【導讀】隨著(zhù)高性能機電繼電器在軍事和航空航天應用中繼續發(fā)揮重要作用，工程師必須滿(mǎn)足所有電氣要求。一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是通過(guò)符合制造商的繼電器產(chǎn)品性能規格來(lái)延長(cháng)繼電器開(kāi)關(guān)在容性瞬態(tài)高浪涌電流條件下的使用壽命。電容器會(huì )產(chǎn)生高電流浪涌，會(huì )對此類(lèi)應用中的電路性能產(chǎn)生不利影響。這些瞬變雖然性質(zhì)非常短暫，但可以大大超過(guò)高性能機電繼電器中觸點(diǎn)的穩態(tài)額定值。

隨著(zhù)高性能機電繼電器在軍事和航空航天應用中繼續發(fā)揮重要作用，工程師必須滿(mǎn)足所有電氣要求。一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是通過(guò)符合制造商的繼電器產(chǎn)品性能規格來(lái)延長(cháng)繼電器開(kāi)關(guān)在容性瞬態(tài)高浪涌電流條件下的使用壽命。電容器會(huì )產(chǎn)生高電流浪涌，會(huì )對此類(lèi)應用中的電路性能產(chǎn)生不利影響。這些瞬變雖然性質(zhì)非常短暫，但可以大大超過(guò)高性能機電繼電器中觸點(diǎn)的穩態(tài)額定值。

當客戶(hù)正確識別容性負載并將其包含在繼電器功能范圍內時(shí)，可以實(shí)現更高程度的應用繼電器兼容性。使用電涌抑制元件調整繼電器電路設計可能意味著(zhù)大幅減少容性瞬態(tài)高電流負載，并可以延長(cháng)繼電器觸點(diǎn)壽命，并確保在其額定產(chǎn)品性能規格范圍內使用的繼電器將滿(mǎn)足最終應用的負載開(kāi)關(guān)要求。

電容式浪涌觸點(diǎn)損壞

偶爾在軍事和航空航天繼電器開(kāi)關(guān)應用中，可能會(huì )出現令人驚訝的電容浪涌源。一個(gè)例子是繼電器中使用的材料的快速加熱和冷卻，可能是由于持續時(shí)間非常短的非常高的電流脈沖，這超出了產(chǎn)品的性能規格。這種超額會(huì )導致觸點(diǎn)的材料熔斷和分離，從而導致不穩定的操作。

電容從何而來(lái)？

雖然非常大的電解電容器使工程師預計會(huì )出現高電流浪涌，但電路中通常還有其他不太容易識別的電容源。電容器是無(wú)源器件，可抵抗瞬時(shí)電壓變化，同時(shí)允許瞬時(shí)電流變化，在電流浪涌時(shí)快速吸收和釋放大量能量。

一個(gè)鮮為人知的高電容和浪涌電流來(lái)源是軍事和航空航天應用中DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉換器中常見(jiàn)的EMI ［電磁干擾］濾波。（圖 1。轉換器的快速開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生大的不連續電流變化，需要大量濾波以降低傳導高頻EMI噪聲。流行的解決方案是在 DC/DC 轉換器的輸入和輸出上使用低通濾波器。

圖1：典型 DC/DC 轉換器的框圖。

NTC限流器器件

有一類(lèi)電阻器件可以提供大量的電流浪涌限制。專(zhuān)用電阻器稱(chēng)為NTC或負溫度系數熱敏電阻。它提供高初始電阻，隨著(zhù)電流而器件溫度升高，初始電阻會(huì )迅速下降到低得多的值。

在室溫下，高初始標稱(chēng)電阻通過(guò)快速吸收能量并在熱時(shí)間常數內耗散能量來(lái)限制浪涌電流峰值。限流器NTC的電阻比其初始值下降30至50倍。移除電源后，根據下圖中的熱時(shí)間常數曲線(xiàn)，以下實(shí)驗中使用的NTC器件在大約五分鐘內恢復到室溫（圖2）。

圖2：NTC熱時(shí)間常數。

NTC測試：重復循環(huán)效果

NTC器件在相對較短的熱時(shí)間常數內自熱，同時(shí)大大降低其內阻。NTC的快速脈沖表明對自熱溫度的響應是多么敏感和快速。當在不到三秒的時(shí)間內用四個(gè)脈沖事件測試5歐姆NTC時(shí)，初始峰值電流水平從5.4 A增加到8.5 A，增加了57%。NTC器件的熱時(shí)間常數通常僅在初始浪涌電流脈沖電平期間使用，然后允許冷卻，這實(shí)際上為下一個(gè)大電流開(kāi)關(guān)事件“重置”NTC。

負載測試 NTC 限流器

決定設置測試來(lái)表示輸入和輸出EMI濾波器以及輸入和輸出DC/DC轉換器電容器和電感器。開(kāi)發(fā)板測得的總容性負載為717.6 uF，因為實(shí)際上所有濾波電容都是并聯(lián)的。測試開(kāi)發(fā)板的過(guò)程涉及通過(guò)選定的開(kāi)關(guān)提供直流線(xiàn)圈驅動(dòng)電壓，以在負載開(kāi)關(guān)條件下禁用/啟用NTC器件的每個(gè)值。

NTC 負載測試壽命配置

為了測試NTC器件，確定開(kāi)發(fā)板的輸出端需要阻性負載。阻性負載的目的是模擬為應用供電的 300 W DC/DC 轉換器。實(shí)驗工作確定，NTC溫升和隨后的內阻變化可以通過(guò)在繼電器壽命測試期間控制開(kāi)關(guān)電流脈沖的循環(huán)速率和占空比來(lái)管理。

圖3：框圖：測試開(kāi)發(fā)板。

NTC 開(kāi)關(guān)子組件具有延時(shí)子組件和分流繼電器，在每個(gè)脈沖線(xiàn)圈事件開(kāi)始后約 20 毫秒內運行，從而有效地打開(kāi)通過(guò)負載的電流路徑。這導致繼電器組合承載步進(jìn)電流，但不斷開(kāi)電流路徑。

繼電器壽命測試程序涉及提供 26.5 Vdc 線(xiàn)圈驅動(dòng)電壓，分別切換到六個(gè)繼電器。26.5 Vdc 負載電源電壓進(jìn)入負載使能 FCA-325 3PDT 25 A 繼電器。然后通過(guò) NTC 關(guān)閉/打開(kāi) FCA-125 SPDT 25 A 繼電器進(jìn)行路由，以單獨插入 NTC 設備或在電路中沒(méi)有 NTC 的情況下進(jìn)行測試。由 26.5 Vdc 電源供電的 3.0 歐姆無(wú)感負載電阻的連接可提供 9 A 的標稱(chēng)負載（約 239 瓦）用于開(kāi)關(guān)。

NTC 負載測試壽命結果

無(wú)NTC：第一次繼電器壽命測試是在電路中沒(méi)有NTC器件的情況下進(jìn)行的。繼電器以 20 個(gè)周期/分鐘的速率循環(huán)，并在開(kāi)關(guān)事件開(kāi)始時(shí)顯示出尖銳的高電流瞬變。脈沖達到26.8 A的峰值，持續時(shí)間為680微秒，是20.2 ms僅制造/攜帶電流時(shí)間的一部分。電流水平穩定在9.2 A的穩態(tài)水平。非NTC負載測試在計劃的50，000個(gè)周期中大約26，000個(gè)周期提前終止。這是由于接觸“粘”或點(diǎn)焊重復多次，并支持無(wú)限制容性浪涌開(kāi)關(guān)通常是觸點(diǎn)粘連的主要原因的論點(diǎn)。

5歐姆NTC：在繼電器壽命測試期間單獨使用每個(gè)NTC值，5歐姆的最高標稱(chēng)電阻NTC具有最大的峰值電流浪涌減少。峰值電流水平從 4.80 安培開(kāi)始，比電路中沒(méi)有任何 NTC 的壽命測試減少了 82% 以上。峰值電流脈沖持續時(shí)間在3.84 ms處測量，然后衰減到3.20 A的階躍電流。在測試開(kāi)始時(shí)，僅制造/攜帶脈沖長(cháng)度測量為18.20 ms。

在中間周期再次記錄測試測量值，并在50，000個(gè)開(kāi)關(guān)周期結束時(shí)，然后與初始讀數進(jìn)行比較。由于NTC器件的熱特性，工作溫度的輕微升高會(huì )嚴重影響峰值電流水平，因為它增加了58%以上，達到7.60 A。經(jīng)證實(shí)，階躍電流水平增加了38%，達到4.40 A。

NTC壽命測試摘要

分析了峰值浪涌和穩態(tài)階躍電流電平波形，以了解任何實(shí)質(zhì)性趨勢。正如預期的那樣，NTC/繼電器組合的快速循環(huán)確實(shí)隨著(zhù)時(shí)間的推移提高了各自的峰值和步進(jìn)電流水平;然而，即使是最低的NTC值，浪涌也低于最大繼電器觸點(diǎn)額定值。

測試表明，對于1歐姆NTC，峰值浪涌電流的最大增益為36%，當5歐姆NTC在電路中時(shí)增加到58%。階梯電流的增長(cháng)要溫和得多，范圍從6%到最高38%。在測試期間比較了NTC外殼溫度，比環(huán)境溫度略微升高6至7°F，或升高8%至10%。NTC溫度的微小變化證實(shí)了它會(huì )影響繼電器壽命測試循環(huán)期間的峰值和步進(jìn)電流水平。

觸點(diǎn)評估，NTC后壽命測試

在壽命測試結束時(shí)，將五個(gè)繼電器中的每一個(gè)從NTC/繼電器開(kāi)關(guān)板上取下并進(jìn)行電氣測試，以確認每個(gè)繼電器都滿(mǎn)足壽命后測試參數限制。對第一個(gè)繼電器中常開(kāi)和可移動(dòng)觸點(diǎn)的回顧表明，實(shí)質(zhì)性的觸點(diǎn)如預期的那樣受到物質(zhì)侵蝕和轉移。該繼電器在沒(méi)有任何NTC電流限制的情況下切換了全容性負載，測試停止在26K周期，由于反復觸點(diǎn)點(diǎn)焊，遠低于50K周期?？梢苿?dòng)接觸面上有接觸材料粘附和斷裂的視覺(jué)跡象，這有助于點(diǎn)焊和移動(dòng)接觸表面的機械結合。

當電路中帶有NTC的繼電器被打開(kāi)和分析時(shí)，講述了一個(gè)完全不同的視覺(jué)故事。通過(guò) 1 歐姆 NTC 切換負載的繼電器估計減少了 40% 到 50% 的材料傳輸，并大大減少了“錐形和隕石坑”的影響。通過(guò)測試，繼電器通過(guò)最高電阻NTC（5歐姆）切換，常開(kāi)觸點(diǎn)上有輕微的材料堆積，可移動(dòng)觸點(diǎn)上有較小的相應坑。

展望未來(lái)

用戶(hù)應用通常涉及來(lái)自常見(jiàn)EMI濾波源的容性負載。通過(guò)在熱時(shí)間常數限制內使用NTC器件，它們被證實(shí)可以大大減少浪涌電流的大小和由此產(chǎn)生的接觸材料侵蝕。實(shí)驗表明，當存在容性負載時(shí)，浪涌電流的降低和觸點(diǎn)侵蝕的減少通過(guò)幫助用戶(hù)保持在繼電器的額定產(chǎn)品性能規格范圍內，延長(cháng)了繼電器觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)壽命。這些改進(jìn)可以提高設備在軍事和航空航天應用中的可靠性。

（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：MIKE BALDWIN）

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