如何延長繼電器開關壽命和可靠性

隨著高性能機電繼電器在軍事和航空航天應用中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，工程師必須滿足所有電氣要求。一個關鍵領域是通過符合制造商的繼電器產(chǎn)品性能規(guī)格來延長繼電器開關在容性瞬態(tài)高浪涌電流條件下的使用壽命。電容器會產(chǎn)生高電流浪涌，會對此類應用中的電路性能產(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電繼電器中觸點的穩(wěn)態(tài)額定值。

當客戶正確識別容性負載并將其包含在繼電器功能范圍內(nèi)時，可以實現(xiàn)更高程度的應用繼電器兼容性。使用電涌抑制元件調(diào)整繼電器電路設計可能意味著大幅減少容性瞬態(tài)高電流負載，并可以延長繼電器觸點壽命，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用的負載開關要求。

電容式浪涌觸點損壞

偶爾在軍事和航空航天繼電器開關應用中，可能會出現(xiàn)令人驚訝的電容浪涌源。一個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。這種超額會導致觸點的材料熔斷和分離，從而導致不穩(wěn)定的操作。

電容從何而來？

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

一個鮮為人知的高電容和浪涌電流來源是軍事和航空航天應用中DC/DC開關電源轉(zhuǎn)換器中常見的EMI ［電磁干擾］濾波。（圖 1。轉(zhuǎn)換器的快速開關會產(chǎn)生大的不連續(xù)電流變化，需要大量濾波以降低傳導高頻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。

圖1：典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的框圖。

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，初始電阻會迅速下降到低得多的值。

在室溫下，高初始標稱電阻通過快速吸收能量并在熱時間常數(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)下圖中的熱時間常數(shù)曲線，以下實驗中使用的NTC器件在大約五分鐘內(nèi)恢復到室溫（圖2）。

圖2：NTC熱時間常數(shù)。

NTC測試：重復循環(huán)效果

NTC器件在相對較短的熱時間常數(shù)內(nèi)自熱，同時大大降低其內(nèi)阻。NTC的快速脈沖表明對自熱溫度的響應是多么敏感和快速。當在不到三秒的時間內(nèi)用四個脈沖事件測試5歐姆NTC時，初始峰值電流水平從5.4 A增加到8.5 A，增加了57%。NTC器件的熱時間常數(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，這實際上為下一個大電流開關事件“重置”NTC。

負載測試 NTC 限流器

決定設置測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)板測得的總?cè)菪载撦d為717.6 uF，因為實際上所有濾波電容都是并聯(lián)的。測試開發(fā)板的過程涉及通過選定的開關提供直流線圈驅(qū)動電壓，以在負載開關條件下禁用/啟用NTC器件的每個值。

NTC 負載測試壽命配置

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

圖3：框圖：測試開發(fā)板。

NTC 開關子組件具有延時子組件和分流繼電器，在每個脈沖線圈事件開始后約 20 毫秒內(nèi)運行，從而有效地打開通過負載的電流路徑。這導致繼電器組合承載步進電流，但不斷開電流路徑。

繼電器壽命測試程序涉及提供 26.5 Vdc 線圈驅(qū)動電壓，分別切換到六個繼電器。26.5 Vdc 負載電源電壓進入負載使能 FCA-325 3PDT 25 A 繼電器。然后通過 NTC 關閉/打開 FCA-125 SPDT 25 A 繼電器進行路由，以單獨插入 NTC 設備或在電路中沒有 NTC 的情況下進行測試。由 26.5 Vdc 電源供電的 3.0 歐姆無感負載電阻的連接可提供 9 A 的標稱負載（約 239 瓦）用于開關。

NTC 負載測試壽命結果

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

5歐姆NTC：在繼電器壽命測試期間單獨使用每個NTC值，5歐姆的最高標稱電阻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 的壽命測試減少了 82% 以上。峰值電流脈沖持續(xù)時間在3.84 ms處測量，然后衰減到3.20 A的階躍電流。在測試開始時，僅制造/攜帶脈沖長度測量為18.20 ms。

在中間周期再次記錄測試測量值，并在50，000個開關周期結束時，然后與初始讀數(shù)進行比較。由于NTC器件的熱特性，工作溫度的輕微升高會嚴重影響峰值電流水平，因為它增加了58%以上，達到7.60 A。經(jīng)證實，階躍電流水平增加了38%，達到4.40 A。

NTC壽命測試摘要

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

測試表明，對于1歐姆NTC，峰值浪涌電流的最大增益為36%，當5歐姆NTC在電路中時增加到58%。階梯電流的增長要溫和得多，范圍從6%到最高38%。在測試期間比較了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了它會影響繼電器壽命測試循環(huán)期間的峰值和步進電流水平。

觸點評估，NTC后壽命測試

在壽命測試結束時，將五個繼電器中的每一個從NTC/繼電器開關板上取下并進行電氣測試，以確認每個繼電器都滿足壽命后測試參數(shù)限制。對第一個繼電器中常開和可移動觸點的回顧表明，實質(zhì)性的觸點如預期的那樣受到物質(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載，測試停止在26K周期，由于反復觸點點焊，遠低于50K周期。可移動接觸面上有接觸材料粘附和斷裂的視覺跡象，這有助于點焊和移動接觸表面的機械結合。

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

展望未來

用戶應用通常涉及來自常見EMI濾波源的容性負載。通過在熱時間常數(shù)限制內(nèi)使用NTC器件，它們被證實可以大大減少浪涌電流的大小和由此產(chǎn)生的接觸材料侵蝕。實驗表明，當存在容性負載時，浪涌電流的降低和觸點侵蝕的減少通過幫助用戶保持在繼電器的額定產(chǎn)品性能規(guī)格范圍內(nèi)，延長了繼電器觸點的開關壽命。這些改進可以提高設備在軍事和航空航天應用中的可靠性。

審核編輯：郭婷