如何正确使用以确保舌簧继电器的可靠性？

舌簧继电器是本质上可靠的设备。然而，不正确的使用可能会损害可靠性。 Kevin Mallett 解释了使用不当会如何缩短舌簧继电器的使用寿命并导致过早失效。

当在指定的操作参数范围内使用时，舌簧继电器可以执行数百亿次操作，而性能变化很小或没有变化。例如，每天每小时运行 100 次（24 小时周期），大约需要 1141 年才能达到 10 亿次运行的里程碑。增加操作频率不应引起关注，因为要达到每分钟 100 次操作 19 年后才能达到相同的里程碑，而每秒 100 次操作则需要近 4 个月。

诚然，您不太可能设计预期寿命为 1000 年的产品或系统，但我们的观点是：对于大多数处于常规的切换频率的应用，您只需要考虑在您的系统产品达到其预期使用寿命之前，继电器（如果使用正确）簧片的使用不会超过预期寿命。

然而，很难为舌簧继电器简单描述可靠性指标。虽然固态设备（例如数字 I/O 缓冲器等集成电路 （IC））的平均故障间隔时间 （MTBF） 表示为预计的故障间隔时间，但舌簧继电器的预期寿命很大程度上取决于它正在切换的能量和它正在传导的电流。

某些应用需要继电器在每次操作时切换相同的电压和电流。也有应用会切换不同的电压和电流。

不正确使用舌簧继电器可能会导致设备发生永久性或间歇性故障，并可能损坏与其关联的电路（以及扩展产品/系统）的其他部分。但即使在此类故障发生之前，您也可能会看到继电器性能下降，也可能会对产品和/或系统产生连锁反应。

永久性故障

一旦投入使用，舌簧继电器可能失效的类型之一是簧片已熔合在一起，导致开关永久闭合。

而簧片熔断通常是由于热切换而导致的（见图 1），即当舌簧继电器使能（线圈通电，开关触点闭合）时，触点两端的电动势产生了大电流。例如，您可能将高电压切换至低电阻负载。此外，如果负载具有显着的电容性或电感性，那么还会出现其他问题。

当舌簧继电器的开关闭合时，容性负载将吸收初始高电流（称为浪涌电流）。

感性负载会带来不同类型的问题。打开舌簧继电器的开关触点时，通常会出现电压尖峰和高电流。这是因为反电动势。

请注意，尽管我们在上面提到了电压和电流，但会造成损坏的电压和电流不一定很高。关键是能量。例如，正如读者所知，电容器中能量的表达方式之一是 CV2/2。这意味着充电至 5V 的 1μF 电容器可存储 12.5μJ 的能量，这足以使簧片开关粘住。

无论释放能量的原因是什么，也无论开关触点是打开还是闭合，热开关期间都可能会产生电弧。

图 1：热切换期间产生的电弧会损坏簧片

注意：也可能出现继电器永久无法断开的情况，即向线圈提供所需的功率不再导致簧片开关闭合，但这在很大程度上取决于簧片的设计和/或制造质量（我们将在第 2 部分中讨论）。也就是说，不正确的使用（温度和/或磁性相互作用 - 见下文）也可能导致触点无法闭合。

性能下降

给线圈通电导通开关，给线圈断电断开开关。打开或关闭开关所需的时间取决于磁场的强度，而磁场的强度又取决于流过线圈的电流。

为了确保电流足够高，所有舌簧继电器都设计为在一定程度的过载下运行。一般来说，过载会缩短操作时间，但会增加释放时间。这是因为线圈的磁场需要更长的时间才能消失。图 2 显示了过载与操作和释放时间之间的关系。

图 2：上图显示了磁簧开关的打开和关闭时间如何随电压过载变化。数据是从 Pickering Electronics 109P-1-A-5/2D 舌簧继电器记录的，该继电器的标称线圈电压为 5V，并包含一个用于抑制反电动势的二极管。 0% 过载相当于约 2.7V，刚好足以闭合触点。在40% 的过载情况下，相当于 3.75V。这是继电器数据表中规定的“必然动作电压”。此外，其标称 5V 相当于 2.7V 上的 85% 过载。或者，换句话说，其标称 5V 是具有 33% 过载的“必然动作电压。

上述数据是在受控环境条件下收集的。然而，温度也会产生影响。因为继电器的线圈是由铜制成的，其温度系数几乎为每度 0.4%，随着温度的升高，铜的电阻也会增加。温度升高 25°C 相当于电阻增加 10%。

由于为继电器线圈供电的电压很可能来自集成电压调节器（IVR – 接近恒定），因此通过线圈的电流将减少 10%。

如果您知道继电器将在明显高于额定温度的环境中工作，那么比较好的设计实践是增加一点过载（电压）。但请注意，过多的过载也会导致额外的发热。

性能下降的另一个方面是磁簧开关接触电阻的增加。

在电子行业中，接触电阻达到 1Ω 或以上就被认为是舌簧继电器的使用寿命终止。然而，这个数字有些随意，是为了方便而选择的。对于大多数继电器，接触电阻为 0.1Ω。是的，十倍肯定是寿命终止，但实际上，例如，如果继电器用于精密仪器，0.2Ω 的接触电阻可能会导致问题。

如果闭合的磁簧开关传导的电流很高，就会导致发热。当接触电阻为0.1Ω时考虑冷切换2A。这会产生 400mW 的热量（即 P = I2R）。如果接触电阻高达 1Ω，则为 4W。

如前所述，热量会削弱线圈的磁场，因为流经线圈的电流不足（如果未考虑电压过驱动）。此外，如果开关变得非常热，也会失去磁性（基于居里效应）。当开关冷却后，这些属性可以恢复。

然而，如果磁簧开关输入侧的电流仍然存在，则该器件在返回工作状态时会处于热开关状态，并且其寿命将会缩短。

间歇性故障

除了性能下降之外，舌簧继电器的不正确使用也会导致间歇性故障。如前所述，温度可能是一个问题。过载不足是另一个问题，在这方面，尽管舌簧继电器可能已正确指定，但如果在需要操作（线圈通电）触点时有某种原因导致 PCB（安装有设备）上的电源电压下降，可能无法关闭。

间歇性故障的另一个（且经常被忽视的）原因是磁干扰。其常见来源是未屏蔽继电器（我们将在第 2 部分中讨论屏蔽），这些继电器在 PCB 上放置得太近。见图 3。

图 3：上图展示了彼此靠近放置的非屏蔽舌簧继电器的磁场如何相互作用。

磁干扰也可能来自变压器、螺线管、扬声器或其他具有强磁场的组件。

有趣的是，尽管簧片很柔软并且它们之间的间隙非常小，但振动几乎不是间歇性故障的原因。舌簧继电器的质量非常轻。注：Pickering Electronics 的一些铁路行业客户已在 50G 下测试了舌簧继电器，没有出现任何故障。

重要提示

如果使用不当，舌簧继电器的性能会下降，其可靠性也会受到影响。可能会发生间歇性和永久性故障。为了降低出现上述情况的风险，我们建议：

确保负载条件（正在切换的电压和电流）在设备的总体额定功率范围内。

考虑电容和/或电感如何影响负载条件。

确保施加在线圈上的电压接近设备的标称线圈电压，并且不会受到驱动器上压降的影

请注意可能影响操作的外部影响，特别是温度和磁相互作用。

除上述内容外，我们建议您了解哪些操作参数对应用很重要以及哪些因素可能会影响它们。此外，虽然我们在本文开头说舌簧继电器在达到使用寿命之前可以执行数百亿次操作，但如果应用程序发现设备在其指定的操作参数之外工作，则该数字将大大减少。

最后，在保障产品/系统的可靠性方面，正确选择舌簧继电器非常重要。除了基本规格（例如额定功率、最大开关电流以及操作和释放时间）外，设备还必须精心设计和制造。