尤其重要。例如，舌簧繼電器可以用于執行絕緣測試的設備中。

本質上，所有器件要100%通過測試——就絕對必須執行的測試而言。即使如此，也可以根據客戶的要求進行額外的測試?？赡馨?a href="http://www.qd573.com/tags/電容/" target="_blank">電容測試或更高絕緣性能的測試。

所有測試結果和（檢查）觀察結果都會被記錄下來，這不僅是設備質量保證的一部分，也是公司持續改進流程的一部分。

小結

開箱即用的可靠性來自于三件事。首先，舌簧繼電器的設計必須符合標稱的電氣和機械特性，提供高性能和較長的使用壽命。其次，此器件必須使用能夠實現預期功能的子組件、材料和技術來制造。最后，必須對舌簧繼電器進行全面測試，以驗證其滿足設計和制造目標。

當制造商在這三方面都做得很好時，這意味著舌簧繼電器的性能將與其技術規格書完全一致。如果該設備在推薦的操作參數范圍內使用，可以長期可靠地運行。