淺析電磁繼電器的選型及可靠使用

中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所 呂 冰 魏一鳴 肖衛鎮

文章主要介紹了電磁繼電器的工作原理及技術指標，提出了電磁繼電器選用要求，并對電磁繼電器的正確使用提出了具體措施，提高了電磁繼電器的使用可靠性，滿足產品設計可靠性要求。

繼電器（英文名：REALY）是一種控制元件，當輸入量（電、磁、光、熱等物理量）達到某一規定值時，使被控制量發生預定的階躍變化的一種器件。通常應用于自動控制電路，它實際上是一種隔離控制與被控制電路的“自動開關”，故常在電路中起到自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

繼電器按工作原理不同可分為：

（1）電磁繼電器：利用電磁感應原理工作，一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。

（2）固態繼電器：利用電子元件（如：開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，由微電子電路、分立電子器件、電子功率器件組成的無觸點開關。

（3）其他特殊繼電器：如溫度繼電器、壓力繼電器、光繼電器、瓦斯繼電器、霍爾效應繼電器等。

由于電磁繼電器具有體積小，功耗小、使用方便等優點，使其得以廣泛應用于航空、航天、通訊等軍、民用電子設備中。因此如何正確選擇、應用電磁繼電器，滿足電路可靠性要求，是設計人員關心的問題。本文就此探討電磁繼電器的選型及使用可靠性問題。

1 電磁繼電器的種類

1.1 電磁繼電器的種類

電磁繼電器是利用輸入信號（電壓、電流）在電磁鐵鐵芯中產生電磁力，吸引銜鐵，從而使觸點動作實現斷開、閉合或轉換控制的一種機電元件。

電磁繼電器根據輸入信號信號不同可分為直流繼電器（控制信號為直流）和交流繼電器（控制信號為交流）兩類。在實際使用中應根據輸入信號的不同分別選用。

此外根據線圈輸入信號還可已分為電壓型繼電器及電流型繼電器。電壓型繼電器線圈匝數較多，導線較細，阻抗較大；電流型繼電器剛好相反，線圈匝數較少、導線較粗，阻抗較小。一般情況下兩者不能互換使用，以免損壞器件或導致器件不能正常工作。

目前生產主要以電壓繼電器為主，電流繼電器品種較少。根據不同的用途可分為：

通用繼電器：除磁保持繼電器以外，一般用途的繼電器。

靈敏繼電器：輸入很小的功率（通常不超過100mW）。

磁保持繼電器：由控制信號激勵使其觸點觸點狀態轉換，當控制信號撤除后，仍保持激勵時的狀態，必須施加反向的控制信號方能使其觸點恢復原來狀態的繼電器。

延時繼電器：有延時或定時功能的繼電器。

1.2 繼電器的主要技術指標

電磁繼電器屬于機電元件，主要包括機械指標和電氣指標。

（1）機械指標包括：封裝形式包括：敞開式、封閉式、密封式（非氣密、氣密），尺寸、重量、安裝方式、觸點動作壽命、引出端形式等。

（2）電氣指標包括：電阻特性：包括線圈電阻，觸點的斷開電阻、觸點的接觸電阻。繼電特性：包括吸合電壓及釋放電壓。時間特性：包括吸合時間、釋放時間及觸點抖動、回跳時間。負載特性：包括觸點負載電流及負載電壓，線圈的額定電壓、電流。

（3）其他技術指標：質量等級、環境等級。

2 電磁繼電器的選型

要正確選用電磁繼電器，首先要了解控制對象的特點，明確電路輸入信號的電氣特性，負載特性；明確系統初始狀態要求，明確系統使用環境，可靠性要求。

選用電磁繼電器一般遵循以下步驟：（1）依據輸入信號參數確定電磁繼電器種類及輸入參數；（2）依據負載要求確定電磁繼電器的觸點種類和參數；（3）依據使用環境及系統可靠性要求選擇合適的環境等級和質量等級；（4）依據安裝位置選定電磁繼電器結構形式；（5）最后在滿足系統要求的前提下選擇最經濟的產品。

3 電磁繼電器的可靠使用

據統計失效電磁繼電器中大約30%為使用不當導致，因此如何正確使用電磁繼電器，提高電磁繼電器的可靠性，是設計時的一個難點。這里重點分析在使用中如何提高電磁繼電器的可靠性。

3.1 觸點的可靠性提升

大量的統計數據表明電磁繼電器的常見失效模式中，44%為觸點開路，40%為觸點粘連，14%為參數漂移，2%為線圈故障包括開路與短路兩種故障類型。由此可見電磁繼電器絕大部分與觸點有關。

（1）觸點的降額

降額設計是將元器件或產品在實際工作中承受的各種應力（電壓、功耗、溫度等）低于其設定的額定值。通過限制元器件所承受的應力大小，達到降低元器件的失效率，是提高使用可靠性的有效手段。

電磁繼電器在使用中應根據電路實際負載特性及負載電流進行合適的選擇并進行合理的降額。一般情況下廠家給出的電磁繼電器觸點額定負載是針對純阻性負載，在不同的負載下（如：電感、電機、燈絲等）應進行相應的折算，具體折算標準見表1。

表1 不同性質負載觸點電流轉化表

但電磁繼電器的觸點負載不應進行過度降額，這是因為在額定負載情況下，觸點間的電弧可以產生穩定的清洗與拋光作用，保證觸點不被氧化，使觸點表面不致形成絕緣污染物。尤其是在中等電流負載（中等電流負載是指25mA至500mA的負載電流）情況下，會發生在工作一段時間后發生接觸電阻增大超過合格判據甚至開路失效。如果繼電器需要工作在中等電流條件下，又對接觸電阻又有嚴格要求，需在定貨時向承制廠商提出要求，專門設計生產在中等電流下工作、接觸電阻符合要求的繼電器。

（2）觸點組合方式及連接方式

應根據電路實際選擇不同的觸點組形式及觸點組數量。常見的觸點組形式有常開型，常閉型和雙擲型，具體見表2。

表2 常見的觸點組形式及代號

為提高觸點可靠接通，可將同一繼電器的兩組觸點并聯使用。但是流過觸點的電流必須小于單個觸點的額定電流。這是由于電磁繼電器為機電產品，多觸點繼電器在動作時間及阻抗上有差異，在吸合或斷開瞬間導致觸點超過額定功率使用，引起觸點燒蝕，繼電器失效。因此在將觸點并聯使用時，單個觸點的負載電流不得超過其額定電流。觸點并聯有助于防止開路的失效模式，但對于觸點粘連的模式則有害。

為提高觸點可靠斷開，可將同一繼電器的兩組觸點串聯使用。觸點的串聯有助于防止觸點粘連失效模式，但對于觸點的開路模式則是有害的。

因此設計人員再采用觸點串、并聯提高觸點接觸可靠性時應充分考慮負面影響，權衡利弊。

在電路設計中常見設計人員在使有多觸點繼電器時，使用一組觸點作為控制輸出，另一組觸點作為輸出檢測，但是該方式并不能完全反應被控電路的工作狀態，存在很大的虛警及漏報情況。不建議使用該方式作為自測試。

3.2 電磁繼電器的瞬態抑制

電磁繼電器的瞬態抑制包括線圈的瞬態抑制及觸點的瞬態抑制。

（1）線圈的瞬態抑制

當線圈的電流突然被切斷時，線圈會產生反向電動勢，該反向電動勢會對電路內其他元器件造成損傷，為將反向電動勢抑制到可接受水平，減少對電路內其他元器件影響，需在電路中增加抑制電路，使其降至可以接受的水平，不對其他元器件造成損傷。但是恰當或者過度的抑制會對電磁繼電器的轉換時間、觸點回跳時間帶來影響，設計人員設計時應謹慎選取抑制電路和抑制元器件參數。常見的抑制措施有：線圈并聯二極管，線圈并聯二極管電阻，線圈并聯抑制二極管，線圈并聯電容，電阻等。使用方式見圖1。

圖1 線圈的瞬態抑制方式

（2）觸點的瞬態抑制

觸點的瞬態抑制根據負載的不同可分為感性負載抑制和容性負載抑制。

當觸點負載為感性負載時，在觸點斷開瞬間，負載中存儲的能量必須通過觸點燃弧來消耗。為了消除和減輕電弧對觸點的危害延長觸點使用壽命，消除對系統其他電路的影響，通常采用抑制電弧的保護措施。常見措施有：①并聯電阻器；②并聯二極管和電阻器（在感性負載較小時也可以去掉電阻器）；③并聯齊納二極管。

當觸點負載為容性或燈絲負載時，在觸點閉合瞬間，會產生較大的浪涌電流，導致觸點燒蝕。常見的措施是在觸點的輸出端串聯不大于10—100Ω的限流電阻來達到抑制沖擊電流的目的。

觸點采用抑制措施后，雖然可提高觸點的可靠性。但是由于觸點并聯了器件，會一定程度影響觸點的斷、通阻抗比。另外，抑制器件的可靠性要高于電磁繼電器本身，否則不但不能提高電磁繼電器的可靠性，反倒帶來不利影響。

結語：由于電磁繼電器，在實際電路中廣泛使用，且常常在整個控制電路中屬于關鍵控制元器件，同時繼電器又屬于可靠性較差的元器件。因此正確的選用、使用繼電器，達到系統的可靠性要求，需要設計人員仔細分析設計，進行多輪的循環迭代設計。本文簡要介紹了電磁繼電器的選用步驟，提出了電磁繼電器的可靠性設計注意事項，為設計人員正確選擇和使用繼電器提供了一定的參考。