通过继电器触点实现尽可能长的使用寿命
什么是电弧？电弧是如何产生的？怎么才能熄灭？电弧对继电器触点寿命有什么影响？
这些是这里将讨论的一些问题。希望您能够更好地理解如何尽可能延长继电器触点寿命。
但首先，我们花一点时间来定义几个我们将要用到的术语。
首先是“收缩面”，指接触表面要吸合的第一个极小区域，以及要断开的最后一个点。
第二个是“熔化电压”，指存在于收缩面上足以使其上的接触材料熔化的电压量。
第三个是“弧电压”，指存在于由小间隙隔开的触点上并将导致放电穿过间隙的电压量。
最后是“弧电流”，指刚好维持弧电压放电引起的电弧所需的电量。
请记住这些术语，接下来，我们将带您进入继电器触点世界—一个相当严酷的环境。我们从微观角度来看看触点电弧的影响。
如您所知，触点电弧的最终结果是缩短了触点寿命。根据电弧的严重程度和持续时间，每次电弧点燃时，都会出现触点腐蚀。这种腐蚀会导致触点材料损耗，从而导致出现两种情况之一。
图 1 第一种情况
第一种情况是触点损耗太多材料，以致于无法以电气方式闭合负载电路。第二种情况是一个触点损耗太多材料，这些材料都转移到另一个触点上，导致出现尖峰和凹坑的结果。
图 2 第二种情况
有关交流负载切换中同步的重要说明
术语“同步”与交流负载切换相关，本应用说明中多次使用这一术语。在本上下文中，同步是继电器操作，使触点在负载电源电压波形的同一点处或主要在负载电压正弦波上的同一极性处接通和/或断开。
这种同步将导致触点材料在触点之间净转移。这增加了触点机械锁定和/或焊接的概率，从而缩短了预期的触点寿命。除非另有说明，否则我们发布的所有额定值和寿命测试结果均基于相对于负载电源频率的随机切换。
引起触点与线路频率意外同步的原因包括但不限于以下情况：
- 微控制器与电源频率同步
- 晶闸管与电源频率同步
- 驱动线圈的直流电源滤波不足
- 传感器电路中的感应线路频率噪声
设计电路时要小心，因为设计不当的预期“零交叉”电路在较大电流和相同极性下可能会导致触点闭合，尤其会导致触点弹跳。
另一个可能不时会发生的严重电弧结果是接触焊接。但通常在发生这种情况时，有证据表明继电器被错误地应用在电压和/或电流远大于该特定继电器可处理的电路中。
关于尖峰和凹坑的情况，当情况变得足够严重时，高点（即尖峰）可能会以机械方式挂在凹坑的边缘。然后，当继电器断电时，触点无法打开，负载处于不受控的接通状态。毋庸置疑，谁都不想发生这种情况。
通常，尖峰和凹坑材料转移条件与直流应用相关。但是，我们开始注意到，即使在一些交流电应用中，尖峰和凹坑材料的转移也显而易见。这是因为，在这些应用中，继电器的运行与交流线路电压同步。这种同步通常是由于运行继电器的固态逻辑或微机电路的交流线路同步所致。如果同步正好发生在或接近线路电压峰值，那么每次继电器触点运行时，它们的运行电压等于或接近 170 伏特或 340 伏特，当然，具体取决于线路电压是 120 伏特还是 240 伏特。
如果应用要求电路时钟与交流线路同步，则应包含附加电路以实现继电器的随机操作。或者，也可以设置同步，使继电器触点在零电流或接近零电流时打开。
这里还有一条关于尖峰和凹坑材料转移的备注。不要自动假设是触点电弧导致发生此类转移。可能不是如此。即使在没有电弧点燃的电路中，也可能发生材料转移。这是因为电路电压大于触点材料的熔化电压，当触点刚刚接触或刚刚分离时，材料就会熔化，从较热的触点、阳极流到较冷的触点、阴极，并留在那里。在真正实现随机操作的交流应用中，材料先从一个方向转移一次，再从另一个方向转移一次。最终结果是，每个触点都不会获得明显的材料增益。但在直流应用或继电器同步到交流线路的应用中，材料转移始终朝同一方向，并可能导致尖峰和凹坑情况。
当电弧点燃时，材料从阴极触点转移到阳极触点。因此，对于触点的任何给定操作，在电弧点燃之前，材料都会从阳极转移到阴极，然后在电弧点燃时，材料从阴极转移到阳极。电弧期间的转移量通常最大。但请记住，正如刚才所述（这很重要），在真正随机的交流应用中，任一触点的净材料增益均可忽略不计，而在直流应用或与交流线路同步的应用中，有一个触点可能会获得显著的材料增益。
现在，我们来看看触点闭合时会发生什么。如果在高倍显微镜下查看继电器触点的表面，您会看到表面非常不规则，由深低点和许多高点组成，某些点比其他点更高。
当触点刚刚接触时，接触的第一个高点要承受满载电流。即使负载电流只是几分之一安培，该高点中产生的 I2R 热量也会立即导致该高点熔化，甚至可能沸腾。该高点周围的空气过热，开始因电子损失而出现电离。如果 I2R 能量足够，该高点可能会达到 5,000 开尔文或更高的温度，并可能爆炸，从而在触点之间的间隙中留下过热、电离的空气和金属离子。根据触点材料和此气隙上的电压应力（即爆炸瞬间的触点电压），电离的气隙可能开始将电子电流从阴极传导到阳极。触点之间的这种放电实际上是电弧的开始。如果负载电流超过触点材料的弧电流额定值，则电弧将包含足够的能量来维持自身。如果没有超过，则触点之间的放电不会导致电弧点燃。
如果电弧点燃，由于汤姆森效应，沿弧柱存在一个温度梯度，阴极是较热的触点。也就是说，热量将从阴极流向阳极。I2R 热量最大的阴极点可能会沸腾，从而释放出原子甚至分子排放物。这些排放物被拉过弧柱，沉积在稍冷的阳极触点上。当然，这就是电弧焊的原理。随着触点继续一起移动，所有这一切大概在 10 纳秒或稍长时间内发生。
电弧会一直存在，直到下一个或多个高点形成为止。同样，这些高点的热量可能会导致它们熔化。熔化时，它们开始分散，从而增加触点接通的面积。当触点一起有力地移动时，这种液化金属可能会飞溅，导致材料损耗。当触点之间的熔融金属冷却时，触点将以正常方式冻结在一起。与继电器应用不当时可能发生的灾难性焊缝不同，当继电器断电时，该焊缝较弱，容易在继电器弹簧力作用下破裂。现在，回想一下！电弧点燃之前到底会发生什么？电弧是由负载电流或电压造成的吗？当然，电弧必须有介质才能传播，触点之间的电离间隙就是这种介质。而且是触点高点的负载电流加热导致了离子产生。但正是触点间隙两端存在的电压导致了电弧点燃。这个电压不一定是负载电压，也可能是电路电压。也就是说，在触点接通时，电路中可能存在一定量的电容通过触点充电。
另外，如果在触点之间使用消弧电容器，则此电容将通过继电器触点自行放电。
放电浪涌电流可能在几纳秒或稍长时间内达到数百安培。为了限制这种放电电流，消弧电容器应与一定量的电阻串联。但是，在没有专用电容的电路中，仍可能有足够的杂散电容在触点接通时引起瞬时过流。许多电路设计人员经常忽视这一事实。
触点断开时，电弧以类似方式点燃。当触点开始分离时，携带负载电流的接触区域越来越小。负载电流开始汇入这个狭窄区域，I2R 热量开始增加。最后一个接触点熔化，当触点继续分离时，触点之间将拉伸出一条熔融金属的薄桥。间隙中的空气开始电离。薄桥中的 I2R 能量会产生非常大的能量，实际上会导致薄桥爆炸，从而将金属离子洒在间隙中。同样，如果触点电压足够，电弧将点燃。
不同的触点材料具有不同的额定弧电压。对于纯银，弧电压为 12 伏特。对于镉，为 10 伏特；而对于黄金和铂金，则为 15 伏特。我们假设触点是纯银。在熔融薄桥爆炸后的几纳秒内，如果材料为银，并且电路电压为 12 伏特或更大，则会发生电压导通。如果电路电压小于 12 伏特，则无法发生导通，也就不会出现电弧。
当电弧在分离的触点之间点燃时，只要有足够的能量馈电，电弧就会持续存在。只要电弧存在，材料转移就会继续下去。在直流应用中，电弧只能通过拉伸到其自身阻抗导致其熄灭的长度或在其他点断开电路才能熄灭。但在许多应用中，触点间隙足够大，电弧在触点完全打开之前就会熄灭。因此，对于给定触点额定值，继电器的额定值如果为 120 伏特交流，那么直流电压额定值要低得多，通常为 28 或 30 伏特直流。也就是说，这个间隙要足够大，确保在交流周期性摆动到零时，任何交流电弧都会迅速熄灭。但是这个间隙不足以让 110 伏特的直流电弧熄灭。
在交流应用中，根据电离空气的温度，即使弧电流每半周期降至零，电弧也可能在电流过零后重新点燃。这是因为触点之间仍然存在正离子，并且不需要太多能量即可重新点燃电弧。
人们早就认识到，与纯银相比，银氧化镉触点在电弧存在的情况下具有更长的使用寿命。一种理论认为，由于氧化物涂层材料在充分加热后会产生负离子，因此银氧化镉产生的负离子会导致正离子在电流过零后过早重组。这种重组会导致电弧提前熄灭，并可能防止电流过零后重新点燃。这似乎表明，在预期出现电弧的交流应用中，使用适当消弧方法保护的银氧化镉触点将具有较长寿命。我们不会在这里介绍消弧技术，因为这是另一个名为“继电器触点保护”的应用说明的主题。关于消弧，我们在这里将只说明适当的抑制会延长触点寿命。此外，通过消弧，可将电磁干扰（简称 EMI）控制在较低限度。EMI 是弧柱中原子作用的结果。在电弧等离子体中，触点表面受到原子、正负离子和电子的轰击，一些轰击可通过电场加速，另一些轰击会引起电子的二次发射，从而可能会在广泛的频率范围内辐射能量。通过快速进行电弧淬火，可以尽可能减弱这种作用。结果往往是显著减少了电磁和无线电频率干扰。
总之，要确保电弧继电器触点具有较长寿命，适当的继电器和触点应用以及尽可能采取消弧措施非常重要。
注意继电器与交流线路电压同步的交流应用。如果同步不可避免，请设置时钟，使继电器触点操作在零电流或接近零电流时发生。
而且，当出现严重的电弧情况时，请选择采用银镉触点材料的继电器。
通过继电器触点实现尽可能长的使用寿命
什么是电弧？电弧是如何产生的？怎么才能熄灭？电弧对继电器触点寿命有什么影响？
这些是这里将讨论的一些问题。希望您能够更好地理解如何尽可能延长继电器触点寿命。
但首先，我们花一点时间来定义几个我们将要用到的术语。
首先是“收缩面”，指接触表面要吸合的第一个极小区域，以及要断开的最后一个点。
第二个是“熔化电压”，指存在于收缩面上足以使其上的接触材料熔化的电压量。
第三个是“弧电压”，指存在于由小间隙隔开的触点上并将导致放电穿过间隙的电压量。
最后是“弧电流”，指刚好维持弧电压放电引起的电弧所需的电量。
请记住这些术语，接下来，我们将带您进入继电器触点世界—一个相当严酷的环境。我们从微观角度来看看触点电弧的影响。
如您所知，触点电弧的最终结果是缩短了触点寿命。根据电弧的严重程度和持续时间，每次电弧点燃时，都会出现触点腐蚀。这种腐蚀会导致触点材料损耗，从而导致出现两种情况之一。
图 1 第一种情况
第一种情况是触点损耗太多材料，以致于无法以电气方式闭合负载电路。第二种情况是一个触点损耗太多材料，这些材料都转移到另一个触点上，导致出现尖峰和凹坑的结果。
图 2 第二种情况
有关交流负载切换中同步的重要说明
术语“同步”与交流负载切换相关，本应用说明中多次使用这一术语。在本上下文中，同步是继电器操作，使触点在负载电源电压波形的同一点处或主要在负载电压正弦波上的同一极性处接通和/或断开。
这种同步将导致触点材料在触点之间净转移。这增加了触点机械锁定和/或焊接的概率，从而缩短了预期的触点寿命。除非另有说明，否则我们发布的所有额定值和寿命测试结果均基于相对于负载电源频率的随机切换。
引起触点与线路频率意外同步的原因包括但不限于以下情况：
- 微控制器与电源频率同步
- 晶闸管与电源频率同步
- 驱动线圈的直流电源滤波不足
- 传感器电路中的感应线路频率噪声
设计电路时要小心，因为设计不当的预期“零交叉”电路在较大电流和相同极性下可能会导致触点闭合，尤其会导致触点弹跳。
另一个可能不时会发生的严重电弧结果是接触焊接。但通常在发生这种情况时，有证据表明继电器被错误地应用在电压和/或电流远大于该特定继电器可处理的电路中。
关于尖峰和凹坑的情况，当情况变得足够严重时，高点（即尖峰）可能会以机械方式挂在凹坑的边缘。然后，当继电器断电时，触点无法打开，负载处于不受控的接通状态。毋庸置疑，谁都不想发生这种情况。
通常，尖峰和凹坑材料转移条件与直流应用相关。但是，我们开始注意到，即使在一些交流电应用中，尖峰和凹坑材料的转移也显而易见。这是因为，在这些应用中，继电器的运行与交流线路电压同步。这种同步通常是由于运行继电器的固态逻辑或微机电路的交流线路同步所致。如果同步正好发生在或接近线路电压峰值，那么每次继电器触点运行时，它们的运行电压等于或接近 170 伏特或 340 伏特，当然，具体取决于线路电压是 120 伏特还是 240 伏特。
如果应用要求电路时钟与交流线路同步，则应包含附加电路以实现继电器的随机操作。或者，也可以设置同步，使继电器触点在零电流或接近零电流时打开。
这里还有一条关于尖峰和凹坑材料转移的备注。不要自动假设是触点电弧导致发生此类转移。可能不是如此。即使在没有电弧点燃的电路中，也可能发生材料转移。这是因为电路电压大于触点材料的熔化电压，当触点刚刚接触或刚刚分离时，材料就会熔化，从较热的触点、阳极流到较冷的触点、阴极，并留在那里。在真正实现随机操作的交流应用中，材料先从一个方向转移一次，再从另一个方向转移一次。最终结果是，每个触点都不会获得明显的材料增益。但在直流应用或继电器同步到交流线路的应用中，材料转移始终朝同一方向，并可能导致尖峰和凹坑情况。
当电弧点燃时，材料从阴极触点转移到阳极触点。因此，对于触点的任何给定操作，在电弧点燃之前，材料都会从阳极转移到阴极，然后在电弧点燃时，材料从阴极转移到阳极。电弧期间的转移量通常最大。但请记住，正如刚才所述（这很重要），在真正随机的交流应用中，任一触点的净材料增益均可忽略不计，而在直流应用或与交流线路同步的应用中，有一个触点可能会获得显著的材料增益。
现在，我们来看看触点闭合时会发生什么。如果在高倍显微镜下查看继电器触点的表面，您会看到表面非常不规则，由深低点和许多高点组成，某些点比其他点更高。
当触点刚刚接触时，接触的第一个高点要承受满载电流。即使负载电流只是几分之一安培，该高点中产生的 I2R 热量也会立即导致该高点熔化，甚至可能沸腾。该高点周围的空气过热，开始因电子损失而出现电离。如果 I2R 能量足够，该高点可能会达到 5,000 开尔文或更高的温度，并可能爆炸，从而在触点之间的间隙中留下过热、电离的空气和金属离子。根据触点材料和此气隙上的电压应力（即爆炸瞬间的触点电压），电离的气隙可能开始将电子电流从阴极传导到阳极。触点之间的这种放电实际上是电弧的开始。如果负载电流超过触点材料的弧电流额定值，则电弧将包含足够的能量来维持自身。如果没有超过，则触点之间的放电不会导致电弧点燃。
如果电弧点燃，由于汤姆森效应，沿弧柱存在一个温度梯度，阴极是较热的触点。也就是说，热量将从阴极流向阳极。I2R 热量最大的阴极点可能会沸腾，从而释放出原子甚至分子排放物。这些排放物被拉过弧柱，沉积在稍冷的阳极触点上。当然，这就是电弧焊的原理。随着触点继续一起移动，所有这一切大概在 10 纳秒或稍长时间内发生。
电弧会一直存在，直到下一个或多个高点形成为止。同样，这些高点的热量可能会导致它们熔化。熔化时，它们开始分散，从而增加触点接通的面积。当触点一起有力地移动时，这种液化金属可能会飞溅，导致材料损耗。当触点之间的熔融金属冷却时，触点将以正常方式冻结在一起。与继电器应用不当时可能发生的灾难性焊缝不同，当继电器断电时，该焊缝较弱，容易在继电器弹簧力作用下破裂。现在，回想一下！电弧点燃之前到底会发生什么？电弧是由负载电流或电压造成的吗？当然，电弧必须有介质才能传播，触点之间的电离间隙就是这种介质。而且是触点高点的负载电流加热导致了离子产生。但正是触点间隙两端存在的电压导致了电弧点燃。这个电压不一定是负载电压，也可能是电路电压。也就是说，在触点接通时，电路中可能存在一定量的电容通过触点充电。
另外，如果在触点之间使用消弧电容器，则此电容将通过继电器触点自行放电。
放电浪涌电流可能在几纳秒或稍长时间内达到数百安培。为了限制这种放电电流，消弧电容器应与一定量的电阻串联。但是，在没有专用电容的电路中，仍可能有足够的杂散电容在触点接通时引起瞬时过流。许多电路设计人员经常忽视这一事实。
触点断开时，电弧以类似方式点燃。当触点开始分离时，携带负载电流的接触区域越来越小。负载电流开始汇入这个狭窄区域，I2R 热量开始增加。最后一个接触点熔化，当触点继续分离时，触点之间将拉伸出一条熔融金属的薄桥。间隙中的空气开始电离。薄桥中的 I2R 能量会产生非常大的能量，实际上会导致薄桥爆炸，从而将金属离子洒在间隙中。同样，如果触点电压足够，电弧将点燃。
不同的触点材料具有不同的额定弧电压。对于纯银，弧电压为 12 伏特。对于镉，为 10 伏特；而对于黄金和铂金，则为 15 伏特。我们假设触点是纯银。在熔融薄桥爆炸后的几纳秒内，如果材料为银，并且电路电压为 12 伏特或更大，则会发生电压导通。如果电路电压小于 12 伏特，则无法发生导通，也就不会出现电弧。
当电弧在分离的触点之间点燃时，只要有足够的能量馈电，电弧就会持续存在。只要电弧存在，材料转移就会继续下去。在直流应用中，电弧只能通过拉伸到其自身阻抗导致其熄灭的长度或在其他点断开电路才能熄灭。但在许多应用中，触点间隙足够大，电弧在触点完全打开之前就会熄灭。因此，对于给定触点额定值，继电器的额定值如果为 120 伏特交流，那么直流电压额定值要低得多，通常为 28 或 30 伏特直流。也就是说，这个间隙要足够大，确保在交流周期性摆动到零时，任何交流电弧都会迅速熄灭。但是这个间隙不足以让 110 伏特的直流电弧熄灭。
在交流应用中，根据电离空气的温度，即使弧电流每半周期降至零，电弧也可能在电流过零后重新点燃。这是因为触点之间仍然存在正离子，并且不需要太多能量即可重新点燃电弧。
人们早就认识到，与纯银相比，银氧化镉触点在电弧存在的情况下具有更长的使用寿命。一种理论认为，由于氧化物涂层材料在充分加热后会产生负离子，因此银氧化镉产生的负离子会导致正离子在电流过零后过早重组。这种重组会导致电弧提前熄灭，并可能防止电流过零后重新点燃。这似乎表明，在预期出现电弧的交流应用中，使用适当消弧方法保护的银氧化镉触点将具有较长寿命。我们不会在这里介绍消弧技术，因为这是另一个名为“继电器触点保护”的应用说明的主题。关于消弧，我们在这里将只说明适当的抑制会延长触点寿命。此外，通过消弧，可将电磁干扰（简称 EMI）控制在较低限度。EMI 是弧柱中原子作用的结果。在电弧等离子体中，触点表面受到原子、正负离子和电子的轰击，一些轰击可通过电场加速，另一些轰击会引起电子的二次发射，从而可能会在广泛的频率范围内辐射能量。通过快速进行电弧淬火，可以尽可能减弱这种作用。结果往往是显著减少了电磁和无线电频率干扰。
总之，要确保电弧继电器触点具有较长寿命，适当的继电器和触点应用以及尽可能采取消弧措施非常重要。
注意继电器与交流线路电压同步的交流应用。如果同步不可避免，请设置时钟，使继电器触点操作在零电流或接近零电流时发生。
而且，当出现严重的电弧情况时，请选择采用银镉触点材料的继电器。
