开关和继电器的额定参数

继电器的额定参数通常显示为一张数据表,其中简单地罗列了各项参数的数值。但是这张表经常会被错误解读。在使用时,超过额定参数会严重缩短继电器的使用寿命。这篇指南有助于理解在描述一个继电器和开关系统时需要用到的几个通用术语的意思。

机械寿命

继电器是由运动零部件组成的,使用时会产生应力和磨损,久而久之最终会导致继电器失效。机械寿命提供了由这些机械过程引起的第一次故障的信息。其本质上是描述在无负载或轻负载条件下继电器可以承受的动作次数。而触点磨损,继电器温度和作用在活动部件上的力仅仅是机械运动的结果。

一般来讲,仪器级舌簧继电器的机械寿命是最长的。原因是这种继电器内部的运动部件非常少(触点簧片会弯曲而不会在一个枢轴点上移动),并且触点被密封在玻璃管内,这就减少了污染物和机械缺陷的影响。

电磁继电器(EMR)的机械寿命较短,但信号负载能力较强。

额定电压

这指的是在继电器触点导通/断开状态下,触点上允许承载的最大电压值。在高电压下操作继电器,会引起电弧,进而腐蚀触点,最终会降低触点的接触性能。详情参见:  热切换继电器 >>.

还需要记住的是,在开关系统中,额定电压可能会受到其他一些因素的限制,比如PCB板或连接器上的线路间距。还需要考虑到,当正、负电压同时存在时,额定电压等于这两个电压的差值。同样的情况还包括,三相电源切换时,电压的差值大于每相分别的电压值。

在品英仪器的开关解决方案中,凡涉及开关系统的额定电压,除非另有规定,否则都是针对设计环节中最薄弱的部分设定的。例如规定了某个开关模块的额定电压为150V,那么它在开关信号为0到150V,-150V到0V或者-75V到+75V范围内都是适用的。在开关设计中,可以根据继电器的额定电压来决定可接受范围内线路间距的最小值。

还需要记住的很重要的一点是,在开关系统中,系统的额定电压可能小于继电器的额定电压,因为规定继电器的额定参数时通常是定义在电阻性负载基础上的。继电器系统通常自身具有电容(主要为线路上的电容),这会降低继电器所能承载的电压(或功率)。

冷切换额定电压

如果不对继电器进行操作,继电器的触点上可以承载比额定电压更高的电压。具有高隔离电压的继电器可以用于绝缘测试,但是用户在进行操作时,绝不能在施加电压的同时切换继电器开关,因为这会导致电压超过触点的额定电压。

当一个开关系统规定了一个冷切换额定电压时,PCB板的线路间隔就会相应地设计为冷切换下的额定值。一些用户也将冷切换额定电压称为安全电压(StandOff Voltage)。

切换电流

当一个继电器进行热切换时,在切换状态下(开/关时)可以承载的最大额定电流被称为切换电流。

负载电流

当继电器闭合后,就可能可以承载比开关电流更大的电流。由于会导致接触面上热量积聚,负载电流通常受到诸如接触电阻的限制。当继电器上的负载电流大于开关电流时,在电流强度降低之前绝不可以断开(或闭合)继电器。

脉冲负载电流

有一些产品列出了脉冲负载电流额定值。在冷切换开关系统的应用中,一旦触点闭合,一个脉冲电流就会加热继电器的触点。——与 热切换不同的是,不会因此产生电弧。

继电器的触点具有足够的热量,因而这个脉冲电流不会导致触点过热从而损坏触点。脉冲电流可能是单个事件也可能会重复出现,如果重复出现,则需要当心确保避免净效应产生过热问题。一个典型的额定电流为2A的电磁继电器( EMR),如果通6A的电流可能可以维持工作200µs。还需要记住,热效应与电流的平方成正比(假设接触电阻是恒定的),尤其当在两个电流脉冲之间的时间内触点上需要负载电流的时候,假如将电流增加三倍则需要占空比为大约10%或以下。

额定功率

一些用户会忽视额定功率的问题,而事实上额定功率对于继电器寿命是起到主要影响的因素。比如一个继电器的额定电压为250V,额定电流为2A,如果用它来切换具有最大允许电压和电流的信号(在这个例子中功率为500W),那么这个继电器的寿命是不太可能长的。继电器供应商会指定一个最大功率(比如60W)——那么在这个例子中,假如继电器在闭合时的负载电流为2A,那么在闭合前的电压必须小于30V。这就导致继电器具有复杂的可用工作区——切换开关前的电压越高,继电器的最大切换电流越小。应当注意的是,由于继电器的开关动作会产生电弧进而产生等离子体,这很容易损坏触点和继电器材料,因此在高直流电压下,继电器可以承受的功率通常会降低。这就使得额定曲线不会像功率限制曲线那样简单,当直流电压切换到30V以上时,用户应该要时常核查数据表中的负载曲线。

同样地,电弧会导致继电器内部温度升高,因此在高负载下频繁操作继电器会缩短继电器的寿命。

要用到额定功率往往意味着继电器是热切换的。直流负载和交流负载下的额定功率通常是不同的。 参见热切换

对于电磁继电器(EMR)来说,假定最大额定功率对应最大直流电压,这种做法是不安全的。用户应当经常参考所提供的负载曲线图来获取进一步的指导。典型的EMR在高电压下具有较低的功率,确定各项条件是否符合规则的最安心的办法就是认真查看所提供的负载数据。

对于设计用于快速开/关操作的固态继电器(SSR)来说,很少需要考虑额定功率的问题,因为它们通常可以同时承载高电压和高电流并且不会受损。快速开/关的时间保证了在状态转换期间的低耗散并且不会产生电弧。

最小切换电压

有些类型的继电器必须加载一个最小电压来进行可靠的开关动作,尤其是在经常会发生触点磨损从而暴露出底部材料的热切换当中。需要最小电压来“润滑”接触面以保证低接触电阻。由于舌簧继电器的触点被密封在玻璃管内,从而避免了污染物积聚形成膜,因此舌簧继电器对于低电压开关特别适用。基于使用了金质的触点,一些设计用于通信应用的继电器也具有良好的最小电压额定值。一旦用作保护的镀金因热切换或者由于自身高压接触造成的机械磨损而腐蚀,这些高功率继电器通常就会需要相当高的最小电压。

在具有较高电容的继电器中,这种情况也常见于触点处于闭合状态下的时变电阻——电阻值随时间减小。

吸合时间

吸合时间是一个会让用户感到困惑的概念。在开关系统中,数据表中所提及的吸合时间指的是软件执行一个驱动指令所用的时间加上继电器开始动作到完成动作所用的时间和。品英仪器所有的驱动程序已经包含了以上的继电器时序信息,如果没有通过命令将驱动等待状态覆盖,驱动程序会在开关完成一次动作之前阻止用户再次对开关进行操作。在有些开关系统中,为了确保在中断操作前没有意外发生,要完成一次状态切换可能需要操作多次。

模块开关的额定参数与继电器额定参数的对比

由于各种原因导致继电器的额定参数通常不会直接应用于模块级开关系统。有一些方面会受到布局中所用到的设计规则的限制,比如线路间隙可能会限制一个模块的额定电压,线路宽度可能会限制当前的设计容量。在产品的设计中,密度和额定参数之间总是不能两全,需要在规则上有一些妥协。另外,一些模块会引入极高的电容,这会导致在触点闭合时产生浪涌电流,开关系统规模越大就容易产生浪涌电流,系统中的连接线越长,连接线的电容就越大(对于许多应用来讲,可以广泛地假定为100pF/米),对额定参数的影响也越大。

品英仪器的产品数据表所显示的为模块级的性能而且是基于电阻性负载讨论的性能,因为这是唯一可以表示出来的确定的工作条件。

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