舌簧繼電器是本質(zhì)上可靠的設(shè)備。然而，不正確的使用可能會(huì)損害可靠性。 Kevin Mallett 解釋了使用不當(dāng)會(huì)如何縮短舌簧繼電器的使用壽命并導(dǎo)致過(guò)早失效。

當(dāng)在指定的操作參數(shù)范圍內(nèi)使用時(shí)，舌簧繼電器可以執(zhí)行數(shù)百億次操作，而性能變化很小或沒(méi)有變化。例如，每天每小時(shí)運(yùn)行 100 次（24 小時(shí)周期），大約需要 1141 年才能達(dá)到 10 億次運(yùn)行的里程碑。增加操作頻率不應(yīng)引起關(guān)注，因?yàn)橐_(dá)到每分鐘 100 次操作 19 年后才能達(dá)到相同的里程碑，而每秒 100 次操作則需要近 4 個(gè)月。

誠(chéng)然，您不太可能設(shè)計(jì)預(yù)期壽命為 1000 年的產(chǎn)品或系統(tǒng)，但我們的觀點(diǎn)是：對(duì)于大多數(shù)處于常規(guī)的切換頻率的應(yīng)用，您只需要考慮在您的系統(tǒng)產(chǎn)品達(dá)到其預(yù)期使用壽命之前，繼電器（如果使用正確）簧片的使用不會(huì)超過(guò)預(yù)期壽命。

然而，很難為舌簧繼電器簡(jiǎn)單描述可靠性指標(biāo)。雖然固態(tài)設(shè)備（例如數(shù)字 I/O 緩沖器等集成電路 （IC））的平均故障間隔時(shí)間 （MTBF） 表示為預(yù)計(jì)的故障間隔時(shí)間，但舌簧繼電器的預(yù)期壽命很大程度上取決于它正在切換的能量和它正在傳導(dǎo)的電流。

某些應(yīng)用需要繼電器在每次操作時(shí)切換相同的電壓和電流。也有應(yīng)用會(huì)切換不同的電壓和電流。

不正確使用舌簧繼電器可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生永久性或間歇性故障，并可能損壞與其關(guān)聯(lián)的電路（以及擴(kuò)展產(chǎn)品/系統(tǒng)）的其他部分。但即使在此類故障發(fā)生之前，您也可能會(huì)看到繼電器性能下降，也可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品和/或系統(tǒng)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

永久性故障

一旦投入使用，舌簧繼電器可能失效的類型之一是簧片已熔合在一起，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)永久閉合。

而簧片熔斷通常是由于熱切換而導(dǎo)致的（見(jiàn)圖 1），即當(dāng)舌簧繼電器使能（線圈通電，開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)閉合）時(shí)，觸點(diǎn)兩端的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生了大電流。例如，您可能將高電壓切換至低電阻負(fù)載。此外，如果負(fù)載具有顯著的電容性或電感性，那么還會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。

當(dāng)舌簧繼電器的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，容性負(fù)載將吸收初始高電流（稱為浪涌電流）。

感性負(fù)載會(huì)帶來(lái)不同類型的問(wèn)題。打開(kāi)舌簧繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰和高電流。這是因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)。

請(qǐng)注意，盡管我們?cè)谏厦嫣岬搅穗妷汉碗娏鳎珪?huì)造成損壞的電壓和電流不一定很高。關(guān)鍵是能量。例如，正如讀者所知，電容器中能量的表達(dá)方式之一是 CV2/2。這意味著充電至 5V 的 1μF 電容器可存儲(chǔ) 12.5μJ 的能量，這足以使簧片開(kāi)關(guān)粘住。

無(wú)論釋放能量的原因是什么，也無(wú)論開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)是打開(kāi)還是閉合，熱開(kāi)關(guān)期間都可能會(huì)產(chǎn)生電弧。

圖 1：熱切換期間產(chǎn)生的電弧會(huì)損壞簧片

注意：也可能出現(xiàn)繼電器永久無(wú)法斷開(kāi)的情況，即向線圈提供所需的功率不再導(dǎo)致簧片開(kāi)關(guān)閉合，但這在很大程度上取決于簧片的設(shè)計(jì)和/或制造質(zhì)量（我們將在第 2 部分中討論）。也就是說(shuō)，不正確的使用（溫度和/或磁性相互作用 - 見(jiàn)下文）也可能導(dǎo)致觸點(diǎn)無(wú)法閉合。

性能下降

給線圈通電導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，給線圈斷電斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)所需的時(shí)間取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)度，而磁場(chǎng)的強(qiáng)度又取決于流過(guò)線圈的電流。

為了確保電流足夠高，所有舌簧繼電器都設(shè)計(jì)為在一定程度的過(guò)載下運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)載會(huì)縮短操作時(shí)間，但會(huì)增加釋放時(shí)間。這是因?yàn)榫€圈的磁場(chǎng)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能消失。圖 2 顯示了過(guò)載與操作和釋放時(shí)間之間的關(guān)系。

圖 2：上圖顯示了磁簧開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間如何隨電壓過(guò)載變化。數(shù)據(jù)是從 Pickering Electronics 109P-1-A-5/2D 舌簧繼電器記錄的，該繼電器的標(biāo)稱線圈電壓為 5V，并包含一個(gè)用于抑制反電動(dòng)勢(shì)的二極管。 0% 過(guò)載相當(dāng)于約 2.7V，剛好足以閉合觸點(diǎn)。在40% 的過(guò)載情況下，相當(dāng)于 3.75V。這是繼電器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的“必然動(dòng)作電壓”。此外，其標(biāo)稱 5V 相當(dāng)于 2.7V 上的 85% 過(guò)載?；蛘?，換句話說(shuō)，其標(biāo)稱 5V 是具有 33% 過(guò)載的“必然動(dòng)作電壓。

上述數(shù)據(jù)是在受控環(huán)境條件下收集的。然而，溫度也會(huì)產(chǎn)生影響。因?yàn)槔^電器的線圈是由銅制成的，其溫度系數(shù)幾乎為每度 0.4%，隨著溫度的升高，銅的電阻也會(huì)增加。溫度升高 25°C 相當(dāng)于電阻增加 10%。

由于為繼電器線圈供電的電壓很可能來(lái)自集成電壓調(diào)節(jié)器（IVR – 接近恒定），因此通過(guò)線圈的電流將減少 10%。

如果您知道繼電器將在明顯高于額定溫度的環(huán)境中工作，那么比較好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是增加一點(diǎn)過(guò)載（電壓）。但請(qǐng)注意，過(guò)多的過(guò)載也會(huì)導(dǎo)致額外的發(fā)熱。

性能下降的另一個(gè)方面是磁簧開(kāi)關(guān)接觸電阻的增加。

在電子行業(yè)中，接觸電阻達(dá)到 1Ω 或以上就被認(rèn)為是舌簧繼電器的使用壽命終止。然而，這個(gè)數(shù)字有些隨意，是為了方便而選擇的。對(duì)于大多數(shù)繼電器，接觸電阻為 0.1Ω。是的，十倍肯定是壽命終止，但實(shí)際上，例如，如果繼電器用于精密儀器，0.2Ω 的接觸電阻可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

如果閉合的磁簧開(kāi)關(guān)傳導(dǎo)的電流很高，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。當(dāng)接觸電阻為0.1Ω時(shí)考慮冷切換2A。這會(huì)產(chǎn)生 400mW 的熱量（即 P = I2R）。如果接觸電阻高達(dá) 1Ω，則為 4W。

如前所述，熱量會(huì)削弱線圈的磁場(chǎng)，因?yàn)榱鹘?jīng)線圈的電流不足（如果未考慮電壓過(guò)驅(qū)動(dòng)）。此外，如果開(kāi)關(guān)變得非常熱，也會(huì)失去磁性（基于居里效應(yīng)）。當(dāng)開(kāi)關(guān)冷卻后，這些屬性可以恢復(fù)。

然而，如果磁簧開(kāi)關(guān)輸入側(cè)的電流仍然存在，則該器件在返回工作狀態(tài)時(shí)會(huì)處于熱開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且其壽命將會(huì)縮短。

間歇性故障

除了性能下降之外，舌簧繼電器的不正確使用也會(huì)導(dǎo)致間歇性故障。如前所述，溫度可能是一個(gè)問(wèn)題。過(guò)載不足是另一個(gè)問(wèn)題，在這方面，盡管舌簧繼電器可能已正確指定，但如果在需要操作（線圈通電）觸點(diǎn)時(shí)有某種原因?qū)е?PCB（安裝有設(shè)備）上的電源電壓下降，可能無(wú)法關(guān)閉。

間歇性故障的另一個(gè)（且經(jīng)常被忽視的）原因是磁干擾。其常見(jiàn)來(lái)源是未屏蔽繼電器（我們將在第 2 部分中討論屏蔽），這些繼電器在 PCB 上放置得太近。見(jiàn)圖 3。

圖 3：上圖展示了彼此靠近放置的非屏蔽舌簧繼電器的磁場(chǎng)如何相互作用。

磁干擾也可能來(lái)自變壓器、螺線管、揚(yáng)聲器或其他具有強(qiáng)磁場(chǎng)的組件。

有趣的是，盡管簧片很柔軟并且它們之間的間隙非常小，但振動(dòng)幾乎不是間歇性故障的原因。舌簧繼電器的質(zhì)量非常輕。注：Pickering Electronics 的一些鐵路行業(yè)客戶已在 50G 下測(cè)試了舌簧繼電器，沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。

重要提示

如果使用不當(dāng)，舌簧繼電器的性能會(huì)下降，其可靠性也會(huì)受到影響。可能會(huì)發(fā)生間歇性和永久性故障。為了降低出現(xiàn)上述情況的風(fēng)險(xiǎn)，我們建議：

確保負(fù)載條件（正在切換的電壓和電流）在設(shè)備的總體額定功率范圍內(nèi)。

考慮電容和/或電感如何影響負(fù)載條件。

確保施加在線圈上的電壓接近設(shè)備的標(biāo)稱線圈電壓，并且不會(huì)受到驅(qū)動(dòng)器上壓降的影

請(qǐng)注意可能影響操作的外部影響，特別是溫度和磁相互作用。

除上述內(nèi)容外，我們建議您了解哪些操作參數(shù)對(duì)應(yīng)用很重要以及哪些因素可能會(huì)影響它們。此外，雖然我們?cè)诒疚拈_(kāi)頭說(shuō)舌簧繼電器在達(dá)到使用壽命之前可以執(zhí)行數(shù)百億次操作，但如果應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)設(shè)備在其指定的操作參數(shù)之外工作，則該數(shù)字將大大減少。

最后，在保障產(chǎn)品/系統(tǒng)的可靠性方面，正確選擇舌簧繼電器非常重要。除了基本規(guī)格（例如額定功率、最大開(kāi)關(guān)電流以及操作和釋放時(shí)間）外，設(shè)備還必須精心設(shè)計(jì)和制造。