摘要： 本文针对电磁继电器的失效模式，介绍了其主要测试参数、筛选项目、方法，探讨了电磁继电器合理应用方面的问题，同时也介绍了相关的测试、筛选设备。 关键词： 继电器、失效模式、测试、筛选、应用
电磁继电器(以下简称继电器)是机电结合的电子元件，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻使得其它电子元器件无法与其相比。因此在航空、航天、电子、邮电等军用及民用电子装备中得到了广泛的应用。但由于继电器的生产过程（制别是军用继电器）中有很多工序仍采用手工操作，造成质量一致性水平较差，在应用过程中经常出现故障，成为电子元件中可靠性最差的类别之一。因此寻求有效的测试、筛选方法和手段，剔除早期失效的继电器，并解决继电器的合理应用问题，成为急待解决的问题。
一．继电器的主要测试参数
为保证继电器的性能，需对继电器的参数进行全面的测试。继电器的主要测试参数及参数的定义如表1：
表1 电磁继电器的主要测试参数及定义表
为保证继电器的质量，表1所列参数都应严格进行测试，但其中有些参数的测试特别需要引起我们的注意。
1．吸合电压和释放电压
继电器的吸合电压和释放电压的测试方法有两种，一种是直流法，一种是脉冲法。这两种测试方法的绕组加电波形见图1和图2。传统手工测试一般都采用直流法，因其比较容易实现。只需将一直流稳压电源接在被测继电器的绕组上，缓慢调节稳压源电压，同时监视继电器触点的状态（量通路，用指示灯显示，甚至听声音）即可测到吸合电压和释放电压。
由图可知用直流法测试时，绕组电压是渐变上升或下降的，而采用脉冲法测试吸合电压时绕组电压每次是从零电压上跳的，采用脉冲法测试释放电压时绕组电压每次是从额定工作电压下跳的。由于继电器自身的特性，两种测试方法测试会有不同的测试结果，相比之下脉冲法的测试结果严于直流法，同时也更接近实际使用情况。国军标也明确规定当两种测试方法有不同的结果时，应以脉冲法的测试结果为准，以此保证用户的利益。但脉冲法由于测试方法较为复杂，通常需要专用测试设备才能完成。
2．触点接触电阻
触点接触电阻包括动合点接触电阻和静合点接触电阻，是继电器最重要的参数之一，也是最难测的参数的之一。图3显示了对继电器触点进行四线凯尔文测试的原理。说其难测是
因为接触电阻只有几十毫欧、十几毫欧，甚至只有几毫欧，如果不是全线采取四线凯尔文测试，扣除测试系统的内部电阻和接触电阻则很难将其测准。说其重要是因为触点接触电阻除了反映触点的电性能（电阻）以外，还反映了触点的化学和物理性能，例如触点表面是否有钝化膜产生，触点间的压力是否能达到设计要求。试验证明当继电器中的弹性材料应力减退，触点压力下降将会在触点接触电阻参数上有明显的反映，所以触点接触电阻与继电器的接触可靠性密切相关。表2显示了继电器样品在试验中触点接触电阻和触点压力之间的关系。
表 22JGXM－2 继电器触点压力和静态接触电阻数据
注 : 表中数据为多次测试平均值。
由表2数据可以得知，随着触点压力的衰退，触点间的静态接触电阻明显变大。
3．回跳时间
回跳时间包括吸合回跳时间和释放回跳时间。由于继电器是采用有弹性的机械触点完成线路的接通和断开，因此不同于由半导体器件组成的无触点电子开关，当继电器的触点接通或断开的瞬间会有一段不稳定的接触期，典型的触点波形见图4。
MIL-R-39016D和GJB 65A-91对触点回跳做了定义："等于或大于开路电压的 90%，且脉冲宽度等于或大于 10 uS 的现象则认为是回跳"。同时明确规定触点回跳时间不得超过
1.5 mS。有些用户对回跳时间参数不以为然，认为触点最终总会接通（或断开），过程中有没有回跳不影响继电器的正常使用。这是一种错误的认识，军标之所以规定回跳时间参数的测试，是因为继电器的回跳时间同静态接触电阻参数一样，反映了继电器的触点压力，试验证明，当继电器的触点压力明显衰退时，回跳时间会变长。表3显示了继电器样品在试验中触点回跳时间和触点压力之间的关系。
表32JGXM－2 继电器触点回跳时间和静态接触电阻数据
注 : 表中数据为多次测试平均值。
4．转换时间
转换时间包括吸合转换时间和释放转换时间。以吸合转换时间为例，继电器在吸合过程中，静合点断开时间与动合点吸合时间之差称为吸合转换时间。图5和图6分别显示了合格继电器和失效继电器的吸合转换波形。
转换时间是继电器的一个很重要的参数，它保证了继电器触点的先断后通，在有多组触点的继电器中，必须在最后一组静合点断开后，才能有动合点闭合，否则就是转换时间不合
格。如果在一组触点中出现先通后断的情况，就是所谓的三点连通。这种转换时间不合格的继电器在使用中会造成严重的后果，特别是应用在电源切换和信号切换的场合的继电器，如果继电器转换时间不合格，将导致电源瞬时短路或信号瞬时短路。转换时间的测试由于需要对多组触点同时进行监测，通常也需要专用测试系统才能完成。
5．介质耐压和绝缘电阻
介质耐压（俗称打高压）是考核继电器的壳体、绕阻、触点及触点间在规定的时间内承受规定交流电压的能力。而绝缘电阻是考核继电器的壳体、绕阻、触点及触点间在效加规定直流电压的条件下体现出来的绝缘电阻。国军标规定的试验电压施加点见表4。 表4 继电器试验电压施加点及施加电压
由表4可知要完成所有电压施加点的试验，需要进行多次测试，对于触点较多（如6组）的继电器则测试过程更加复杂，一般需采用专用自动化测试设备才能完成。
二．继电器的可靠性筛选
为保证继电器的使用可靠性，除需要对继电器进行严格的参数测试以外，还需进行相关的可靠性筛选项目。继电器的主要筛选项目见表5。
表5 继电器主要筛选项目
1．低电平运行试验
表5所列筛选项目中最为有效对筛选设备要求也最高的是低电平运行试验。
a．继电器的低电平失效模式
继电器的触点工作在低电平微电流下，容易造成一种称之为低电平失效的失效模式，这是指当继电器切换低电平、微电流负载时，触点两端不产生飞弧（俗称打火），不能烧毁或击穿触点表面的绝缘膜，不能熔化触点表面的粗糙部分，也就不会重新形成较大的接触面以降低接触电阻。对于经过长期存放，触点表面生成钝化膜的继电器在低电平、微电流下工作，会造成接触电阻变大甚至开路的失效模式。采用常规参数测试的方法难于淘汰低电平失效的继电器，这是因为对继电器触点接触电阻进行常规测试时，在触点间要加6V的电压，触点电流可达10mA，这己足以破坏触点表面的钝化膜，使失效的继电器暂时恢复正常，难以将其在检测中淘汰，但经过一段时间的存放，触点表面又会生成钝化膜。因此这种失效模式对于有长存放期的武器系统中的电子装备危胁尤为重大。
b．低电平运行试验的原理和要求
为了能有效淘汰低电平失效及其它失效模式的继电器，需对其进行低电平运行试验。低电平运行和监测的原理如图7。由图7可知继电器低电平运行和监测的原理并不复杂，但为了保证试验的有效性和可靠性，相关标准却对低电平运行的试验方法、试验条件和监测装置做出了明确、严格甚至是苛刻的要求。
继电器低电平运行试验项目源于美军标《有可靠性指标的电磁继电器总规范》
（Mil-R-39016D），我国国军标《有可靠性指标的电磁继电器总规范》（GJB 65A-91），《电磁继电器总规范》（GJB 1042-90）和《电子及电气元件试验方法》（GJB 360A-96）参照相应的美军标也对继电器的低电平运行试验做了近乎相同的要求。
国军标规定的典型低电平运行条件为触点开路电压 10-50mV，通态电流 10-50uA。触点通态接触电阻的合格判据为47.5mV）。在监测时间上标准要求监测系统至少在每次“接通”期的40% 时间内和每次“断开”期的40% 的时间内监测接触电阻（或压降）。监测设备在继电器出现失效应能自动停机，或能记录每次失效。
c．低电平运行监测的难点
上述低电平运行及监测要求对运行、监测设备提出了苛刻的要求，除了要求其具有很高的驱动和监测精度外，特别是监测装置必须具有很强的抗干扰能力，在高、低温环境下，被试样品与监测装置可能相距1-2米的距离，监测电缆中传递的是毫伏量级的微弱信号，极易
在试验中引入干扰，造成误判。在筛选试验中一次误判就可导致将合格的继电器淘汰，而在寿命试验中则会误将整批继电器报废。因此继电器运行监测装置必须解决微弱信号的高精度检测和抗干扰等技术难点。
2．抖动监测
军用继电器通常工作在恶劣的环境条件下，其中振动、冲击条件下会导致一些有缺陷的继电器产生瞬时接触不良或开路，这将对整机和系统造成严重威胁。在振动或冲击环境条件进行抖动监测就是针对继电器的这一失效失模式。下军标规定在试验中继电器的闭合点不允许有10uS的开路，断开点不允许有1uS的短路。由于在试验中需要对继电器触点进行连续的监测，并能记录下触点的失效现象，因此需要专用的监测装置。
三．继电器的合理使用
除了对继电器进行全面的参数测试和有效的筛选之外，对继电器的合理使用也是提高继电器使用可靠性的有效方法。反之使用不当会缩短继电器的寿命，现就使用中的若干问题提出讨论。
∙ 合理选择继电器的工作电压
继电器的吸合电压一般只有其额定工作电压的二分之一到三分之二，但在使用继电器的时候一定要在其额定工作电压下工作，而不能取其吸合电压作为工作电压。这是因为在吸合电压条件下，继电器虽然己经动作，但其动合触点间的压力还未达到规定值，这将导致触点间的接触电阻偏大，如触点在大电流条件工作，就会加大触点功率，容易造成触点烧蚀，缩短工作寿命。
∙ 采用无电流切换
虽然继电器的技术指标中给出了允许的触点功率，同时也给出了相应的电气寿命，允许继电器的触点带电进行切换，但在可能的情况下还是应尽量避免触点带电切换，采用无电流切换将大大提高继电器的使用寿命。
∙ 避免在低电平、微电流下使用继电器
由于继电器存在低电平失效的失效模式，应尽量避免继电器触点工作在低电平、微电流下。在有可能的情况下可以选择固态继电器、模拟电子开关代替继电器。在一定要选用继电器切换低电平、微电流的情况下可选用干簧继电器，因为干簧继电器将触点密封在玻璃管中，而绕组在玻璃管外。这与将触点与绕组密封在同一壳体中的普通继电器相比，将明显降低触点产生钝化膜进而造成低电平失效的可能。
∙ 继电器的灭火花线路
继电器的绕组是一个电感，绕组中又有衔铁，因此在绕组通电后会贮存磁能，而在绕组断电瞬时，磁能释放会产生很高的反电势（有时高达数百伏）。这一反电势一方面容易将驱动继电器的器件（如晶体管、集成电路）击穿，另一方面会造成尖峰干扰，干扰整机和系统中其它线路的正常工作。这一问题最简单的解决办法就是在继电器的绕组上并联一只消反峰
二极管（也称续流二极管）。但应注意，消反峰二极管的加入将会明显延长继电器的释放时间。
继电器触点的并联使用
当需要继电器去切换较大的电流时，尽量选用触点电流大的继电器，而不要采用触点并联的方法（不论是一个继电器的多组触点还是多个继电器的触点并联）。这是因为继电器的各组触点很难保证接触电阻相同，在并联使用中很容易出现电流分配的不均匀。另外在触点动作的时间上也难以保证一致，这样在切换瞬时很容易出现某一组触点瞬时电流过大的现象。
参考文献
摘要： 本文针对电磁继电器的失效模式，介绍了其主要测试参数、筛选项目、方法，探讨了电磁继电器合理应用方面的问题，同时也介绍了相关的测试、筛选设备。 关键词： 继电器、失效模式、测试、筛选、应用
电磁继电器(以下简称继电器)是机电结合的电子元件，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻使得其它电子元器件无法与其相比。因此在航空、航天、电子、邮电等军用及民用电子装备中得到了广泛的应用。但由于继电器的生产过程（制别是军用继电器）中有很多工序仍采用手工操作，造成质量一致性水平较差，在应用过程中经常出现故障，成为电子元件中可靠性最差的类别之一。因此寻求有效的测试、筛选方法和手段，剔除早期失效的继电器，并解决继电器的合理应用问题，成为急待解决的问题。
一．继电器的主要测试参数
为保证继电器的性能，需对继电器的参数进行全面的测试。继电器的主要测试参数及参数的定义如表1：
表1 电磁继电器的主要测试参数及定义表
为保证继电器的质量，表1所列参数都应严格进行测试，但其中有些参数的测试特别需要引起我们的注意。
1．吸合电压和释放电压
继电器的吸合电压和释放电压的测试方法有两种，一种是直流法，一种是脉冲法。这两种测试方法的绕组加电波形见图1和图2。传统手工测试一般都采用直流法，因其比较容易实现。只需将一直流稳压电源接在被测继电器的绕组上，缓慢调节稳压源电压，同时监视继电器触点的状态（量通路，用指示灯显示，甚至听声音）即可测到吸合电压和释放电压。
由图可知用直流法测试时，绕组电压是渐变上升或下降的，而采用脉冲法测试吸合电压时绕组电压每次是从零电压上跳的，采用脉冲法测试释放电压时绕组电压每次是从额定工作电压下跳的。由于继电器自身的特性，两种测试方法测试会有不同的测试结果，相比之下脉冲法的测试结果严于直流法，同时也更接近实际使用情况。国军标也明确规定当两种测试方法有不同的结果时，应以脉冲法的测试结果为准，以此保证用户的利益。但脉冲法由于测试方法较为复杂，通常需要专用测试设备才能完成。
2．触点接触电阻
触点接触电阻包括动合点接触电阻和静合点接触电阻，是继电器最重要的参数之一，也是最难测的参数的之一。图3显示了对继电器触点进行四线凯尔文测试的原理。说其难测是
因为接触电阻只有几十毫欧、十几毫欧，甚至只有几毫欧，如果不是全线采取四线凯尔文测试，扣除测试系统的内部电阻和接触电阻则很难将其测准。说其重要是因为触点接触电阻除了反映触点的电性能（电阻）以外，还反映了触点的化学和物理性能，例如触点表面是否有钝化膜产生，触点间的压力是否能达到设计要求。试验证明当继电器中的弹性材料应力减退，触点压力下降将会在触点接触电阻参数上有明显的反映，所以触点接触电阻与继电器的接触可靠性密切相关。表2显示了继电器样品在试验中触点接触电阻和触点压力之间的关系。
表 22JGXM－2 继电器触点压力和静态接触电阻数据
注 : 表中数据为多次测试平均值。
由表2数据可以得知，随着触点压力的衰退，触点间的静态接触电阻明显变大。
3．回跳时间
回跳时间包括吸合回跳时间和释放回跳时间。由于继电器是采用有弹性的机械触点完成线路的接通和断开，因此不同于由半导体器件组成的无触点电子开关，当继电器的触点接通或断开的瞬间会有一段不稳定的接触期，典型的触点波形见图4。
MIL-R-39016D和GJB 65A-91对触点回跳做了定义："等于或大于开路电压的 90%，且脉冲宽度等于或大于 10 uS 的现象则认为是回跳"。同时明确规定触点回跳时间不得超过
1.5 mS。有些用户对回跳时间参数不以为然，认为触点最终总会接通（或断开），过程中有没有回跳不影响继电器的正常使用。这是一种错误的认识，军标之所以规定回跳时间参数的测试，是因为继电器的回跳时间同静态接触电阻参数一样，反映了继电器的触点压力，试验证明，当继电器的触点压力明显衰退时，回跳时间会变长。表3显示了继电器样品在试验中触点回跳时间和触点压力之间的关系。
表32JGXM－2 继电器触点回跳时间和静态接触电阻数据
注 : 表中数据为多次测试平均值。
4．转换时间
转换时间包括吸合转换时间和释放转换时间。以吸合转换时间为例，继电器在吸合过程中，静合点断开时间与动合点吸合时间之差称为吸合转换时间。图5和图6分别显示了合格继电器和失效继电器的吸合转换波形。
转换时间是继电器的一个很重要的参数，它保证了继电器触点的先断后通，在有多组触点的继电器中，必须在最后一组静合点断开后，才能有动合点闭合，否则就是转换时间不合
格。如果在一组触点中出现先通后断的情况，就是所谓的三点连通。这种转换时间不合格的继电器在使用中会造成严重的后果，特别是应用在电源切换和信号切换的场合的继电器，如果继电器转换时间不合格，将导致电源瞬时短路或信号瞬时短路。转换时间的测试由于需要对多组触点同时进行监测，通常也需要专用测试系统才能完成。
5．介质耐压和绝缘电阻
介质耐压（俗称打高压）是考核继电器的壳体、绕阻、触点及触点间在规定的时间内承受规定交流电压的能力。而绝缘电阻是考核继电器的壳体、绕阻、触点及触点间在效加规定直流电压的条件下体现出来的绝缘电阻。国军标规定的试验电压施加点见表4。 表4 继电器试验电压施加点及施加电压
由表4可知要完成所有电压施加点的试验，需要进行多次测试，对于触点较多（如6组）的继电器则测试过程更加复杂，一般需采用专用自动化测试设备才能完成。
二．继电器的可靠性筛选
为保证继电器的使用可靠性，除需要对继电器进行严格的参数测试以外，还需进行相关的可靠性筛选项目。继电器的主要筛选项目见表5。
表5 继电器主要筛选项目
1．低电平运行试验
表5所列筛选项目中最为有效对筛选设备要求也最高的是低电平运行试验。
a．继电器的低电平失效模式
继电器的触点工作在低电平微电流下，容易造成一种称之为低电平失效的失效模式，这是指当继电器切换低电平、微电流负载时，触点两端不产生飞弧（俗称打火），不能烧毁或击穿触点表面的绝缘膜，不能熔化触点表面的粗糙部分，也就不会重新形成较大的接触面以降低接触电阻。对于经过长期存放，触点表面生成钝化膜的继电器在低电平、微电流下工作，会造成接触电阻变大甚至开路的失效模式。采用常规参数测试的方法难于淘汰低电平失效的继电器，这是因为对继电器触点接触电阻进行常规测试时，在触点间要加6V的电压，触点电流可达10mA，这己足以破坏触点表面的钝化膜，使失效的继电器暂时恢复正常，难以将其在检测中淘汰，但经过一段时间的存放，触点表面又会生成钝化膜。因此这种失效模式对于有长存放期的武器系统中的电子装备危胁尤为重大。
b．低电平运行试验的原理和要求
为了能有效淘汰低电平失效及其它失效模式的继电器，需对其进行低电平运行试验。低电平运行和监测的原理如图7。由图7可知继电器低电平运行和监测的原理并不复杂，但为了保证试验的有效性和可靠性，相关标准却对低电平运行的试验方法、试验条件和监测装置做出了明确、严格甚至是苛刻的要求。
继电器低电平运行试验项目源于美军标《有可靠性指标的电磁继电器总规范》
（Mil-R-39016D），我国国军标《有可靠性指标的电磁继电器总规范》（GJB 65A-91），《电磁继电器总规范》（GJB 1042-90）和《电子及电气元件试验方法》（GJB 360A-96）参照相应的美军标也对继电器的低电平运行试验做了近乎相同的要求。
国军标规定的典型低电平运行条件为触点开路电压 10-50mV，通态电流 10-50uA。触点通态接触电阻的合格判据为47.5mV）。在监测时间上标准要求监测系统至少在每次“接通”期的40% 时间内和每次“断开”期的40% 的时间内监测接触电阻（或压降）。监测设备在继电器出现失效应能自动停机，或能记录每次失效。
c．低电平运行监测的难点
上述低电平运行及监测要求对运行、监测设备提出了苛刻的要求，除了要求其具有很高的驱动和监测精度外，特别是监测装置必须具有很强的抗干扰能力，在高、低温环境下，被试样品与监测装置可能相距1-2米的距离，监测电缆中传递的是毫伏量级的微弱信号，极易
在试验中引入干扰，造成误判。在筛选试验中一次误判就可导致将合格的继电器淘汰，而在寿命试验中则会误将整批继电器报废。因此继电器运行监测装置必须解决微弱信号的高精度检测和抗干扰等技术难点。
2．抖动监测
军用继电器通常工作在恶劣的环境条件下，其中振动、冲击条件下会导致一些有缺陷的继电器产生瞬时接触不良或开路，这将对整机和系统造成严重威胁。在振动或冲击环境条件进行抖动监测就是针对继电器的这一失效失模式。下军标规定在试验中继电器的闭合点不允许有10uS的开路，断开点不允许有1uS的短路。由于在试验中需要对继电器触点进行连续的监测，并能记录下触点的失效现象，因此需要专用的监测装置。
三．继电器的合理使用
除了对继电器进行全面的参数测试和有效的筛选之外，对继电器的合理使用也是提高继电器使用可靠性的有效方法。反之使用不当会缩短继电器的寿命，现就使用中的若干问题提出讨论。
∙ 合理选择继电器的工作电压
继电器的吸合电压一般只有其额定工作电压的二分之一到三分之二，但在使用继电器的时候一定要在其额定工作电压下工作，而不能取其吸合电压作为工作电压。这是因为在吸合电压条件下，继电器虽然己经动作，但其动合触点间的压力还未达到规定值，这将导致触点间的接触电阻偏大，如触点在大电流条件工作，就会加大触点功率，容易造成触点烧蚀，缩短工作寿命。
∙ 采用无电流切换
虽然继电器的技术指标中给出了允许的触点功率，同时也给出了相应的电气寿命，允许继电器的触点带电进行切换，但在可能的情况下还是应尽量避免触点带电切换，采用无电流切换将大大提高继电器的使用寿命。
∙ 避免在低电平、微电流下使用继电器
由于继电器存在低电平失效的失效模式，应尽量避免继电器触点工作在低电平、微电流下。在有可能的情况下可以选择固态继电器、模拟电子开关代替继电器。在一定要选用继电器切换低电平、微电流的情况下可选用干簧继电器，因为干簧继电器将触点密封在玻璃管中，而绕组在玻璃管外。这与将触点与绕组密封在同一壳体中的普通继电器相比，将明显降低触点产生钝化膜进而造成低电平失效的可能。
∙ 继电器的灭火花线路
继电器的绕组是一个电感，绕组中又有衔铁，因此在绕组通电后会贮存磁能，而在绕组断电瞬时，磁能释放会产生很高的反电势（有时高达数百伏）。这一反电势一方面容易将驱动继电器的器件（如晶体管、集成电路）击穿，另一方面会造成尖峰干扰，干扰整机和系统中其它线路的正常工作。这一问题最简单的解决办法就是在继电器的绕组上并联一只消反峰
二极管（也称续流二极管）。但应注意，消反峰二极管的加入将会明显延长继电器的释放时间。
继电器触点的并联使用
当需要继电器去切换较大的电流时，尽量选用触点电流大的继电器，而不要采用触点并联的方法（不论是一个继电器的多组触点还是多个继电器的触点并联）。这是因为继电器的各组触点很难保证接触电阻相同，在并联使用中很容易出现电流分配的不均匀。另外在触点动作的时间上也难以保证一致，这样在切换瞬时很容易出现某一组触点瞬时电流过大的现象。
参考文献