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繼電器基礎知識

  • 繼電器概述
    • 繼電器

      是一種當輸入量(電、磁、聲、光、熱)達到一定值時,輸出量將發生跳躍式變化的自動控制器件。
      電磁繼電器:以電磁鐵為動力的繼電器。
      直流繼電器:輸入為直流電的繼電器。
      交流繼電器:輸入是交流電的繼電器。
      有極性繼電器:繼電器的控制受輸入電流的方向有關。

  • 繼電器術語解釋
    • 線圈電阻:
      繼電器設計時的額定電阻值。
      接觸電阻CR:
      一個導體分成二段后形成的電接觸、具有比原導體大得多的電阻,此電阻稱為接觸電阻。繼電器的接觸電阻指接點間電阻,接觸電阻是導體電阻和表面膜電阻的總和。
      接觸電阻的測試不適合采用毫歐計測試,國際標準是電壓降法(DC6V 1A)。
      動作電壓(OV)
      繼電器所有接點從復歸狀態到達工作狀態時線圈所需電壓的最小值。
      復歸電壓(RV):
      繼電器所有接點從工作狀態到達復歸狀態時線圈所需電壓的最小值。
      動作時間(OT)
      繼電器線圈施加額定電壓開始到所有接點動作為止時所需的時間。(不包含回跳時間)。
      復位時間(RT)
      繼電器線圈斷電開始到所有接點釋放為止時所需的時間(不包含回跳時間)。
      回跳:
      繼電器的活動部件(銜鐵與鐵芯,接點間,銜鐵與推動卡等)相互沖突引起的接點間間歇性開閉現象。
      動作回跳時間:繼電器動作時,接點間的回跳時間。
      復位回跳時間:繼電器釋放時,接點間的回跳時間。

      絕緣電阻:
      在相互絕緣的導電部分之間用規定的直流電壓測量時所呈現的電阻值(DC500V條件)。
      耐電壓:
      又稱絕緣強度,是指介質材料在不失效的情況下所能承受的最大電壓梯度(1mA,或3mA,或其它)。主要有:1)線圈與接點間,2)同極接點間,3)異極接點間,4)置位線圈與復位線圈間。
      沖擊耐電壓(雷擊耐電壓):
      對于異常情況(如雷擊,電感反向電壓等)產生的沖擊電壓脈沖的耐久性能值。通常為幾千伏到十幾千伏。
      振動:
      在運輸,安裝時產生的振動所造成的特性變化,破損所規定的耐久性振動;另外,在使用時因振動引起的振動誤動作。通常規定:振幅和振動頻率。
      沖擊:
      在運輸,安裝時產生的沖擊所造成的特性變化,破損所規定的耐久性沖擊;另外,在使用時因沖擊引起的沖擊誤動作。通常規定:加速度。
      機械壽命:
      在不施加負載的情況下,對繼電器進行結構性和零部件的疲勞測試的壽命。
      電氣壽命:
      在指定的負載條件和開閉頻率下,繼電器的電氣耐久性壽命。
      沖擊電流(浪涌電流):
      接點導通時,出現的一個比穩態電流大的電流。主要出現在電容負載,燈負載,電機負載等。
      額定電壓和電流:
      繼電器設計時的額定規格值,一般條件下使用繼電器時,施加到線圈上的電壓(電流)以此為標準。
      容許施加電壓:
      在使用繼電器時,由于實際電路的電壓或使用環境有可能會產生波動,導致施加到繼電器線圈兩端的電壓也可能會產生波動, 為了不影響繼電器的正常使用,則規定了繼電器使用時的可以施加的電壓范圍。(在每款產品都有一個容許電壓范圍,使用時參考規格書,如果沒有特殊說明, 容許范圍是額定值+/-5%)
      接點構成:
      常開接點(H或A接點), 常閉接點(D或B接點),轉換接點(Z或C接點)。
      常開接點:正常狀態下是開路的接點。
      常閉接點:正常狀態下是閉路的接點。
      額定負載:
      繼電器設計時的標稱負載基準值,用電壓和電流表示,如AC250V10A。
      接點最大容許電壓:
      接點通斷時容許的最大電壓值,使用時不能超過該電壓。
      接點最大容許電流:
      接點通斷時容許的最大電流值,使用時不能超過該電流。
      接點容量:
      接點通斷時所容許的電壓和電流的乘積,使用時不能超過該容量。
      線圈額定功率:
      繼電器設計時的線圈線圈消耗功率,直流=mW,交流=VA。
      開閉頻率:
      繼電器在單位時間內的通斷次數。

繼電器的選型一般原則

  • 根據應用負載及控制方式確定繼電器接點能力和接點組數構成:
    • 一般條件下,繼電器的標稱負載規格是以純電阻負載(cos=1.0)為標準負載。
      1、控制負載/電路類型,主要考慮負載導通或斷開時的電流或電壓等參數的變化,功率因素,浪涌電流,反向電壓等.如AC/DC電路/R/L/C電路/電機/螺線管/電磁鐵/接觸器線圈/鎢絲燈/熒光燈/汽車燈/鹵素燈/發熱絲/微波管/等等.不同的負載,其參數是不一樣的,在設計的時候需要實際確認,根據不同的負載參數選定匹配的繼電器。
      2、控制負載/電路的組數, 一般情況下,一個繼電器控制一組,但是在某些特殊的設備中,需要同時控制多組負載/電路.比如音頻電路,一般是同時控制2組或以上.另外,很多工控設備,也需要同時控制多組。
      3、控制電路需要的通斷頻率,同一款繼電器,在不同通斷頻率,其他一切條件相同的情況下,通斷頻率越快,壽命越短,在選擇時參考產品規格書。
      4、希望使用壽命.在設計的時候,希望產品的壽命和繼電器的壽命基本平衡,或繼電器壽命稍稍富余。

  • 根據驅動電路設計參數確定繼電器線圈參數:
    • 繼電器驅動電路設計的決定需要的繼電器線圈的參數, 不同的電路對應的繼電器的線圈參數有所區別。
      1、根據電路設計,選定繼電器線圈的額定值和線圈消耗功率. 在使用時,希望能施加額定電壓.使用晶體管驅動繼電器線圈時,還要考慮晶體管本身的電壓降. 其實我推薦最佳的實際施加電壓是額定電壓的100%-110%。
      2、確定動作電壓. 受驅動線圈的電壓波動范圍(電源紋波)的影響,波動范圍較大時,可能會導致繼電器吸合不穩定或破壞線圈絕緣層,從而引起繼電器失效.一般條件下,線圈電壓波動較大時,應選用動作電壓較低的繼電器. 使用時參考產品規格書,無特殊說明時,線圈電壓波動范圍為+/-5%。
      3、確定動作時間.對于某些特定的電路,需要對動作時間進行控制.比如:MWO的微波管,需要進行相位控制,以降低浪涌電流. 音頻電路還需要控制繼電器回跳的時間,以保證良好的音質。

  • 根據應用環境條件確定繼電器周圍的環境條件:
    • 在不同的外部環境,對繼電器的影響是不一樣的.比如高溫/潮濕/粉塵/氣體/振動沖擊等影響,需要根據實際的環境情況選定適合的產品。
      1、溫度的高低直接影響繼電器的壽命, 溫度越高,壽命越短.繼電器的一般使用環境溫度是70C,請參考產品推薦溫度進行選用。
      2、濕度一般影響繼電器的接觸性能,對于微小電流的電路影響最大.潮濕的環境加速接點以及內部金屬部件的氧化,在接點上生成一層氧化物,使接觸電阻增加.一般條件下,濕度大于90%時應選用密封型的繼電器。
      3、粉塵,氣體(含S,NO,HCl等)較嚴重的環境,一般會影響繼電器的接觸性能.粉塵,或含S等氣體與Ag生成Ag2S等附著在接點表面,導致接觸電阻增加. 環境惡劣的情況,應選用密封型繼電器。
      4、振動/沖擊嚴重的環境影響繼電器的可靠性能,容易出現誤動作或線圈斷線.一般繼電器的耐振動頻率是55HZ(國際標準),汽車繼電器的較大,400HZ或500HZ左右.因此振動沖擊較厲害的設備,應優先選用汽車繼電器。

  • 根據電路設計和元器件布局確定繼電器的外型:
    • 在某些電路板的設計和布局,可能受空間的限制.因此需要考慮元器件的外型尺寸,安裝尺寸和連接方式。

  • 安全性能:
    • 在某些特殊的設備中,需要考慮元器件的安全性,比如繼電器一般要考慮絕緣電阻和耐電壓。

  • 其它特殊要求:
    • 比如安全規格認證書,以及其他在設計電路或使用是需要考慮的特殊事項。

繼電器使用時的注意事項

  • 負載類型及控制方式:
    • 繼電器在應用中的絕大多數失效都是由負載引起的,由于負載或應用電路的實際參數沒有很充分的確認,導致在選用繼電器時與之不匹配,因此導致繼電器接點粘著,接點消磨耗盡,接觸不穩定, 控制電路發生短路,繼電器絕緣性能惡化,更嚴重著可能引起安全隱患.因此,正確安全的使用繼電器是十分重要的,下面就介紹部分影響較大的負載及其使用時注意事項。
      1、直流負載:繼電器控制直流負載時的能力比交流負載要小得多。
      在開閉負載時,會產生電弧放電.由于直流電沒有過零點,因此電弧不容易熄滅,電弧燃燒的時間要長得多. 一般情況下,在直流負載中的繼電器失效現象大多數是接點金屬轉移,導致接點粘連在一起.電弧的溫度很高(大約6000C),使接點金屬熔化,粘連在一起,或由于部分金屬被撕裂,因此到繼電器再次吸合時,容易出現機械嵌合卡死.因此,在直流負載應用中,請務必參考產品設計規格條件下使用,一般不宜使用高容量的直流負載。
      2、感性負載:在切換感性負載時會出現很高的反向電壓。
      在控制電磁鐵/接觸器/繼電器/螺線管/變壓器/電機(馬達)等,當切斷感性負載時產生很高很高的反向電壓(幾百到幾千伏),并且容易產生電弧,使繼電器接點粘連或壽命短等失效.另外,在導通上述負載時也會產生較大的浪涌電流(5-20倍).一般情況下,開閉相同負載,cos越低,繼電器壽命越短。
      在實際應用電路上應加上反向電壓吸收電路(接點保護電路)。
      3、電容負載:導通電容負載時產生很高的浪涌電流,并且浪涌電流的時間很短(約8-400us)。
      電容負載在接通的瞬間,由于電容需要充電,產生很高的浪涌電流, 容易導致接點粘連.因此控制電容電路時,應盡量選擇耐高浪涌電流的繼電器;或在電容上串聯一個1Ω左右的電阻降低浪涌電流。
      4、燈負載:導通燈泡負載的瞬間產生很高的浪涌電流,浪涌電流的時間(約50-300ms)。
      容易導致接點粘連.并且不同的燈泡類型產生的浪涌電流是不一樣的。
      比如:鎢絲燈/水銀燈/鹵素燈/日光燈等等.他們都有自己的特點,在實際使用時需要確認浪涌電流的大小. 在控制這類負載時,一般選用耐浪涌電流的繼電器。
      (在UL標準中,以TV認證來體現耐浪涌的能力.(TV認證是用鎢絲燈泡為標準負荷))
      5、馬達(電機)負載和螺線管負載:導通上述負載的瞬間產生較高的浪涌電流,容易導致接點粘連。
      在實際控制這類負載時時需要確認浪涌電流的大小,選取匹配的繼電器。
      6、電磁接觸器負載:導通接觸器負載的瞬間產生的3-10倍浪涌電流,容易導致接點粘連。
      在實際控制這類負載時時需要確認浪涌電流的大小,選取匹配的繼電器。
      7、控制高頻信號:
      在某些領域控制的信號頻率很高(30-3000MHZ),因此需要使用能夠切換高頻信號的高頻繼電器.這類繼電器的高頻絕緣性,插入損失,反射損失,駐波比等等特性與直流負荷和低頻交流負荷是完全不一樣的。
      8、控制小負荷或微小負荷:
      對于繼電器來說,負荷能力從幾mA到幾十A(甚至數百A的也有),根據不同的應用負荷選用相匹配的繼電器.一般來說,繼電器的負荷越小,壽命也越長,但是小也有一定的限制,如果相對太小了,反而壽命不長. 因為不同能力的繼電器所用到的接點的材料不一樣,在微小電流的作用下,在接點的表面回生成一層氧化物和黑色的碳皮,導致接觸電阻增加,從而影響了電路的正常運行。
      一般在微小負荷(幾mA或幾十mA級)中應選用金接點或鍍金接點的繼電器。
      9、開閉(通斷)頻率:
      一般情況下,較大電流的負載通斷時都會產生較強的電弧,電弧燃燒的時間與通斷頻率有著密切的關系. 繼電器通斷頻率過快,電弧時間就越長,繼電器失效就越快.一般在產品規格書里都有規定開閉頻率。
      一般情況下,負載能力和開閉頻率如下:

      負載

      推薦頻率

      參考頻率

      UL 采用頻率

      IEC采用頻率

      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:在長時間不進行開閉的情況下,通常選用磁保持型繼電器,或使用繼電器的常閉端來控制.

  • 繼電器線圈的驅動方式:
    • 繼電器的線圈的控制直接影響繼電器的性能。
      使用合理的控制方法不但可以降低由于繼電器失效帶來的不便和危害,而且還可以有效的節能。
      下面介紹幾種線圈的控制方式。
      1、理想的繼電器控制電壓源----恒壓電源:
      在繼電器控制中,最理想的線圈供電電壓是采用恒定電壓,沒有任何波動.但是在實際應用電路中很難做到。
      如果繼電器線圈的驅動電壓是用交流電整流而成,則電壓波形要求平穩,波動越小越好,波動應控制在+/-5%內. 另外,盡量采用全波整流,不宜采用半波整流。
      3、 脈沖電壓驅動:
      有某些設備中,繼電器的驅動電壓不是恒壓電源或整流電壓,而是由脈沖發生器發出的脈沖電壓.采用脈沖電壓來驅動繼電器時,要采用脈沖頻率較大的脈沖發生器.不然的話,有可能導致繼電器發生誤動作(發生嘶嘶的聲音)。
      脈沖頻率:一般情況下,安定的環境中要大于10KHZ。
      4、短時間驅動:
      某些應用場合,長時間不進行繼電器接點開閉切換,為了節約電力,常常采用短時驅動,讓繼電器吸合之后保持,不在施加驅動電壓.則需要選取磁鐵保持型的繼電器.另外,在一些安定環境中(溫度變化不大,振動沖擊基本沒有),為了節約電力,常常采用降壓保持. 這種情況下,降壓的幅度一般不得低于額定電壓的50%。 (如 電源監視電路,報警電路.)
      5、晶體管驅動:
      5.1采用Schmidt電路進行驅動
      直流繼電器的線圈電壓的緩慢升壓或降壓都會使繼電器動作不穩定,容易造成失效.因此希望快速增長信號波形使繼電器線圈電壓瞬間增加。
      5.2 在使用晶體管驅動時要防止漏電流
      在下圖中的T1在截止時仍有電流流過繼電器的線圈,造成繼電器釋放比較緩慢,可能會導致繼電器失效。
      5.3盡量不要采用Darlington連接
      Vcesat會變大,所以需要引起注意.一般條件下,雖然不會直接導致不良,但是長時間工作或個數多的情況下,可能發生故障.繼電器有可能發生誤動作或不動作。
      6、同一路交流電同時供負載和驅動繼電器時,線圈驅動采用全波整流:
      如果采用半波整流時,則繼電器出現同相位開閉的情況,相當于直流負載,這會大大降低繼電器的使用壽命,出現早期的失效。
      7、避免交流負載中繼電器接點在同相位開閉的現象:
      繼電器接點開閉時,負載交流電的相位應是隨機的。如果繼電器的開閉和負載電源的相位同步時, 則會引起接點熔接、鎖定等接觸障礙。 使用TIMER/微處理器/可控硅整流器等驅動繼電器線圈時,比較容易出現同相位開閉現象。

  • 繼電器使用時的周圍環境:
    • 1、溫度濕度的影響:
      溫度影響繼電器的動作性能. 一般情況下,溫度越高,繼電器的動作電壓就越高.因此,為了保證繼電器的在使用中平穩動作, 請在推薦溫度下使用.如果實際使用的環境溫度超過了產品規格書規定的溫度,則需要對繼電器進行評價后判斷能否使用.濕度會影響繼電器的接觸性能.一般情況,濕度越大,繼電器的接點表面越容易生成氧化膜,可能導致接觸不良的失效現象. 使用時參考產品規格書。
      通常濕度>90%時,一般采用密封型繼電器。
      2、振動沖擊的影響:
      振動和沖擊通常會影響繼電器的性能參數,如果振動沖擊比較嚴重的話,直接導致繼電器機械性破壞.繼電器在運輸和使用過程中都會受到振動沖擊的影響.一般情況,運輸過程中,只能通過包裝方式狀況去盡量降低影響的程度,不能完全避免.在使用的過程中,如果振動沖擊很嚴重的話,一般可以采用調整繼電器安裝方向,或灌硬化樹脂加固,或選用耐振動沖擊能力強的產品(如:汽車繼電器)。
      因此,在使用時請參考產品規格書。
      3、外界強磁場干擾:
      電磁繼電器是靠電磁鐵控制的,因此外界的強磁場會直接影響電磁繼電器的功能,參數變化,或不動作,或誤動作等等.比如:變壓器,擴音器,電磁鐵,繼電器雜散磁場等元器件.另外,高頻電源的干擾會使繼電器線圈感應加熱,以至于燒毀.盡量不要在上述元件周圍排布繼電器使用,非不得以,需要加磁屏蔽。
      4、環境中的氣體和塵埃:
      在繼電器周圍環境中的有害氣體(H2S,HCl,NOx等)比較嚴重的話,這些氣體在電弧的作用下和接點中的銀發生反應,生成Ag2S等覆蓋在接點表面,從而會導致繼電器接觸不良.塵埃比較嚴重的環境,也可能附著在接點表面,導致接點接觸不良。
      在有害氣體和塵埃比較嚴重的地方,一般使用密封型繼電器。
      5、硅及其化合物:
      硅及其化合物是繼電器的天敵。
      含硅制品由于其絕緣性和耐溫性很好,因此在大量電氣制品中都廣泛應用.在部分繼電器廠商中的線圈的漆包線的絕緣層含有Si.  在使用過程中,含Si的物質會分解出特殊的氣體,這種氣體在電弧的作用下產生與絕緣膜類似的物質,如果附著在接點上,這將導致繼電器接觸不良或不導通.可能引起安全事故。

  • 繼電器的外型和安裝方式:
    • 1、根據實際空間情況考慮繼電器外型尺寸:
      在電路設計的過程中,元器件的布局以及安裝的空間的限制,因此在選用繼電器的時候也要考慮其外型尺寸.即使在相同負載能力下,各款繼電器的形狀也不完全相同。
      2、繼電器安裝的方法:
      2.1PCB焊錫固定安裝
      2.2插座插入固定安裝
      2.3螺釘固定安裝
      3、繼電器安裝時的注意事項:
      3.1繼電器的排布不要太密集,如果非得密集安裝在一起,那么繼電器之間的間隙至少大于5mm。(避免溫升/雜散磁場的影響)
      3.2插片端子型和插座型繼電器必須垂直安裝,以防斜插等損壞繼電器。
      3.3繼電器落地后一般不再使用.另外,裝有繼電器的PCB板以防止劇烈振動沖擊。

  • 繼電器降額使用:
    • 對于繼電器負載,一般都是純電阻負荷為額定負荷,有時也會增加一些感性負載的條件和TV負荷的條件。通常情況下按照我們給定的額定負荷進行使用,是滿足的。但是為了更加優化和提高信耐性,我們實際使用時需要降額使用。
      針對典型的幾種負載的降額參考:
      A:阻性負荷額定:通常降額為額定容量的75%。
      B:電容性負荷額定:通常降額為額定負荷的75%,而且需要串聯一個電阻來降低沖擊電流。
      C:感性負荷額定:通常降額為額定負荷的40%,并且需要采用一個電弧抑制的吸收回路。(由于cosfi不同,降額也不盡相同,經驗得出:IL=IR x cosfi)
      D: 電機負荷額定:通常降額為額定負荷的20%,而且需要采用抑制沖擊電流和電弧的回路。
      E:鎢絲燈負荷額定:通常降額為額定負荷的10%,而且需要串聯一個電阻降低沖擊電流。

  • DC 繼電器和AC 繼電器的區別:
    • DC RELAY的線圈通的直流電(U或I),因此產生的是恒定的磁場,功率損失也僅僅是線圈的發熱引起的。由于電流是恒定的,因此磁通也是恒定的,吸引力也是恒定,因此不會產生顫抖的現象,除非是線圈電壓波動大。
      AC RELAY的線圈通的交流電,因此產生的是變化的磁場(主磁通,漏磁通),另外交流線圈除了線圈電阻本身的熱損耗(銅損)外,還有鐵芯產生的鐵損(包含磁滯損耗,渦流損耗)。AC-RELAY的電流是交變的,導致產生的磁通也是交變的,吸引力也是變化的。因此AC-RELAY會有‘嘶嘶’的響聲,如果電壓波動大的話,繼電器會一直在不斷的開閉。

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浙江省嘉興市南湖區群賢路130號

電話

0573-83809566

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