1 概述 繼電器是一種用途廣泛的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品，如空調(diào)器、彩電、冰箱、洗衣機等；也應(yīng)用于工業(yè)自動化控制和儀表。在電子元器件中，繼電器一般被認為是一種最不可靠的電子元件，在整機可靠性設(shè)計中，把繼電器、電位器、可調(diào)電感器及可變電容器列為建議不用或少用的元件。 但是，由于繼電器在控制電路中有獨特的電氣、物理特性，其斷態(tài)的高絕緣電阻和通態(tài)的低導通電阻，使得其它任何電子元器件無法與其相比，加上繼電器標準化程度高、通用性好、可簡化電路等優(yōu)點，所以繼電器仍得以廣泛應(yīng)用。隨著科技的飛速發(fā)展，繼電器在程控通信設(shè)備中的使用量還在進一步增加，所以，如何保證繼電器的可靠性，滿足整機系統(tǒng)的可靠性，成為人們關(guān)注的焦點。 電子元器件的可靠性應(yīng)由兩部分組成，一是元器件的固有可靠性；二是元件的使用可靠性。固有可靠性是元器件可靠的基礎(chǔ)，主要靠元器件制造商從設(shè)計、制造等方面進行有效的控制，以保證制造出來的元器件達到要求的可靠性等級。使用可靠性則是從使用入手，如何保證和提高元器件的可靠性，使其能滿足整機系統(tǒng)的可靠性要求。沒有高可靠質(zhì)量等級的元件，不可能制造出高可靠的電子設(shè)備，所以元器件的固有可靠性是整機可靠性的基礎(chǔ)。但是，有了高可靠質(zhì)量等級的元件也并不一定能制造出高可靠的整機，這里面就有—個使用可靠性的問題。所謂使用可靠性，就是根據(jù)各種元器件的特點利用可靠性設(shè)計技術(shù)，即元器件的合理選用、降額設(shè)計、容差與漂移設(shè)計、抗振設(shè)計、熱設(shè)計、三防設(shè)計、抗幅射設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、人機工程設(shè)計及維修設(shè)計等，最大限度的發(fā)揮元器件固有可靠性的作用，以達到整機系統(tǒng)的可靠性要求。 根據(jù)有關(guān)部門對整機失效原因的分析統(tǒng)計，其中有百分之四十以上的故障是由于元器件選用不合理造成的。隨著元件制造技術(shù)的不斷提高，在元器件的固有可靠性已經(jīng)有了較大提高的情況下，使用可靠性就顯得特別重要，而且，隨著整機系統(tǒng)功能愈來愈全，所用元器件愈來愈多，對可靠性要求也愈來愈高，所以使用可靠性也愈來愈受到科技界的重視，并且發(fā)展成一門新的學科一人為工程。 由于繼電器是一種機電一體化的元件，是由電磁及機械傳動部分組成的，與其它電子元件相比，要復雜得多，加之在制造過程中有些裝配調(diào)整是手工操作，所以產(chǎn)品的一致性和可靠性要差一些。但是，如果在使用中采取一些防范措施，仍能達到較滿意的效果。在對失效繼電器進行失效分析中發(fā)現(xiàn)，由于使用原因造成的失效約占百分之三十以上。由以上分析可知，繼電器可靠性不高，除自身質(zhì)量原因外，使用不當也是一個主要原因?，F(xiàn)在，我們重點研究如何在使用中提高繼電器可靠性的措施。繼電器的種類較多，這里重點研究目前使用較多的電磁繼電器的使用可靠性。 面對紛繁復雜的繼電器產(chǎn)品，如何合理選擇、正確使用，是系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計人員密切關(guān)注并且必須優(yōu)先解決的實際問題。要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析系統(tǒng)的實際使用條件與實際技術(shù)參數(shù)要求，按照“價值工程原則”，恰如其分地提出所選用繼電器產(chǎn)品必須達到的技術(shù)性能要求。在整機的可靠性設(shè)計中，要求合理選用元器件。元器件的選擇和控制是需要多學科知識才能完成的一項任務(wù)，一般應(yīng)由元件工程師、可靠性設(shè)計師、總體及電路設(shè)計師、失效分析人員共同完成。首先要根據(jù)整機系統(tǒng)的重要程度、可靠性要求、所使用的環(huán)境條件及成本等項要求綜合考慮和選擇。具體說來，大致可按下列要素逐條分析研究，確認所要求的等級以及量值范圍。選擇時必須重視以下幾個方面的要求。 2 繼電器應(yīng)用環(huán)境條件 　　氣候應(yīng)力作用要素，主要指溫度、濕度、大氣壓力（海拔高度）、沿海大氣（鹽霧腐蝕）、砂塵污染、化學氣體和電磁干擾等要素。考慮到系統(tǒng)在全國各地各行業(yè)及自然環(huán)境的普遍適用性，兼顧必須長年累月可靠運行的特殊性，系統(tǒng)關(guān)鍵部位必須選用具有高絕緣、強抗電性能的全密封型（金屬罩密封或塑封型，金屬罩密封產(chǎn)品優(yōu)于塑封產(chǎn)品）繼電器產(chǎn)品。因為只有全密封繼電器才具有優(yōu)良的長期耐受惡劣環(huán)境性能、良好的電接觸穩(wěn)定、可靠性和穩(wěn)定的切換負載能力（不受外部氣候環(huán)境影響）。 2.1 溫度對繼電器的影響 　　繼電器是怕熱元件，高溫可加速繼電器內(nèi)部塑料及絕緣材料的老化、觸點氧化腐蝕、熄弧困難、電參數(shù)變壞，使可靠性降低，所以，要求設(shè)計時使繼電器不要靠近發(fā)熱元件，并有良好的通風散熱條件。 　　繼電器雖然是怕熱元件，但對過低溫度（如軍用航空條件－55℃）也不能忽視。低溫可使觸點冷粘作用加劇，觸點表面起露，銜鐵表面產(chǎn)生冰膜，使觸點不能正常轉(zhuǎn)換，尤其是小功率繼電器更為嚴重。試驗證明，對于有些按部標生產(chǎn)的國產(chǎn)小功率繼電器，雖然使用條件規(guī)定低溫為－55℃，但實際上在此條件下繼電器根本無法進行正常轉(zhuǎn)換，建議在選擇時要留有充分的余量，對于重要的軍用電子整機，建議選用國軍標產(chǎn)品。 2.2 低氣壓對繼電器的影響 　　在低氣壓條件下，繼電器散熱條件變壞，線圈溫度升高，使繼電器給定的吸合、釋放參數(shù)發(fā)生變化，影響繼電器的正常工作；低氣壓還可使繼電器絕緣電阻降低、觸點熄弧困難，容易使觸點燒熔，影響繼電器的可靠性。對于使用環(huán)境較惡劣的條件，建議采用整機密封的辦法。 2.3 機械應(yīng)力對繼電器的影響 　　主要指振動、沖擊、碰撞等應(yīng)力作用要素。對控制系統(tǒng)主要考慮的是抗地震應(yīng)力作用、抗機械應(yīng)力作用能力，宜選用采用平衡銜鐵機構(gòu)的小型中間繼電器。電磁繼電器的簧片均為懸梁結(jié)構(gòu)，固有頻率低，振動和沖擊可引起諧振，導致繼電器觸點壓力下降，容易產(chǎn)生瞬間斷開或觸點出現(xiàn)抖動，嚴重時可造成結(jié)構(gòu)損壞，可動的銜鐵部分可產(chǎn)生誤動作，影響繼電器的可靠性。建議在設(shè)計中盡量采取防振措施以防產(chǎn)生諧振。 2.4 絕緣耐壓 　　非密封或密封繼電器的引出端外露絕緣子長期受塵埃、水氣污染，導致其絕緣強度下降，在切換感性負載時的過電壓作用下，引起絕緣擊穿失效。針對繼電器絕緣固有特性，在選型時必須依據(jù)繼電器的以下技術(shù)特性： 2.4.1 足夠的爬電距離：一般要求＞3mm（工作AC 220V）； 2.4.2 足夠的絕緣強度：無電氣聯(lián)系的導體之間＞AC 2000V（工作AC 220V），同組觸點之間＞AC 1000V； 2.4.3 足夠的負載能力：DC 220V感性；5～40ms，＞50W； 2.4.4 長期耐受氣候應(yīng)力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長期穩(wěn)定可靠。 3 激勵線圈輸入?yún)⒘?/b> 　　主要是指過激勵、欠激勵、低壓激勵與高壓（220V）輸出隔離、溫度變化影響、遠距離有線激勵、電磁干擾等要素，這些都是確保系統(tǒng)可靠運行必須認真考慮的因素。按繼電器所規(guī)定的激勵量激勵是確保它可靠、穩(wěn)定工作的必要條件。 　　繼電器的技術(shù)條件一般對線圈的電壓都給出工作電壓、吸合電壓、釋放電壓。要保證繼電器的正常工作，在電路連接時，一定要保證在任何情況下都要使給定的三個電壓滿足技術(shù)條件規(guī)定的數(shù)值。否則，繼電器無法正常轉(zhuǎn)換。 3.1 關(guān)于串聯(lián)供電激勵方式 　　不少用戶采用串聯(lián)分壓供電方式給繼電器線圈施加激勵量，驅(qū)動繼電器動作。這種激勵方式一般是不可取的。因繼電器的吸合時間主要取決于回路的時間常數(shù)T，且T＝L/R。當串聯(lián)電阻R1給繼電器線圈供電時，R＝R1+R2，則有L/R2>L/（R1+R2）；顯然，串聯(lián)R1后使T減小，繼電器的吸合時間加速。特別是當R1>>R2，電壓很高時，吸合時間將大大減少。運動部件的過快動作，將加大運動部件接合時的沖擊、碰撞、反彈，從而增大觸點回跳，加速機械磨損，降低觸點的負載能力與機械壽命。因此，串聯(lián)供電激勵方式改變了繼電器原設(shè)計所規(guī)定的正常工作狀態(tài)，一般是不可取的。當觸點回跳、機械磨損對實際使用不構(gòu)成利害關(guān)系，且特別需要加快動作速度時，才可以采用提高激勵電壓或串聯(lián)電阻供電激勵方式。 3.2 繼電器線圈串聯(lián)的使用 　　采用多個繼電器線圈串聯(lián)后，再用DC 220V電源去激勵，這種激勵方式必須謹慎采用。 3.2.1 對相同類型、相同規(guī)格繼電器產(chǎn)品而言，由于各線圈的阻抗（含直流電阻與瞬時感抗）大體相同，差值較小，故采用串聯(lián)分壓激勵方式使用問題不大。實踐證明也是可行的。 3.2.2 對不同類型或不同規(guī)格的繼電器產(chǎn)品言之，由于不同繼電器線圈的阻抗不一致，且差值隨瞬時感抗的不同而相差很大，故串聯(lián)激勵瞬間，各繼電器線圈上所分得的激勵電壓（由瞬時分壓比決定）差值必然很大，勢必出現(xiàn)有的繼電器處于過壓激勵狀態(tài)，有的則處于欠壓激勵狀態(tài)，各繼電器觸點的開關(guān)時序與速度將會發(fā)生本質(zhì)性變化，必然會出現(xiàn)動作先、后、快、慢顛倒，開關(guān)不可靠等情況。因此，不同類型、不同規(guī)格的繼電器線圈不宜采用串聯(lián)分壓激勵方式。 3.3 關(guān)于繼電器線圈并聯(lián)使用 　　在復雜的控制回路中，將2只（或多只）不同類型的繼電器（如接觸器K1、小型靈敏繼電器K2）線圈并聯(lián)使用的情況時有發(fā)生，在這種情況下，有可能產(chǎn)生Kl延遲釋放、觸點斷弧能力下降，K2被反向重復激勵、觸點誤動作等實際問題。在直流控制回路中，K1，K2線圈所貯存的磁能可能相差很大。當線圈電源失電后，K1（磁能大）的貯能將通過K2（磁能?。┑木€圈泄放，產(chǎn)生反向電流。從而導致K1釋放時間延長，觸點斷弧速度遲緩，觸點間燃弧時間延長；K2的釋放時間短，隨后被反向泄放電流所激勵，甚至釋放后瞬間重復吸合，產(chǎn)生誤動作故障。在實際應(yīng)用時應(yīng)注意避免上述因疏于研究而導致的不可靠現(xiàn)象。 4 觸點輸出（換接電路）參量 　　主要是指觸點負載性質(zhì)，如燈負載，容性負載，電機負載，電感器、接觸器線圈、扼流圈負載，阻性負載等；觸點負載量值（開路電壓量值、閉路電流量值），如低電平負載、干電路負載、小電流負載、大電流負載等。 　　根據(jù)被繼電器驅(qū)動設(shè)備的負載性質(zhì)、負載容量選用合適的繼電器，是繼電器可靠工作的基本條件，繼電器的失效或可靠不可靠，主要指觸點能否完成所規(guī)定的切換電路功能。如切換的實際負載容量大于所選用繼電器規(guī)定的切換負載容量，繼電器是不可能可靠工作的。 4.1 關(guān)于觸點的負載 　　繼電器觸點故障是繼電器失效的核心所在，當觸點實際切換的負載電壓小于起弧電壓，電流小于lA時，特別是在中等電流（試驗標準為DC 28V，0.1A）、低電平（10～30mV，l0～50μA）或干電路（指繼電器觸點先閉合,后接通毫伏微安級負載）條件下,觸點實際工作時的失效機理、失效方式與實際切換額定功率負載全然不同。正是為了滿足不同負載的不同要求，不同產(chǎn)品在設(shè)計、制造工藝、檢測、試驗要求也各不相同。因此，在實際選用繼電器產(chǎn)品時，一定不能錯誤地認為：繼電器的觸點開關(guān)適用于從零到規(guī)定額定值的所有負載，更不能認為通過觸點的實際負載比產(chǎn)品標準所規(guī)定的額定負載越小越可靠。例如能可靠切換220V，10A負載的觸點，并不一定能可靠地切換10mA的實際負載，更不可用它去換接低電平或干電路負載。因此，對中等電流、低電平，干電路負載建議選用接觸可靠性優(yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。 　　一般在可靠性設(shè)計中，降額設(shè)計是提高可靠性最有效的措施，對其它元器件來講，如果不考慮其它的因素，如成本、體積等，降額越多，可靠性越高。但是，繼電器與其它元器件有不同之處，并不是觸點所加的負荷應(yīng)力越小越可靠，這主要是由觸點失效機理決定的。當觸點電流使用到100毫安時，觸點的電弧作用明顯減弱，觸點在高溫條件下析出的含碳物質(zhì)不能被電弧燒掉而沉積在觸點表面，使觸點接觸電阻增大，影響接觸可靠性。 　　當觸點負荷使用在10毫安以下或50毫伏以下時,接觸可靠性明顯降低，因為這時電壓無法擊穿觸點表面的膜電阻，將出現(xiàn)低電平失效。尤其在高溫條件下，加速了觸點的氧化，低電平失效表現(xiàn)得更為嚴重，所以把10毫安以上，50毫伏以下的負載稱為低電平負載。 　　繼電器的負荷應(yīng)力雖然不能過小，但是，技術(shù)條件給出的負荷應(yīng)力，是觸點的最大額定值，是在任何情況下都不應(yīng)該超過的參數(shù)。如果在使用中超過，輕者可造成壽命縮短，可靠性降低，重點可燒毀觸點，造成失效。 　　這主要是繼電器觸點在大負荷下工作時所產(chǎn)生的飛弧導致觸點被燒熔，在觸點表面形成凹凸不平，形成機械咬合而無法分開，觸點負荷越大，飛弧越大，觸點被燒毀的可能性越大。從以上分析可知，適當?shù)慕殿~仍是提高繼電器可靠性的有效措施。 　　觸點負荷的正確使用，在一般情況下，負荷應(yīng)設(shè)計在100毫安以上，技術(shù)指標給定的額定負荷值的百分之八十以下比較可靠。值得注意的是，繼電器觸點的額定負荷值是在阻性負載條件下給定的，當使用的負載是感性、容性及燈載時，可產(chǎn)生10倍的浪涌電流，所以如果不是阻性負載，使用時一般應(yīng)進行換算。 負載換算 阻性負載電流 感性負載電流 電機負載電流 燈泡負載電流 100% 30% 20% 15% 4.2 關(guān)于電容負載 　　繼電器接點作為切換容性負載回路的自保接點，易引起接點粘接而不能釋放，其原因是由于電容器的充放電過程，類似于電容儲能點焊過程。進一步分析試驗表明：給22μF電容器充足DC 220V電壓后，再激勵繼電器使其直接短路放電，10次之內(nèi)，純銀觸點即可產(chǎn)生焊接不放現(xiàn)象。從理論上考慮，電容器的放電電流為： i=（U.T）eT 式中 U—為電容器兩端電壓； R—為放電回路電阻； T—為時間常數(shù)。 　　由于R約等于觸點的接觸電阻，趨近于零，在開始放電瞬間；i=U/R；i非常大，也就是說：電容器所儲存的全部能量，在很短時間內(nèi)全部通過觸點泄放，從而直接導致點焊焊接失效，因此，長的傳輸線、消除電磁干擾用的濾波器、電源等都是強容性的。用于此類負載的繼電器應(yīng)結(jié)合設(shè)備特性選用。 4.3 關(guān)于繼電器觸點的并聯(lián)使用 4.3.1 不能用觸點并聯(lián)的方式提高功率，有時，用一組觸點不能滿足電路的功率要求時，有時采用兩組或多組觸點并聯(lián)的方式來保證電路的功率要求。但是，由于繼電器觸點在動作時存在小的時間差（一般兩組觸點動作時間相差0.1毫秒～0.2毫秒）。由此可知，先接通的一組觸點將承受全部功率，處在超應(yīng)力條件下進行切換，很容易被大電流形成的電弧燒毀而失效，所以，要求在使用繼電器時，不能用觸點并聯(lián)的方式提高功率。 4.3.2 一般不采用觸點并關(guān)的方式提高可靠性：在可靠性設(shè)計中，冗余設(shè)計可以提高可靠性。有些設(shè)計師利用冗余設(shè)計的原理，主觀上想利用繼電器觸點并聯(lián)的方式提高控制電路的可靠性。但是，一般控制電路的作用是利用觸瞇相互轉(zhuǎn)換作用達到對電路的控制。如果采用觸點并聯(lián)的方式，接通的可靠性雖然提高了，但斷開的可靠性卻降低了，所以對一般用繼電器控制的轉(zhuǎn)換電路，采用并聯(lián)方式提高可靠性是不可取的。只有對特殊要求，例如一次接通或斷開就能完成規(guī)定功能的電路（如發(fā)射衛(wèi)星，只要求繼電器觸點把火箭的點火系統(tǒng)接通就完成任務(wù)），采用觸點并聯(lián)的方式可提高可靠性。 4.4 繼電器觸點正確連接 4.4.1 應(yīng)盡量多用動合觸點、少用動斷觸點；在對繼電器觸點連接時，應(yīng)盡量多采用動合觸點的連接方式，少用動斷觸點，其原因是動合觸點比動斷觸點在動作時的觸點回跳次數(shù)少。眾所周知，觸點抖動對電路產(chǎn)生不良影響，而且縮短了觸點的壽命。 4.4.2 對轉(zhuǎn)換觸點極性的正確連接；轉(zhuǎn)換觸點極性的連接對觸點壽命的影響極大，正確的連接應(yīng)是可動觸點接電源陰極，固定觸點接電源陽極。其原因是通過對兩種不同連接的測試表明，在相同負載條件下，按上述正確的極性連接與相反的極性連接，其觸點的燃弧時間要減短二分之一，因而提高了觸點壽命。