如何设计与构造舌簧继电器以确保其可靠性

在正确使用的情况下，舌簧继电器的寿命取决于其设计和制造的好坏。本文解释了优质舌簧继电器的构成要素，可以为设计和构造舌簧继电器作参考。

不正确的使用会缩短舌簧继电器的使用寿命，可能发生间歇性或永久性故障。换句话说，假设正确选择了器件，用户有责任遵循预期的操作参数来使用它。然而，对于全新的继电器，其可靠性和在现场能够工作的时长依赖于制造商的设计实践（包括材料的选择）和制造工艺（应通过检查和测试来验证）的共同作用。

在深入讨论这些主题之前，我有必要先表达一下我们（Pickering Electronics）有资格撰写本文的原因。自 1968 年成立专门的继电器部门以来，我们一直致力于开关技术领域，目前我们的产品家族已超过 1，100 种型号。另外，我在本文中的讨论限制于相对简单的设备，即具有单个干触点的开关。然而，我将要讨论的有关通过设计、制造和测试确保质量的所有内容也适用于更复杂的设备，例如双刀开关和换向开关，以及具有湿/汞触点的器件。另外，我只能解释一下 Pickering 是如何保证设备质量的。其他制造商有自己的设计、制造工艺和对质量保证的态度。

舌簧继电器的结构和操作都相对简单（见图 1）。有两个主要子组件：

舌簧开关，通常是密封在玻璃管内，包含两个重叠但不接触的铁磁性簧片。

一个线圈（围绕舌簧开关管），当有足够的电流通过时，会产生足够强的磁场，使簧片极化，使簧片相互弯曲直至接触。

一些舌簧继电器的线圈上可能还并联一个二极管，以减少线圈断电时反电动势的影响。

图 1 - 上图展示了带有单个开关的舌簧继电器的工作原理。沿着舌簧开关的轴向引入磁场会磁化簧片，它们会因为极性相反而相互吸引。

尽管开关中的簧片在线圈产生的磁场的影响下发生偏转，但它们并不被视为运动部件。另外值得注意的是，与机电继电器不同，开关触点密封在玻璃管中，这可以保障它们免受环境影响，意味着它们可以在需要避免火花的潜在危险环境中使用。

此外，与固态器件相比，开关过程中不涉及半导体材料，因此舌簧继电器不易受到瞬变和静电的损坏。它提供了更好的电气隔离，并且还可以切换交流电。

设计

任何设备都可以按照高标准制造，但如果其设计不可靠且在现场使用寿命较长，那么一切都是徒劳。设计目标将包括实现某些性能目标（例如高关断电压、最大开关电压和线圈工作时间）以及对驱动器件的电路非常重要的工作特性。这些特性包括线圈电压和电阻。

可以说，最重要的元件是舌簧开关。如前所述，两个重叠的刀片/簧片。它们由铁磁材料（通常是镍铁）制成，涂有铑、钌或钨；最后一种通常用于高压开关应用。

刀片的长度和横截面积也很重要。较长的刀片比较短的刀片更容易偏转。但如果寻求物理尺寸较小的继电器，则必须缩短刀片长度。为了轻松弯曲，需要减小其厚度。减少其宽度也是一种选择，但这样做会减少接触面积，从而减少可切换的功率水平。

可以理解，线圈在舌簧继电器的操作中起着至关重要的作用。然而，它是否与舌簧开关直接接触，或者两者之间是否有线圈架（又名线轴），都会产生影响。使用线圈架会占用空间并弱化开关中的磁场。Pickering的产品均采用无支架绕线的设计。

关于场强，如果希望线圈有较高的电效率，理想情况下场强应该集中。在这方面，磁屏蔽的使用不仅将磁场集中在簧片周围，而且还能保护它们免受其他磁影响（例如来自附近未屏蔽继电器的磁场 - 见图 2）。 Pickering 选择的屏蔽材料是高导磁合金（Mu-Metal），与钢不同，它具有非常高的磁导率和非常低的剩磁。

注意：当切断驱动线圈的电能时，干簧管内的簧片会在自身弹力的作用下弹开。灵敏度较低的开关需要较多的能量来闭合触点，但在断电时其簧片的恢复力也较大（我们在本文的第 1 部分中讨论过）。同样，无支架绕线的设计是最好的选择。

图 2 – 与屏蔽线圈相比，非屏蔽线圈需要更高的线圈电流，并且可能会影响相邻（也是非屏蔽）设备中的舌簧开关。

这里再次触及簧片问题。显然，金属引脚与玻璃管两端必须牢固地固定。然而，这两个玻璃/金属密封件又相对脆弱。这两个封口处乃至整个玻璃管必须得到妥善的保护，免受物理冲击和内应力（通常来自热循环）破坏，以保持管内部真空（或防止惰性气体逸出）。

Pickering 的解决方案是使用 SoftCenter 封装材料系列，其中包括高性能硅胶和聚氨酯。它们灌注了线圈和开关，并允许组件在热循环下适度膨胀。

图 3 显示了 Pickering 的无支架线圈以及 SoftCenter 设计中的所有子组件。

图 3 – 设计可靠：无支架线圈具有更高的电效率，SoftCenter 化合物提供机械保护，高导磁合金屏蔽可聚拢磁场，同时保护开关免受外部 EMI 影响。

生产制造

实施设计并充分利用所选材料需要高质量的制造技术。在Pickering，制造过程包括三个主要阶段：

干簧管插入预绕线圈中。如前所述，两者之间不存在支架。然后，线圈粘合到玻璃管上（使用硅橡胶或高性能聚氨酯），以确保参照簧片之间的接触间隙实现最佳对准。一般而言，必须非常小心地处理舌簧开关，因为如果两个金属/玻璃密封中的任何一个受损，开关的使用寿命都会大大缩短。高压开关失去真空属于破坏性的故障。

将开关和线圈组件（加上二极管，如果需要）添加到引线框架中。这里的一个要点是线线圈的导体非常细，在某些情况下低至 25μm。为了加强与引线框架的连接，Pickering会用几股电线将它们绞在一起。

组装好的引线框架（见图 4）被倒置并放入倒置的封装外壳中，高导磁合金电磁屏蔽预先放置在其中。 SoftCenter 材料被灌注到外壳中，直到覆盖舌簧开关的玻璃/金属密封件。接下来，灌注热固化环氧树脂，直到到达倒置壳体的边缘。然后将该器件进行烘箱固化，以达到最佳的高绝缘电阻。固化后，移除引线框架的回收杆，只留下从器件中伸出的引脚。

图 4 – 上图是舌簧继电器的引线框架。

检验与测试

应在每个制造阶段进行目视检查。在 Pickering，检查包括寻找机械缺陷和不完美的焊点。

至于测试，对舌簧开关（例如测量隔离电压）和线圈（例如其电阻）进行电气测试。这些要在开关和线圈进入组装工序之前进行批量测试。

器件制造完成后，会经历以下热循环：-20°C 下 60 分钟，然后温度升至 80°C 并保持 30 分钟，然后降至 -20°C。这个循环重复三次。

然后进行各种电气测试，以确保器件可靠运行且符合数据表中标称的规格（包括吸合和释放时间）。接触电阻和线圈电阻也要测量（即使在组装前进行了检查）。此外，还要确认二极管（如果安装）工作正常。

进行测试以确认设备绝缘性能符合规范。这对于要求在极低漏电流的应用中使用的器件尤其重要。例如，舌簧继电器可以用于执行绝缘测试的设备中。

本质上，所有器件要100%通过测试——就绝对必须执行的测试而言。即使如此，也可以根据客户的要求进行额外的测试。可能包括电容测试或更高绝缘性能的测试。

所有测试结果和（检查）观察结果都会被记录下来，这不仅是设备质量保证的一部分，也是公司持续改进流程的一部分。

小结

开箱即用的可靠性来自于三件事。首先，舌簧继电器的设计必须符合标称的电气和机械特性，提供高性能和较长的使用寿命。其次，此器件必须使用能够实现预期功能的子组件、材料和技术来制造。最后，必须对舌簧继电器进行全面测试，以验证其满足设计和制造目标。

当制造商在这三方面都做得很好时，这意味着舌簧继电器的性能将与其技术规格书完全一致。如果该设备在推荐的操作参数范围内使用，可以长期可靠地运行。