機電式繼電器實(shí)現突破性創(chuàng )新

機電式繼電器被公認是可靠、具魯棒性的低成本器件。繼電器的制造量與日俱增，并被成功運用于實(shí)現信號和能量分配的無(wú)數應用中。即使是在最?lèi)毫拥沫h(huán)境條件下，它卻仍然具有良好的魯棒性和可靠性。各種繼電器類(lèi)型覆蓋了廣泛的開(kāi)關(guān)負載范圍，從μV和μA級到數百安和高達500V的電壓。而且，繼電器在通電狀態(tài)下具有非常低的電阻(mΩ)，在斷電狀態(tài)下則具有非常高的絕緣電阻(GΩ)，二者都適用于負載電路和控制電路，以及開(kāi)路的開(kāi)關(guān)路徑中。

繼電器在容許電壓、電流或溫度方面具有很大的過(guò)載能力。盡管繼電器已具有非常好的物理特性，但卻還有一些額外要求。PCB占板空間必須盡可能小，而且繼電器應該具有防潑濺(防洗滌或抗風(fēng)雨)，或者甚至完全密封的性能。新設計不僅可以滿(mǎn)足所有這些要求，而且還能提高可靠性。未來(lái)繼電器技術(shù)的創(chuàng )新將進(jìn)一步實(shí)現更小的設計，而且不會(huì )改變開(kāi)關(guān)特性。

材料成本

繼電器構造中需要用到許多原材料，例如：用于制造線(xiàn)圈或電流承載部件的銅，用于制造開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的貴金屬(例如：金、銀和鈀)，用于制造磁路的鐵，以及用于創(chuàng )建絕緣系統的塑料。這些原材料的成本近年來(lái)顯著(zhù)上升，有些材料的成本已增加了好幾倍。銀成本的增加尤其嚴重，因為目前還沒(méi)有實(shí)用的材料能夠替代開(kāi)關(guān)設備中的銀。

小型化

機電式繼電器取得巨大成功的一個(gè)主要原因是，繼電器業(yè)能夠通過(guò)新的小型化設計創(chuàng )新，滿(mǎn)足電子業(yè)、電信和汽車(chē)電子設備的需求(圖1)。通用及功率繼電器的情形較為麻煩，其標準化的引腳布局和必要的空氣與漏電流路徑，使得這些繼電器的小型化設計愈加困難，甚至在一定程度上阻礙了小型化的發(fā)展。繼電器小型化設計中面臨的主要挑戰是，在減小物理尺寸的同時(shí)，提高開(kāi)關(guān)能力。

圖1：過(guò)去40年信號繼電器的小型化進(jìn)程(第1代到第4代)。

在繼電器小型化設計中，必須考慮許多不斷改變的因素：在接觸力和斷開(kāi)力減小的情況下，保持觸點(diǎn)的可靠性；保護繼電器免遭內部和外部污染；材料改變和觸點(diǎn)腐蝕引起的閉合力減??；盡管物理尺寸減小，但絕緣性能仍要提高；熱性能、自加熱以及在環(huán)境溫度升高時(shí)的性能；更長(cháng)的服務(wù)壽命和更高的開(kāi)關(guān)能力；更高的可靠性要求；制造技術(shù)帶來(lái)的限制。

新技術(shù)和新概念也將促成未來(lái)繼電器技術(shù)的巨大創(chuàng )新。

表1表明信號繼電器尺寸在不斷縮小。盡管尺寸顯著(zhù)縮小，但線(xiàn)圈功耗和開(kāi)關(guān)能力卻幾乎保持不變，介電特性有所改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間也明顯縮短，但熱阻卻有所增加。

表1：第2代至第4代信號繼電器的關(guān)鍵特性。

以下是允許在縮小繼電器體積的同時(shí)，又能改進(jìn)特性的一些因素。

設計：微型繼電器全部使用極化磁路。這一特性允許縮小物理尺寸，同時(shí)還支持雙穩態(tài)開(kāi)關(guān)特性。線(xiàn)圈涂層允許顯著(zhù)減小繼電器的間隙和漏電流路徑。氣密外殼的使用是另一項優(yōu)勢，它能夠最佳地保護繼電器內部免受外部污染的影響，進(jìn)而減小所需要的最小接觸力。

材料：在小型化設計過(guò)程中，體積與表面積的比例將會(huì )變差，這將導致熱阻增加。這種情況下，如果仍要保持良好的觸點(diǎn)可靠性，就需要提高所用絕緣材料的特性。為了能夠提供相同甚至更高的可靠性，則必須顯著(zhù)改進(jìn)絕緣材料的熱穩定性和排氣特性。

使用的銅材料也相當重要。越高的傳導率越允許減小必要的橫截面，并越支持更小的物理形狀。對使用的彈簧材料而言，高溫時(shí)的松弛性非常重要。

工藝：小型化設計對繼電器中所用各部件的精度和組裝工藝的精度，提出了更加高的要求。只有兩者都得到了控制，才能有效實(shí)現更小的物理尺寸。制造過(guò)程中更小的公差，還會(huì )使開(kāi)關(guān)特性具有更少的分散。更小的物理尺寸要求全自動(dòng)生產(chǎn)，以便在組裝和測試過(guò)程中系統性排除人為因素。

介電強度

較大尺寸設計可以增加介電強度。這句話(huà)聽(tīng)起來(lái)非常合理，但不是在每種情況下都一定正確。如圖2所示，與第3代繼電器相比，第4代產(chǎn)品的介電強度有了明顯增加。在線(xiàn)圈與觸點(diǎn)之間以及在斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)路徑之中的這種改進(jìn)，可以通過(guò)以下措施首先實(shí)現：涂覆線(xiàn)圈；將驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)腔分開(kāi)；使用氣密外殼和合適的惰性氣體。

圖2：第3代和第4代信號繼電器介電強度比較。