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如何设计与构造舌簧继电器以确保其可靠性

2023-11-30 08:32:33 Kevin Mallett 阅读:
在正确使用的情况下,舌簧继电器的寿命取决于其设计和制造的好坏。本文解释了优质舌簧继电器的构成要素,可以为设计和构造舌簧继电器作参考。

在正确使用的情况下,舌簧继电器的寿命取决于其设计和制造的好坏。本文解释了优质舌簧继电器的构成要素,可以为设计和构造舌簧继电器作参考。n00ednc

不正确的使用会缩短舌簧继电器的使用寿命,可能发生间歇性或永久性故障。换句话说,假设正确选择了器件,用户有责任遵循预期的操作参数来使用它。然而,对于全新的继电器,其可靠性和在现场能够工作的时长依赖于制造商的设计实践(包括材料的选择)和制造工艺(应通过检查和测试来验证)的共同作用。n00ednc

在深入讨论这些主题之前,我有必要先表达一下我们(Pickering Electronics)有资格撰写本文的原因。自 1968 年成立专门的继电器部门以来,我们一直致力于开关技术领域,目前我们的产品家族已超过 1,100 种型号。另外,我在本文中的讨论限制于相对简单的设备,即具有单个干触点的开关。然而,我将要讨论的有关通过设计、制造和测试确保质量的所有内容也适用于更复杂的设备,例如双刀开关和换向开关,以及具有湿/汞触点的器件。另外,我只能解释一下 Pickering 是如何保证设备质量的。其他制造商有自己的设计、制造工艺和对质量保证的态度。n00ednc

舌簧继电器的结构和操作都相对简单(见图 1)。有两个主要子组件:n00ednc

  • 舌簧开关,通常是密封在玻璃管内,包含两个重叠但不接触的铁磁性簧片。
  • 一个线圈(围绕舌簧开关管),当有足够的电流通过时,会产生足够强的磁场,使簧片极化,使簧片相互弯曲直至接触。

一些舌簧继电器的线圈上可能还并联一个二极管,以减少线圈断电时反电动势的影响。n00ednc

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图 1 - 上图展示了带有单个开关的舌簧继电器的工作原理。沿着舌簧开关的轴向引入磁场会磁化簧片,它们会因为极性相反而相互吸引。n00ednc

尽管开关中的簧片在线圈产生的磁场的影响下发生偏转,但它们并不被视为运动部件。另外值得注意的是,与机电继电器不同,开关触点密封在玻璃管中,这可以保障它们免受环境影响,意味着它们可以在需要避免火花的潜在危险环境中使用。n00ednc

此外,与固态器件相比,开关过程中不涉及半导体材料,因此舌簧继电器不易受到瞬变和静电的损坏。它提供了更好的电气隔离,并且还可以切换交流电。n00ednc

设计

任何设备都可以按照高标准制造,但如果其设计不可靠且在现场使用寿命较长,那么一切都是徒劳。设计目标将包括实现某些性能目标(例如高关断电压、最大开关电压和线圈工作时间)以及对驱动器件的电路非常重要的工作特性。这些特性包括线圈电压和电阻。n00ednc

可以说,最重要的元件是舌簧开关。如前所述,两个重叠的刀片/簧片。它们由铁磁材料(通常是镍铁)制成,涂有铑、钌或钨;最后一种通常用于高压开关应用。n00ednc

刀片的长度和横截面积也很重要。较长的刀片比较短的刀片更容易偏转。但如果寻求物理尺寸较小的继电器,则必须缩短刀片长度。为了轻松弯曲,需要减小其厚度。减少其宽度也是一种选择,但这样做会减少接触面积,从而减少可切换的功率水平。n00ednc

可以理解,线圈在舌簧继电器的操作中起着至关重要的作用。然而,它是否与舌簧开关直接接触,或者两者之间是否有线圈架(又名线轴),都会产生影响。使用线圈架会占用空间并弱化开关中的磁场。Pickering的产品均采用无支架绕线的设计。n00ednc

关于场强,如果希望线圈有较高的电效率,理想情况下场强应该集中。在这方面,磁屏蔽的使用不仅将磁场集中在簧片周围,而且还能保护它们免受其他磁影响(例如来自附近未屏蔽继电器的磁场 - 见图 2)。 Pickering 选择的屏蔽材料是高导磁合金(Mu-Metal),与钢不同,它具有非常高的磁导率和非常低的剩磁。n00ednc

注意:当切断驱动线圈的电能时,干簧管内的簧片会在自身弹力的作用下弹开。灵敏度较低的开关需要较多的能量来闭合触点,但在断电时其簧片的恢复力也较大(我们在本文的第 1 部分中讨论过)。同样,无支架绕线的设计是最好的选择。n00ednc

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图 2 – 与屏蔽线圈相比,非屏蔽线圈需要更高的线圈电流,并且可能会影响相邻(也是非屏蔽)设备中的舌簧开关。n00ednc

这里再次触及簧片问题。显然,金属引脚与玻璃管两端必须牢固地固定。然而,这两个玻璃/金属密封件又相对脆弱。这两个封口处乃至整个玻璃管必须得到妥善的保护,免受物理冲击和内应力(通常来自热循环)破坏,以保持管内部真空(或防止惰性气体逸出)。n00ednc

Pickering 的解决方案是使用 SoftCenter 封装材料系列,其中包括高性能硅胶和聚氨酯。它们灌注了线圈和开关,并允许组件在热循环下适度膨胀。n00ednc

图 3 显示了 Pickering 的无支架线圈以及 SoftCenter 设计中的所有子组件。n00ednc

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图 3 – 设计可靠:无支架线圈具有更高的电效率,SoftCenter 化合物提供机械保护,高导磁合金屏蔽可聚拢磁场,同时保护开关免受外部 EMI 影响。n00ednc

产制造

实施设计并充分利用所选材料需要高质量的制造技术。在Pickering,制造过程包括三个主要阶段:n00ednc

干簧管插入预绕线圈中。如前所述,两者之间不存在支架。然后,线圈粘合到玻璃管上(使用硅橡胶或高性能聚氨酯),以确保参照簧片之间的接触间隙实现最佳对准。一般而言,必须非常小心地处理舌簧开关,因为如果两个金属/玻璃密封中的任何一个受损,开关的使用寿命都会大大缩短。高压开关失去真空属于破坏性的故障。n00ednc

将开关和线圈组件(加上二极管,如果需要)添加到引线框架中。这里的一个要点是线线圈的导体非常细,在某些情况下低至 25μm。为了加强与引线框架的连接,Pickering会用几股电线将它们绞在一起。n00ednc

组装好的引线框架(见图 4)被倒置并放入倒置的封装外壳中,高导磁合金电磁屏蔽预先放置在其中。 SoftCenter 材料被灌注到外壳中,直到覆盖舌簧开关的玻璃/金属密封件。接下来,灌注热固化环氧树脂,直到到达倒置壳体的边缘。然后将该器件进行烘箱固化,以达到最佳的高绝缘电阻。固化后,移除引线框架的回收杆,只留下从器件中伸出的引脚。n00ednc

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图 4 – 上图是舌簧继电器的引线框架。n00ednc

检验测试

应在每个制造阶段进行目视检查。在 Pickering,检查包括寻找机械缺陷和不完美的焊点。n00ednc

至于测试,对舌簧开关(例如测量隔离电压)和线圈(例如其电阻)进行电气测试。这些要在开关和线圈进入组装工序之前进行批量测试。n00ednc

器件制造完成后,会经历以下热循环:-20°C 下 60 分钟,然后温度升至 80°C 并保持 30 分钟,然后降至 -20°C。这个循环重复三次。n00ednc

然后进行各种电气测试,以确保器件可靠运行且符合数据表中标称的规格(包括吸合和释放时间)。接触电阻和线圈电阻也要测量(即使在组装前进行了检查)。此外,还要确认二极管(如果安装)工作正常。n00ednc

进行测试以确认设备绝缘性能符合规范。这对于要求在极低漏电流的应用中使用的器件尤其重要。例如,舌簧继电器可以用于执行绝缘测试的设备中。n00ednc

本质上,所有器件要100%通过测试——就绝对必须执行的测试而言。即使如此,也可以根据客户的要求进行额外的测试。可能包括电容测试或更高绝缘性能的测试。n00ednc

所有测试结果和(检查)观察结果都会被记录下来,这不仅是设备质量保证的一部分,也是公司持续改进流程的一部分。n00ednc

小结n00ednc

开箱即用的可靠性来自于三件事。首先,舌簧继电器的设计必须符合标称的电气和机械特性,提供高性能和较长的使用寿命。其次,此器件必须使用能够实现预期功能的子组件、材料和技术来制造。最后,必须对舌簧继电器进行全面测试,以验证其满足设计和制造目标。n00ednc

当制造商在这三方面都做得很好时,这意味着舌簧继电器的性能将与其技术规格书完全一致。如果该设备在推荐的操作参数范围内使用,可以长期可靠地运行。n00ednc

来源:Pickeringn00ednc

编译:Challeyn00ednc

责编:Challey
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