深度解析干簧開關(guān)的負(fù)載轉(zhuǎn)換和開關(guān)保護(hù)

干簧開關(guān)的接觸特性是取決于開關(guān)的尺寸、干簧片之間空隙的大小或安匝數(shù)級別、觸點(diǎn)材料及玻璃管內(nèi)氣體等因素。在特定的負(fù)荷下操作，為了令開關(guān)的壽命更長，一些預(yù)防措施是必要的。

因?yàn)橐粋€干簧開關(guān)只是一個帶可動零件的機(jī)械式的裝置，干簧片的磨損可能會縮減它的壽命。如果切換無負(fù)荷或負(fù)荷電壓低過5V@10mA時，開關(guān)的磨損程度是很小，甚至無磨損，這時它可以操作超過十億次。如果負(fù)荷電壓達(dá)到10V，開關(guān)的磨損程度就會相對地增加，磨損程度取決于開關(guān)切換多少的電流。一般而言，切換電壓是10V 和電流是10mA，預(yù)期的開關(guān)壽命可以操作五千萬次到兩億次，在同樣的環(huán)境下，如果希望開關(guān)更長壽而又不能減低實(shí)際需要切換的負(fù)荷，那么含水銀的干簧開關(guān)可能是最佳選擇，這種開關(guān)含少量的水銀，因此在任何時候干簧片之間都是沒有凈金屬傳送的，這種含水銀的開關(guān)，在10mA下轉(zhuǎn)換上百伏的電壓也可達(dá)數(shù)十億次。

通常我們建議切換直流負(fù)荷，我們的所有開關(guān)壽命測試數(shù)據(jù)也都是在這種情況下獲得的，同時應(yīng)該要注意避免帶有導(dǎo)向或蔓延的功率因素。

當(dāng)開關(guān)打開時，負(fù)荷帶有整體的凈電感會對開關(guān)帶來巨大破壞，因?yàn)殚_關(guān)打開過程是十分快的，在公式#1內(nèi)的di/dm 會變得非常大而且開關(guān)會承受電弧放電。

開關(guān)有整體的凈電容性負(fù)載時，開關(guān)閉合會有電流涌入，從而導(dǎo)致開關(guān)損毀并甚至令干簧片互相黏住，具體情況取決于總電容負(fù)載，現(xiàn)時電壓和串聯(lián)的電阻值。

鎢絲燈泡對干簧開關(guān)而言是一個非常普遍的切換負(fù)載，尤其是在汽車工業(yè)中， 由于鎢絲是冷的，一旦開燈有電流流入時，鎢絲內(nèi)的電阻會急速地提升來減低電流。一般的電流沖擊是10 到20次，之后會進(jìn)入穩(wěn)定期。如要確定電流流入的多少，冷鎢絲電阻是很重要的，加配一些串聯(lián)電阻到同一個線路內(nèi)可以令開關(guān)壽命得到顯著的改善。

電容與電感負(fù)載

當(dāng)切換任何電壓和電流 時 ， 寄生電容有一定的代表性，當(dāng)切換既定的電壓和電流時，首50ns(50x10-9秒)是最重要的，因?yàn)檫@是電弧放電期（見圖#46) 。如果線路上的寄生電容數(shù)量較大(取決于切換的電壓量)，這時更大的電弧有可能會發(fā)生，因此會縮減開關(guān)的壽命。當(dāng)切換任何較大的電壓時，放置電流探針于線路中來查看首50納秒確實(shí)的切換情況往往是一個明智的方法。整體來說，當(dāng)切換電壓超過50伏時， 50pF(10-12 法拉)或更多的電容會對開關(guān)預(yù)期壽命產(chǎn)生顯著的影響。如果干簧開關(guān)的操作是線控，這條線的作用可以相當(dāng)于一條長的電容，防護(hù)物和其它電容性的組件都能為涌入的電流提供電容。

(圖#46，當(dāng)寄生電容切換為恒流輸出電壓，開關(guān)閉合時可能會有電流大量涌入從而造成開關(guān)壽命明顯縮短。)

共享電壓模式也是要注意一個方面，它對干簧開關(guān)的壽命也有很大影。在不同的線路和環(huán)境下共享電壓模式可以對寄生電容產(chǎn)生影響并非預(yù)期性的減低干簧開關(guān)壽命。(見圖#47) 重申一遍，一只快速的電流探針可以在首50ns 探測到驚人的切換電壓和電流，這個值與電路的本身實(shí)際負(fù)荷無關(guān)。當(dāng)有線路電壓存在或接近敏感線路就應(yīng)十分小心。這些電壓在線路上可能連接成電路，從而影響到您所要求達(dá)到的產(chǎn)品使用壽命。

干簧開關(guān)的使用壽命縮短通常都被歸因于開關(guān)本身的問題，而實(shí)際情況是可能是線路上預(yù)料之外的情況所造成的。

(圖#47，共享電壓模式令寄生電容充電并切換流經(jīng)過觸點(diǎn)，這會急速地減低干簧開關(guān)的壽命的，因此避免這種情況是十分重要的。)

電路保護(hù)

在以上情況中，可以加設(shè)電路保護(hù)以減低切換時的金屬轉(zhuǎn)移。

圖#48 所顯示的是一個非常典型的電路，電容有時可能只有幾Pf（皮法），這種情況可以從mf（毫發(fā)）范圍內(nèi)的寄生電容或?qū)嶋H電容性的元件上找原因。電路內(nèi)的電容器會儲存電荷，它本身的性質(zhì)決定了它傾向于盡可能快的釋放所有電荷。在電路沒有加設(shè)一些電阻或阻抗時，這種現(xiàn)象是不可避免的。

(圖#48， 直接切換電容時，突然流入的高電流會迅速的損壞開關(guān)。加設(shè)電阻或感應(yīng)器可以減低突入電流并降低開關(guān)的耗損。)

公式#2 和公式#3 陳述了一個電容電路的電壓和電流，而公式#3 是陳述電容性的放電比率。

當(dāng)干簧開關(guān)觸點(diǎn)閉合時，應(yīng)盡量避免或降低突入電流。如果您的電路容許干簧開關(guān)線路內(nèi)直接加設(shè)串聯(lián)電阻，那是最佳的選擇。在圖#48 中電阻值越大越好，在電路上使用感應(yīng)器或加上電感，也同樣有效。感應(yīng)器能在阻止最初的電流流入以減小突入電流。此時有一點(diǎn)需要留意的，一定要小心計(jì)算一個平衡點(diǎn)，不可配用太多的電感，以防影響到開關(guān)效能及在開關(guān)打開時會產(chǎn)生的其它問題。

切換電感負(fù)載如繼電器，螺線管，線圈計(jì)算器，小型馬達(dá)或電感電路等都需要防護(hù)電路去延長干簧開關(guān)的壽命(見圖#49)。公式#1 描述感應(yīng)性的關(guān)系。一旦電流流過電感器，它會傾向維持這個電流，如果這電流突然間終結(jié)，公式#1內(nèi)的di/dt可以變得很大，這凈效應(yīng)可以由大的電流流經(jīng)過開關(guān)造成。在開關(guān)打時，電弧放電會隨之而起，如果這電弧放電持續(xù)產(chǎn)生則會造成開關(guān)破裂。很多時候可通過加設(shè)RC 網(wǎng)絡(luò)和二極管遏抑器令雙方互相抑制(見圖#49)。

(圖#49，突然開放一個帶有電感器的電路會產(chǎn)生一道很大的逆電壓，加設(shè)一個同線圈并列的二極管可以減低這電壓，一個穿過開關(guān)RC 網(wǎng)絡(luò)也能起到同樣的作用。)

突入電流負(fù)荷

當(dāng)電燈負(fù)荷剛起動時也會產(chǎn)生非常高的突入電流。目前典型的鎢絲是用在小型的電燈泡內(nèi)，當(dāng)燈泡啟動時，會承受到比通常操作電流高10倍的突入電流(見圖#50)。在電燈內(nèi)加設(shè)一連串電阻可以有效地減低突入電流并在延長干簧開關(guān)的壽命起到重要作用。

另外一個方案，如圖#50 所示，是加設(shè)一組并聯(lián)的電阻器穿開關(guān)。于這情況下，微量的電流會流經(jīng)過燈絲來維持熱度和高阻值，這電流是平衡的，此時燈絲不會有發(fā)強(qiáng)光的現(xiàn)象出現(xiàn)。現(xiàn)在當(dāng)干簧開關(guān)被激活時，開關(guān)電流會接近它的穩(wěn)態(tài)電流。

(圖#50，由于鎢絲本身是冷的，當(dāng)電燈第一次開啟時會有一道非常高的突入電流產(chǎn)生，加設(shè)連串電阻可以減低突入電流。如在開關(guān)加設(shè)一組并聯(lián)的電阻器，這樣可以容許一道微量電流流動，加熱電燈泡的烏絲，當(dāng)開關(guān)閉合時，由于烏絲是熱的，這樣就不會引發(fā)起突入電流了。)

審核編輯：黃飛