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继电器 |
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机电式继电器实现突破性创新 |
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机电式继电器被公认是可靠、具鲁棒性的低成本器件。继电器的制造量与日俱增，并被成功运用于实现信号和能量分配的无数应用中。即使是在最恶劣的环境条件下，它却仍然具有良好的鲁棒性和可靠性。各种继电器类型覆盖了广泛的开关负载范围，从μV和μA级到数百安和高达500V的电压。而且，继电器在通电状态下具有非常低的电阻(mΩ)，在断电状态下则具有非常高的绝缘电阻(GΩ)，二者都适用于负载电路和控制电路，以及开路的开关路径中。
继电器在容许电压、电流或温度方面具有很大的过载能力。尽管继电器已具有非常好的物理特性，但却还有一些额外要求。PCB占板空间必须尽可能小，而且继电器应该具有防泼溅(防洗涤或抗风雨)，或者甚至完全密封的性能。新设计不仅可以满足所有这些要求，而且还能提高可靠性。未来继电器技术的创新将进一步实现更小的设计，而且不会改变开关特性。
材料成本
继电器构造中需要用到许多原材料，例如：用于制造线圈或电流承载部件的铜，用于制造开关触点的贵金属(例如：金、银和钯)，用于制造磁路的铁，以及用于创建绝缘系统的塑料。这些原材料的成本近年来显著上升，有些材料的成本已增加了好几倍。银成本的增加尤其严重，因为目前还没有实用的材料能够替代开关设备中的银。
小型化
机电式继电器取得巨大成功的一个主要原因是，继电器业能够通过新的小型化设计创新，满足电子业、电信和汽车电子');companyAdEvent.show(this,'companyAdDiv',[5,18])" onmouseout="companyAdEvent.out('companyAdDiv')">汽车电子设备的需求(图1)。通用及功率继电器的情形较为麻烦，其标准化的引脚布局和必要的空气与漏电流路径，使得这些继电器的小型化设计愈加困难，甚至在一定程度上阻碍了小型化的发展。继电器小型化设计中面临的主要挑战是，在减小物理尺寸的同时，提高开关能力。
图1：过去40年信号继电器的小型化进程(第1代到第4代)。
在继电器小型化设计中，必须考虑许多不断改变的因素：在接触力和断开力减小的情况下，保持触点的可靠性；保护继电器免遭内部和外部污染；材料改变和触点腐蚀引起的闭合力减小；尽管物理尺寸减小，但绝缘性能仍要提高；热性能、自加热以及在环境温度升高时的性能；更长的服务寿命和更高的开关能力；更高的可靠性要求；制造技术带来的限制。
新技术和新概念也将促成未来继电器技术的巨大创新。
表1表明信号继电器尺寸在不断缩小。尽管尺寸显著缩小，但线圈功耗和开关能力却几乎保持不变，介电特性有所改进，开关时间也明显缩短，但热阻却有所增加。 
表1：第2代至第4代信号继电器的关键特性
以下是允许在缩小继电器体积的同时，又能改进特性的一些因素。
设计：微型继电器全部使用极化磁路。这一特性允许缩小物理尺寸，同时还支持双稳态开关特性。线圈涂层允许显著减小继电器的间隙和漏电流路径。气密外壳的使用是另一项优势，它能够最佳地保护继电器内部免受外部污染的影响，进而减小所需要的最小接触力。
材料：在小型化设计过程中，体积与表面积的比例将会变差，这将导致热阻增加。这种情况下，如果仍要保持良好的触点可靠性，就需要提高所用绝缘材料的特性。为了能够提供相同甚至更高的可靠性，则必须显著改进绝缘材料的热稳定性和排气特性。
使用的铜材料也相当重要。越高的传导率越允许减小必要的横截面，并越支持更小的物理形状。对于使用的弹簧材料而言，高温时的松弛性非常重要。
工艺：小型化设计对继电器中所用各部件的精度和组装工艺的精度，提出了更加高的要求。只有两者都得到了控制，才能有效实现更小的物理尺寸。制造过程中更小的公差，还会使开关特性具有更少的分散。更小的物理尺寸要求全自动生产，以便在组装和测试过程中系统性排除人为因素。
介电强度
较大尺寸设计可以增加介电强度。这句话听起来非常合理，但不是在每种情况下都一定正确。如图2所示，与第3代继电器相比，第4代产品的介电强度有了明显增加。在线圈与触点之间以及在断开的开关路径之中的这种改进，可以通过以下措施首先实现：涂覆线圈；将驱动和开关腔分开；使用气密外壳和合适的惰性气体。
图2：第3代和第4代信号继电器介电强度比较
通过这些措施，尽管物理体积减小了2/3，但介电特性却仍可增强50%。
开关能力
许多人认为，更大尺寸的设计可以处理更大的开关负载，因此，也就可以实现更长的服务寿命。正如图3所示例子，事实并不一定如此。从图3可以看出，体积比第3代继电器小得多的第4代继电器，可以实现高得多的开关工作指标。第3代继电器只能达到刚好超过20万次的开关操作，而第4代继电器却可在60万次以上的开关操作后仍能正常工作。小型化设计可以改进开关特性，因为它具有更小的移动质量，更少的通电弹跳，通常更快的开关过程，以及由此引起的更短的电弧持续时间。
图3：第3代和第4代信号继电器的开关能力(交流电压24V，通电电流5A，断电感应电流1A)。触点电压被变阻器限制在80V。
开关噪声
在许多应用，特别是在汽车或人居环境中，声开关噪声将作为干扰被感知。小型化设计具有轻得多的移动质量，因而能够极大减小开关噪声。第2代信号继电器产生的平均噪声电平为53.5dB(图4)，到第3代产品可减小到39.6dB，而第4代继电器的噪声可降至28.2dB。低于30dB的开关噪声即便是在卧室等安静的房间内，也一般不会被察觉。 
图4：从第2代到第4代继电器开关噪声的平均值和最大值呈减小趋势
前景展望
机电式继电器成功上市至今已有几十年时间，并且在未来还将继续忠诚地陪伴我们。这种继电器极具可靠性、鲁棒性和非常高的性价比，并且非常容易使用。在现代电子设备中，它们的使用越来越广泛。与一些预测相反，其至今也未被半导体器件所取代，而是与之和平共存。
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(2/5/2012) |
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