淺析電磁繼電器的選型及可靠使用

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 呂 冰 魏一鳴 肖衛(wèi)鎮(zhèn)

文章主要介紹了電磁繼電器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)，提出了電磁繼電器選用要求，并對(duì)電磁繼電器的正確使用提出了具體措施，提高了電磁繼電器的使用可靠性，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性要求。

繼電器（英文名：REALY）是一種控制元件，當(dāng)輸入量（電、磁、光、熱等物理量）達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，使被控制量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種器件。通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路，它實(shí)際上是一種隔離控制與被控制電路的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，故常在電路中起到自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

繼電器按工作原理不同可分為：

（1）電磁繼電器：利用電磁感應(yīng)原理工作，一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。

（2）固態(tài)繼電器：利用電子元件（如：開(kāi)關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件）的開(kāi)關(guān)特性，由微電子電路、分立電子器件、電子功率器件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。

（3）其他特殊繼電器：如溫度繼電器、壓力繼電器、光繼電器、瓦斯繼電器、霍爾效應(yīng)繼電器等。

由于電磁繼電器具有體積小，功耗小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使其得以廣泛應(yīng)用于航空、航天、通訊等軍、民用電子設(shè)備中。因此如何正確選擇、應(yīng)用電磁繼電器，滿足電路可靠性要求，是設(shè)計(jì)人員關(guān)心的問(wèn)題。本文就此探討電磁繼電器的選型及使用可靠性問(wèn)題。

1 電磁繼電器的種類

1.1 電磁繼電器的種類

電磁繼電器是利用輸入信號(hào)（電壓、電流）在電磁鐵鐵芯中產(chǎn)生電磁力，吸引銜鐵，從而使觸點(diǎn)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)斷開(kāi)、閉合或轉(zhuǎn)換控制的一種機(jī)電元件。

電磁繼電器根據(jù)輸入信號(hào)信號(hào)不同可分為直流繼電器（控制信號(hào)為直流）和交流繼電器（控制信號(hào)為交流）兩類。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)輸入信號(hào)的不同分別選用。

此外根據(jù)線圈輸入信號(hào)還可已分為電壓型繼電器及電流型繼電器。電壓型繼電器線圈匝數(shù)較多，導(dǎo)線較細(xì)，阻抗較大；電流型繼電器剛好相反，線圈匝數(shù)較少、導(dǎo)線較粗，阻抗較小。一般情況下兩者不能互換使用，以免損壞器件或?qū)е缕骷荒苷９ぷ鳌?/p>

目前生產(chǎn)主要以電壓繼電器為主，電流繼電器品種較少。根據(jù)不同的用途可分為：

通用繼電器：除磁保持繼電器以外，一般用途的繼電器。

靈敏繼電器：輸入很小的功率（通常不超過(guò)100mW）。

磁保持繼電器：由控制信號(hào)激勵(lì)使其觸點(diǎn)觸點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)控制信號(hào)撤除后，仍保持激勵(lì)時(shí)的狀態(tài)，必須施加反向的控制信號(hào)方能使其觸點(diǎn)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)的繼電器。

延時(shí)繼電器：有延時(shí)或定時(shí)功能的繼電器。

1.2 繼電器的主要技術(shù)指標(biāo)

電磁繼電器屬于機(jī)電元件，主要包括機(jī)械指標(biāo)和電氣指標(biāo)。

（1）機(jī)械指標(biāo)包括：封裝形式包括：敞開(kāi)式、封閉式、密封式（非氣密、氣密），尺寸、重量、安裝方式、觸點(diǎn)動(dòng)作壽命、引出端形式等。

（2）電氣指標(biāo)包括：電阻特性：包括線圈電阻，觸點(diǎn)的斷開(kāi)電阻、觸點(diǎn)的接觸電阻。繼電特性：包括吸合電壓及釋放電壓。時(shí)間特性：包括吸合時(shí)間、釋放時(shí)間及觸點(diǎn)抖動(dòng)、回跳時(shí)間。負(fù)載特性：包括觸點(diǎn)負(fù)載電流及負(fù)載電壓，線圈的額定電壓、電流。

（3）其他技術(shù)指標(biāo)：質(zhì)量等級(jí)、環(huán)境等級(jí)。

2 電磁繼電器的選型

要正確選用電磁繼電器，首先要了解控制對(duì)象的特點(diǎn)，明確電路輸入信號(hào)的電氣特性，負(fù)載特性；明確系統(tǒng)初始狀態(tài)要求，明確系統(tǒng)使用環(huán)境，可靠性要求。

選用電磁繼電器一般遵循以下步驟：（1）依據(jù)輸入信號(hào)參數(shù)確定電磁繼電器種類及輸入?yún)?shù)；（2）依據(jù)負(fù)載要求確定電磁繼電器的觸點(diǎn)種類和參數(shù)；（3）依據(jù)使用環(huán)境及系統(tǒng)可靠性要求選擇合適的環(huán)境等級(jí)和質(zhì)量等級(jí)；（4）依據(jù)安裝位置選定電磁繼電器結(jié)構(gòu)形式；（5）最后在滿足系統(tǒng)要求的前提下選擇最經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。

3 電磁繼電器的可靠使用

據(jù)統(tǒng)計(jì)失效電磁繼電器中大約30%為使用不當(dāng)導(dǎo)致，因此如何正確使用電磁繼電器，提高電磁繼電器的可靠性，是設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)。這里重點(diǎn)分析在使用中如何提高電磁繼電器的可靠性。

3.1 觸點(diǎn)的可靠性提升

大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明電磁繼電器的常見(jiàn)失效模式中，44%為觸點(diǎn)開(kāi)路，40%為觸點(diǎn)粘連，14%為參數(shù)漂移，2%為線圈故障包括開(kāi)路與短路兩種故障類型。由此可見(jiàn)電磁繼電器絕大部分與觸點(diǎn)有關(guān)。

（1）觸點(diǎn)的降額

降額設(shè)計(jì)是將元器件或產(chǎn)品在實(shí)際工作中承受的各種應(yīng)力（電壓、功耗、溫度等）低于其設(shè)定的額定值。通過(guò)限制元器件所承受的應(yīng)力大小，達(dá)到降低元器件的失效率，是提高使用可靠性的有效手段。

電磁繼電器在使用中應(yīng)根據(jù)電路實(shí)際負(fù)載特性及負(fù)載電流進(jìn)行合適的選擇并進(jìn)行合理的降額。一般情況下廠家給出的電磁繼電器觸點(diǎn)額定負(fù)載是針對(duì)純阻性負(fù)載，在不同的負(fù)載下（如：電感、電機(jī)、燈絲等）應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的折算，具體折算標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 不同性質(zhì)負(fù)載觸點(diǎn)電流轉(zhuǎn)化表

但電磁繼電器的觸點(diǎn)負(fù)載不應(yīng)進(jìn)行過(guò)度降額，這是因?yàn)樵陬~定負(fù)載情況下，觸點(diǎn)間的電弧可以產(chǎn)生穩(wěn)定的清洗與拋光作用，保證觸點(diǎn)不被氧化，使觸點(diǎn)表面不致形成絕緣污染物。尤其是在中等電流負(fù)載（中等電流負(fù)載是指25mA至500mA的負(fù)載電流）情況下，會(huì)發(fā)生在工作一段時(shí)間后發(fā)生接觸電阻增大超過(guò)合格判據(jù)甚至開(kāi)路失效。如果繼電器需要工作在中等電流條件下，又對(duì)接觸電阻又有嚴(yán)格要求，需在定貨時(shí)向承制廠商提出要求，專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)在中等電流下工作、接觸電阻符合要求的繼電器。

（2）觸點(diǎn)組合方式及連接方式

應(yīng)根據(jù)電路實(shí)際選擇不同的觸點(diǎn)組形式及觸點(diǎn)組數(shù)量。常見(jiàn)的觸點(diǎn)組形式有常開(kāi)型，常閉型和雙擲型，具體見(jiàn)表2。

表2 常見(jiàn)的觸點(diǎn)組形式及代號(hào)

為提高觸點(diǎn)可靠接通，可將同一繼電器的兩組觸點(diǎn)并聯(lián)使用。但是流過(guò)觸點(diǎn)的電流必須小于單個(gè)觸點(diǎn)的額定電流。這是由于電磁繼電器為機(jī)電產(chǎn)品，多觸點(diǎn)繼電器在動(dòng)作時(shí)間及阻抗上有差異，在吸合或斷開(kāi)瞬間導(dǎo)致觸點(diǎn)超過(guò)額定功率使用，引起觸點(diǎn)燒蝕，繼電器失效。因此在將觸點(diǎn)并聯(lián)使用時(shí)，單個(gè)觸點(diǎn)的負(fù)載電流不得超過(guò)其額定電流。觸點(diǎn)并聯(lián)有助于防止開(kāi)路的失效模式，但對(duì)于觸點(diǎn)粘連的模式則有害。

為提高觸點(diǎn)可靠斷開(kāi)，可將同一繼電器的兩組觸點(diǎn)串聯(lián)使用。觸點(diǎn)的串聯(lián)有助于防止觸點(diǎn)粘連失效模式，但對(duì)于觸點(diǎn)的開(kāi)路模式則是有害的。

因此設(shè)計(jì)人員再采用觸點(diǎn)串、并聯(lián)提高觸點(diǎn)接觸可靠性時(shí)應(yīng)充分考慮負(fù)面影響，權(quán)衡利弊。

在電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)設(shè)計(jì)人員在使有多觸點(diǎn)繼電器時(shí)，使用一組觸點(diǎn)作為控制輸出，另一組觸點(diǎn)作為輸出檢測(cè)，但是該方式并不能完全反應(yīng)被控電路的工作狀態(tài)，存在很大的虛警及漏報(bào)情況。不建議使用該方式作為自測(cè)試。

3.2 電磁繼電器的瞬態(tài)抑制

電磁繼電器的瞬態(tài)抑制包括線圈的瞬態(tài)抑制及觸點(diǎn)的瞬態(tài)抑制。

（1）線圈的瞬態(tài)抑制

當(dāng)線圈的電流突然被切斷時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，該反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路內(nèi)其他元器件造成損傷，為將反向電動(dòng)勢(shì)抑制到可接受水平，減少對(duì)電路內(nèi)其他元器件影響，需在電路中增加抑制電路，使其降至可以接受的水平，不對(duì)其他元器件造成損傷。但是恰當(dāng)或者過(guò)度的抑制會(huì)對(duì)電磁繼電器的轉(zhuǎn)換時(shí)間、觸點(diǎn)回跳時(shí)間帶來(lái)影響，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選取抑制電路和抑制元器件參數(shù)。常見(jiàn)的抑制措施有：線圈并聯(lián)二極管，線圈并聯(lián)二極管電阻，線圈并聯(lián)抑制二極管，線圈并聯(lián)電容，電阻等。使用方式見(jiàn)圖1。

圖1 線圈的瞬態(tài)抑制方式

（2）觸點(diǎn)的瞬態(tài)抑制

觸點(diǎn)的瞬態(tài)抑制根據(jù)負(fù)載的不同可分為感性負(fù)載抑制和容性負(fù)載抑制。

當(dāng)觸點(diǎn)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，在觸點(diǎn)斷開(kāi)瞬間，負(fù)載中存儲(chǔ)的能量必須通過(guò)觸點(diǎn)燃弧來(lái)消耗。為了消除和減輕電弧對(duì)觸點(diǎn)的危害延長(zhǎng)觸點(diǎn)使用壽命，消除對(duì)系統(tǒng)其他電路的影響，通常采用抑制電弧的保護(hù)措施。常見(jiàn)措施有：①并聯(lián)電阻器；②并聯(lián)二極管和電阻器（在感性負(fù)載較小時(shí)也可以去掉電阻器）；③并聯(lián)齊納二極管。

當(dāng)觸點(diǎn)負(fù)載為容性或燈絲負(fù)載時(shí)，在觸點(diǎn)閉合瞬間，會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕。常見(jiàn)的措施是在觸點(diǎn)的輸出端串聯(lián)不大于10—100Ω的限流電阻來(lái)達(dá)到抑制沖擊電流的目的。

觸點(diǎn)采用抑制措施后，雖然可提高觸點(diǎn)的可靠性。但是由于觸點(diǎn)并聯(lián)了器件，會(huì)一定程度影響觸點(diǎn)的斷、通阻抗比。另外，抑制器件的可靠性要高于電磁繼電器本身，否則不但不能提高電磁繼電器的可靠性，反倒帶來(lái)不利影響。

結(jié)語(yǔ)：由于電磁繼電器，在實(shí)際電路中廣泛使用，且常常在整個(gè)控制電路中屬于關(guān)鍵控制元器件，同時(shí)繼電器又屬于可靠性較差的元器件。因此正確的選用、使用繼電器，達(dá)到系統(tǒng)的可靠性要求，需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)分析設(shè)計(jì)，進(jìn)行多輪的循環(huán)迭代設(shè)計(jì)。本文簡(jiǎn)要介紹了電磁繼電器的選用步驟，提出了電磁繼電器的可靠性設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，為設(shè)計(jì)人員正確選擇和使用繼電器提供了一定的參考。