单位文秘网 2021-07-04 08:20:11 点击: 次
安全性,并不能通过触点并联的方式来实现负载分流,否则动作灵敏度高的触点将因承受过流而造成损伤,影响触点切换的可靠性,甚至因过大电流而出现烧蚀现象。
2.3.2 电磁继电器的安装方式选择
电磁继电器选择应根据整机设计方案合理选择安装方式,在振动环境恶劣、整机无减振措施或者减振不充分的场合,建议优先采用水平平板安装式、垂直安装式或螺母安装,通过支耳固定和结构强度保证继电器的振动量级符合使用要求。对于整机减振良好,电磁继电器触点容量小的场合可采用印制板安装方式。
2.3.3 电磁继电器的使用环境条件选择
部分电磁继电器存在不同质量等级选择,不同质量等级的使用环境条件不同,在设计选用时,电磁继电器的选型应根据实际使用环境进行选择,并就重要环境条件进行降额选择。电磁继电器的环境条件主要集中在环境等级、环境温度、相对湿度、低气压、振动、冲击、加速度和随机振动量级上,设计师应根据单机的总技术条件就以上环境条件进行选择,并在必要时进行力学仿真分析,对继电器进行振动响应的摸底试验。
3 宇航电子产品电磁继电器的应用注意事项
电磁继电器在宇航电子产品中具有广泛的应用,电磁继电器通过激励线圈控制触点的打开和闭合来实现对电子元器件工作状态的控制。电磁继电器相对于其他控制元器件结构复杂,不但有电路、磁路,而且还具有可活动的机械簧片部组件,因此电磁继电器的可靠性相对较低,易受震动环境和电磁环境的影响,设计时在选用电磁继电器的同时必须考虑这些客观因素的存在。宇航电子产品用电磁继电器通常对电磁继电器的可靠性要求非常高,因此电磁继电器控制电路必须根据设计输入充分考虑可靠性设计。
3.1 电磁继电器的降额设计
电磁继电器在实际使用过程中应根据负载属性和负载电流对电磁继电器的触点容量进行合适选择并进行降额设计,继电器厂家的器件资料中的触点容量为阻性负载容量,不同的应用场合(感性负载、电机负载或容性负载)应根据GJB/Z 35的要求进行相应的换算。电磁继电器的触点容量不应进行过度降额。继电器触点的接触电阻与触点负载电流有关,在触点断开电源时有轻微的拉弧现象,拉弧能保证触点表面不被氧化,保证可靠导通。为了保证触点可靠接触,触点电流一般不应小于毫安级。因此在进行继电器电路设计时应确定继电器的应用场合和负载电流,合理进行降额设计。
电磁继电器的降额设计不能对线圈激励电压进行降额,电磁继电器的线圈激励电压必须严格按照继电器的使用手册中的工作电压进行使用。举例而言,某型电磁继电器的额定线圈工作电压为28±3V,表明线圈的最低激励驱动电压为25V,只有驱动电压达到25V以上才能达到线圈的磁饱和,从而产生最大的矫顽力,使继电器触点可靠动作;当线圈的激励电压达到31V时,表示激励电压再增大也不会增加线圈的吸合力,此时再增加工作电压不仅没有任何必要,还会使线圈上的功耗增加,使线圈发热,影响继电器的使用寿命。因此激励电压过高或者过低都将影响电磁继电器的使用寿命,从而降低电磁继电器电路的可靠性。
3.2 电磁继电器的抗振设计
电磁继电器的簧片均为悬梁系统,固有频率较低,整机在较低频率下振动时继电器的机械结构会发生共振,周期性的共振会导致继电器机械结构损坏,长时间的共振更会改变继电器的机械结构,降低继电器的可靠性。因此在进行电磁继电器设计时,应充分考虑电磁继电器的抗振设计,采用整机级、部套级或者板级的减振设计,合理选择电磁继电器的安装方式,最大程度提高继电器的可靠性。
3.3 电磁继电器的瞬态抑制设计
电磁继电器的电磁系统是由一个或者多个线圈、磁轭、衔铁组成的,其分布电感、电容较大,当线圈的电流突然切断时,线圈周围的磁场突然消失,线圈上会产生具有陡峭波的数百伏乃至上千伏的瞬态反向电动势。该电动势会作用到线圈激励电压回路中,会对其他电子器件产生不良影响。为了将瞬态电动势抑制在一个可以接受的水平,降低对其他电子电路的影响,在电磁继电器设计上应增加瞬态抑制电路。常见的瞬态抑制电路有以下三种方式:
图1中a类反向二极管抑制措施能最大程度抑制瞬态电动势,瞬态电压为二极管的正向导通压降,但由于瞬态电动势完全施加于电磁继电器线圈正负两端,瞬态电动势泄放回路等效阻抗低,导致瞬态时间较长;同时瞬态电动势完全施加于电磁继电器线圈正负两端将导致电磁继电器损耗加剧,影响电磁继电器的使用寿命,降低电磁继电器的可靠性。
b类反向二极管结合电阻抑制虽然增加了瞬态电动势的抑制电压,瞬态电压为反向二极管的正向导通压降和瞬态电流在串联电阻上形成的压降之和,但是由于增加了瞬态电动势泄放回路的等效阻抗,从而缩短了瞬态时间,因而在电磁继电器可靠性电路中得到了广泛的应用。串联电阻阻值因线圈阻抗和激励电压而有所差异。
c类反向二极管结合稳压二极管相比反向二极管抑制措施虽然增加了瞬态电动势的抑制电压,瞬态电压为反向二极管的正向导通压降和稳压二极管的击穿电压之和,但是由于稳压二极管将瞬态电动势稳在击穿电压,抑制效果比反向二极管抑制措施有较大改善。但是施加稳压二极管增加了成本负担,综合抑制效果与b持平,因此在实际应用中并不广泛。
3.4 电磁继电器的触点冗余可靠性设计
根据GJB/Z 299中关于电磁继电器的常见失效模式概率统计,触点开路的是失效概率为44%,触点粘连的失效概率为40%,线圈短路的失效概率为2%,参数漂移的是小概率为14%。设计时应充分考虑触点开路和触点粘连对电子电路带来的不利影响,并针对这两种失效模式进行可靠性设计,降低故障风险。
将继电器触点串并联可以提高其接通的可靠性,目前多数是采用两个(或以上)同类型继电器,两组触点串并联或并串联来提高其可靠性。两种方式都能提高接通的可靠性,但是串并联比并串联防误接通的可靠性要高,反之,并串联比串并联接通的可靠性要高。
电磁继电器的触点冗余设计情况汇总表见表1所示,λ为继电器的失效率。
3.5 继电器电路的竞争与冒险
由于继电器触点动作属于机械运动,从感测到执行需要一定时间,而这个时间无论是同一个继电器的不同触点还是不同继电器的不同触点,都是无法做到完全同步的,尤其是不同继电器的触点动作时间会存在较大差异。对于同一继电器的不同触点,总是遵循这样一条原则:当继电器线圈无论处于通电吸和或断电释放的瞬间,触点总是遵循先断后通原则,即动触点在所有闭合触点断开前不得与任何断开触点闭合。因此设计电路时,不仅要考虑正常的动作时序关系,还要考虑继电器释放时的电路时序,是否存在竞争,是否会对线路产生影响。
特别需要注意的是,当电路中存在分别使用不同继电器的常开触点和常闭触点串联控制某个信号时,这两个继电器在同时动作或释放时可能产生竞争电路。
4 电磁继电器的可靠性设计要点
4.1 电磁继电器的方向和封装
部分电磁继电器存在线圈正负方向,一般线圈正端都会用深色着色绝缘子进行标识,设计时应充分注意线圈的正负方向,在进行PCB设计时应根据继电器手册的示意图方向正确、合理地进行封装设计。
4.2 电磁继电器的线包并联使用
在继电器切换控制需求比较大的场合,单个继电器触点数量不够时可通过继电器的并联来增加触点数量,但是在继电器并联使用时应注意保持继电器型号的一致性。
4.3 电磁继电器的热环境
当环境温度升高时,线圈阻抗会增大,从而导致线圈电流降低。因此在继电器使用中应远离散热器等高热耗元器件,保证继电器的使用寿命。
4.4 电磁继电器的磁场环境
由于电磁继电器的感应机构是由电磁铁构成的,存在着漏磁场和磁分路的问题,因此使用中应当远离磁性敏感元件,也不能将电磁继电器安装在铁磁物质制成的安装板上。
4.5 电磁继电器的振动环境
尽量把继电器安装在支架上振幅较小的位置,或把继电器焊装在印制板电路四边、四角和靠近支撑柱的地方。由于不同安装方式的安装基面与继电器运动零件质心距离不一样,因此各种安装方式的振动放大程度有很大的差异。
4.6 电磁继电器的低负载环境
额定电流大于5A的继电器不宜切换低电平(如10µA~10mA、10mV~6V)负载,即使额定电流不大于5A的继电器也并不都能切换低电平负载。有低电平要求的继电器,其触点经过高电平测试或工作后,也不应该再使用到低电平电路中。主要是低电平负载不能使继电器触点进行自净,过高的膜电阻会导致接触不可靠。
5 结束语
本文简要介绍了电磁继电器的种类及选型注意事项,针对宇航电子产品继电器的高可靠性的应用特点,提出了宇航电子产品继电器设计时需要重点关注的注意事项,同时指出了电磁继电器的可靠性设计要点,为宇航电子产品的继电器选用和电路设计提供一定参考。
参考文献
[1]许汉成.正确使用电磁继电器[J].航天器工程,2000(01).
[2]郑天丕.电磁继电器的工作电压浅议[J].机电元件,2003(03).
作者单位
上海航天电子技术研究所 上海市 201109
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