湿簧管的湿簧继电器

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人们一提到继电器,就认为它有接点抖动、动作缓慢、体积过大等缺点,因而对它不感兴趣,总是喜欢选择无触点的电子器件。当然,无触点器件有许多优点而得到了广泛的应用,但几十年来继电器这个有触点元件,无论在缩小体积还是在提高性能方面,也都取得了很大成绩。如TO—5型超小型密封继电器,直径为8.5mm,高为7mm,其体积与晶体管(如3DG12)相仿,甚至还有小如集成块那样的TO—87型扁平封装的继电器。继电器性能的提高。最突出的要算是舌簧继电器了,这里就湿簧继电器的结构、原理等问题作一比较详细的介绍。湿簧继电器是在干簧继电器结构的基础上制成的(关于干簧继电器,可参见本刊1975年第7期),它是在玻璃管内充入纯净的水银和高压(10个大气压)氢气,使触点被水银湿润而成为汞润触点,氢气又能不断净化触点上的水银。使触点始终有一层纯净的汞膜保护着。这就从根本上改善了干簧触点容量不大,触点抖动,接触电阻较大而不稳定等缺点。使之更好地与晶体管、集成电路配合使用,以满足电子技术发展的要求。

结构及工作原理

图1是几种常用的湿簧继电器的外形图,它们分别为标准八脚管式、扁平封装及双列直插式结构。湿簧继电器尽管外形不同,但主要都是由一个或两个湿簧管和一个或两个驱动线圈组成的。

图1
图1 🔍原图 (789×488)

湿簧管根据动作原理可分为非极化及极化型两种,而根据触点形式可分为常开触点及转换触点两种,转换触点又有两位置偏倚及三位置极化式之分。不论何种湿簧管,均由图2(一种非极化型湿簧继电器结构图)所示的一些主要另件所组成:

图2
图2 🔍原图 (620×875)

1.上磁极:它是一根或两根既导磁又导电还能与玻璃匹配封接的金属杆被封焊在玻璃管的上端,其封入管内的部分焊上铂丝或铂球作为静触点,其管外部分为静触点引出杆,焊上引线可与电路连接。

2.动簧片:它是由导磁材料冲制而成的,其上端焊上铂丝(或者不焊)成为动触点,其下端焊有弹簧片,给动簧片以反力。再把弹簧片焊在充排气管上。值得注意的是,在动簧片上刻有细槽或者焊上两根平行的镍丝以构成毛细管通道,贮存在管底的水银、通过毛细管作用沿动簧片上升到动触点和与它接触的静触点上,去湿润触点以形成洁净的汞润表面。

3.充排气管:它是一根封焊在玻璃管下端的合金管,通过它可使玻璃管抽真空、充汞和氢气以及进行最后的密封。而且它也是动触点的引出杆。

4.下极靴:它也是由导磁材料冲制而成的。一方面它提供了良好的导磁通路,保证管子的动作灵敏度,另一方面由于它与动簧片之间存有水银,当动簧片动作时能起阻尼作用以减少触点的抖动。

当电流通过湿簧继电器线圈时,湿簧管的动簧片是如何动作的呢?根据上述几种类型,分别简述如下:

一、非极化湿簧继电器

1.小型常开触点非极化湿簧继电器

其结构简图见图3。当线圈中通以足够大的电流时,上磁极与动簧片的端部形成相反极性的磁极而相互吸引,当引力F足以克服簧片的反力时,二者接触,常开触点闭合。当线圈中的电流减小到使触点与簧片之间的引力小于簧片的反力时,动簧片就返回。当然,用永久磁铁代替驱动线圈也同样能使湿簧管的动簧片动作或返回。

图3
图3 🔍原图 (309×330)

2.转换触点非极化湿簧继电器

若以湿簧管的管轴为中心,在管顶封入两个不对称结构的上磁极(如图4所示),动簧片上的动触点靠弹簧片的予压力先靠在短上磁极一边。当线圈中电流足够大时,动簧片与长上磁极之间的引力F\(_{1}\)企图把动簧片吸向长上磁极一边。同时,动簧片与短上磁极之间也存在引力F2,企图把动簧片吸向短磁极一边。但由于动簧片与二磁场不对称的安排,使F\(_{2}\)的水平分力F2′<F\(_{1}\),结果只要动簧片受净力F1—F\(_{2}\)′足够大,它仍然能克服簧片的反力而吸向长磁极一边。当线圈中电流减小到一定值时,动簧片将返回到短上磁极一边,完成一次触点的转换。

图4
图4 🔍原图 (467×431)

为了增大触点的功率定额,采用了四根(二长二短)上磁极的结构,而动片上的铂丝也改成“T”形,以期同时接触长边或短边的两个磁极,见图5a。使用时可将两个长(或短)磁极并联与充排气管形成一付转换触点,也可单独使用上磁极的两个长边或两个短边的引出杆,既灵活又方便。这种功率型湿簧管外形见图5b。

图5
图5 🔍原图 (216×1103)

二、极化湿簧继电器

它与非极化湿簧继电器的主要区别在于湿簧管顶部封接上两个对称的上磁极,而两磁极上又分别焊上两块永久磁铁,将上磁极与动簧片上端予先磁化,见图6。

图6
图6 🔍原图 (466×390)

如果动簧片原始位置在湿簧管的中央,当驱动线圈未通电流时,假设间隙磁通为φP,则由于磁路对称,动簧片不动作。当驱动线圈中通以某一方向的电流时,设此时动簧片被磁化的极性上端为N下端为S,则因同极性加强异极性减弱而使动簧片偏向左方,或者说驱动线圈产生的磁通φW在左边气隙得到加强而右边气隙受到减弱,于是动簧片受到一个向左的净引力F而移向左方接触左上磁极。当线圈电流下降到一定值时,反力大于净引力,动簧片又返回到原始位置,同理,若线圈通以反向电流,则动簧片靠向右边。这就是三位置极化继电器的工作原理。

假若两块磁铁的磁场强度不同而使动簧片予先靠在一边,这就组成了二位置偏倚式继电器。此时驱动线圈只能按规定的方向流入电流时,簧片才能动作。反之则不能动作。总之,由于采用了极化结构,使继电器的灵敏度增加,线圈尺寸减小,动作速度提高,这对继电器的小型化是极为有利的。

性能特点及其参量

由于湿簧继电器是在干簧继电器的基础上发展起来的,因此它保留了干簧继电器的结构简单、触点密封、同轴性能好、体积小、重量轻、动作快、寿命长,使用灵活,适宜与晶体管、集成电路配合使用等优点。同时由于它具有汞润触点,不断净化的汞膜起了很好的缓冲和保护作用,又使它增添了新的性能。我们知道,湿簧继电器的性能主要决定于湿簧管的性能,为此有必要就湿簧管的优缺点加以概述;

湿簧管的主要优点有:

1.触点没有抖动。管子在工作的时候电接触不致于断开,这主要是触点表面的汞膜起了很好的缓冲作用。

2.触点回路产生的脉冲前沿很陡,可优于0.5毫微秒,而脉冲幅值则可达数百伏。

3.触点接触电阻小而稳定。触点闭合时的电阻一般在20毫欧左右,最大不超过50毫欧,低阻型管则小于10毫欧,而且在整个寿命期间几乎不变。触点断开时的绝缘电阻可大于108欧,因此有1010以上的通断比。

4.触点开断容量大。由于触点是汞润触点,触点间耐压很高,开断电流也比较大。而驱动线圈的控制功率并不大,一般在200毫瓦以下。

5.寿命长。由于触点受汞膜保护,消除了一般继电器触点的电腐蚀和机械腐蚀以及“飞弧”现象,大大提高了湿簧管触点的寿命和使用的可靠性。在额定负载下,寿命一般达一亿次以上,在10伏安的负载功率下可超过10亿次,在干电路(微安级电流,毫伏级电压的电路)中使用寿命则更长,而一般电磁继电器及干簧继电器很难在干电路条件下工作。

湿簧管的主要缺点为:

1.安装位置受限置。因为管内贮存有流动的水银,管子必须工作在垂直位置,其偏斜角一般不超过30°。

2.工作温度受限制。温度下限受水银凝固点(-38.8℃)限制。若做成继电器,其温度上限取决于所用封腊及其他密封材料的熔点。

3.承受机械冲击能力较差。这是由于簧片本身的结构及采用玻璃管密封所决定的,因此一般震动应小于10g,冲击小于30g。

附表列出了西安交通大学生产和研究的湿簧管的主要技术性能,以供参考。

图7
图7 🔍原图 (1832×937)

总之,由于湿簧继电器具有以上许多优点,目前已广泛应用在自动和远动技术、测量和计算技术、通信和广播技术、高电压测量技术和地质勘探技术等方面,而且应用范围还在不断扩大。为了适应科学技术发展的需要,各种不同型式汞润接点继电器将相应研制和生产出来。(唐立森)