如何正確使用以確保舌簧繼電器的可靠性？

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

當在指定的操作參數范圍內使用時，舌簧繼電器可以執行數百億次操作，而性能變化很小或沒有變化。例如，每天每小時運行 100 次（24 小時周期），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 個月。

誠然，您不太可能設計預期壽命為 1000 年的產品或系統，但我們的觀點是：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）簧片的使用不會超過預期壽命。

然而，很難為舌簧繼電器簡單描述可靠性指標。雖然固態設備（例如數字 I/O 緩沖器等集成電路 （IC））的平均故障間隔時間 （MTBF） 表示為預計的故障間隔時間，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切換相同的電壓和電流。也有應用會切換不同的電壓和電流。

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

永久性故障

一旦投入使用，舌簧繼電器可能失效的類型之一是簧片已熔合在一起，導致開關永久閉合。

而簧片熔斷通常是由于熱切換而導致的（見圖 1），即當舌簧繼電器使能（線圈通電，開關觸點閉合）時，觸點兩端的電動勢產生了大電流。例如，您可能將高電壓切換至低電阻負載。此外，如果負載具有顯著的電容性或電感性，那么還會出現其他問題。

當舌簧繼電器的開關閉合時，容性負載將吸收初始高電流（稱為浪涌電流）。

感性負載會帶來不同類型的問題。打開舌簧繼電器的開關觸點時，通常會出現電壓尖峰和高電流。這是因為反電動勢。

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

無論釋放能量的原因是什么，也無論開關觸點是打開還是閉合，熱開關期間都可能會產生電弧。

圖 1：熱切換期間產生的電弧會損壞簧片

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

性能下降

給線圈通電導通開關，給線圈斷電斷開開關。打開或關閉開關所需的時間取決于磁場的強度，而磁場的強度又取決于流過線圈的電流。

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載下運行。一般來說，過載會縮短操作時間，但會增加釋放時間。這是因為線圈的磁場需要更長的時間才能消失。圖 2 顯示了過載與操作和釋放時間之間的關系。

圖 2：上圖顯示了磁簧開關的打開和關閉時間如何隨電壓過載變化。數據是從 Pickering Electronics 109P-1-A-5/2D 舌簧繼電器記錄的，該繼電器的標稱線圈電壓為 5V，并包含一個用于抑制反電動勢的二極管。 0% 過載相當于約 2.7V，剛好足以閉合觸點。在40% 的過載情況下，相當于 3.75V。這是繼電器數據表中規定的“必然動作電壓”。此外，其標稱 5V 相當于 2.7V 上的 85% 過載?；蛘?，換句話說，其標稱 5V 是具有 33% 過載的“必然動作電壓。

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

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

如果您知道繼電器將在明顯高于額定溫度的環境中工作，那么比較好的設計實踐是增加一點過載（電壓）。但請注意，過多的過載也會導致額外的發熱。

性能下降的另一個方面是磁簧開關接觸電阻的增加。

在電子行業中，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 的接觸電阻可能會導致問題。

如果閉合的磁簧開關傳導的電流很高，就會導致發熱。當接觸電阻為0.1Ω時考慮冷切換2A。這會產生 400mW 的熱量（即 P = I2R）。如果接觸電阻高達 1Ω，則為 4W。

如前所述，熱量會削弱線圈的磁場，因為流經線圈的電流不足（如果未考慮電壓過驅動）。此外，如果開關變得非常熱，也會失去磁性（基于居里效應）。當開關冷卻后，這些屬性可以恢復。

然而，如果磁簧開關輸入側的電流仍然存在，則該器件在返回工作狀態時會處于熱開關狀態，并且其壽命將會縮短。

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導致間歇性故障。如前所述，溫度可能是一個問題。過載不足是另一個問題，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（線圈通電）觸點時有某種原因導致 PCB（安裝有設備）上的電源電壓下降，可能無法關閉。

間歇性故障的另一個（且經常被忽視的）原因是磁干擾。其常見來源是未屏蔽繼電器（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如何相互作用。

磁干擾也可能來自變壓器、螺線管、揚聲器或其他具有強磁場的組件。

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

重要提示

如果使用不當，舌簧繼電器的性能會下降，其可靠性也會受到影響?？赡軙l生間歇性和永久性故障。為了降低出現上述情況的風險，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。

確保施加在線圈上的電壓接近設備的標稱線圈電壓，并且不會受到驅動器上壓降的影

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影響它們。此外，雖然我們在本文開頭說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、最大開關電流以及操作和釋放時間）外，設備還必須精心設計和制造。