在正確使用的情況下，舌簧繼電器的壽命取決于其設(shè)計(jì)和制造的好壞。本文解釋了優(yōu)質(zhì)舌簧繼電器的構(gòu)成要素，可以為設(shè)計(jì)和構(gòu)造舌簧繼電器作參考。

不正確的使用會(huì)縮短舌簧繼電器的使用壽命，可能發(fā)生間歇性或永久性故障。換句話說(shuō)，假設(shè)正確選擇了器件，用戶有責(zé)任遵循預(yù)期的操作參數(shù)來(lái)使用它。然而，對(duì)于全新的繼電器，其可靠性和在現(xiàn)場(chǎng)能夠工作的時(shí)長(zhǎng)依賴于制造商的設(shè)計(jì)實(shí)踐（包括材料的選擇）和制造工藝（應(yīng)通過(guò)檢查和測(cè)試來(lái)驗(yàn)證）的共同作用。

在深入討論這些主題之前，我有必要先表達(dá)一下我們（Pickering Electronics）有資格撰寫本文的原因。自 1968 年成立專門的繼電器部門以來(lái)，我們一直致力于開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，目前我們的產(chǎn)品家族已超過(guò) 1，100 種型號(hào)。另外，我在本文中的討論限制于相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備，即具有單個(gè)干觸點(diǎn)的開關(guān)。然而，我將要討論的有關(guān)通過(guò)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試確保質(zhì)量的所有內(nèi)容也適用于更復(fù)雜的設(shè)備，例如雙刀開關(guān)和換向開關(guān)，以及具有濕/汞觸點(diǎn)的器件。另外，我只能解釋一下 Pickering 是如何保證設(shè)備質(zhì)量的。其他制造商有自己的設(shè)計(jì)、制造工藝和對(duì)質(zhì)量保證的態(tài)度。

舌簧繼電器的結(jié)構(gòu)和操作都相對(duì)簡(jiǎn)單（見圖 1）。有兩個(gè)主要子組件：

舌簧開關(guān)，通常是密封在玻璃管內(nèi)，包含兩個(gè)重疊但不接觸的鐵磁性簧片。

一個(gè)線圈（圍繞舌簧開關(guān)管），當(dāng)有足夠的電流通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，使簧片極化，使簧片相互彎曲直至接觸。

一些舌簧繼電器的線圈上可能還并聯(lián)一個(gè)二極管，以減少線圈斷電時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的影響。

圖 1 - 上圖展示了帶有單個(gè)開關(guān)的舌簧繼電器的工作原理。沿著舌簧開關(guān)的軸向引入磁場(chǎng)會(huì)磁化簧片，它們會(huì)因?yàn)闃O性相反而相互吸引。

盡管開關(guān)中的簧片在線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但它們并不被視為運(yùn)動(dòng)部件。另外值得注意的是，與機(jī)電繼電器不同，開關(guān)觸點(diǎn)密封在玻璃管中，這可以保障它們免受環(huán)境影響，意味著它們可以在需要避免火花的潛在危險(xiǎn)環(huán)境中使用。

此外，與固態(tài)器件相比，開關(guān)過(guò)程中不涉及半導(dǎo)體材料，因此舌簧繼電器不易受到瞬變和靜電的損壞。它提供了更好的電氣隔離，并且還可以切換交流電。

設(shè)計(jì)

任何設(shè)備都可以按照高標(biāo)準(zhǔn)制造，但如果其設(shè)計(jì)不可靠且在現(xiàn)場(chǎng)使用壽命較長(zhǎng)，那么一切都是徒勞。設(shè)計(jì)目標(biāo)將包括實(shí)現(xiàn)某些性能目標(biāo)（例如高關(guān)斷電壓、最大開關(guān)電壓和線圈工作時(shí)間）以及對(duì)驅(qū)動(dòng)器件的電路非常重要的工作特性。這些特性包括線圈電壓和電阻。

可以說(shuō)，最重要的元件是舌簧開關(guān)。如前所述，兩個(gè)重疊的刀片/簧片。它們由鐵磁材料（通常是鎳鐵）制成，涂有銠、釕或鎢；最后一種通常用于高壓開關(guān)應(yīng)用。

刀片的長(zhǎng)度和橫截面積也很重要。較長(zhǎng)的刀片比較短的刀片更容易偏轉(zhuǎn)。但如果尋求物理尺寸較小的繼電器，則必須縮短刀片長(zhǎng)度。為了輕松彎曲，需要減小其厚度。減少其寬度也是一種選擇，但這樣做會(huì)減少接觸面積，從而減少可切換的功率水平。

可以理解，線圈在舌簧繼電器的操作中起著至關(guān)重要的作用。然而，它是否與舌簧開關(guān)直接接觸，或者兩者之間是否有線圈架（又名線軸），都會(huì)產(chǎn)生影響。使用線圈架會(huì)占用空間并弱化開關(guān)中的磁場(chǎng)。Pickering的產(chǎn)品均采用無(wú)支架繞線的設(shè)計(jì)。

關(guān)于場(chǎng)強(qiáng)，如果希望線圈有較高的電效率，理想情況下場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)該集中。在這方面，磁屏蔽的使用不僅將磁場(chǎng)集中在簧片周圍，而且還能保護(hù)它們免受其他磁影響（例如來(lái)自附近未屏蔽繼電器的磁場(chǎng) - 見圖 2）。 Pickering 選擇的屏蔽材料是高導(dǎo)磁合金（Mu-Metal），與鋼不同，它具有非常高的磁導(dǎo)率和非常低的剩磁。

注意：當(dāng)切斷驅(qū)動(dòng)線圈的電能時(shí)，干簧管內(nèi)的簧片會(huì)在自身彈力的作用下彈開。靈敏度較低的開關(guān)需要較多的能量來(lái)閉合觸點(diǎn)，但在斷電時(shí)其簧片的恢復(fù)力也較大（我們?cè)诒疚牡牡?1 部分中討論過(guò)）。同樣，無(wú)支架繞線的設(shè)計(jì)是最好的選擇。

圖 2 – 與屏蔽線圈相比，非屏蔽線圈需要更高的線圈電流，并且可能會(huì)影響相鄰（也是非屏蔽）設(shè)備中的舌簧開關(guān)。

這里再次觸及簧片問(wèn)題。顯然，金屬引腳與玻璃管兩端必須牢固地固定。然而，這兩個(gè)玻璃/金屬密封件又相對(duì)脆弱。這兩個(gè)封口處乃至整個(gè)玻璃管必須得到妥善的保護(hù)，免受物理沖擊和內(nèi)應(yīng)力（通常來(lái)自熱循環(huán)）破壞，以保持管內(nèi)部真空（或防止惰性氣體逸出）。

Pickering 的解決方案是使用 SoftCenter 封裝材料系列，其中包括高性能硅膠和聚氨酯。它們灌注了線圈和開關(guān)，并允許組件在熱循環(huán)下適度膨脹。

圖 3 顯示了 Pickering 的無(wú)支架線圈以及 SoftCenter 設(shè)計(jì)中的所有子組件。

圖 3 – 設(shè)計(jì)可靠：無(wú)支架線圈具有更高的電效率，SoftCenter 化合物提供機(jī)械保護(hù)，高導(dǎo)磁合金屏蔽可聚攏磁場(chǎng)，同時(shí)保護(hù)開關(guān)免受外部 EMI 影響。

生產(chǎn)制造

實(shí)施設(shè)計(jì)并充分利用所選材料需要高質(zhì)量的制造技術(shù)。在Pickering，制造過(guò)程包括三個(gè)主要階段：

干簧管插入預(yù)繞線圈中。如前所述，兩者之間不存在支架。然后，線圈粘合到玻璃管上（使用硅橡膠或高性能聚氨酯），以確保參照簧片之間的接觸間隙實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)準(zhǔn)。一般而言，必須非常小心地處理舌簧開關(guān)，因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)金屬/玻璃密封中的任何一個(gè)受損，開關(guān)的使用壽命都會(huì)大大縮短。高壓開關(guān)失去真空屬于破壞性的故障。

將開關(guān)和線圈組件（加上二極管，如果需要）添加到引線框架中。這里的一個(gè)要點(diǎn)是線線圈的導(dǎo)體非常細(xì)，在某些情況下低至 25μm。為了加強(qiáng)與引線框架的連接，Pickering會(huì)用幾股電線將它們絞在一起。

組裝好的引線框架（見圖 4）被倒置并放入倒置的封裝外殼中，高導(dǎo)磁合金電磁屏蔽預(yù)先放置在其中。 SoftCenter 材料被灌注到外殼中，直到覆蓋舌簧開關(guān)的玻璃/金屬密封件。接下來(lái)，灌注熱固化環(huán)氧樹脂，直到到達(dá)倒置殼體的邊緣。然后將該器件進(jìn)行烘箱固化，以達(dá)到最佳的高絕緣電阻。固化后，移除引線框架的回收桿，只留下從器件中伸出的引腳。

圖 4 – 上圖是舌簧繼電器的引線框架。

檢驗(yàn)與測(cè)試

應(yīng)在每個(gè)制造階段進(jìn)行目視檢查。在 Pickering，檢查包括尋找機(jī)械缺陷和不完美的焊點(diǎn)。

至于測(cè)試，對(duì)舌簧開關(guān)（例如測(cè)量隔離電壓）和線圈（例如其電阻）進(jìn)行電氣測(cè)試。這些要在開關(guān)和線圈進(jìn)入組裝工序之前進(jìn)行批量測(cè)試。

器件制造完成后，會(huì)經(jīng)歷以下熱循環(huán)：-20°C 下 60 分鐘，然后溫度升至 80°C 并保持 30 分鐘，然后降至 -20°C。這個(gè)循環(huán)重復(fù)三次。

然后進(jìn)行各種電氣測(cè)試，以確保器件可靠運(yùn)行且符合數(shù)據(jù)表中標(biāo)稱的規(guī)格（包括吸合和釋放時(shí)間）。接觸電阻和線圈電阻也要測(cè)量（即使在組裝前進(jìn)行了檢查）。此外，還要確認(rèn)二極管（如果安裝）工作正常。

進(jìn)行測(cè)試以確認(rèn)設(shè)備絕緣性能符合規(guī)范。這對(duì)于要求在極低漏電流的應(yīng)用中使用的器件尤其重要。例如，舌簧繼電器可以用于執(zhí)行絕緣測(cè)試的設(shè)備中。

本質(zhì)上，所有器件要100%通過(guò)測(cè)試——就絕對(duì)必須執(zhí)行的測(cè)試而言。即使如此，也可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行額外的測(cè)試。可能包括電容測(cè)試或更高絕緣性能的測(cè)試。

所有測(cè)試結(jié)果和（檢查）觀察結(jié)果都會(huì)被記錄下來(lái)，這不僅是設(shè)備質(zhì)量保證的一部分，也是公司持續(xù)改進(jìn)流程的一部分。

小結(jié)

開箱即用的可靠性來(lái)自于三件事。首先，舌簧繼電器的設(shè)計(jì)必須符合標(biāo)稱的電氣和機(jī)械特性，提供高性能和較長(zhǎng)的使用壽命。其次，此器件必須使用能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的子組件、材料和技術(shù)來(lái)制造。最后，必須對(duì)舌簧繼電器進(jìn)行全面測(cè)試，以驗(yàn)證其滿足設(shè)計(jì)和制造目標(biāo)。

當(dāng)制造商在這三方面都做得很好時(shí)，這意味著舌簧繼電器的性能將與其技術(shù)規(guī)格書完全一致。如果該設(shè)備在推薦的操作參數(shù)范圍內(nèi)使用，可以長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。