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继电器基础知识

  • 继电器概述
    • 继电器

      是一种当输入量(电、磁、声、光、热)达到一定值时,输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。
      电磁继电器:以电磁铁为动力的继电器。
      直流继电器:输入为直流电的继电器。
      交流继电器:输入是交流电的继电器。
      有极性继电器:继电器的控制受输入电流的方向有关。

  • 继电器术语解释
    • 线圈电阻:
      继电器设计时的额定电阻值。
      接触电阻CR:
      一个导体分成二段后形成的电接触、具有比原导体大得多的电阻,此电阻称为接触电阻。继电器的接触电阻指接点间电阻,接触电阻是导体电阻和表面膜电阻的总和。
      接触电阻的测试不适合采用毫欧计测试,国际标准是电压降法(DC6V 1A)。
      动作电压(OV)
      继电器所有接点从复归状态到达工作状态时线圈所需电压的最小值。
      复归电压(RV):
      继电器所有接点从工作状态到达复归状态时线圈所需电压的最小值。
      动作时间(OT)
      继电器线圈施加额定电压开始到所有接点动作为止时所需的时间。(不包含回跳时间)。
      复位时间(RT)
      继电器线圈断电开始到所有接点释放为止时所需的时间(不包含回跳时间)。
      回跳:
      继电器的活动部件(衔铁与铁芯,接点间,衔铁与推动卡等)相互冲突引起的接点间间歇性开闭现象。
      动作回跳时间:继电器动作时,接点间的回跳时间。
      复位回跳时间:继电器释放时,接点间的回跳时间。

      绝缘电阻:
      在相互绝缘的导电部分之间用规定的直流电压测量时所呈现的电阻值(DC500V条件)。
      耐电压:
      又称绝缘强度,是指介质材料在不失效的情况下所能承受的最大电压梯度(1mA,或3mA,或其它)。主要有:1)线圈与接点间,2)同极接点间,3)异极接点间,4)置位线圈与复位线圈间。
      冲击耐电压(雷击耐电压):
      对于异常情况(如雷击,电感反向电压等)产生的冲击电压脉冲的耐久性能值。通常为几千伏到十几千伏。
      振动:
      在运输,安装时产生的振动所造成的特性变化,破损所规定的耐久性振动;另外,在使用时因振动引起的振动误动作。通常规定:振幅和振动频率。
      冲击:
      在运输,安装时产生的冲击所造成的特性变化,破损所规定的耐久性冲击;另外,在使用时因冲击引起的冲击误动作。通常规定:加速度。
      机械寿命:
      在不施加负载的情况下,对继电器进行结构性和零部件的疲劳测试的寿命。
      电气寿命:
      在指定的负载条件和开闭频率下,继电器的电气耐久性寿命。
      冲击电流(浪涌电流):
      接点导通时,出现的一个比稳态电流大的电流。主要出现在电容负载,灯负载,电机负载等。
      额定电压和电流:
      继电器设计时的额定规格值,一般条件下使用继电器时,施加到线圈上的电压(电流)以此为标准。
      容许施加电压:
      在使用继电器时,由于实际电路的电压或使用环境有可能会产生波动,导致施加到继电器线圈两端的电压也可能会产生波动, 为了不影响继电器的正常使用,则规定了继电器使用时的可以施加的电压范围。(在每款产品都有一个容许电压范围,使用时参考规格书,如果没有特殊说明, 容许范围是额定值+/-5%)
      接点构成:
      常开接点(H或A接点), 常闭接点(D或B接点),转换接点(Z或C接点)。
      常开接点:正常状态下是开路的接点。
      常闭接点:正常状态下是闭路的接点。
      额定负载:
      继电器设计时的标称负载基准值,用电压和电流表示,如AC250V10A。
      接点最大容许电压:
      接点通断时容许的最大电压值,使用时不能超过该电压。
      接点最大容许电流:
      接点通断时容许的最大电流值,使用时不能超过该电流。
      接点容量:
      接点通断时所容许的电压和电流的乘积,使用时不能超过该容量。
      线圈额定功率:
      继电器设计时的线圈线圈消耗功率,直流=mW,交流=VA。
      开闭频率:
      继电器在单位时间内的通断次数。

继电器的选型一般原则

  • 根据应用负载及控制方式确定继电器接点能力和接点组数构成:
    • 一般条件下,继电器的标称负载规格是以纯电阻负载(cos=1.0)为标准负载。
      1、控制负载/电路类型,主要考虑负载导通或断开时的电流或电压等参数的变化,功率因素,浪涌电流,反向电压等.如AC/DC电路/R/L/C电路/电机/螺线管/电磁铁/接触器线圈/钨丝灯/荧光灯/汽车灯/卤素灯/发热丝/微波管/等等.不同的负载,其参数是不一样的,在设计的时候需要实际确认,根据不同的负载参数选定匹配的继电器。
      2、控制负载/电路的组数, 一般情况下,一个继电器控制一组,但是在某些特殊的设备中,需要同时控制多组负载/电路.比如音频电路,一般是同时控制2组或以上.另外,很多工控设备,也需要同时控制多组。
      3、控制电路需要的通断频率,同一款继电器,在不同通断频率,其他一切条件相同的情况下,通断频率越快,寿命越短,在选择时参考产品规格书。
      4、希望使用寿命.在设计的时候,希望产品的寿命和继电器的寿命基本平衡,或继电器寿命稍稍富余。

  • 根据驱动电路设计参数确定继电器线圈参数:
    • 继电器驱动电路设计的决定需要的继电器线圈的参数, 不同的电路对应的继电器的线圈参数有所区别。
      1、根据电路设计,选定继电器线圈的额定值和线圈消耗功率. 在使用时,希望能施加额定电压.使用晶体管驱动继电器线圈时,还要考虑晶体管本身的电压降. 其实我推荐最佳的实际施加电压是额定电压的100%-110%。
      2、确定动作电压. 受驱动线圈的电压波动范围(电源纹波)的影响,波动范围较大时,可能会导致继电器吸合不稳定或破坏线圈绝缘层,从而引起继电器失效.一般条件下,线圈电压波动较大时,应选用动作电压较低的继电器. 使用时参考产品规格书,无特殊说明时,线圈电压波动范围为+/-5%。
      3、确定动作时间.对于某些特定的电路,需要对动作时间进行控制.比如:MWO的微波管,需要进行相位控制,以降低浪涌电流. 音频电路还需要控制继电器回跳的时间,以保证良好的音质。

  • 根据应用环境条件确定继电器周围的环境条件:
    • 在不同的外部环境,对继电器的影响是不一样的.比如高温/潮湿/粉尘/气体/振动冲击等影响,需要根据实际的环境情况选定适合的产品。
      1、温度的高低直接影响继电器的寿命, 温度越高,寿命越短.继电器的一般使用环境温度是70C,请参考产品推荐温度进行选用。
      2、湿度一般影响继电器的接触性能,对于微小电流的电路影响最大.潮湿的环境加速接点以及内部金属部件的氧化,在接点上生成一层氧化物,使接触电阻增加.一般条件下,湿度大于90%时应选用密封型的继电器。
      3、粉尘,气体(含S,NO,HCl等)较严重的环境,一般会影响继电器的接触性能.粉尘,或含S等气体与Ag生成Ag2S等附着在接点表面,导致接触电阻增加. 环境恶劣的情况,应选用密封型继电器。
      4、振动/冲击严重的环境影响继电器的可靠性能,容易出现误动作或线圈断线.一般继电器的耐振动频率是55HZ(国际标准),汽车继电器的较大,400HZ或500HZ左右.因此振动冲击较厉害的设备,应优先选用汽车继电器。

  • 根据电路设计和元器件布局确定继电器的外型:
    • 在某些电路板的设计和布局,可能受空间的限制.因此需要考虑元器件的外型尺寸,安装尺寸和连接方式。

  • 安全性能:
    • 在某些特殊的设备中,需要考虑元器件的安全性,比如继电器一般要考虑绝缘电阻和耐电压。

  • 其它特殊要求:
    • 比如安全规格认证书,以及其他在设计电路或使用是需要考虑的特殊事项。

继电器使用时的注意事项

  • 负载类型及控制方式:
    • 继电器在应用中的绝大多数失效都是由负载引起的,由于负载或应用电路的实际参数没有很充分的确认,导致在选用继电器时与之不匹配,因此导致继电器接点粘着,接点消磨耗尽,接触不稳定, 控制电路发生短路,继电器绝缘性能恶化,更严重着可能引起安全隐患.因此,正确安全的使用继电器是十分重要的,下面就介绍部分影响较大的负载及其使用时注意事项。
      1、直流负载:继电器控制直流负载时的能力比交流负载要小得多。
      在开闭负载时,会产生电弧放电.由于直流电没有过零点,因此电弧不容易熄灭,电弧燃烧的时间要长得多. 一般情况下,在直流负载中的继电器失效现象大多数是接点金属转移,导致接点粘连在一起.电弧的温度很高(大约6000C),使接点金属熔化,粘连在一起,或由于部分金属被撕裂,因此到继电器再次吸合时,容易出现机械嵌合卡死.因此,在直流负载应用中,请务必参考产品设计规格条件下使用,一般不宜使用高容量的直流负载。
      2、感性负载:在切换感性负载时会出现很高的反向电压。
      在控制电磁铁/接触器/继电器/螺线管/变压器/电机(马达)等,当切断感性负载时产生很高很高的反向电压(几百到几千伏),并且容易产生电弧,使继电器接点粘连或寿命短等失效.另外,在导通上述负载时也会产生较大的浪涌电流(5-20倍).一般情况下,开闭相同负载,cos越低,继电器寿命越短。
      在实际应用电路上应加上反向电压吸收电路(接点保护电路)。
      3、电容负载:导通电容负载时产生很高的浪涌电流,并且浪涌电流的时间很短(约8-400us)。
      电容负载在接通的瞬间,由于电容需要充电,产生很高的浪涌电流, 容易导致接点粘连.因此控制电容电路时,应尽量选择耐高浪涌电流的继电器;或在电容上串联一个1Ω左右的电阻降低浪涌电流。
      4、灯负载:导通灯泡负载的瞬间产生很高的浪涌电流,浪涌电流的时间(约50-300ms)。
      容易导致接点粘连.并且不同的灯泡类型产生的浪涌电流是不一样的。
      比如:钨丝灯/水银灯/卤素灯/日光灯等等.他们都有自己的特点,在实际使用时需要确认浪涌电流的大小. 在控制这类负载时,一般选用耐浪涌电流的继电器。
      (在UL标准中,以TV认证来体现耐浪涌的能力.(TV认证是用钨丝灯泡为标准负荷))
      5、马达(电机)负载和螺线管负载:导通上述负载的瞬间产生较高的浪涌电流,容易导致接点粘连。
      在实际控制这类负载时时需要确认浪涌电流的大小,选取匹配的继电器。
      6、电磁接触器负载:导通接触器负载的瞬间产生的3-10倍浪涌电流,容易导致接点粘连。
      在实际控制这类负载时时需要确认浪涌电流的大小,选取匹配的继电器。
      7、控制高频信号:
      在某些领域控制的信号频率很高(30-3000MHZ),因此需要使用能够切换高频信号的高频继电器.这类继电器的高频绝缘性,插入损失,反射损失,驻波比等等特性与直流负荷和低频交流负荷是完全不一样的。
      8、控制小负荷或微小负荷:
      对于继电器来说,负荷能力从几mA到几十A(甚至数百A的也有),根据不同的应用负荷选用相匹配的继电器.一般来说,继电器的负荷越小,寿命也越长,但是小也有一定的限制,如果相对太小了,反而寿命不长. 因为不同能力的继电器所用到的接点的材料不一样,在微小电流的作用下,在接点的表面回生成一层氧化物和黑色的碳皮,导致接触电阻增加,从而影响了电路的正常运行。
      一般在微小负荷(几mA或几十mA级)中应选用金接点或镀金接点的继电器。
      9、开闭(通断)频率:
      一般情况下,较大电流的负载通断时都会产生较强的电弧,电弧燃烧的时间与通断频率有着密切的关系. 继电器通断频率过快,电弧时间就越长,继电器失效就越快.一般在产品规格书里都有规定开闭频率。
      一般情况下,负载能力和开闭频率如下:

      负载

      推荐频率

      参考频率

      UL 采用频率

      IEC采用频率

      2A以下

      1s/1s

      1s/1s

      1s/9s

      制造商指定

      5A以下

      1s/1s

      1s/1s

      10A以下

      1s/5s

      1.5s/1.5s

      30A以下

      1s/9s

      3s/3s

      30A以上

      1s/20s

      5s/5s




      提示:在长时间不进行开闭的情况下,通常选用磁保持型继电器,或使用继电器的常闭端来控制.

  • 继电器线圈的驱动方式:
    • 继电器的线圈的控制直接影响继电器的性能。
      使用合理的控制方法不但可以降低由于继电器失效带来的不便和危害,而且还可以有效的节能。
      下面介绍几种线圈的控制方式。
      1、理想的继电器控制电压源----恒压电源:
      在继电器控制中,最理想的线圈供电电压是采用恒定电压,没有任何波动.但是在实际应用电路中很难做到。
      如果继电器线圈的驱动电压是用交流电整流而成,则电压波形要求平稳,波动越小越好,波动应控制在+/-5%内. 另外,尽量采用全波整流,不宜采用半波整流。
      3、 脉冲电压驱动:
      有某些设备中,继电器的驱动电压不是恒压电源或整流电压,而是由脉冲发生器发出的脉冲电压.采用脉冲电压来驱动继电器时,要采用脉冲频率较大的脉冲发生器.不然的话,有可能导致继电器发生误动作(发生嘶嘶的声音)。
      脉冲频率:一般情况下,安定的环境中要大于10KHZ。
      4、短时间驱动:
      某些应用场合,长时间不进行继电器接点开闭切换,为了节约电力,常常采用短时驱动,让继电器吸合之后保持,不在施加驱动电压.则需要选取磁铁保持型的继电器.另外,在一些安定环境中(温度变化不大,振动冲击基本没有),为了节约电力,常常采用降压保持. 这种情况下,降压的幅度一般不得低于额定电压的50%。 (如 电源监视电路,报警电路.)
      5、晶体管驱动:
      5.1采用Schmidt电路进行驱动
      直流继电器的线圈电压的缓慢升压或降压都会使继电器动作不稳定,容易造成失效.因此希望快速增长信号波形使继电器线圈电压瞬间增加。
      5.2 在使用晶体管驱动时要防止漏电流
      在下图中的T1在截止时仍有电流流过继电器的线圈,造成继电器释放比较缓慢,可能会导致继电器失效。
      5.3尽量不要采用Darlington连接
      Vcesat会变大,所以需要引起注意.一般条件下,虽然不会直接导致不良,但是长时间工作或个数多的情况下,可能发生故障.继电器有可能发生误动作或不动作。
      6、同一路交流电同时供负载和驱动继电器时,线圈驱动采用全波整流:
      如果采用半波整流时,则继电器出现同相位开闭的情况,相当于直流负载,这会大大降低继电器的使用寿命,出现早期的失效。
      7、避免交流负载中继电器接点在同相位开闭的现象:
      继电器接点开闭时,负载交流电的相位应是随机的。如果继电器的开闭和负载电源的相位同步时, 则会引起接点熔接、锁定等接触障碍。 使用TIMER/微处理器/可控硅整流器等驱动继电器线圈时,比较容易出现同相位开闭现象。

  • 继电器使用时的周围环境:
    • 1、温度湿度的影响:
      温度影响继电器的动作性能. 一般情况下,温度越高,继电器的动作电压就越高.因此,为了保证继电器的在使用中平稳动作, 请在推荐温度下使用.如果实际使用的环境温度超过了产品规格书规定的温度,则需要对继电器进行评价后判断能否使用.湿度会影响继电器的接触性能.一般情况,湿度越大,继电器的接点表面越容易生成氧化膜,可能导致接触不良的失效现象. 使用时参考产品规格书。
      通常湿度>90%时,一般采用密封型继电器。
      2、振动冲击的影响:
      振动和冲击通常会影响继电器的性能参数,如果振动冲击比较严重的话,直接导致继电器机械性破坏.继电器在运输和使用过程中都会受到振动冲击的影响.一般情况,运输过程中,只能通过包装方式状况去尽量降低影响的程度,不能完全避免.在使用的过程中,如果振动冲击很严重的话,一般可以采用调整继电器安装方向,或灌硬化树脂加固,或选用耐振动冲击能力强的产品(如:汽车继电器)。
      因此,在使用时请参考产品规格书。
      3、外界强磁场干扰:
      电磁继电器是靠电磁铁控制的,因此外界的强磁场会直接影响电磁继电器的功能,参数变化,或不动作,或误动作等等.比如:变压器,扩音器,电磁铁,继电器杂散磁场等元器件.另外,高频电源的干扰会使继电器线圈感应加热,以至于烧毁.尽量不要在上述元件周围排布继电器使用,非不得以,需要加磁屏蔽。
      4、环境中的气体和尘埃:
      在继电器周围环境中的有害气体(H2S,HCl,NOx等)比较严重的话,这些气体在电弧的作用下和接点中的银发生反应,生成Ag2S等覆盖在接点表面,从而会导致继电器接触不良.尘埃比较严重的环境,也可能附着在接点表面,导致接点接触不良。
      在有害气体和尘埃比较严重的地方,一般使用密封型继电器。
      5、硅及其化合物:
      硅及其化合物是继电器的天敌。
      含硅制品由于其绝缘性和耐温性很好,因此在大量电气制品中都广泛应用.在部分继电器厂商中的线圈的漆包线的绝缘层含有Si.  在使用过程中,含Si的物质会分解出特殊的气体,这种气体在电弧的作用下产生与绝缘膜类似的物质,如果附着在接点上,这将导致继电器接触不良或不导通.可能引起安全事故。

  • 继电器的外型和安装方式:
    • 1、根据实际空间情况考虑继电器外型尺寸:
      在电路设计的过程中,元器件的布局以及安装的空间的限制,因此在选用继电器的时候也要考虑其外型尺寸.即使在相同负载能力下,各款继电器的形状也不完全相同。
      2、继电器安装的方法:
      2.1PCB焊锡固定安装
      2.2插座插入固定安装
      2.3螺钉固定安装
      3、继电器安装时的注意事项:
      3.1继电器的排布不要太密集,如果非得密集安装在一起,那么继电器之间的间隙至少大于5mm。(避免温升/杂散磁场的影响)
      3.2插片端子型和插座型继电器必须垂直安装,以防斜插等损坏继电器。
      3.3继电器落地后一般不再使用.另外,装有继电器的PCB板以防止剧烈振动冲击。

  • 继电器降额使用:
    • 对于继电器负载,一般都是纯电阻负荷为额定负荷,有时也会增加一些感性负载的条件和TV负荷的条件。通常情况下按照我们给定的额定负荷进行使用,是满足的。但是为了更加优化和提高信耐性,我们实际使用时需要降额使用。
      针对典型的几种负载的降额参考:
      A:阻性负荷额定:通常降额为额定容量的75%。
      B:电容性负荷额定:通常降额为额定负荷的75%,而且需要串联一个电阻来降低冲击电流。
      C:感性负荷额定:通常降额为额定负荷的40%,并且需要采用一个电弧抑制的吸收回路。(由于cosfi不同,降额也不尽相同,经验得出:IL=IR x cosfi)
      D: 电机负荷额定:通常降额为额定负荷的20%,而且需要采用抑制冲击电流和电弧的回路。
      E:钨丝灯负荷额定:通常降额为额定负荷的10%,而且需要串联一个电阻降低冲击电流。

  • DC 继电器和AC 继电器的区别:
    • DC RELAY的线圈通的直流电(U或I),因此产生的是恒定的磁场,功率损失也仅仅是线圈的发热引起的。由于电流是恒定的,因此磁通也是恒定的,吸引力也是恒定,因此不会产生颤抖的现象,除非是线圈电压波动大。
      AC RELAY的线圈通的交流电,因此产生的是变化的磁场(主磁通,漏磁通),另外交流线圈除了线圈电阻本身的热损耗(铜损)外,还有铁芯产生的铁损(包含磁滞损耗,涡流损耗)。AC-RELAY的电流是交变的,导致产生的磁通也是交变的,吸引力也是变化的。因此AC-RELAY会有‘嘶嘶’的响声,如果电压波动大的话,继电器会一直在不断的开闭。

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