深度解析干簧開關的負載轉換和開關保護

干簧開關的接觸特性是取決于開關的尺寸、干簧片之間空隙的大小或安匝數級別、觸點材料及玻璃管內氣體等因素。在特定的負荷下操作，為了令開關的壽命更長，一些預防措施是必要的。

因為一個干簧開關只是一個帶可動零件的機械式的裝置，干簧片的磨損可能會縮減它的壽命。如果切換無負荷或負荷電壓低過5V@10mA時，開關的磨損程度是很小，甚至無磨損，這時它可以操作超過十億次。如果負荷電壓達到10V，開關的磨損程度就會相對地增加，磨損程度取決于開關切換多少的電流。一般而言，切換電壓是10V 和電流是10mA，預期的開關壽命可以操作五千萬次到兩億次，在同樣的環境下，如果希望開關更長壽而又不能減低實際需要切換的負荷，那么含水銀的干簧開關可能是最佳選擇，這種開關含少量的水銀，因此在任何時候干簧片之間都是沒有凈金屬傳送的，這種含水銀的開關，在10mA下轉換上百伏的電壓也可達數十億次。

通常我們建議切換直流負荷，我們的所有開關壽命測試數據也都是在這種情況下獲得的，同時應該要注意避免帶有導向或蔓延的功率因素。

當開關打開時，負荷帶有整體的凈電感會對開關帶來巨大破壞，因為開關打開過程是十分快的，在公式#1內的di/dm 會變得非常大而且開關會承受電弧放電。

開關有整體的凈電容性負載時，開關閉合會有電流涌入，從而導致開關損毀并甚至令干簧片互相黏住，具體情況取決于總電容負載，現時電壓和串聯的電阻值。

鎢絲燈泡對干簧開關而言是一個非常普遍的切換負載，尤其是在汽車工業中， 由于鎢絲是冷的，一旦開燈有電流流入時，鎢絲內的電阻會急速地提升來減低電流。一般的電流沖擊是10 到20次，之后會進入穩定期。如要確定電流流入的多少，冷鎢絲電阻是很重要的，加配一些串聯電阻到同一個線路內可以令開關壽命得到顯著的改善。

電容與電感負載

當切換任何電壓和電流 時 ， 寄生電容有一定的代表性，當切換既定的電壓和電流時，首50ns(50x10-9秒)是最重要的，因為這是電弧放電期（見圖#46) 。如果線路上的寄生電容數量較大(取決于切換的電壓量)，這時更大的電弧有可能會發生，因此會縮減開關的壽命。當切換任何較大的電壓時，放置電流探針于線路中來查看首50納秒確實的切換情況往往是一個明智的方法。整體來說，當切換電壓超過50伏時， 50pF(10-12 法拉)或更多的電容會對開關預期壽命產生顯著的影響。如果干簧開關的操作是線控，這條線的作用可以相當于一條長的電容，防護物和其它電容性的組件都能為涌入的電流提供電容。

(圖#46，當寄生電容切換為恒流輸出電壓，開關閉合時可能會有電流大量涌入從而造成開關壽命明顯縮短。)

共享電壓模式也是要注意一個方面，它對干簧開關的壽命也有很大影。在不同的線路和環境下共享電壓模式可以對寄生電容產生影響并非預期性的減低干簧開關壽命。(見圖#47) 重申一遍，一只快速的電流探針可以在首50ns 探測到驚人的切換電壓和電流，這個值與電路的本身實際負荷無關。當有線路電壓存在或接近敏感線路就應十分小心。這些電壓在線路上可能連接成電路，從而影響到您所要求達到的產品使用壽命。

干簧開關的使用壽命縮短通常都被歸因于開關本身的問題，而實際情況是可能是線路上預料之外的情況所造成的。

(圖#47，共享電壓模式令寄生電容充電并切換流經過觸點，這會急速地減低干簧開關的壽命的，因此避免這種情況是十分重要的。)

電路保護

在以上情況中，可以加設電路保護以減低切換時的金屬轉移。

圖#48 所顯示的是一個非常典型的電路，電容有時可能只有幾Pf（皮法），這種情況可以從mf（毫發）范圍內的寄生電容或實際電容性的元件上找原因。電路內的電容器會儲存電荷，它本身的性質決定了它傾向于盡可能快的釋放所有電荷。在電路沒有加設一些電阻或阻抗時，這種現象是不可避免的。

(圖#48， 直接切換電容時，突然流入的高電流會迅速的損壞開關。加設電阻或感應器可以減低突入電流并降低開關的耗損。)

公式#2 和公式#3 陳述了一個電容電路的電壓和電流，而公式#3 是陳述電容性的放電比率。

當干簧開關觸點閉合時，應盡量避免或降低突入電流。如果您的電路容許干簧開關線路內直接加設串聯電阻，那是最佳的選擇。在圖#48 中電阻值越大越好，在電路上使用感應器或加上電感，也同樣有效。感應器能在阻止最初的電流流入以減小突入電流。此時有一點需要留意的，一定要小心計算一個平衡點，不可配用太多的電感，以防影響到開關效能及在開關打開時會產生的其它問題。

切換電感負載如繼電器，螺線管，線圈計算器，小型馬達或電感電路等都需要防護電路去延長干簧開關的壽命(見圖#49)。公式#1 描述感應性的關系。一旦電流流過電感器，它會傾向維持這個電流，如果這電流突然間終結，公式#1內的di/dt可以變得很大，這凈效應可以由大的電流流經過開關造成。在開關打時，電弧放電會隨之而起，如果這電弧放電持續產生則會造成開關破裂。很多時候可通過加設RC 網絡和二極管遏抑器令雙方互相抑制(見圖#49)。

(圖#49，突然開放一個帶有電感器的電路會產生一道很大的逆電壓，加設一個同線圈并列的二極管可以減低這電壓，一個穿過開關RC 網絡也能起到同樣的作用。)

突入電流負荷

當電燈負荷剛起動時也會產生非常高的突入電流。目前典型的鎢絲是用在小型的電燈泡內，當燈泡啟動時，會承受到比通常操作電流高10倍的突入電流(見圖#50)。在電燈內加設一連串電阻可以有效地減低突入電流并在延長干簧開關的壽命起到重要作用。

另外一個方案，如圖#50 所示，是加設一組并聯的電阻器穿開關。于這情況下，微量的電流會流經過燈絲來維持熱度和高阻值，這電流是平衡的，此時燈絲不會有發強光的現象出現?，F在當干簧開關被激活時，開關電流會接近它的穩態電流。

(圖#50，由于鎢絲本身是冷的，當電燈第一次開啟時會有一道非常高的突入電流產生，加設連串電阻可以減低突入電流。如在開關加設一組并聯的電阻器，這樣可以容許一道微量電流流動，加熱電燈泡的烏絲，當開關閉合時，由于烏絲是熱的，這樣就不會引發起突入電流了。)

審核編輯：黃飛