【经验】改善继电器触点的寿命/负载性能的方法——适当的线圈驱动

本文中TE connectivity对“继电器”的说明普遍适用于“接触器”。同时，关于“电信类型继电器”有一些地方需要特别说明。通常，接触器和电信继电器对适当线圈驱动的需求相同，但在电信应用中，由于触点负载一般不是问题，所以内部和线圈温度会升高。

适当的线圈驱动对适当的继电器运行和好的负载/寿命性能至关重要。为了让继电器（或接触器）正常运行，必须确保线圈已正确驱动，以便在应用过程中可能遇到的所有情况下，触点都能正确闭合并保持闭合状态，电枢完全固定并保持固定状态。

无论线圈类型是直流还是交流，均假定交流负载寿命的所有继电器触点额定值将根据交流电源线循环随机切换，在整个循环中均匀分布，并且正循环和负循环的切换概率相等。必须注意，控制硬件和软件不会无意间导致触点打开和/或闭合的线路同步 - 这将导致不均匀或加速的触点磨损和过早失效。

继电器是电磁体，运行继电器的磁场强度是安培匝数 (AT) 的函数 -（即导线的匝数乘以流经该导线的电流）。由于绕线后“匝数”不会改变，因此唯一的应用变量是线圈电流。

直流线圈电流完全由施加的电压和线圈电阻决定。如果电压降低或电阻增加，则线圈电流将会降低，这会导致 AT 更低，从而减小了线圈中的磁力。

交流线圈电流同样受到施加的电压和线圈阻抗影响，但阻抗 (Z) 定义为 Z=sqrt(R2 + XL 2)，因此仅更改线圈电阻对交流线圈的直接影响就比直流线圈小一些。

当电源随时间变化时，施加的线圈电压也会发生变化。控制装置设计人员必须定义保证控制装置运行的输入电压范围（通常为标称值的 +10%/-20%），然后在控制装置设计中进行补偿，以确保在该电压范围内正常运行。

不仅施加的电压会发生变化，继电器线圈电阻也会发生类似的变化。首先，线圈电阻将具有制造公差（室温下通常为 +/-5% 或 +/-10%）。其次，线圈导线的电阻也具有正温度系数，因此线圈电阻会随着导线温度的升高而增大，或随着导线温度的降低而减小。这在下面以图形方式进行了显示，并在应用说明“线圈电压和温度补偿”中进行了更详细说明。

温度对线圈性能的影响

线圈电阻与温度（图形）：

术语的定义

• 线圈电阻 - 继电器线圈的直流电阻通常在“室”温（通常为 23℃）下指定。另请参阅应用说明“线圈电压和温度补偿”。

• 工作（吸合）电压 - 继电器电枢在假设处于完全工作位置时必须靠在线圈铁芯上的电压或更低电压。

• 释放（开断）电压 - 继电器电枢必须恢复到其未工作位置时的指定电压或更高电压。

• 保持电压 - 电枢通电后不得从其完全工作的位置明显移开的电压或更高电压。（请注意，这通常不在数据手册中指定或在制造中控制）- 详情参阅稍后关于线圈功耗降低的部分以及应用说明“直流继电器线圈功耗降低选项”。

 在情况严苛的条件下校正直流线圈电压

（注意：除此之外，除非另有说明，否则始终假定直流线圈继电器由滤波良好的直流供电，而不是由未经滤波的半波或全波直流供电。此外，数据手册信息假定为室温下的情况（除非另有说明，否则室温通常为 23℃）。

 典型的直流继电器线圈驱动电路

二极管 CR1 用来缓冲继电器线圈 K1 的反向“跳变”电压，以便在关闭时保护驱动器 Q1，但它也具有减缓触点电压释放的作用，这可能会缩短负载寿命。齐纳 Z1 是可选的，但使用后可降低 CR1 的电压释放减缓作用。选择的 Z1 齐纳电压不超过晶体管 Q1 的 PIV 的 80%。

如果要使用未经滤波的半波或全波直流线圈电源，则二极管 CR1 必须横跨线圈放置（且不得使用 Z1），以便将能量重新循环到线圈，并允许其穿过电源波形的低压部分，而不用解开电枢、不会发出嗡嗡声等。请咨询 TE 继电器产品工程部以获取建议。条件因继电器/接触器类型和电路设计的不同而有很大差异。有些继电器能很好地容忍这种情况，有些则完全不能容忍。

情况严苛的继电器工作条件是电源电压最低、线圈电阻最大、环境温度最高并且触点电流负载最高。电感除以电阻 (L/R) 定义继电器线圈中电流的充放电率，从而影响其运行时间（如果二极管或齐纳二极管得到缓冲，将影响其释放时间）。L/R 也因继电器类型、线圈电压和环境温度而异。同样，这会导致运行和释放时间的变化，以及半波和全波运行的容差变化 - 每个应用中都必须考虑所有这些因素。

由于存在串联二极管、晶体管（尤其是达林顿）等，减去并校正线圈电路中的电压降非常重要，这样便可确保实际施加在线圈上的最小电压仍符合要求。

由于电流通过线圈导线并且负载电流通过触点臂，继电器中的 I2 R 损耗会导致自身发热，并且端子会导致额外的线圈和内部部件发热（除了环境温度的任何升高之外）。计算实际线圈温度时，需要考虑所有这些因素。

设计人员应始终校正输入电压，以便针对线圈电阻增加、电路损耗和 AT 降低做出调整，从而确保在极端严苛的条件下，仍有足够的 AT 来可靠地运行继电器并完全固定电枢，以便施加充分的接触力。如果触点闭合，但电枢未充分固定，则接触力将较低，因此在施加大电流时，触点可能会过热且容易出现点焊。

注意：交流线圈的校正方式与此类似，同时要记住，电阻变化按照公式 Z=sqrt(R2 + XL 2) 影响交流线圈阻抗（从而影响线圈电流），而不是像对直流线圈那样产生线性影响。

有关这些问题的详细讨论，请参阅应用说明“线圈电压和温度补偿”。

 其他线圈驱动设计注意事项

• 在额定线圈电压、最大负载和最高环境温度下，最高线圈温度（根据应用说明“线圈电压和温度补偿”计算）不得超过所选继电器的“绝缘温度等级”（A、B、F 或 H - 105℃、130℃、155℃或180℃）的 UL 或 CSA 允许的最高温度。

• 如果继电器在最终装配中负载较重且紧密包装，或者如果它们靠近其他发热元件，则线圈温度预计会升高，并且必须进行类似的定义和补偿。

• 必须考虑前面讨论的所有热源，以便在线圈温度不超过绝缘系统限制的情况下正确驱动。

• 由于继电器是电磁铁，它们易受附近变压器、其他继电器或接触器、大电流导体等产生的外部磁场的影响；所有这些都会影响继电器的运行和释放特性。同样，继电器和接触器可能会影响它们附近的其他磁敏感元件的性能。

• 最终测试在最终装配中进行，此时继电器将暴露在最大负载、最高环境温度和最小电源电压下。在这些条件下，应重新评估线圈温度上升（从而改变电阻），以确保安全系数仍足以确保在低电源电压下可靠地驱动继电器，而不会在最大电源电压、负载电流和最高环境温度时过热。

• 本说明的稍后部分将详细讨论交流线圈独有的特性。

• 对于直流线圈，初始运行期间的线圈电流波形必须看起来像图“A”，而不是图“B”。

图“A”：良好的转换

图“B”：糟糕的转换

如果线圈电流转换看起来像图“B”（表示电枢暂时“停滞”且没有稳固就位），则表明驱动电路存在问题，需要校正。

图 A 良好的转换

图 B 糟糕的转换

如果线圈电流转换看起来像图“B”（表示电枢暂时“停滞”且没有稳固就位），则表明驱动电路存在问题，需要校正。

 剩余磁体系统的直流线圈锁扣继电器

使用剩余磁体系统的直流锁扣继电器是特殊的直流线圈继电器，只需短暂通电即可“设置”它们，然后再次“复位”它们。这些线圈通常不适合在“设置”或“复位”模式下连续供电。

• 关于直流继电器正确线圈驱动和针对环境温度上升进行的校正等所有之前备注均适用，但因施加的线圈电压导致线圈发热的情况除外。

• 与单稳态继电器相比，这些继电器对施加的电压范围和“导通时间”的要求要严格得多。

“设置”电压通常不应超过标称电压的120%。而“复位”电压绝不能超过标称电压的120%，其最大电压最好保持为标称电压的 110%，否则磁体系统“扰乱”（“复位”，然后再次“设置”）的风险将增大。

继电器数据手册中规定了最短“设置”和“复位”时间间隔。这些最短时间比将触点转移到相反状态所需的实际时间要长得多。要想在每个步骤中对磁体系统进行适当“充电”，需要额外的时间。

同样，不建议使用“充电泵”或其他将放电电容器用作电源的脉冲线圈驱动方案，因为要在适当时间间隔内保持足够的电流以“设置”或“复位”继电器，而又不超过磁体系统所能承受的最大 AT 值是非常困难的（尤其在“复位”时）。

 交流线圈继电器和接触器的特性

使用交流线圈的继电器和接触器与使用直流线圈的继电器和接触器有一些重要区别。由于交流电源的正弦性质：

• 一些交流继电器即使正常工作，也往往会发出“哼哼”声。这可能因继电器、操作和使用时间而异。“哼哼”是一种可听见的声音，不会明显移动继电器或触点的内部部件；而“嗡嗡”或“吱吱”的声音更大，会实际移动内部部件，因此绝不允许出现这种声音，否则性能会大大降低。

• 由于交流正弦波的某些部分没有足够的能量来运行继电器机构，无法有意将交流继电器与交流正弦波同步 - 因此在某些地方继电器运行和释放定时无法正常工作。

• 这种现象还会导致运行和释放定时的变化比直流继电器中的变化更多，而且经常会导致触点或电枢的弹跳或震颤次数增多。所有这些都取决于在正弦波中连接或移除线圈电源的准确位置，甚至可能导致最初运行时触点弹跳或震颤次数过多。

• 因此，交流继电器的额定值通常低于同一系列直流继电器的额定值。这是因为 1) 正弦波具有低能量点（如前所述），因此整个周期内，交流继电器触点不会在两个极性中随机断开；2) 这可能导致正弦波的高能量部分接通和/或断开的发生率过高。所有这些功能往往会降低交流线圈器件上的触点额定值或缩短触点寿命。

• 交流线圈继电器通常比直流线圈继电器的运行温度更高，因此允许的最大环境温度通常低于直流线圈继电器。

• 同样，由三端双向可控硅元件或背对背 SCR 驱动的交流线圈继电器的寿命往往较短。此类器件通常可在周期内的任何特定时间点导通，并将开启。它们也可能在任何位置断开，但在流经它们的电流达到零之前，它们实际上不会关闭。这会导致触点在动力循环中几乎固定的点处“断开”负载。如果继电器的“释放时间”使其在接近零电流时发生，则性能优于平均水平，但如果在接近峰值电流时发生，则性能会差得多。除非报告中另有说明，否则数据手册和安全机构负载寿命评级基于相对于交流正弦波的完全随机循环（不是此同步条件）。

  
  

 线圈功率降低方案（仅直流线圈继电器）

我们有时会希望降低总控制功耗和减少发热。一种方法就是将继电器与锁扣机制搭配使用，但它们相对昂贵，并且在发生电源故障时，可能会使继电器处于不确定状态。另一种方法是使用以下技术之一降低标准直流线圈继电器上的线圈功耗。

• 脉冲宽度调制 (PWM) - 使用此方案，直流线圈继电器或接触器最初在标称线圈电压或稍高的电压下运行一小段时间，以运行和稳定继电器机构。然后，继电器线圈由一些指定振幅、占空比和频率的矩形波脉冲串驱动，以较少的功率将继电器保持运行状态。

• 降压直流线圈驱动 - 与 PWM 一样，这项技术最初在标称直流线圈电压下运行继电器一小段时间，以运行和稳定继电器机构。然后，直流电压降低到较低电平，以较少的功率将继电器保持运行状态。

• 注意 - 使用“充电泵”和其他类似方案可以实现相同目的，但它们使用充电/放电电容器进行供电。由此产生的非矩形波形使得很难确保在适当时间间隔内向继电器施加稳定、适当的线圈功率，从而无法正确运行继电器，也无法在降低线圈功率的同时保持继电器正确接合。此类方案虽然常用，但由于难以确保适当的线圈驱动，因此不建议使用。

同样，必须始终记住，线圈功率的降低会降低继电器线圈的吸持力，从而减少应用中的冲击和振动耐受性。

 触点负载/寿命性能提升

零交叉同步 - 有多项技术可以让直流线圈继电器比其公布的负载/寿命额定值（针对随机切换时的交流负载）表现得更好。这通常涉及触点在“接通”时到负载电压波形以及在“断开”时到负载电流波形的某种零交叉同步。如果操作得当，使用电阻负载、电抗负载，特别是使用高浪涌电容负载和电光负载时，开关寿命可以得到显著改善。

在“接通”和“断开”瞬间非常精确地切换到接近零交叉时，还存在几个与可能增加的触点电阻相关的触点性能问题，因为在继电器的整个使用寿命期间，都不会通过断弧来自行清洁，以减少通常发生的触点氧化和污染。

这是一个固有的复杂过程，将另外在应用说明“触点负载/寿命性能提升”中更详细地讨论。