什么是電弧？電弧是如何產(chǎn)生的？怎么才能熄滅？電弧對(duì)繼電器觸點(diǎn)壽命有什么影響？
這些是這里將討論的一些問題。希望您能夠更好地理解如何盡可能延長繼電器觸點(diǎn)壽命。
但首先，我們花一點(diǎn)時(shí)間來定義幾個(gè)我們將要用到的術(shù)語。
首先是“收縮面”，指接觸表面要吸合的第一個(gè)極小區(qū)域，以及要斷開的最后一個(gè)點(diǎn)。
第二個(gè)是“熔化電壓”，指存在于收縮面上足以使其上的接觸材料熔化的電壓量。
第三個(gè)是“弧電壓”，指存在于由小間隙隔開的觸點(diǎn)上并將導(dǎo)致放電穿過間隙的電壓量。
最后是“弧電流”，指剛好維持弧電壓放電引起的電弧所需的電量。
請(qǐng)記住這些術(shù)語，接下來，我們將帶您進(jìn)入繼電器觸點(diǎn)世界—一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)酷的環(huán)境。我們從微觀角度來看看觸點(diǎn)電弧的影響。
如您所知，觸點(diǎn)電弧的最終結(jié)果是縮短了觸點(diǎn)壽命。根據(jù)電弧的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間，每次電弧點(diǎn)燃時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)腐蝕。這種腐蝕會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)材料損耗，從而導(dǎo)致出現(xiàn)兩種情況之一。
圖 1 第一種情況
第一種情況是觸點(diǎn)損耗太多材料，以致于無法以電氣方式閉合負(fù)載電路。第二種情況是一個(gè)觸點(diǎn)損耗太多材料，這些材料都轉(zhuǎn)移到另一個(gè)觸點(diǎn)上，導(dǎo)致出現(xiàn)尖峰和凹坑的結(jié)果。
圖 2 第二種情況
有關(guān)交流負(fù)載切換中同步的重要說明
術(shù)語“同步”與交流負(fù)載切換相關(guān)，本應(yīng)用說明中多次使用這一術(shù)語。在本上下文中，同步是繼電器操作，使觸點(diǎn)在負(fù)載電源電壓波形的同一點(diǎn)處或主要在負(fù)載電壓正弦波上的同一極性處接通和/或斷開。
這種同步將導(dǎo)致觸點(diǎn)材料在觸點(diǎn)之間凈轉(zhuǎn)移。這增加了觸點(diǎn)機(jī)械鎖定和/或焊接的概率，從而縮短了預(yù)期的觸點(diǎn)壽命。除非另有說明，否則我們發(fā)布的所有額定值和壽命測試結(jié)果均基于相對(duì)于負(fù)載電源頻率的隨機(jī)切換。
引起觸點(diǎn)與線路頻率意外同步的原因包括但不限于以下情況：
微控制器與電源頻率同步
晶閘管與電源頻率同步
驅(qū)動(dòng)線圈的直流電源濾波不足
傳感器電路中的感應(yīng)線路頻率噪聲
設(shè)計(jì)電路時(shí)要小心，因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)念A(yù)期“零交叉”電路在較大電流和相同極性下可能會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)閉合，尤其會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)彈跳。
另一個(gè)可能不時(shí)會(huì)發(fā)生的嚴(yán)重電弧結(jié)果是接觸焊接。但通常在發(fā)生這種情況時(shí)，有證據(jù)表明繼電器被錯(cuò)誤地應(yīng)用在電壓和/或電流遠(yuǎn)大于該特定繼電器可處理的電路中。
關(guān)于尖峰和凹坑的情況，當(dāng)情況變得足夠嚴(yán)重時(shí)，高點(diǎn)（即尖峰）可能會(huì)以機(jī)械方式掛在凹坑的邊緣。然后，當(dāng)繼電器斷電時(shí)，觸點(diǎn)無法打開，負(fù)載處于不受控的接通狀態(tài)。毋庸置疑，誰都不想發(fā)生這種情況。
通常，尖峰和凹坑材料轉(zhuǎn)移條件與直流應(yīng)用相關(guān)。但是，我們開始注意到，即使在一些交流電應(yīng)用中，尖峰和凹坑材料的轉(zhuǎn)移也顯而易見。這是因?yàn)椋谶@些應(yīng)用中，繼電器的運(yùn)行與交流線路電壓同步。這種同步通常是由于運(yùn)行繼電器的固態(tài)邏輯或微機(jī)電路的交流線路同步所致。如果同步正好發(fā)生在或接近線路電壓峰值，那么每次繼電器觸點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，它們的運(yùn)行電壓等于或接近 170 伏特或 340 伏特，當(dāng)然，具體取決于線路電壓是 120 伏特還是 240 伏特。
如果應(yīng)用要求電路時(shí)鐘與交流線路同步，則應(yīng)包含附加電路以實(shí)現(xiàn)繼電器的隨機(jī)操作。或者，也可以設(shè)置同步，使繼電器觸點(diǎn)在零電流或接近零電流時(shí)打開。
這里還有一條關(guān)于尖峰和凹坑材料轉(zhuǎn)移的備注。不要自動(dòng)假設(shè)是觸點(diǎn)電弧導(dǎo)致發(fā)生此類轉(zhuǎn)移。可能不是如此。即使在沒有電弧點(diǎn)燃的電路中，也可能發(fā)生材料轉(zhuǎn)移。這是因?yàn)殡娐冯妷捍笥谟|點(diǎn)材料的熔化電壓，當(dāng)觸點(diǎn)剛剛接觸或剛剛分離時(shí)，材料就會(huì)熔化，從較熱的觸點(diǎn)、陽極流到較冷的觸點(diǎn)、陰極，并留在那里。在真正實(shí)現(xiàn)隨機(jī)操作的交流應(yīng)用中，材料先從一個(gè)方向轉(zhuǎn)移一次，再從另一個(gè)方向轉(zhuǎn)移一次。最終結(jié)果是，每個(gè)觸點(diǎn)都不會(huì)獲得明顯的材料增益。但在直流應(yīng)用或繼電器同步到交流線路的應(yīng)用中，材料轉(zhuǎn)移始終朝同一方向，并可能導(dǎo)致尖峰和凹坑情況。
當(dāng)電弧點(diǎn)燃時(shí)，材料從陰極觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到陽極觸點(diǎn)。因此，對(duì)于觸點(diǎn)的任何給定操作，在電弧點(diǎn)燃之前，材料都會(huì)從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，然后在電弧點(diǎn)燃時(shí)，材料從陰極轉(zhuǎn)移到陽極。電弧期間的轉(zhuǎn)移量通常最大。但請(qǐng)記住，正如剛才所述（這很重要），在真正隨機(jī)的交流應(yīng)用中，任一觸點(diǎn)的凈材料增益均可忽略不計(jì)，而在直流應(yīng)用或與交流線路同步的應(yīng)用中，有一個(gè)觸點(diǎn)可能會(huì)獲得顯著的材料增益。
現(xiàn)在，我們來看看觸點(diǎn)閉合時(shí)會(huì)發(fā)生什么。如果在高倍顯微鏡下查看繼電器觸點(diǎn)的表面，您會(huì)看到表面非常不規(guī)則，由深低點(diǎn)和許多高點(diǎn)組成，某些點(diǎn)比其他點(diǎn)更高。
當(dāng)觸點(diǎn)剛剛接觸時(shí)，接觸的第一個(gè)高點(diǎn)要承受滿載電流。即使負(fù)載電流只是幾分之一安培，該高點(diǎn)中產(chǎn)生的 I2R 熱量也會(huì)立即導(dǎo)致該高點(diǎn)熔化，甚至可能沸騰。該高點(diǎn)周圍的空氣過熱，開始因電子損失而出現(xiàn)電離。如果 I2R 能量足夠，該高點(diǎn)可能會(huì)達(dá)到 5,000 開爾文或更高的溫度，并可能爆炸，從而在觸點(diǎn)之間的間隙中留下過熱、電離的空氣和金屬離子。根據(jù)觸點(diǎn)材料和此氣隙上的電壓應(yīng)力（即爆炸瞬間的觸點(diǎn)電壓），電離的氣隙可能開始將電子電流從陰極傳導(dǎo)到陽極。觸點(diǎn)之間的這種放電實(shí)際上是電弧的開始。如果負(fù)載電流超過觸點(diǎn)材料的弧電流額定值，則電弧將包含足夠的能量來維持自身。如果沒有超過，則觸點(diǎn)之間的放電不會(huì)導(dǎo)致電弧點(diǎn)燃。
如果電弧點(diǎn)燃，由于湯姆森效應(yīng)，沿弧柱存在一個(gè)溫度梯度，陰極是較熱的觸點(diǎn)。也就是說，熱量將從陰極流向陽極。I2R 熱量最大的陰極點(diǎn)可能會(huì)沸騰，從而釋放出原子甚至分子排放物。這些排放物被拉過弧柱，沉積在稍冷的陽極觸點(diǎn)上。當(dāng)然，這就是電弧焊的原理。隨著觸點(diǎn)繼續(xù)一起移動(dòng)，所有這一切大概在 10 納秒或稍長時(shí)間內(nèi)發(fā)生。
電弧會(huì)一直存在，直到下一個(gè)或多個(gè)高點(diǎn)形成為止。同樣，這些高點(diǎn)的熱量可能會(huì)導(dǎo)致它們?nèi)刍Ｈ刍瘯r(shí)，它們開始分散，從而增加觸點(diǎn)接通的面積。當(dāng)觸點(diǎn)一起有力地移動(dòng)時(shí)，這種液化金屬可能會(huì)飛濺，導(dǎo)致材料損耗。當(dāng)觸點(diǎn)之間的熔融金屬冷卻時(shí)，觸點(diǎn)將以正常方式凍結(jié)在一起。與繼電器應(yīng)用不當(dāng)時(shí)可能發(fā)生的災(zāi)難性焊縫不同，當(dāng)繼電器斷電時(shí)，該焊縫較弱，容易在繼電器彈簧力作用下破裂。現(xiàn)在，回想一下！電弧點(diǎn)燃之前到底會(huì)發(fā)生什么？電弧是由負(fù)載電流或電壓造成的嗎？當(dāng)然，電弧必須有介質(zhì)才能傳播，觸點(diǎn)之間的電離間隙就是這種介質(zhì)。而且是觸點(diǎn)高點(diǎn)的負(fù)載電流加熱導(dǎo)致了離子產(chǎn)生。但正是觸點(diǎn)間隙兩端存在的電壓導(dǎo)致了電弧點(diǎn)燃。這個(gè)電壓不一定是負(fù)載電壓，也可能是電路電壓。也就是說，在觸點(diǎn)接通時(shí)，電路中可能存在一定量的電容通過觸點(diǎn)充電。
另外，如果在觸點(diǎn)之間使用消弧電容器，則此電容將通過繼電器觸點(diǎn)自行放電。
放電浪涌電流可能在幾納秒或稍長時(shí)間內(nèi)達(dá)到數(shù)百安培。為了限制這種放電電流，消弧電容器應(yīng)與一定量的電阻串聯(lián)。但是，在沒有專用電容的電路中，仍可能有足夠的雜散電容在觸點(diǎn)接通時(shí)引起瞬時(shí)過流。許多電路設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽視這一事實(shí)。
觸點(diǎn)斷開時(shí)，電弧以類似方式點(diǎn)燃。當(dāng)觸點(diǎn)開始分離時(shí)，攜帶負(fù)載電流的接觸區(qū)域越來越小。負(fù)載電流開始匯入這個(gè)狹窄區(qū)域，I2R 熱量開始增加。最后一個(gè)接觸點(diǎn)熔化，當(dāng)觸點(diǎn)繼續(xù)分離時(shí)，觸點(diǎn)之間將拉伸出一條熔融金屬的薄橋。間隙中的空氣開始電離。薄橋中的 I2R 能量會(huì)產(chǎn)生非常大的能量，實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致薄橋爆炸，從而將金屬離子灑在間隙中。同樣，如果觸點(diǎn)電壓足夠，電弧將點(diǎn)燃。
不同的觸點(diǎn)材料具有不同的額定弧電壓。對(duì)于純銀，弧電壓為 12 伏特。對(duì)于鎘，為 10 伏特；而對(duì)于黃金和鉑金，則為 15 伏特。我們假設(shè)觸點(diǎn)是純銀。在熔融薄橋爆炸后的幾納秒內(nèi)，如果材料為銀，并且電路電壓為 12 伏特或更大，則會(huì)發(fā)生電壓導(dǎo)通。如果電路電壓小于 12 伏特，則無法發(fā)生導(dǎo)通，也就不會(huì)出現(xiàn)電弧。
當(dāng)電弧在分離的觸點(diǎn)之間點(diǎn)燃時(shí)，只要有足夠的能量饋電，電弧就會(huì)持續(xù)存在。只要電弧存在，材料轉(zhuǎn)移就會(huì)繼續(xù)下去。在直流應(yīng)用中，電弧只能通過拉伸到其自身阻抗導(dǎo)致其熄滅的長度或在其他點(diǎn)斷開電路才能熄滅。但在許多應(yīng)用中，觸點(diǎn)間隙足夠大，電弧在觸點(diǎn)完全打開之前就會(huì)熄滅。因此，對(duì)于給定觸點(diǎn)額定值，繼電器的額定值如果為 120 伏特交流，那么直流電壓額定值要低得多，通常為 28 或 30 伏特直流。也就是說，這個(gè)間隙要足夠大，確保在交流周期性擺動(dòng)到零時(shí)，任何交流電弧都會(huì)迅速熄滅。但是這個(gè)間隙不足以讓 110 伏特的直流電弧熄滅。
在交流應(yīng)用中，根據(jù)電離空氣的溫度，即使弧電流每半周期降至零，電弧也可能在電流過零后重新點(diǎn)燃。這是因?yàn)橛|點(diǎn)之間仍然存在正離子，并且不需要太多能量即可重新點(diǎn)燃電弧。
人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到，與純銀相比，銀氧化鎘觸點(diǎn)在電弧存在的情況下具有更長的使用壽命。一種理論認(rèn)為，由于氧化物涂層材料在充分加熱后會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子，因此銀氧化鎘產(chǎn)生的負(fù)離子會(huì)導(dǎo)致正離子在電流過零后過早重組。這種重組會(huì)導(dǎo)致電弧提前熄滅，并可能防止電流過零后重新點(diǎn)燃。這似乎表明，在預(yù)期出現(xiàn)電弧的交流應(yīng)用中，使用適當(dāng)消弧方法保護(hù)的銀氧化鎘觸點(diǎn)將具有較長壽命。我們不會(huì)在這里介紹消弧技術(shù)，因?yàn)檫@是另一個(gè)名為“繼電器觸點(diǎn)保護(hù)”的應(yīng)用說明的主題。關(guān)于消弧，我們?cè)谶@里將只說明適當(dāng)?shù)囊种茣?huì)延長觸點(diǎn)壽命。此外，通過消弧，可將電磁干擾（簡稱 EMI）控制在較低限度。EMI 是弧柱中原子作用的結(jié)果。在電弧等離子體中，觸點(diǎn)表面受到原子、正負(fù)離子和電子的轟擊，一些轟擊可通過電場加速，另一些轟擊會(huì)引起電子的二次發(fā)射，從而可能會(huì)在廣泛的頻率范圍內(nèi)輻射能量。通過快速進(jìn)行電弧淬火，可以盡可能減弱這種作用。結(jié)果往往是顯著減少了電磁和無線電頻率干擾。
總之，要確保電弧繼電器觸點(diǎn)具有較長壽命，適當(dāng)?shù)睦^電器和觸點(diǎn)應(yīng)用以及盡可能采取消弧措施非常重要。
注意繼電器與交流線路電壓同步的交流應(yīng)用。如果同步不可避免，請(qǐng)?jiān)O(shè)置時(shí)鐘，使繼電器觸點(diǎn)操作在零電流或接近零電流時(shí)發(fā)生。
而且，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的電弧情況時(shí)，請(qǐng)選擇采用銀鎘觸點(diǎn)材料的繼電器。
