继电器主要测试参数与测试技术的深入研究

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继电器,也称作继触器(英文名称:relay),是一种电子器件,用于在电气输出电路中根据输入量的变化满足特定要求时实现被控量的阶跃变化。它由控制系统(输入回路)和被控制系统(输出回路)组成,并且它通常应用于自动化控制电路中。继电器可以被看作是一种"自动开关",它使用小电流来控制大电流的工作过程,因此在电路中扮演着自动调节、安全保护和信号转换等重要角色。为了确保继电器的质量,我们需要严格测试表1所列出的参数,尤其需要注意其中某些参数的测试。本文将介绍继电器主要测试参数的注意事项和方法。
 
继电器的主要测试参数
 
为了确保继电器的性能,我们需要对其参数进行全面的测试。继电器的主要测试参数及其定义如表1所示:
 
为了确保继电器的质量,我们需要严格测试表1中列出的所有参数,但有一些参数的测试需要特别引起我们的注意。
 
吸合电压和释放电压
继电器的吸合电压和释放电压可以通过两种方法进行测试,一种是直流法,另一种是脉冲法。图1和图2显示了这两种测试方法的绕组电压波形。传统的手动测试通常采用直流法,因为该方法比较容易实施。只需将稳定的直流电源连接到待测继电器的绕组上,缓慢调节稳压源电压,并同时监测继电器触点的状态(是否闭合),可以通过指示灯或听声音来测量吸合电压和释放电压。
 
从图中可知,在直流法测试时,绕组电压逐渐上升或下降,而在脉冲法测试吸合电压时,绕组电压每次都从零电压跳跃上升,而在脉冲法测试释放电压时,绕组电压每次都从额定工作电压下跳。由于继电器自身特性的影响,两种测试方法会得到不同的测试结果,而相对而言,脉冲法的测试结果更加严格且更接近实际使用情况。国家军事标准也明确规定,当两种测试方法产生不同结果时,应以脉冲法的测试结果为准,以确保用户的利益。然而,由于脉冲法的测试方法相对复杂,通常需要专用测试设备才能完成。
触点接触电阻
触点接触电阻是继电器最关键的参数之一,也是最具挑战性的测试参数之一。图3展示了对继电器触点进行四线凯尔文测试的原理。触点接触电阻的测试变得困难是因为它通常只有几十毫欧、十几毫欧,甚至只有几毫欧,如果不使用四线凯尔文测试法,并排除测试系统内部电阻和接触电阻的影响,很难获得准确的测量结果。该参数的重要性在于,触点接触电阻不仅反映了触点的电性能(电阻),还反映了触点的化学和物理性能,例如触点表面是否生成了钝化膜以及触点间的压力是否符合设计要求。研究表明,当继电器中弹性材料的应力减少,触点的压力下降会明显影响触点接触电阻参数,因此触点接触电阻与继电器的接触可靠性密切相关。表2显示了在试验中继电器样品的触点接触电阻和触点压力之间的关系。
 
注:表中数据为多次测试的平均值。
 
从表2的数据可以得知,随着触点压力的降低,触点间的静态接触电阻显著增加。
 
回跳时间
回跳时间包括吸合回跳时间和释放回跳时间。由于继电器使用弹性机械触点完成电路的闭合和断开,与由半导体器件构成的无触点电子开关不同,当继电器的触点闭合或断开瞬间会出现一段不稳定的接触期,典型的触点波形如图4所示。
 
MIL-R-39016D和GJB 65A-91对触点回跳进行了定义:“当回路电压大于等于90%且脉冲宽度大于等于10微秒时,即可认定为回跳现象”。同时明确规定触点回跳时间不能超过1.5毫秒。某些用户可能对回跳时间参数不太重视,认为触点最终会闭合(或断开),在这个过程中是否存在回跳对继电器的正常使用没有影响。然而,这是一种错误的认识。军事标准之所以规定回跳时间参数的测试,是因为继电器的回跳时间与静态接触电阻参数一样,反映了触点的压力。研究证明,当继电器的触点压力明显降低时,回跳时间会变长。表3显示了在试验中继电器样品的触点回跳时间和触点压力之间的关系。
 
注:表中数据为多次测试的平均值。
 
转换时间
转换时间指的是继电器的吸合转换时间和释放转换时间。以吸合转换时间为例,它表示继电器在吸合过程中,静合点断开时间与动合点吸合时间之间的差异。图5和图6展示了合格继电器和失效继电器的吸合转换波形。
 
转换时间是一个关键的继电器参数,它确保继电器触点能够先断开后闭合。对于具有多组触点的继电器来说,在最后一组静合点断开之后,才能进行动合点闭合,否则就会被认为转换时间不合格。如果在一组触点中出现先闭合后断开的情况,即所谓的三点连通,这种转换时间不合格的继电器将导致严重后果,尤其是在电源切换和信号切换等场景中使用的继电器。若继电器的转换时间不合格,将导致电源或信号瞬时短路。由于转换时间需要同时监测多组触点,通常需要专用测试系统才能完成。
 
介质耐压和绝缘电阻
介质耐压(俗称高压测试)用于评估继电器外壳、绕组、触点及触点之间在规定时间内承受规定交流电压的能力。而绝缘电阻用于评估继电器在施加规定直流电压条件下的绝缘电阻,涵盖了继电器的外壳、绕组、触点及触点之间的绝缘情况。国家和军事标准规定了应施加的试验电压点,详见表4。
 
从表4可以了解到,要完成所有电压点的测试,需要进行多次测试。对于具有多个触点(如6组)的继电器来说,测试过程更加复杂,通常需要使用专用的自动化测试设备来完成。
 
继电器测试方法
 
一、测试说明
 
测量继电器的工作电压范围,包括最低闭合电压和最高断开电压。
 
测量继电器的功耗(额定电流)和内阻。
 
进行继电器的长期工作状况测试,包括耐压测试。
 
图标说明:
 
注意事项
 
在测试继电器的额定电流时,需要注意继电器线圈中的电磁感应现象。当电压突然加压时,电流会变小,因为电磁感应的影响。一旦电压稳定后,电磁感应消失,电流会稳定在一个特定的范围内。以OMRON的G5RL-14-E继电器为例,上电时的电流约为16mA-17mA,在4-5分钟后稳定在14mA-15mA。但是我们的测试是要读取刚上电的30秒内的电压数值。
 
当常闭值作为耐压测试参数时,继电器第一次跳闸后会出现电磁感应现象,而电磁感应消失需要一段时间。在第二次跳闸时,电磁感应会较小。但是我们一般测试时会读取第一次跳闸时的电压数值。
 
如果要读取稳定的额定电流值,就需要读取第二个常闭和常开的耐压数值。如果要读取30秒内的额定电流值,就需要读取第一次动作时的常闭和常开的耐压数值。

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