在智能控制器产品中,我们通常会用到功率继电器这一重要的器件,下面为大家简单分享下自己在功率继电器选型和应用时踩过的一些坑.
继电器构造及原理
继电器工作原理如上图所示,通过在驱动线圈部分输入控制信号,转换为磁场,控制弹片的开合;
目前实际的应用场景是:通过GPIO端口控制H/L,在线圈部分加载5VDC电压实现对输出测AC通道的开关控制,实现弱电控强电;
对继电器需额外注意以下两个方面:
1:驱动线圈和弹片的安规隔离认证的要求
2:继电器负载耐久性认证问题
在智能控制器产品认证过程中,如果发现继电器UL认证证书不满足产品的宣称,则需增加随机认证(时间长,两年维护一次,且有fail的风险),否者需要重新选型,体积布局变化又需要重新设计,影响产品的开发进度;
如下是根据以往设计的经验,总结整理的继电器选型时应该重点考虑的参数,总表参照如下,后页对每个参数做详细介绍:
下面讲解以上表格中的关键参数:
1:继电器类型
磁保持继电器:线圈被激励时触点动作,去掉激励后,触点仍然保持该状态,要使触点恢复原状,需要给单线圈型继电器施加反向激励,或者给双线圈型的复位线圈施加激励.
单稳态继电器:线圈被激励时触点动作,去掉激励后,触点恢复原状.所以我们通常称之为非磁保持继电器
极化继电器:触点状态的转换取决于线圈端激励电压极性,与单稳态继电器差别是动铁材质,单稳态为铁,极化继电器为永磁,需要符合激励极性才动作;
注:一般根据客户的要求及成本考量,磁保持相对贵,但是只需要一次触发≈100ms,可以节约长期功耗需求;
在磁保持继电器应用中,初始化时需要对继电器进行复位操作,进入OFF态,防止断电后由于设备未拔电造成危险动作,如电钻、锯子等
在灯具的控制应用中需要初始态为ON,参照于智能灯具设置初始态均为100%亮度,应对客户新灯具上电即为亮状态,客户体验考虑;此逻辑与上相悖,且易造成停电又来电后设备一直在耗电,但这是目前市场常规做法;
2.继电器触点
2.1:触点形式
例如:德国走向智能插头如果需要做GS认证需要选用双断开关(EK 647-17),做CE认证可以不满足;
2.2:电耐久性
在触点上施加额定负载,线圈上施加额定电压时,继电器可以正常切换的次数,一般以“次数”表示;常见规格电耐久性10万次,机械耐久性100万次(不带载)
2.3:触点负载
例如:额定负载要求如250V/16A,负载类型为:电子整流器、钨丝灯;
不同负载类型有不同稳态电流值和冲击电流,如下为图表所示,瞬态值对继电器选型起决定性因素如下页所述:
2.4 触点电耐久性需求
下图某16A/250V继电器部品的规格书,额定阻性负载满足10万次认证,但10A的电子整流器(容性)下只能满足3万次;
例如:控制器认证标准UL60730中要求满足最低6000次额定标称负载的开关次数要求
对于触点的电耐久性,除了考虑次数外,还需要关注继电器负载认证时的温度参数;
举个例子,某产品要宣称环境温度80℃,负载:277VAC 5A 类型为:Electronic Ballast, Tungsten, and Standard Ballast.
下图为宏发某款继电器UL证书, 可以看到该继电器认证时,对应负载下,测试环境温度只有60℃,所以当产品宣称80℃环境温度时,则需增加随机测试,所以前期的选型一定要考虑到触电耐久性的认证条件,避免增加随机测试.
2.5 触点损害机理及改善
2.5.1:触点损害机理
接通过程:如电机、电容、螺线管、白炽灯(冷态时低阻)会引起数倍于稳态电流的冲击电流 ;
关断过程:断开螺线管、电动机等感性负载时会引起数百—数千V的反向电压,在触点间就会产生放电现象;
如上的冲击电流和反向电压均会使触点受到很大的损害,明显缩短继电器的使用寿命;
触点溶着图示
触点迁移图示
2.5.2:过零电路
冲击电流是峰值电压直接加载在容性负载下造成的,通过增加电压过零电路可以有效改善冲击电流(没有电压突变,电容电压慢慢随输入增加),以下图示为欧姆龙某继电器单品增加过零后对触点的改善图示,效果是非常明显;
对于继电器过零电路设计中存在以下如下难点:
继电器为机构部品,存在响应延迟ms级别。如果处理不好,检测时是电压零点,实际响应时却是电压波峰,寿命恶化。
目前有的方法是通过软件学习识别继电器实际延迟时间修改继电器的开启时间,实现响应的真正过零,右下图为增加软件补偿后实现过零测试波形;