【導(dǎo)讀】隨著高性能機(jī)電繼電器在軍事和航空航天應(yīng)用中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，工程師必須滿足所有電氣要求。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(guī)格來(lái)延長(zhǎng)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(duì)此類(lèi)應(yīng)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(jī)電繼電器中觸點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)額定值。
隨著高性能機(jī)電繼電器在軍事和航空航天應(yīng)用中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，工程師必須滿足所有電氣要求。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(guī)格來(lái)延長(zhǎng)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(duì)此類(lèi)應(yīng)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(jī)電繼電器中觸點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)額定值。
當(dāng)客戶正確識(shí)別容性負(fù)載并將其包含在繼電器功能范圍內(nèi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高程度的應(yīng)用繼電器兼容性。使用電涌抑制元件調(diào)整繼電器電路設(shè)計(jì)可能意味著大幅減少容性瞬態(tài)高電流負(fù)載，并可以延長(zhǎng)繼電器觸點(diǎn)壽命，并確保在其額定產(chǎn)品性能規(guī)格范圍內(nèi)使用的繼電器將滿足最終應(yīng)用的負(fù)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(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)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(xù)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(guī)格。這種超額會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)的材料熔斷和分離，從而導(dǎo)致不穩(wěn)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(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)高電流浪涌，但電路中通常還有其他不太容易識(shí)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(yīng)用中DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中常見(jiàn)的EMI ［電磁干擾］濾波。（圖 1。轉(zhuǎn)換器的快速開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生大的不連續(xù)電流變化，需要大量濾波以降低傳導(dǎo)高頻EMI噪聲。流行的解決方案是在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出上使用低通濾波器。
圖1：典型 DC/DC 轉(zhuǎn)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。它提供高初始電阻，隨著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(biāo)稱(chēng)電阻通過(guò)快速吸收能量并在熱時(shí)間常數(shù)內(nèi)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(jù)下圖中的熱時(shí)間常數(shù)曲線，以下實(shí)驗(yàn)中使用的NTC器件在大約五分鐘內(nèi)恢復(fù)到室溫（圖2）。
圖2：NTC熱時(shí)間常數(shù)。
NTC測(cè)試：重復(fù)循環(huán)效果
NTC器件在相對(duì)較短的熱時(shí)間常數(shù)內(nèi)自熱，同時(shí)大大降低其內(nèi)阻。NTC的快速脈沖表明對(duì)自熱溫度的響應(yīng)是多么敏感和快速。當(dāng)在不到三秒的時(shí)間內(nèi)用四個(gè)脈沖事件測(cè)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(shù)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(fù)載測(cè)試 NTC 限流器
決定設(shè)置測(cè)試來(lái)表示輸入和輸出EMI濾波器以及輸入和輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器電容器和電感器。開(kāi)發(fā)板測(cè)得的總?cè)菪载?fù)載為717.6 uF，因?yàn)閷?shí)際上所有濾波電容都是并聯(lián)的。測(cè)試開(kāi)發(fā)板的過(guò)程涉及通過(guò)選定的開(kāi)關(guān)提供直流線圈驅(qū)動(dòng)電壓，以在負(fù)載開(kāi)關(guān)條件下禁用/啟用NTC器件的每個(gè)值。
NTC 負(fù)載測(cè)試壽命配置
為了測(cè)試NTC器件，確定開(kāi)發(fā)板的輸出端需要阻性負(fù)載。阻性負(fù)載的目的是模擬為應(yīng)用供電的 300 W DC/DC 轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)工作確定，NTC溫升和隨后的內(nèi)阻變化可以通過(guò)在繼電器壽命測(cè)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(cè)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)脈沖線圈事件開(kāi)始后約 20 毫秒內(nèi)運(yùn)行，從而有效地打開(kāi)通過(guò)負(fù)載的電流路徑。這導(dǎo)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(cè)試程序涉及提供 26.5 Vdc 線圈驅(qū)動(dòng)電壓，分別切換到六個(gè)繼電器。26.5 Vdc 負(fù)載電源電壓進(jìn)入負(fù)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(dú)插入 NTC 設(shè)備或在電路中沒(méi)有 NTC 的情況下進(jìn)行測(cè)試。由 26.5 Vdc 電源供電的 3.0 歐姆無(wú)感負(fù)載電阻的連接可提供 9 A 的標(biāo)稱(chēng)負(fù)載（約 239 瓦）用于開(kāi)關(guān)。
NTC 負(fù)載測(cè)試壽命結(jié)果
無(wú)NTC：第一次繼電器壽命測(cè)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(dá)到26.8 A的峰值，持續(xù)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(wěn)定在9.2 A的穩(wěn)態(tài)水平。非NTC負(fù)載測(cè)試在計(jì)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(fù)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(cè)試期間單獨(dú)使用每個(gè)NTC值，5歐姆的最高標(biāo)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(cè)試減少了 82% 以上。峰值電流脈沖持續(xù)時(shí)間在3.84 ms處測(cè)量，然后衰減到3.20 A的階躍電流。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，僅制造/攜帶脈沖長(zhǎng)度測(cè)量為18.20 ms。
在中間周期再次記錄測(cè)試測(cè)量值，并在50，000個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束時(shí)，然后與初始讀數(shù)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(yán)重影響峰值電流水平，因?yàn)樗黾恿?8%以上，達(dá)到7.60 A。經(jīng)證實(shí)，階躍電流水平增加了38%，達(dá)到4.40 A。
NTC壽命測(cè)試摘要
分析了峰值浪涌和穩(wěn)態(tài)階躍電流電平波形，以了解任何實(shí)質(zhì)性趨勢(shì)。正如預(yù)期的那樣，NTC/繼電器組合的快速循環(huán)確實(shí)隨著時(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(cè)試表明，對(duì)于1歐姆NTC，峰值浪涌電流的最大增益為36%，當(dāng)5歐姆NTC在電路中時(shí)增加到58%。階梯電流的增長(zhǎng)要溫和得多，范圍從6%到最高38%。在測(cè)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(cè)試循環(huán)期間的峰值和步進(jìn)電流水平。
觸點(diǎn)評(píng)估，NTC后壽命測(cè)試
在壽命測(cè)試結(jié)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(cè)試，以確認(rèn)每個(gè)繼電器都滿足壽命后測(cè)試參數(shù)限制。對(duì)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(yù)期的那樣受到物質(zhì)侵蝕和轉(zhuǎn)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(fù)載，測(cè)試停止在26K周期，由于反復(fù)觸點(diǎn)點(diǎn)焊，遠(yuǎn)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(jī)械結(jié)合。
當(dāng)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(fù)載的繼電器估計(jì)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(cè)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(yīng)坑。
展望未來(lái)
用戶應(yīng)用通常涉及來(lái)自常見(jiàn)EMI濾波源的容性負(fù)載。通過(guò)在熱時(shí)間常數(shù)限制內(nèi)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(yàn)表明，當(dāng)存在容性負(fù)載時(shí)，浪涌電流的降低和觸點(diǎn)侵蝕的減少通過(guò)幫助用戶保持在繼電器的額定產(chǎn)品性能規(guī)格范圍內(nèi)，延長(zhǎng)了繼電器觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)壽命。這些改進(jìn)可以提高設(shè)備在軍事和航空航天應(yīng)用中的可靠性。
（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：MIKE BALDWIN）
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