如何延長(zhǎng)繼電器開關(guān)壽命和可靠性

　　隨著高性能機(jī)電繼電器在軍事和航空航天應(yīng)用中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，工程師必須滿足所有電氣要求。一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是通過符合制造商的繼電器產(chǎn)品性能規(guī)格來延長(zhǎng)繼電器開關(guān)在容性瞬態(tài)高浪涌電流條件下的使用壽命。電容器會(huì)產(chǎn)生高電流浪涌，會(huì)對(duì)此類應(yīng)用中的電路性能產(chǎn)生不利影響。這些瞬變雖然性質(zhì)非常短暫，但可以大大超過高性能機(jī)電繼電器中觸點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)額定值。

　　當(dāng)客戶正確識(shí)別容性負(fù)載并將其包含在繼電器功能范圍內(nèi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高程度的應(yīng)用繼電器兼容性。使用電涌抑制元件調(diào)整繼電器電路設(shè)計(jì)可能意味著大幅減少容性瞬態(tài)高電流負(fù)載，并可以延長(zhǎng)繼電器觸點(diǎn)壽命，并確保在其額定產(chǎn)品性能規(guī)格范圍內(nèi)使用的繼電器將滿足最終應(yīng)用的負(fù)載開關(guān)要求。

　　在軍事和航空航天繼電器開關(guān)應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)令人驚訝的電容浪涌源。一個(gè)例子是繼電器中使用的材料的快速加熱和冷卻，可能是由于持續(xù)時(shí)間非常短的非常高的電流脈沖，這超出了產(chǎn)品的性能規(guī)格。這種超額會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)的材料熔斷和分離，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作。

　　雖然非常大的電解電容器使工程師預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)高電流浪涌，但電路中通常還有其他不太容易識(shí)別的電容源。電容器是無源器件，可抵抗瞬時(shí)電壓變化，同時(shí)允許瞬時(shí)電流變化，在電流浪涌時(shí)快速吸收和釋放大量能量。

　　一個(gè)鮮為人知的高電容和浪涌電流來源是軍事和航空航天應(yīng)用中，DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中常見的EMI[電磁干擾]濾波。轉(zhuǎn)換器的快速開關(guān)會(huì)產(chǎn)生大的不連續(xù)電流變化，需要大量濾波以降低傳導(dǎo)高頻EMI噪聲。流行的解決方案是在DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出上使用低通濾波器。

　　NTC限流器器件

　　有一類電阻器件可以提供大量的電流浪涌限制。專用電阻器稱為NTC或負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。它提供高初始電阻，隨著電流而器件溫度升高，初始電阻會(huì)迅速下降到低得多的值。

　　在室溫下，高初始標(biāo)稱電阻通過快速吸收能量并在熱時(shí)間常數(shù)內(nèi)耗散能量來限制浪涌電流峰值。限流器NTC的電阻比其初始值下降30至50倍。移除電源后，根據(jù)下圖中的熱時(shí)間常數(shù)曲線，以下實(shí)驗(yàn)中使用的NTC器件在大約五分鐘內(nèi)恢復(fù)到室溫。

　　NTC測(cè)試：重復(fù)循環(huán)效果

　　NTC器件在相對(duì)較短的熱時(shí)間常數(shù)內(nèi)自熱，同時(shí)大大降低其內(nèi)阻。NTC的快速脈沖表明對(duì)自熱溫度的響應(yīng)是多么敏感和快速。當(dāng)在不到三秒的時(shí)間內(nèi)用四個(gè)脈沖事件測(cè)試5歐姆NTC時(shí)，初始峰值電流水平從5.4A增加到8.5A，增加了57%。NTC器件的熱時(shí)間常數(shù)通常僅在初始浪涌電流脈沖電平期間使用，然后允許冷卻，這實(shí)際上為下一個(gè)大電流開關(guān)事件“重置”NTC。

　　負(fù)載測(cè)試NTC限流器

　　決定設(shè)置測(cè)試來表示輸入和輸出EMI濾波器以及輸入和輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器電容器和電感器。開發(fā)板測(cè)得的總?cè)菪载?fù)載為717.6uF，因?yàn)閷?shí)際上所有濾波電容都是并聯(lián)的。測(cè)試開發(fā)板的過程涉及通過選定的開關(guān)提供直流線圈驅(qū)動(dòng)電壓，以在負(fù)載開關(guān)條件下禁用/啟用NTC器件的每個(gè)值。

　　NTC負(fù)載測(cè)試壽命配置

　　為了測(cè)試NTC器件，確定開發(fā)板的輸出端需要阻性負(fù)載。阻性負(fù)載的目的是模擬為應(yīng)用供電的300WDC/DC轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)工作確定，NTC溫升和隨后的內(nèi)阻變化可以通過在繼電器壽命測(cè)試期間控制開關(guān)電流脈沖的循環(huán)速率和占空比來管理。

　　NTC開關(guān)子組件具有延時(shí)子組件和分流繼電器，在每個(gè)脈沖線圈事件開始后約20毫秒內(nèi)運(yùn)行，從而有效地打開通過負(fù)載的電流路徑。這導(dǎo)致繼電器組合承載步進(jìn)電流，但不斷開電流路徑。

　　繼電器壽命測(cè)試程序涉及提供26.5Vdc線圈驅(qū)動(dòng)電壓，分別切換到六個(gè)繼電器。26.5Vdc負(fù)載電源電壓進(jìn)入負(fù)載使能FCA-3253PDT25A繼電器。然后通過NTC關(guān)閉/打開FCA-125SPDT25A繼電器進(jìn)行路由，以單獨(dú)插入NTC設(shè)備或在電路中沒有NTC的情況下進(jìn)行測(cè)試。由26.5Vdc電源供電的3.0歐姆無感負(fù)載電阻的連接可提供9A的標(biāo)稱負(fù)載(約239瓦)用于開關(guān)。

　　NTC負(fù)載測(cè)試

　　無NTC：第一次繼電器壽命測(cè)試是在電路中沒有NTC器件的情況下進(jìn)行的。繼電器以20個(gè)周期/分鐘的速率循環(huán)，并在開關(guān)事件開始時(shí)顯示出尖銳的高電流瞬變。脈沖達(dá)到26.8A的峰值，持續(xù)時(shí)間為680微秒，是20.2ms僅制造/攜帶電流時(shí)間的一部分。電流水平穩(wěn)定在9.2A的穩(wěn)態(tài)水平。非NTC負(fù)載測(cè)試在計(jì)劃的50，000個(gè)周期中大約26，000個(gè)周期提前終止。這是由于接觸“粘”或點(diǎn)焊重復(fù)多次，并支持無限制容性浪涌開關(guān)通常是觸點(diǎn)粘連的主要原因的論點(diǎn)。

　　5歐姆NTC：在繼電器壽命測(cè)試期間單獨(dú)使用每個(gè)NTC值，5歐姆的最高標(biāo)稱電阻NTC具有最大的峰值電流浪涌減少。峰值電流水平從4.80安培開始，比電路中沒有任何NTC的壽命測(cè)試減少了82%以上。峰值電流脈沖持續(xù)時(shí)間在3.84ms處測(cè)量，然后衰減到3.20A的階躍電流。在測(cè)試開始時(shí)，僅制造/攜帶脈沖長(zhǎng)度測(cè)量為18.20ms。

　　在中間周期再次記錄測(cè)試測(cè)量值，并在50，000個(gè)開關(guān)周期結(jié)束時(shí)，然后與初始讀數(shù)進(jìn)行比較。由于NTC器件的熱特性，工作溫度的輕微升高會(huì)嚴(yán)重影響峰值電流水平，因?yàn)樗黾恿?8%以上，達(dá)到7.60A。經(jīng)證實(shí)，階躍電流水平增加了38%，達(dá)到4.40A。

　　NTC壽命測(cè)試

　　分析了值浪涌和穩(wěn)態(tài)階躍電流電平波形，以了解任何實(shí)質(zhì)性趨勢(shì)。正如預(yù)期的那樣，NTC/繼電器組合的快速循環(huán)確實(shí)隨著時(shí)間的推移提高了各自的峰值和步進(jìn)電流水平;然而，即使是最低的NTC值，浪涌也低于最大繼電器觸點(diǎn)額定值。

　　測(cè)試表明，對(duì)于1歐姆NTC，峰值浪涌電流的最大增益為36%，當(dāng)5歐姆NTC在電路中時(shí)增加到58%。階梯電流的增長(zhǎng)要溫和得多，范圍從6%到最高38%。在測(cè)試期間比較了NTC外殼溫度，比環(huán)境溫度略微升高6至7°F，或升高8%至10%。NTC溫度的微小變化證實(shí)了它會(huì)影響繼電器壽命測(cè)試循環(huán)期間的峰值和步進(jìn)電流水平。

　　在壽命測(cè)試結(jié)束時(shí)，將五個(gè)繼電器中的每一個(gè)從NTC/繼電器開關(guān)板上取下并進(jìn)行電氣測(cè)試，以確認(rèn)每個(gè)繼電器都滿足壽命后測(cè)試參數(shù)限制。對(duì)第一個(gè)繼電器中常開和可移動(dòng)觸點(diǎn)的回顧表明，實(shí)質(zhì)性的觸點(diǎn)如預(yù)期的那樣受到物質(zhì)侵蝕和轉(zhuǎn)移。該繼電器在沒有任何NTC電流限制的情況下切換了全容性負(fù)載，測(cè)試停止在26K周期，由于反復(fù)觸點(diǎn)點(diǎn)焊，遠(yuǎn)低于50K周期?？梢苿?dòng)接觸面上有接觸材料粘附和斷裂的視覺跡象，這有助于點(diǎn)焊和移動(dòng)接觸表面的機(jī)械結(jié)合。

　　當(dāng)電路中帶有NTC的繼電器被打開和分析時(shí)，講述了一個(gè)完全不同的視覺故事。通過1歐姆NTC切換負(fù)載的繼電器估計(jì)減少了40%到50%的材料傳輸，并大大減少了“錐形和隕石坑”的影響。通過測(cè)試，繼電器通過最高電阻NTC(5歐姆)切換，常開觸點(diǎn)上有輕微的材料堆積，可移動(dòng)觸點(diǎn)上有較小的相應(yīng)坑。