機電式繼電器實現(xiàn)突破性創(chuàng)新

機電式繼電器被公認是可靠、具魯棒性的低成本器件。繼電器的制造量與日俱增，并被成功運用于實現(xiàn)信號和能量分配的無數(shù)應(yīng)用中。即使是在最惡劣的環(huán)境條件下，它卻仍然具有良好的魯棒性和可靠性。各種繼電器類型覆蓋了廣泛的開關(guān)負載范圍，從μV和μA級到數(shù)百安和高達500V的電壓。而且，繼電器在通電狀態(tài)下具有非常低的電阻(mΩ)，在斷電狀態(tài)下則具有非常高的絕緣電阻(GΩ)，二者都適用于負載電路和控制電路，以及開路的開關(guān)路徑中。

繼電器在容許電壓、電流或溫度方面具有很大的過載能力。盡管繼電器已具有非常好的物理特性，但卻還有一些額外要求。PCB占板空間必須盡可能小，而且繼電器應(yīng)該具有防潑濺(防洗滌或抗風(fēng)雨)，或者甚至完全密封的性能。新設(shè)計不僅可以滿足所有這些要求，而且還能提高可靠性。未來繼電器技術(shù)的創(chuàng)新將進一步實現(xiàn)更小的設(shè)計，而且不會改變開關(guān)特性。

材料成本

繼電器構(gòu)造中需要用到許多原材料，例如：用于制造線圈或電流承載部件的銅，用于制造開關(guān)觸點的貴金屬(例如：金、銀和鈀)，用于制造磁路的鐵，以及用于創(chuàng)建絕緣系統(tǒng)的塑料。這些原材料的成本近年來顯著上升，有些材料的成本已增加了好幾倍。銀成本的增加尤其嚴重，因為目前還沒有實用的材料能夠替代開關(guān)設(shè)備中的銀。

小型化

機電式繼電器取得巨大成功的一個主要原因是，繼電器業(yè)能夠通過新的小型化設(shè)計創(chuàng)新，滿足電子業(yè)、電信和汽車電子設(shè)備的需求(圖1)。通用及功率繼電器的情形較為麻煩，其標準化的引腳布局和必要的空氣與漏電流路徑，使得這些繼電器的小型化設(shè)計愈加困難，甚至在一定程度上阻礙了小型化的發(fā)展。繼電器小型化設(shè)計中面臨的主要挑戰(zhàn)是，在減小物理尺寸的同時，提高開關(guān)能力。

圖1：過去40年信號繼電器的小型化進程(第1代到第4代)。

在繼電器小型化設(shè)計中，必須考慮許多不斷改變的因素：在接觸力和斷開力減小的情況下，保持觸點的可靠性；保護繼電器免遭內(nèi)部和外部污染；材料改變和觸點腐蝕引起的閉合力減小；盡管物理尺寸減小，但絕緣性能仍要提高；熱性能、自加熱以及在環(huán)境溫度升高時的性能；更長的服務(wù)壽命和更高的開關(guān)能力；更高的可靠性要求；制造技術(shù)帶來的限制。

新技術(shù)和新概念也將促成未來繼電器技術(shù)的巨大創(chuàng)新。

表1表明信號繼電器尺寸在不斷縮小。盡管尺寸顯著縮小，但線圈功耗和開關(guān)能力卻幾乎保持不變，介電特性有所改進，開關(guān)時間也明顯縮短，但熱阻卻有所增加。

表1：第2代至第4代信號繼電器的關(guān)鍵特性。

以下是允許在縮小繼電器體積的同時，又能改進特性的一些因素。

設(shè)計：微型繼電器全部使用極化磁路。這一特性允許縮小物理尺寸，同時還支持雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性。線圈涂層允許顯著減小繼電器的間隙和漏電流路徑。氣密外殼的使用是另一項優(yōu)勢，它能夠最佳地保護繼電器內(nèi)部免受外部污染的影響，進而減小所需要的最小接觸力。

材料：在小型化設(shè)計過程中，體積與表面積的比例將會變差，這將導(dǎo)致熱阻增加。這種情況下，如果仍要保持良好的觸點可靠性，就需要提高所用絕緣材料的特性。為了能夠提供相同甚至更高的可靠性，則必須顯著改進絕緣材料的熱穩(wěn)定性和排氣特性。

使用的銅材料也相當重要。越高的傳導(dǎo)率越允許減小必要的橫截面，并越支持更小的物理形狀。對使用的彈簧材料而言，高溫時的松弛性非常重要。

工藝：小型化設(shè)計對繼電器中所用各部件的精度和組裝工藝的精度，提出了更加高的要求。只有兩者都得到了控制，才能有效實現(xiàn)更小的物理尺寸。制造過程中更小的公差，還會使開關(guān)特性具有更少的分散。更小的物理尺寸要求全自動生產(chǎn)，以便在組裝和測試過程中系統(tǒng)性排除人為因素。

介電強度

較大尺寸設(shè)計可以增加介電強度。這句話聽起來非常合理，但不是在每種情況下都一定正確。如圖2所示，與第3代繼電器相比，第4代產(chǎn)品的介電強度有了明顯增加。在線圈與觸點之間以及在斷開的開關(guān)路徑之中的這種改進，可以通過以下措施首先實現(xiàn)：涂覆線圈；將驅(qū)動和開關(guān)腔分開；使用氣密外殼和合適的惰性氣體。

圖2：第3代和第4代信號繼電器介電強度比較。