正确使用电磁继电器.doc

正确使用电磁继电器航天器工程ACECRAFTENGINEER【NGVo1.9No12000年3月正确使用电磁继电器许汉,(北京空间飞行器总体设计部)摘要电磁继电器广泛应用于空间飞行器的能源供配电控制和控制电路.由于继电器的特殊作用,它的质量问题倍受关注据五院可靠性中0继电器失效统计分析表明,属于不正确使用的占60%以上.文章从介绍继电器的工作原理八手,着重从继电器的激励,闭合,断开,负载瞬问动态特性诸方面分析,提出使用继电器应注意的若干问题.笔者结合三十多年的使用实践,提出扬长避短正确使用继电器的一些方法,并介绍几十故障事倒关键词航天器,电磁继电器,应用分析.一,一,引言电磁继电器(包括磁保持继电器)具有体积小,重量轻,触点开路绝缘电阻高和接触电阻小,抗空间辐照,抗电磁干扰好,使用方便等特点.一般继电器触点开路时的绝缘电阻可达500MI2,闭合时接触电阻小于30mfZ;大功率继电器触点的接触电阻更小.只有几毫欧.因此触点的热功耗很小,即使通过几十安培,也不必加散热器.此外,一般继电器都有多对转换触点,用在多路负载开关控制特别方便;继电器的线圈和触点彼此可以是分开的.应用于电源隔离或地线隔离也很便捷.电磁继电器这些优点是固态继电器(也称无触点开关)望尘莫及的.六十年代以来,尽管半导体器件发展日新月异,半导体器件性能提高很快,但是电磁继电器仍然被广泛地应用在卫星导弹的控制电路中.大量资料表明,美国,俄罗斯,法国的航天器现在仍大量应用电磁继电器.看来短期内电磁继电器还不会让出第一把交椅.当然,电磁继电器也存在许多固有的弱点,例如抗力学环境性和磁性干扰,寿命,可靠性等方面不如固态继电器.但是只要我们正确使用.电磁继电器的可靠性还是能满足航天器需要的.根据中国空间技术研究院可靠性中心对继电器的失效统计分析表明,属于使用不当的占60%以上.因此,如何扬长避短正确使用继电器是个值得研究的重要课题.继电器惹人烦.如果火箭或卫星上天发生工作不正常,在分析故障时.通常首先从供电查起.由于继电器是高倍数功率放大器件,在电路中处于特殊地位:它的输入端是决定生杀大权的指令驱动设备;它的输出则是指令的执行对象,输出功率较大不出问题则然.一出问题就影响成败,举足轻重.如果发生某设备供不上电,究竟是驱动指令,投给出还是设备自己不正常,或者设备关不了机,同样有可能是指令和负载设备的问题,反正继电器夹在中问,处在如此收稿日期:2oo00l一04I期许汉成:l确使用电磁继电器重要而尴尬的岗位.因此,不管是否是继电器器件自身的质量问题,还是电路设计问题,或者指令.或者负载问题,往往要涉及继电器若卫星平安无事继电器默默无闻;若出问题.继电器“坏名远布”笔者三十多年来一直从事能源供配电,卫星搭载试验工作,接触到很多种继电器.从70年代第一批卫星用继电器下任务书开始,一直为能得到一批满足卫星使用的产品,经常在工厂,环境试验室一呆就是几个礼拜,筛啊筛,沙里淘金.百里挑一.对继电器自身的质量问题.使用中的问题.遇到很多,识多见广,积累了经验.多年来兄弟单位发现问题后也时常来共同切磋,我从中了解到的一些事例.进行分析总结,就如何正确使用继电器提出一些看法,形成本文,供有关同事参考.这些事例中的设计师思想压力大,心急如焚,苦不堪言.如果你工作中需要用到继电器,但对继电器又不熟悉,你不妨读一读这篇文章,也许可以少走一些弯路,少着些急.2继电器结构及原理要避免电磁继电器使用不当,了解电磁继电器的结构原理是很有必要的.继电器主要由线圈,衔铁,簧片(动触点),外壳四部分组成.其工作原理:线圈加额定电压,激励线圈使铁芯产生磁力.吸动平衡式衔铁,使其转动,衔铁上的玻璃绝缘子拨动簧片(动触点),使簧片离开常闭触点,由接通变为断开状态,与动合触点(亦称常开触点)接通.当激励电压撤除,电磁铁的磁力消失.在弹簧力的作用下,衔铁和簧片恢复到初始状态,簧片与常闭触点接通.磁保持继电器工作原理与电磁继电器大同小异.不同点是磁路里的铁芯是永久磁铁,当线圈通电激励后,产生新的磁场,它与永久磁场产生作用,使衔铁动作,实现触点转换.激励撤除后,磁力不会消逝,簧片触点的接通状态不会改变.驱动磁保持继电器的指令是个脉冲,航天器用的继电器动作灵敏度一般小于30ms.为提高可靠性,驱动指令标准脉冲宽为100ms.若要改变磁保持继电器的触点接通状态,在原来线圈加上极性相反的驱动电流,使磁钢的磁力极性”调头即可.使用时为了控制方便,提高可靠性,磁保持继电器有两个线圈,它们功能一样,称为双线圈磁保持继电器.开机时线圈A加开机指令激励,关机时线圈B加关机指令激励.加激励时要注意线圈的极性标识.继电器的主要技术参数有:a.线圈额定工作电压(一般为28V,12V,6V,容差10%),阻值,吸合电压和释放电压;b.触点的转换对数,额定负荷电流和电压,接触电阻,绝缘电阻,抖动时间,寿命次数;c.继电器的重量,安装形式,密封性和使用环境条件(包括力学条件,温度和湿度,耐辐照和气压等).3继电器的弱点分析与使用对策3.1线圈分析在激励继电器线圈的瞬问,线圈就会产生反电动势.用示渡器(30MHz以上)可以测量出这个反向电脉冲,幅值可达几十伏.大功率继电器甚至达100V以上.这么高的反电动势,如果不加以遏制,会产生传导干扰,损坏指令接口电路.为此,继电器的线圈必须并联消反二极航天姑工程9卷管,为防止二级管击穿短路,造成激励失效,采用二极管串联一个小电阻.根据我院的程控遥控指令的驱动能力,对额定激励电压28V3V的继电器,经过多年实际使用,电阻选PY一1/4W一75n.二极管选2CK81D即可.效果很好.这里必须指出,这个电阻也可以适当选阻值大些.原则是当二级管短路时.电阻和继电器的总负载电流不要超过指令的驱动能力.但也不必留余量,理由两点:指令脉宽一般8O200ms激励时问很短;若阻值太大对遏制反电动势,消除干扰不利.在俄罗斯相机继电器控制电路中,没有串联电阻,而是采用4只二极管,两串两并提高可靠性的.如果电路板有位置的话,这种方法是比较好的.32避免磁性干扰继电器是靠电能转换成势能.因此,继电器应避开磁场和铁磁物质使用.继电器的安装支架和仪器的安装支架都不能用铁磁材料.因为航天器在高速运行期间,要切割地球磁场,钢铁材料会被磁化,产生附加磁场影响继电器的固有磁场.另外.设备做力学振动试验时,因为振动台有一定漏磁,支架容易磁化,同样会对继电器产生磁性干扰.因为继电器厂家在继电器外壳选材时,考虑到有一定隔磁屏蔽作用,如用镍合金.中大功率继电器的安装紧固件,如果无特殊要求的,可用钢质紧固件.否则要选用钛螺钉.3.3线圈工作电压不能降额在电路设计选择线圈工作电压时,有两种错误:第一,降额.有人把降额使用原则错误地搬到线圈工作电压来.特别提醒使用者,线圈工作电压一定要满足产品额定要求,一定不能对线圈工作电压降额使用!而且,激励电压要跃变,一下加到额定值.第二,把吸台电压误认为是线圈工作电压,这也是不对的.例如,线圈额定工作电压28V3V的继电器,表明线圈驱动电压最低必须加25V.才能达到磁饱和,产生最大的矫顽力.使产品达到使用环境力学条件要求,力学试验时触点才能保持接触良好;另外要求线圈最高只能加电压31V,再提高电压不会增加触点吸力,不仅没有必要,还会增加功耗,使线圈发热.还必须说明一点,吸合电压仅仅是电磁力增加到刚刚能把触点转换的最小电压值,并非已经磁饱和达到最大的矫顽力.在测量转换(吸台或释放)电压时,每次开始时,必须先对线圈加额定工作电压后再测试.正确的操作必须从0V慢慢增加驱动电压.当达到触点转换吸合时,这就是吸台电压(或转换电压);然后,继续增加驱动电压.使其达到额定值,然后再从额定值慢慢降低电压直到触点释放.这就是释放电压值.那种不从额定驱动电压回调,而是从吸台电压值开始回调,测量释放值是错误的.3.4双线圈磁保持继电器磁保持继电器是一种脉冲继电器.它具有许多优点:微功耗,吸台力持久可靠,使用方便,一个继电器可以当两个用.双线圈磁保持继电器在航天器上得到广泛应用.但是在使用时要注意如下几点:a.线圈的驱动脉冲宽度要宽一些,脉宽是继电器转换时间的3倍以上.通常取80ms200rDS;b要避免对线圈长期施加激励:c.一般两个线圈不要同时加电激励.更不要对两个线圈加极性相反的激励,这会使驱动机1期许汉成:正确使用电磁继电器构触点无可适从产生触点工作状态不定35触点小小继电器涉及电,磁,表面物理许多知识与技术.所以高可靠继电器很难搞.正因为它原理比较简单,零件也不多.可供调节的参数少,必须在计算,设计,加工,装配各个环节更加精确;另外,继电器内部的衔铁,簧片部是活动部件,这种结构形式存在固有的弱点,就是振动,冲击力学环境试验不好通过.在振动,冲击,噪声等力学环境条件下,为了使保持触点接触良好,簧片与触点之间不能产生抖动(即接通的保持不断开,断开的不会抖动接通).通常采用调节衔铁上的绝缘子(拨动杆)的角度,当簧片切换时.簧片矫顽过正,使触点压紧.根据继电器环境条件和负载能力调节触点压力的大小.例如,102000Hz,10g,冲击100g的3A继电器,其簧片对触点压力达0.10.2N.触点是继电器控制输出,带动负载的零件,使用时应该注意如下几个问题:a.额定负载容量.产品手册有详细说明,但是要注意它给出的是在某个电压下,阻性负载时允许通过的最大电流.为此,选用时必须注意应用场合,切换的电压不能比产品规定值高,因为触点负载电压高,断开时容易拉弧损坏触点;其次是要根据阻性,容性,感性不同负载和降额使用准则选择继电器.这方面有航天器用器件降额使用的专门标准(GJB/Z3593元器件降额准则.b.触点过负载能力根据继电器设计总规范规定.触点具有瞬时过载能力,一般为额定负载的4倍.动作50100次.c客性负载.在不正确使用继电器的事例中.由于容性负载而造成触点损坏最多.原因是设计者提供功耗值大都是长期稳定功耗忽略瞬态负载.实际上许多单机或者单元电路的输入端都并联滤波电容,在供电的瞬间电容的内阻很小,充电电流很大.如果所并联的电容不太,通常为几十微法,负载电压不高,由于电源有内阻,加之供电线电阻和电连接器接触电阻,充电电流不会无穷大,充电时间很短,毫秒级,这样的过载继电器触点是能经受的.但是,如果同时供电的设备多.而且都并联大容量电容,瞬时电流超过触点过载太多,就会造成触点严重损伤,如粘连,簧片开裂乃至烧毁.d.感性负载.给感性负载加电是比较麻烦的.启动电流峰值比常载电流大得多.可达10倍以上;感性负载会产生传导干扰.因此,带有滤波电容,使供电负载既有容性又是感性,总体若不对其启动电流加以控制,往往会造成触点严重超载,发生故障.这方面的例子将在后面加以介绍.触点的切换并非一蹴而就.当动触点(簧片)在转换与固定触点(静台触点和动合触点)接通时.由于簧片有弹性.因此,在接触的瞬间会发生回跳,通过示波器可以观察到这个震荡过程,会产生一串脉冲.这个回跳时问在继电器总规范中有规定.由于继电器存在这个固有缺点,会对电路产生干扰.所,继电器不能用来切换数字信号.计数器和触发电路的输入端也不能用继电器控制.这也是设计者必须注意的事项.f.触点的同步性.有多对触点的继电器在转换时,由于触点簧片物理特性和行程的不一致性,所有触点不可能同步接通或断开.为此,在选择继电器时必须根据单个触点容量和降额规定确定.不能用并联触点的方法增加负载容量.否则,先接通或最后断开的触点会发生严重超载.g关注绝缘问题为了保证继电器g,j部有好几个活动部件,触点表面不受污染,氧化.航天器使用的继电器都要求它外壳严格密封.内部充干燥(露点优于一55”C)高纯氮气.泄露率非航天器工程9卷常小.继电器的线圈和触点的引出杆是可伐玻璃封装.各引出杆周围有一圈玻璃绝缘子.所以对继电器应轻拿轻放,运输包装时应有减振措施.引线焊接时应注意几点:第一,不要掰动引出杆,以免绝缘子开裂,造成漏气;第二,焊接过程中要保持绝缘子表面清洁,避免污染降低绝缘;第三,导线焊接点要与绝缘子保持一定距离,不要太靠近引出杆根部.应距离根部不小于lmmi第四,严格控制多余物.另外整机测试和绝缘检查台格后要喷三防漆.喷三防漆的好处是使裸露的焊点和继电器表面敷上绝缘层,没有检查出来的游离多余物被固定,避免在力学环境中造成短路.h线圈并联.在电路设计中.往往要求一个指令同时切换好几个负载,一个继电器的触点转换对数不能满足需要,可以采用一个继电器的触点带动另一个继电器,也可以两个继电器并联.若采取继电器并联使用,必须注意如下几点:指令的驱动电流必须满足;每个继电器要分别并联消除反动势电路;两个继电器的型号规格要求相同.i.关于消除触点拉弧问题.有不少专业书提到这一点,也介绍了一些方法,而对于卫星应用来讲必须慎重,没有特殊要求,卫星使用的继电器可以不采取附加器件灭弧.理由是:卫星上继电器触点切换的电源电压比较低,一般小于50V这是第一点;第二点卫星用继电器都是金属密封外壳,屏蔽性好;第三点,消弧电路往往要用电容器,根据可靠性设计要求必须采用4只串并联,体积重量增加太多;第四点,附加灭弧电路会影响触点动作灵敏度.第五点,通常可以通过继电器的外壳接地解决如安装在金属支架,支架与卫星”地”连接,一般可以满足要求36继电器的安装继电器的安装必须注意以下几个问题:a.强烈的振动冲击会使继电器的触点抖动,产生接触不良,甚至不该接通的接通等误动作.选用继电器时,除了必须注意继电器的使用力学环境条件,不要超标使用,还必须注意继电器的安装要求.如果发生谐振,振动量级就会超过器件的使用条件.超规范使用,可靠性自然大大降低.继电器的安装支架或者电路板刚性要强些,每个紧固件(包括继电器的紧固螺钉)都要拧紧,仔细检查.任何松动都会使振动量级放大;顺告读者,根据减震理论,对于激励频率10-2000Hz来说,采用减震器是无法达到减震效果的.原因很简单,一种减震器只能对某个激励频率有效果,对卫星环境条件如此宽的频带,若采用减震器必然某个频点达到减震.而在其他频点上发生谐振,特别是70Hz以下低频必然严重谐振放大.b.继电器应避开电磁场干扰.要注意继电器周围电磁环境,如变压器,电感器件,电机,扼流圈,磁控部件,动量轮等器件(部件)对继电器的影响不仅要考虑同一块电路板还要考虑周围其他电路板或部件有无铁磁器件.在电源变换器的电路板上,磁性器件比较多,排版和布线时都要认真考虑磁性器件对继电器的干扰.另外,继电器本身也是磁性器件,它们之间也会产生电磁干扰.所以,继电器试装后,在没有焊线之前,要对每个继电器进行激励,检查它对周围继电器有无影响.特别是大功率继电器和小型灵敏继电器混装时更要注意.它们之闻保持一定距离.这在院标(继电器选择与应用)中有规定.4故障事例以下故障事例有些是笔者亲身经历过的.大部分是兄弟单位的同志向笔者咨询时所了解呻肮夭嚣工程1期许汉成:J确使用电磁继电器的.这些事例很有代表性.介绍出来给大家借鉴.4.1触点严重过载不能用并联触点增加负荷.某地空武器使用4JRB一1磁保持继电器(触点额定值28V,3A)作为内外电切换,发生触点烧毁.分析原因是带负载切换,当地面电源启动.给弹上设备加电时,由于设计师担一tL电源传导干扰自己的设备,许多设备电源输人端并联大电容,使瞬时负载电流超过触点额定值;其次是配电器设计者使用不当,以为用4对触点并联就能增大继电器的负载能力.这里必须注意,触点的额定负载是针对每对触点的,因为多对触点在转换(切换)时不可能同步.因此,总规范中规定要求军用继电器一般同步时间小于1ms.多对触点并联使用只能增加切换可靠性,不能用来增加触点负荷.否则,动作灵敏度高的触点会由于严重超载而损坏.大电容使触点发生粘连.1992年某型号卫星配电器使用4JG一4大功率继电器(触点额定值28V,15A)控制相机开/关机,发现延迟释放.经分析相机电路有三处电源输入端分别并联600.uF滤波电容,共1800tF.经过测量相机开机瞬问.小于0.5s的脉冲负载电流达56A.稳定负载7A.继电器开壳检查,发现触点表面有烧熔痕迹,可见是由于滤波电容太大引起的后来把滤波电容减少为600,更换继电器后工作一切正常.uF4.2触点负载太轻触点负载不能超载,但也不是负载电流越小越好.严格说来继电器的触点的接触电阻与负载电流大小有关系.因为触点断开电源时有轻微拉弧现象,拉弧能使触点表面不会氧化,保持触点良好接触.特别是对超小型继电器.要保障良好接触,触点必须毫安级以上电流.也许有人会问,那为什么还要求降额呢?如果继电器在地面使用,触点通过额定电流,接触是最可靠的.然而,航天器器件工作在高真空失重环境,即使有的结构密封,可是因为空气不会对流,散热条件远不如地面,所以触点负载电流要降额使用;还有另一个原因,适当的降额使用可以减少触点的磨损,延长触点寿命.从使用经验情况看,中大功率继电器触点接触面积比较大,即使通过电流小一些,仍能保持良好接触;但是对超小型微功率继电器就必须注意,它的触点接触面积很小,如果没有电流维持,接触电阻会变大,甚至接触不良.1992年夏天,某型号在酒泉基地.相机速高比控制电路有两种状态:自动速高比和程控速高比.控制电路输人端状态由一只2JB0.51磁保持继电器控制.其中自动速高比是通过动片接地取零电位锁定,触点负载电流几乎为0.测试时发现自动速高比状态设置有时好,有时坏.设计师折腾两天两夜没合上眼,天气又热.可着急呀!后来把我找去,我认为有两个可能,一是继电器本身有”中闽状态”(即似闭合非jj合);二是”没维持电流,接触不良”.征得同意,我用手指轻轻弹继电器外壳,触点转换正常了,原因找到,是继电器”中闽状态”故障.不过这样使用也是不好的没有维持电流.4.3避开磁性干扰2JB0.51是一种超小型继电器,两对触点转换,触点额定负载28V,05A,线圈电阻3.1KO这种继电器有许多优点,但在使用中发现它比较娇气.1995年飞船的一个接口箱安装使用这种继电器,在进行振动试验时发现有些继电器状态自动转换.试验只好停下来,设计师以为继电器出问题,找我咨询.听了他详细介绍以后,我告诉他:没关系,不是继电器试验通不过.这航天器工程9卷是由于振动台漏磁引起的.1999年8月兄弟单位的同事告诉我:不知道为什么某接收机电路板上的一只2JB0.5l继电器有时莫名其妙就转换,断电了.切换时闻也没有规律,有时一开机就自动关机,有时是发生在开机十几分钟,几十分钟后莫名其妙自己就关机了.已经折腾几个星期了没找出原因.我看了电路板后认为故障原因出在继电器安装位置同扼流圈靠得太近.印刷电路板的左半边布置的是Dc/DC变换器,继电器是控制27v输入电源的扼流圈(250mH)是用于变换器的电源输入端滤波的.电路的工作电流在l70mA和270mA之间变化,扼流圈周围的磁场也