白皮书: 继电器触点寿命：材料、额定值和样式

继电器触点有多种金属和合金、尺寸及样式。没有通用的触点。继电器用户应尽可能精确地选择满足特定应用要求的触点材料、额定值和样式。否则可能导致触点问题，甚至缩短触点寿命。

例如，某些触点材料需要电弧来防止硫化、氧化和污染。对干式或低电平电路中的触点使用此类材料会导致触点无法以电气方式闭合电路（即使它们能够以物理方式接通）。这具有欺骗性，触点可能看起来很干净，但事实并非如此。实际上，触点表面有一层非常薄的绝缘硫化、氧化或污染膜。必须去除这层薄膜，才能建立电路连续性，而电弧可以实现这一点。（对于干式和低电平电路，应使用分叉触点。）

在某些应用中，触点可能受到严重的电流浪涌冲击，从而大大缩短其寿命。以一盏白炽灯为例。一盏 40 瓦特 120 VAC 灯的额定电流为 0.33 安培。然而，当天气寒冷时，灯丝的电阻非常低，导致初始浪涌电流可能高达 6 安培！假如要用 2 安培的触点尝试开关 40 瓦特的灯，将导致触点过早失效。

在电机和变压器应用中，以及存在显著分布式线路电容的应用中，也存在同样的情况。在启动过程中，电机可以吸引 600% 或更多运行电流。因此，3 安培电机在启动过程中实际上会吸收 18 安培或更多电流。应使用额定电流至少为 20 安培的触点。此外，当断开连接时，电机会在减速至停止的过程中充当电压发生器。根据电机的不同，它可以反馈到电路电压中，使电压远超额定的线路电压。这些出现在分离触点之间的电压会导致触点之间存在破坏性电弧，从而导致触点过早失效。因此，建议进行消弧。（本应用说明稍后部分将讨论消弧技术。）

变压器会呈现一个不寻常的陷阱，让毫无戒心的继电器用户陷入其中。当变压器断电时，其铁芯可能包含剩磁。如果在电压与剩磁的极性相同时重新加电，则铁芯在重新加电的前半周期内可能会达到饱和。因此，电感将最小，大约 1,000% 的电涌电流可能会存在几个周期，直到铁芯脱离饱和为止。更糟的是，如果在零电压或接近零电压时重新加电，并且不断增大的电压促进了剩磁，则铁芯和气隙可能会饱和。可能会产生 4,000% 或更多浪涌！此外，与电机负载一样，当变压器断电时，变压器将产生一个反电压，从而导致分离触点之间存在破坏性电弧。

分布式线路电容为继电器及其触点带来了特殊问题。当继电器与要开关的负载相距较远时，将发生这种情况。触点闭合的瞬间，分布式线路电容在负载电流通过之前充电。此电容可以显示为触点的初始短路，并可吸引远超负载电流的电流。在选择继电器以在分布式线路电容可能较大时开关电路之前，应测量瞬时浪涌电流，并相应地选择触点。

在所有金属中，纯银具有很高的电学和热学性能。它是非常好的通用材料。然而，它会受到硫化的影响。大都市区室内的硫化速率约为每天每平方厘米 70 微克。这种硫化会在银表面形成薄膜，从而增加触点接口电阻。

因为银和银合金会硫化，接触压力必须足够大，才能穿透这层薄膜。（受控电弧也会有所帮助，因为它会烧掉硫化物，并且触点超程会擦去残留物。）虽然这种压力对银镉触点没有明显的影响，但它们确实会加剧纯银触点材料的磨损。此外，由于硫化物膜的缘故，纯银触点可能会产生零点几伏特的接口电压。众所周知，这层薄膜可以吸附并包埋空气中的污垢。穿透这层薄膜会产生电气噪声。因此，纯银触点不用于低电平开关，如音频电路。相反，纯银和银合金触点用于 12 伏特、0.4 安培或更大电流的电路。

对于在初始操作前必须长时间处于怠速状态的继电器，银触点硫化会产生非常大的触点接口电阻。对于此类应用，应指定镀金的银触点，而不是指定银触点。每个触点上的镀金可以尽可能降低硫化，并在接触时提供良好的电气性能。由于黄金的沸点温度较低，如果超过弧电压和电流，只需几个开关周期，镀金就会烧掉。然后，银衬底暴露在外，可能会形成一层硫化物膜。除非可以容忍这种情况，否则镀金触点不应产生电弧。

用于干式和低电平电路的常见触点采用镀金层。镀金层要有足够的厚度，除非受到电弧条件的影响，否则不应磨穿至露出基底金属。

根据应用的不同，纯银触点的材料转移可能相当普遍。通常，材料往往积聚在一个触点的中心，而另一个触点上的材料损耗会留下一个洞或“坑”。这种点蚀可能会导致触点过早失效。在此类应用中，建议使用细晶粒银触点。这些触点与 0.15% 的镍形成合金，使触点具有细粒结构。因此，材料转移均匀分布于触点的整个表面，确保触点寿命更长。

长期以来，银氧化镉触点一直用于开关产生高能电弧的负载。银氧化镉触点的导电性低于纯银触点，但对材料转移和因电弧造成的材料损耗具有优异的抵抗能力。它们确实在配对触点之间表现出更大的接口电阻，并且触点配件的热量也会略微升高。银氧化镉的最小额定弧电压为 10 伏特，与纯银触点一样，这种合金中的银会氧化和硫化。因此，电弧是保持这些触点清洁的必要条件。

银氧化铟锡触点虽然不易获得，但比银氧化镉触点具有更好的抗电弧侵蚀和焊接性能。不过，它们的导电性甚至更差，而且比银氧化镉触点更坚硬。它们在配对触点之间具有更大的接口电阻，因此电压降和热量上升幅度更大。目前，银氧化铟锡比银氧化镉更昂贵，许多继电器用户仅将其用于白炽灯负载和电容器等在触点弹跳过程中存在大量浪涌电流的应用。对于中低功率电阻和电感负载，银氧化镉仍然很常用，是 Siemens Electromechanical Components (SEC) 的推荐材料。对于理应使用银氧化铟锡的应用，请联系 SEC 应用工程部。

银铜镍触点适用于高浪涌直流应用，如白炽灯和电容负载。这些触点具有良好的抗焊接性。

金银镍合金触点用于开关通常小于 1 安培的负载，其特点是接通和断开时的电气噪声小于纯银触点。镀金的银触点具有与金银镍合金相似的特性，但价格较低。

钯触点不会硫化或氧化，因此具有极低的电气噪声水平。其预期电气寿命约为纯银触点的 10 倍。然而，由于电导率相对较差，负载电流被限制在 5 安培左右。

钯触点需要 0.006" 至 0.012" 的超程来确保良好的滑触作用。因此，它们主要用于电话式继电器，即触点臂与线圈长度平行并且易于获取这种超程的继电器。此外，应将钯触点分叉，以帮助确保触点闭合时的电路连续性。

钨触点适用于高压应用，这种应用通常需要高度重复的开关操作。钨的熔化温度为 3,380^oC，具有极好的抗电弧腐蚀性能。

钨可能会形成麻烦的氧化膜，尤其在某些直流应用中用作阳极触点时。因此，钨常用作阴极触点，而钯合金则用作阳极触点。这种组合还尽可能减小了触点接口电阻并减少了材料转移。

汞的熔化温度为 -38.87^oC。因此，它在继电器中使用时呈液态。汞将粘附在任何清洁金属的表面，并用作水银湿簧继电器中的触点。它具有良好的导电率，并且呈液态，触点与触点之间没有材料转移堆积。事实上，当触点打开且汞返回至继电器底部的池中时，新鲜汞就会在下次开关操作中占据它的位置，因此任何此类材料的转移都无法实现。汞的沸腾温度为 357^oC。因此，汞触点不能开关超过几安培的电流。

通用和电源继电器的预期电气寿命额定值一般为最少 100,000 次操作，而预期机械寿命可能为 100 万、1,000 万甚至 1 亿次操作。

与机械寿命相比，电气寿命额定值如此之低的原因是触点寿命取决于应用。电气额定值适用于开关额定负载的触点。当一组触点开关低于额定值的负载时，触点寿命可能会显著延长。例如，25 安培、240 VAC、80% P.F. 的触点开关一个 25 安培负载时，预期可执行超过 100,000 次操作。但是，如果这些触点用于开关 5 安培、120 VAC 的电阻负载，则寿命可能超过 100 万次。额定电气寿命还考虑了触点的电弧破坏。通过使用适当的消弧，触点寿命可能会延长。表 1 列出了几种不同金属的一些弧电压和电流值。如果超过最小弧电压和电流，则电弧将点燃。但是，如果给定最小弧电压下的负载电流小于该电压的最小弧电流，则不会产生电弧。同样，如果负载电压（或反电势）小于触点金属的最小弧电压，则不会产生电弧。如前所述，为了烧掉触点上的任何硫化、氧化或污染物，可能需要电弧。然而，电弧本质上具有破坏性。为了尽可能延长触点寿命，一旦电弧点燃，应尽快消弧。可以使用本应用说明中介绍的技术完成此类消弧。

当电压和电流值低于点燃电弧所需的电压和电流值时，分离的触点之间可能会产生火花。这种火花是电容放电，与电弧相比较弱。即便如此，这种火花可能足以防止触点上堆积硫化、氧化和污染物。（注意：消弧对触点火花几乎没有影响。）

当触点粘住或焊接时，或者当一个或两个触点损耗过多材料并且无法实现良好的电气性能时，触点寿命就会终止。这些条件是连续开关操作期间累积材料转移的结果，以及飞溅造成材料损耗的结果。

材料转移是由 I2 R 热量引起。当开关触点开始分离时，触点面积将减小。流经这个越来越狭窄的区域的负载电流会产生热量，导致触点材料熔化，然后沸腾。液化金属往往聚集在阴极触点上，因为该触点比阳极触点的温度更低。电弧期间也会发生材料转移。但在此条件下，材料从阴极转移到阳极 - 转移量取决于电弧的严重程度和持续时间，以及所用触点材料的类型。由于触点材料首先朝一个方向转移，然后反向转移，因此理想的消弧技术是在阳极恢复起弧前所有丢失到阴极的材料时进行电弧淬火。然而，哪怕只是尝试，也不切实际。

材料损耗主要是由于触点在接通时弹跳而使熔融和沸腾的金属飞溅所致。在数以万计的操作过程中，这种损耗可能非常显著，而尽可能减小损耗的唯一可行方法就是消弧。消弧可快速淬火电弧，从而保持触点温度较低。

在直流应用中，金属迁移是可预测的，因为一个触点总为负，另一个触点总为正。在随机开关的交流应用中，当发生电弧时，任一触点都可能为负或为正。每次打开开关时，迁移方向都不会相同，并且任一触点的材料损耗不能太明显，除非负载条件导致飞溅。

然而，并非所有交流应用都包含随机开关。在某些应用中，继电器以设定的速率或频率运行。在这种情况下，触点在正弦波的同一近似点处断开负载电流。也就是说，在触点分离瞬间，同一个触点始终为正，而另一个触点始终为负。电弧期间的材料始终朝同一方向转移。在此类应用中，可能需要进行触点消弧。

这并不是说随机开关交流应用不需要消弧。相反，消弧有助于控制熔融金属飞溅导致的触点材料损耗。也就是说，当消弧时，触点温度保持很低水平。

持续时间短的受控电弧有利于实际实现触点的额定寿命。如前所述，这是因为这种电弧可烧掉触点上可能阻止电气连接的任何沉积物。这种控制通过消弧实现。除非电弧和/或触点超程清洁触点，否则触点表面可能会形成薄膜，或者吸附异物。因此，建议仅在负载电压（或反电势）和电流超过这些触点的弧电压和电流额定值的应用中使用通用和电源继电器。

在分离的触点之间进行电弧淬火的常用方法也许是直接在触点之间放置 R-C 网络。当触点刚刚开始分离且电弧点燃时，馈入电弧的负载电流将通过串联电阻分流到电容器中，使电弧失去部分能量。因此，电弧持续时间将缩短，材料损耗将降至很低水平。

从理论上讲，理想的消弧方法就是直接在触点之间放置电容器。但是，由于电路中没有电阻器，当触点接通时，没有什么可以限制电容器的放电电流。这种几乎瞬时的放电电流会产生短暂但严重的电弧，根据触点材料和特性，可能会导致焊接触点。因此，需要使用电阻器来限制电容器的放电电流。但是，这样做有一个缺点。那就是，电阻器往往会将电容器与电容器应保护的触点隔离开来。因此，电阻量应尽可能小。

许多继电器用户不熟悉为电弧淬火服务选择电容器的流程。首先，交流与直流不同，交流在 60 赫兹的服务中每秒过零 120 次，而直流当然是连续电流。在交流服务中，电容器不需要像直流服务那样大，因为交流电弧将在零交越点处熄灭。在直流服务中，电容器必须继续将负载电流从触点中分流，直到触点相距足够远以使电弧熄灭为止。

假设有一个 28 伏特、5 安培的直流应用。进一步假设需要一个 R-C 网络，在触点分离后，将产生大约 15 伏特 1 微秒的触点电压。由于电阻值应尽可能小，可以选择 2 欧姆电阻器。在 2 欧姆时，峰值电容器放电电流在零时为 14 安培。根据触点材料和尺寸，在如此短的时间内，这 14 安培也许完全可以接受。

在任何给定时刻，触点电压（即，弧电压）就是电阻器电压降和电容器电压的总和。选择一个电容器电压，比如 10 伏特。剩余的 18 伏特电压必须出现在 5.6 欧姆负载和 2 欧姆电阻器上。因此，瞬时电容器电流是：

2 欧姆电阻器的电压降为 4.8 伏特。因此，触点分离后一微秒时的弧电压为 4.8V + 10V = 14.8V，或约为电源电压的 53%。

要确定所需的电容大小，可以使用电容器电压的基本方程：

ec = E(1 - ε -t/RC)

重新排列方程以求解电容，得出 1.1 μfd。

其中：

t = 1 微秒。

ec = 10 伏特 = 在时间 t 时的电容器电压。

E = 28 伏特（对于交流，请使用峰值）。

R = 2.0 欧姆。

下一个问题涉及电容器结构。电容器能否承受放电浪涌电流？当触点闭合时，电容器将通过电阻器放电。对于 1 μfd 电容器和 2 欧姆电阻，时间常量为：R x C = 2 x 1 μfd= 2.0 微秒。

要确定放电 di/dt：

其中：.63 是在一个时间常量为 2.0 微秒期间的电容器电压损耗。

该 di/dt 不是很严重，很多电容器应该都能承受。但是，5 安培 240 VAC 应用的 di/dt 在交流线路峰值（即 340 伏特）时为 107A/μsec.；应据此相应地选择电容器*。

当然，可以通过更大的电阻值来降低 di/dt，以进一步限制电容器的放电电流。但是，电阻值越大，电容器对电弧的影响就越小。

对于某些应用中的淬火直流电弧，使用继电器时可以在靠近触点处放置一个永磁体。磁体排斥直流电弧，从而拉伸电弧，使其迅速熄灭。

某些继电器用户在感应负载上连接一个二极管，以防止反电压到达触点。当继电器触点打开时，电感的存储能量通过二极管循环，而不是通过电弧循环。虽然这是一种可接受的保护触点的方法，但确实会导致电感负载的保持时间延长。对于不能容忍保持时间延长的应用，可放置一个电阻器与二极管串联。但是，电阻器会降低二极管的有效性，而且通常必须通过反复试验才能达成妥协。

通过使用齐纳二极管代替电阻器，可大幅缩短保持时间。这是因为在跨过二极管的电压等于其电压降总和之前，二极管不能打开。

在一些电路中，空间非常宝贵，可能没有足够的空间放置齐纳二极管和普通二极管。在此类电路中，一些设计人员使用金属氧化物变阻器。MOV 的运行方式类似于背对背齐纳二极管。而且，由于 MOV 是双向器件，因此既可用于交流电路，也可用于直流电路。

消弧还有一个好处是尽可能降低了 EMI。触点之间若未消弧，将相当于一个“出色”的噪声发生器。这种噪声对电路中或射频干扰 (RFI) 场内的敏感元件会造成麻烦。在严苛的条件下，EMI 可能会导致 IC 逻辑门、SSCR 和三端双向可控硅元件不必要地打开，并可能导致其他半导体器件损坏。

*建议的电容器类型为金属化箔和薄膜箔。查看电容器规格的 dv/dt 和 di/dt 额定值。