欧姆龙一般继电器的原理及使用之欧阳化创编.docx
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欧姆龙一般继电器的原理及使用之欧阳化创编
欧姆龙一般继电器的原理及使用
时间：
2021.02.12
创作人：
欧阳化
故障解析下表中记载了继电器动作发生问题时的故障分析表。
请根据下表对电路等进行检查。
另外，如果电路检查时没有发现异常，估计故障来自于继电器时，请向本公司销售人员咨询（请不要拆开继电器。
否则会导致故障原因无法确定）。
继电器由线圈部分、接点部分、铁芯部分、其他结构部分组成，但这些部分中最容易出现故障的是接点部位，其次是线圈部位。
可是，这些故障大部分是因为使用方法、使用条件等外部原因造成，因此可以在使用之前进行充分研究，作出正确选择后可以防止大部分故障的发生。
下表列举了有关继电器的主要故障模式，并列出了可能的原因和对策。
故障
原因
对策
（1）动作不良
①线圈额定电压选择错误
②配线不良
③没有输入信号
④电源电压的下降
⑤电路电压的下降
（特别是附近的大型机器工作时或长距离配线时要注意）
⑥使用环境温度上升引起工作电压（感应电压）的上升
（特别是直流型）
⑦线圈断线
①重新选择额定电压
②线圈端子之间的电压确认
③线圈端子之间的电压确认
④电源电压的确认
⑤电路电压的确认
⑥继电器的单独动作测试
⑦·由烧坏引起时参照（3）项
·由电气腐蚀作用引起时，要确认线圈电压的外加极性
（2）复位不良
①输入信号断开不良
②迂回线路引起向线圈外加电压
③半导体电路等组合电路引起残留电压
④线圈和电容器并联引起复位延迟
⑤接点的熔接
①线圈端子之间的电压确认
②线圈端子之间的电压确认
③线圈端子之间的电压确认
④线圈端子之间的电压确认
⑤有关熔接，请参照（4）项
（3）线圈烧坏
①线圈外加电压不合适
②线圈额定电压选择错误
③线圈层间短路
①重新选择额定电压
②使用环境的再次确认
③使用环境的再次确认
（4）接点熔接
①连接负载设备过大（接点容量不足）
②开关频率过大
③负载电路的短路
④蜂鸣导致接点的异常开关
⑤达到规定的耐久次数
①负载容量的确认
②开关次数的确认
③负载电路的确认
④参照（7）项的蜂鸣章节
⑤接点额定值的确认
（5）接触不良
①接点表面的氧化
②接点的磨损、劣化
③使用不良导致端子错位及接点错位
①·使用环境的再次确认
·重新选择继电器
②达到规定的耐久次数
③使用时注意
·耐振动、冲击
·焊接作业
（6）接点的异常消耗
①继电器选择不适合
②对负载机器考虑不足（特别是马达负载、螺线管负载、灯负载）
③无接点保护电路
④邻接接点之间耐压不足
①重新选择
②重新选择
③追加火花消弧电路等
④重新选择继电器
（7）蜂鸣
①线圈外加电压的不足
②电源纹波过大（直流型）
③线圈额定电压选择错误
④输入电压缓慢上升
⑤铁芯部位的磨损
⑥可动铁片和铁芯之间混入异物
①线圈端子之间的电压确认
②纹波系数的确认
③重新选择额定电压
④电路的添加更改
⑤达到规定的耐久次数
⑥除去异物
「控制设备的正确使用方法」（NECA发行）控制用继电器篇
终端继电器使用注意事项
●各产品的个别注意事项，请参见各产品的「请正确使用」栏。
●安装
要连接多个进行安装时，考虑继电器自身发热，应使其保持在55℃以下，或设置间隔等。
（G3S4型为80℃）
●继电器的更换
·拆卸G6B-4CB、G6B-4□□ND、G3S4型继电器时，如右图所示请使用工具（P6B-Y1）。
·G6B-F4B/-4B、G3DZ-F4B/-4B，请使用终端继电器上所带的拆卸工具。
·更换继电器时，请务必在切断电源的状态下进行。
·安装继电器时，请垂直插入，以使继电器端子牢固插入插座接插件插针内。
·G6B-48BND（高可靠性型）中为提高可靠性，直接焊接到基板，因此不可更换继电器。
·不可混有异种电压规格的继电器。
●布线
请注意输入侧○＋、○－的极性。
另外，G3S4-D型中在输出侧也有极性，敬请注意。
●线圈外加电压
·请勿连续施加超过最大容许电压的线圈外加电压。
·在线圈输入中平行连接其他感性负载等时，当电源中含有浪涌时，请勿使用。
否则浪涌吸收用二极管会破损。
●使用
·请勿使产品落下，施加异常的振动冲击或者在端子上施加蛮力。
·使用时请事先确认继电器是否有上浮。
●安装螺钉的紧固
·端子螺钉的紧固转矩
0.78～1.18N·m
·在面板等上直接固定螺钉时
0.59～0.98N·m
●设置场所
请勿设置在以下场所，可能会导致故障及误动作。
·阳光直射处。
·环境温度超过0～55℃范围的地方。
·相对湿度超出10～90%范围的地方，温度变化急剧，发生结露的地方。
·有腐蚀性气体、可燃性气体的地方。
·尘埃、盐分、铁粉多的地方。
·在本体上直接传递振动、冲击的地方。
·有水、油、药品等飞沫的地方。
●分解
请勿进行分解、修理、改造。
否则妨碍正常的动作，引起触电等。
●配备继电器
终端继电器型号
配备继电器型号
G6D-4B/-F4B
G6D-1A-ASI
G6DZ-4B/-F4B
G3DZ-2R6PL
G6B-4CB
G6B-2114P-US
G6B-4BND
G6B-4FB1ND
G6B-4FPND
G6B-1114P-FD-US
G6B-47BND
G6B-1174P-FD-US
注1.G6B-48BND的继电器不可更换。
注2.插座的电压规格和继电器的电压规格必须吻合。
注3.不可混入异种电压规格的继电器。
一般继电器Q＆A
Q1:
请教适合微小负载开关双接点的继电器的型号。
A1:
在微小负载开关中，推荐可靠性高的横臂双接点或双接点的继电器。
〈代表性系列名称〉
G2A系列、MY4Z-CBG系列................横臂双接点
MY4Z系列、MK□ZP系列................双接点
Q2:
并列连接2个继电器接点后，开关容量会是2倍吗？
A2:
不会是2倍。
实际上由于2个接点并不总是同时ON/OFF（时间多少有偏差），因此在某个瞬间，1个接点上会承受所有负担。
Q3:
动作时间、复位时间包含反弹时间吗？
A3:
不含反弹时间。
动作时间→线圈上通电后到a接点（接通接点）为ON之前的时间。
复位时间→将线圈OFF后，到a接点（接通接点）为OFF之前的时间（c接点的情况下，为到b接点之前的时间）
Q4:
请教线圈电压AC100/（110）V机型中（）的含义。
A4:
AC100/（110）表示线圈是额定品3。
额定品3
AC10050Hz
AC100V60Hz
AC110V60Hz
AC100/110V为额定品4，AC110V50Hz也为额定。
MY、LY系列等中也有额定品4。
Q5:
请教如何考虑微小负载领域下的接触可靠性
A5:
开关微小负载时，有时接点的接触电阻可能会成为问题。
即使产生偶发性的高接触电阻值，在下一个动作也会恢复。
另外，由于生成接点保护膜等，有时接触电阻值会上升。
关于接触电阻值，该值是否为故障，应根据使用电路上是否产生问题来判断。
因此，继电器接触电阻的故障标准仅规定初始值，最小适用负载作为一个标准，通过P水准（参考值）等来表现故障率。
另外，继电器接点中有的接点适合微小负载开关，有的并不适合。
一般继电器参考资料
■外部条件、环境、周围环境对继电器的影响●线圈
与电源的关系
（1）在直流继电器中、
线圈电流=外加电压/线圈电阻
（2）在交流继电器中，线圈的电感系数产生影响，因此需要考虑线圈阻抗。
另外，线圈阻抗根据频率而发生变化，如果以60Hz下的特性为100%，在50Hz下使用同一继电器时，其特性如下表所示。
但是，根据继电器不同，该值也会发生变化，因此使用前请确认。
额定电流、消耗功率、温度上升
约117％
动作电流
约100％
动作电压、复位电压
约85％
（3）关于线圈应注意以下几点：
在DC操作继电器中，带动作表示、带浪涌吸收用二极管继电器及保持继电器的情况下有极性。
极性弄错可能会导致元件损坏、动作不良，敬请注意。
如果在AC操作继电器上外加DC电压，线圈发热，可能造成烧损。
相反如果在DC操作继电器上外加AC电压，可动铁片反复振动，不能正常动作。
与温度的关系
线圈中所使用的铜线的电阻，对于温度变化，约受0.4％/℃的影响。
这种情况直接对继电器的动作特性产生影响。
这使电磁铁产生吸引力,使线圈电流发生变化。
在交流操作继电器中，由于线圈直流电阻的比率相对于线圈阻抗较小，温度引起的动作特性（动作电压·复位电压）的变化也变少。
另外，在直流电压操作的继电器中，线圈电阻的变化对线圈的温度上升产生影响。
这是根据线圈电流的变化，引起消费功率的增减，温度上升值仅根据温度所引起的线圈电流变化率而进行变化。
代表性示例如下所示。
环境温度的定义
继电器自身的发热、其他设备的发热使控制柜内的温度上升。
使用环境温度应为盒子内继电器附近的温度。
电气腐蚀
继电器线圈在非工作状态下暴露在高温、高湿的环境中，而且线圈卷线和铁芯等其他金属之间有电位差时，如果它们之间的绝缘不充分，两者间流通的离子化电流，将可能腐蚀线圈上所卷的铜线。
与在金属上进行电镀的作用相同，通过酸、碱等，将可促进该作用。
在以往的继电器中，往往忽视这种现象，但是最近在卷轴材方面开发出了特性较好的塑料，而且卷线的绝缘材也开发出了聚氨酯类、聚脂、聚酰胺、特氟龙等特性优良的材料，减少了一部分危险性。
要防止电气腐蚀，应避免在高温、高湿中保管及使用。
在电路构成方面应注意开关的位置，使其不在卷线上施加+电位，需要考虑+接地等。
右边列举了良性示例和不良示例。
●动作时间与形状和动作时间的关系
继电器的动作时间由延迟时间（线圈时间常数、惯性力矩引起的）、接点切换时间等决定，但是这些值根据继电器的形状而不同。
例如，铁芯和可动铁片之间空隙较大的继电器，带电磁铁（使用磁气电阻较大的材质）的继电器中，为降低其电感系数的值而缩小时间常数，但反而减少了吸引力，吸引可动铁片所需的时间也变长。
这种倾向，在直流操作继电器中尤为显著。
因为电磁铁的吸引力与铁芯、可动铁片间的空隙的平方成反比，降低后发生这种现象。
因此在高速继电器中，可缩小空隙，使用高透磁率材料，减少线圈卷线等。
在交流操作下，由于启动时流通的电流大于额定电流，与直流操作不同，与形状无关。
此外，对于惯性力矩，间接驱动形比较有效，在可动铁片开始动作时不会施加较大的负载载荷。
另外，接点的切换时间几乎由可动铁片的动作直接传达，因此其动作应尽可能地小，而且为通过动作全行程顺利动作，要考虑载荷和吸引力的平衡。
接点的反弹受可动铁片的动作速度，可动部分的重量，接点弹簧的弹性等要素的影响。
一般接点弹簧、接触片的形状、制动块的构造等应缓和动作时的冲击能量。
线圈外加电压（电流）与动作时间的关系继电器的动作时间受线圈的外加电压（电流）支配。
如下图所示，施加若干超出动作电压的电压时，线圈电流达到动作电流之前的时间；克服可动部惯性到可动部开始动作之前的时间；吸引力克服负载载荷，可动部加速，接点切换之前的时间，由于任何一个都延长，因此其动作时间也大幅延长。
另一方面，施加大幅超过动作电压的电压时，任何一个都缩短，动作时间也提前。
线圈外加电压和动作时间的关系如上所述，但线圈外加电压与其他特性也有关系，因此规定了线圈额定电压。
线圈温度和动作
继电器温度一发生变化，继电器接点弹簧的弹性、摩擦状态、线圈电阻等也发生变化。
但是，其中对动作时间产生较大影响的是线圈电阻的变化。
已经在继电器的动作原理部分对这一点进行了说明。
电磁铁的动作与电流有关。
在直流电磁铁下，电流可表示为以下公式。
i：
线圈电流
R：
线圈电阻
E：
线圈外加电压
ι：
线圈的时间常数L/R
t：
从电压外加时经过的时间
在这里线圈温度若是上升，如前面所述，线圈电阻在0.4％/℃下变大，线圈时间常数（L/R）的R（线圈直流电阻）也变大，因此接点的等待时间就缩短，动作时间也在变快的方向上产生作用。
相反，线圈电阻的增加引起线圈电流的减少，因此在电压操作的继电器中，动作时间反而变长。
下图表示关于电压操作和电流操作各自动作时间相对于线圈温度而发生的变化。
如大型继电器那样动作时间要花费数10ms的继电器，即使温度变化，也不会发生较大变化，在10ms以下的小型继电器中可以看到温度引起的变化的倾向。
●使用周围环境
银移动（silvermigration）
银的移动现象是银端子（电极）间长时间施加直流电压，在湿度及氧化还原环境的条件下，称为银移动。
随着这种现象的进行，可能会降低绝缘性，偶尔在电路间发生短路等故障。
银移动发生以及进程加速的条件中尚有较多不明确的地方，不能一概而论，一般总结为以下几点。
发生条件
加速条件
银的存在
·外加电压高，绝缘距离短。
（电位频率高）
·绝缘材料的吸水率高。
·氧化还原性气体
（SO2、H2S、NH3）等的存在
长期施加直流电压
吸湿性高的绝缘物
在高温、高湿中使用
本公司的一般继电器中，未进行端子银电镀处理，因此不会发生银移动。
晶体管触须线（catwhisker）
若长期保存电镀的零件，可以看到在表面长有针状的结晶。
由于该结晶像触须或者形状与猫的胡须相似，所以称为触须线。
根据该金属结晶的长度，有时会造成电路间的短路故障。
发生触须的原因尚不明确，但是在底材为黄铜、锌，电镀为锡、锌等的情况下，特别容易发生。
本公司的一般继电器由于采用了焊接电镀及特殊镀锌，已经对这些触须采取了相应的对策，但是在零件设计、印刷基板、模式设计时，在镀锌镀锡零件和电气电路之间应保持充分的绝缘距离等。
热带处理继电器
内置于产品单件、设备中，船舶通过热带地区时，可能会暴露在高温、多湿下。
在此环境下为保护金属材料，本公司备有变更包装规格后的热带处理继电器。
环境引起的接点老化
即使完全不使用继电器，长期保管，接点也会有老化。
例如，如下表所示，受大气中所含硫黄、碱等的影响。
库存多年的情况下，或使用镀金接点、包金接点等继电器，或在出厂时实施通电检查。
地区
检测元素
接点表面观察结果
（Ag接点放置12个月后）
化学工场
Ag、S
可以看到全部接点上几乎都有均一致密的腐蚀生成物，分析检测出Ag2S
制铁厂
Ag、S
可看出全面不规则的凹凸，各处散布柱状结晶，分析检测出Ag2S，膜厚约100A°左右
汽车道
Ag、S、CL
细微的球状结晶稀疏散布，各处白部分Ag2S极薄，膜厚为20A°左右
●接点接点的固有特性
如果从使用上来考虑接点的特性，是指接触电阻稳定，寿命越长越好，为了满足这些条件，“接点追踪”、“接点压力”是两个重要因数。
接点压力在一般使用的银或者其合金中为5～50g，金、铂、钯等贵金属接点中一般为3～10g。
由于开关容量小，抗环境性比较好，因此贵金属接点下的值较小。
接点追踪中即使接点的接触部分有某种程度的消耗，也需要接触。
该接点追踪与接点压力有着密切的关系，两者的积为接点部分的工作量。
在限定的工作量中，或增大接点压力，或增大接点追踪，使用不同的方法，其接触性也不同。
例如，接点压力大，而接点追踪小时，初期可以看出是否稳定。
但是随着接点的消耗，接点压力急剧减少，不久接触消失。
相反接点压力小，接点追踪大时，不会发生如前所述的情况。
但是接触电阻变高，难以破坏保护膜等。
因此带适度接点追踪和接点压力的继电器，可以说是好的继电器。
接触电阻可以分为集中电阻和界面电阻（保护膜电阻）。
接点接触乍一看上去好像是整个面的接触，但实际由于接点的形状、表面的粗糙度等，只是接触了1点或者多点。
电流集中流通到这个接触点而产生的电阻就是集中电阻。
从“基本构成和动作原理”可以发现与接点硬度、接点压力、接点材质的固有电阻有关。
这个接触部的模型如下所示。
即接触是比外观更小的接触面积，电流在集中状态下流通。
以下表示测量接点压力和接触电阻关系时的实际示例。
另外，接点如果暴露在空气中，不能避免氧化保护膜、硫化保护膜等的生成，引起这些反应的电阻称为界面电阻（薄膜电阻）。
一般在使用接点前的状态下，集中电阻所占的比例较大，在使用中，由于电弧引起消耗、机械性磨损等，相反界面电阻增多。
这些根据动作频率而有所不同。
在频率大的接触面上比较清洁，界面电阻（薄膜电阻）较小，频率小的上面可能会生成相当高的电阻保护膜。
另外，样本目录等上记载有接触电阻值。
这些值只不过是用标准性试验方法规定的初始值。
实际上，需要使用符合各自装置的接触电阻。
一般负载阻抗的容许值，除像传送声音电流时，失真、衰减造成问题的特殊情况外，接触电阻值为可容许负载阻抗的1～5%。
负载条件和接点
继电器上发生的故障中，多半是接点接触性问题所引起的，根据负载条件不同，其故障内容也有所不同。
负载条件可大致分为微小能源·水平（小功率电路）、中间能源·水平、高能源·水平。
微小能源·水平，严格地来讲称为机械性接触电路，是指不会因热、放电等接点的接触状态而发生变化的负载条件。
但是在实际情况中，即使施加某种程度的电压，由于接触状态不变化，因此包含其负载条件在内，进行定义。
对接触状态不产生影响的界限电压称为接点软化电压（SofteningVoltage），银为0.09V、金为0.08V、铂为0.25V、钨为0.6V。
中间能源·水平是指引起轻度放电现象的负载条件，从接点软化电压到电弧开始放电的电压。
电弧开始放电的电压，银为12V、金为15V、铂为17.5V、钨为15V，10%的钯银合金为11V。
高能源·水平是指电弧开始放电电压以上的电压。
有关接点的特殊问题
接点根据使用方法会发生特殊现象。
以下表示这些内容。
（1）负载开关时的异常腐蚀现象
这个现象是负载开关时的电弧和空气中的N、O结合，一般生成HNO3腐蚀金属材料（硝酸腐蚀）。
对策：
1.通过消弧电路减少负载开关时的电弧量。
2.减少开关频率，消除持续的电弧。
3.降低使用环境的湿度。
（2）金属（coherer）效果
是接点通过接点表面的保护膜接触时，接点电压达到某个值以上后，该保护膜被电气性破坏，接触电阻急剧降低的现象。
（3）热电动势
继电器接点构成材料的材质由功能多种多样的金属（银、铜合金等）组合而成。
这些构成材料的接合部，由于距离发热体（例如线圈）距离及传热路径的不同等而产生温度差。
其结果是在接点端子间产生热电动势（约数μV～约数10μV）。
特别是使用微小信号时要注意。
使用闭锁（保持）继电器，由于线圈的通电时间缩短，控制线圈发热来降低热电动势，或使用热电动势小的继电器（特别顾及了接点导电部的材质形状）等来降低热电动势。
各负载条件下的接触性
在微小能源水平和高能源水平下，在接点中发生的现象完全不同。
前者是接点消耗较少，但是有无接触不良的问题。
后者是接点的消耗、熔化、转移等的问题。
在微小能源水平下，接点的清洁度最为重要。
附着不导通物质，生成不导通的保护膜是造成接触不良的主要原因。
不导通物质有土沙，纤维等尘埃。
但在微小负载用的继电器中，接点的导线、接点压力较小，因此这类物质附着在接触面后，会引发接触不良。
这种问题与接点材质无关，主要是继电器的选择以及使用方法方面的问题。
生成不导通保护膜是由于空气中含有的水分、油脂或者氧化物、其他继电器自身及建筑物排出来的有机气体、汽车等的排气、工厂的煤烟、焊接的焊剂、工程人员的指纹等。
对于不导通保护膜。
需要在继电器构造、接点材质、环境整顿等方面采取对策。
一般使用的银接点较容易氧化硫化。
但是其中的氧化保护膜对于接触性没有较大的影响，而硫化保护膜有较大影响。
这种情况下使用难以发生硫化的贵金属。
一般使用钯、金、铂等和银的合金接点。
另一方面，铂系的接点利用苯、汽油等释放的不饱和性有机气体，生成绝缘体的粉末（褐色粉末）。
金不会生成保护膜，因此接触性稳定，但由于较柔软，低接点压力下接触部分会变形，变形后不可使用。
因此在钯等的2层接点的上层使用或者用于保护接点的金保护膜等。
在微小负载也可引起放电的条件下，接点氧化，燃烧空气中含有的可燃性物质，生成碳化保护膜。
碳化保护膜不是完全的绝缘体，有时可达到数10～数100Ω。
在高能源水平下，电弧放电由于持续产生能源，接点开关时熔蚀接点，使其成为金属蒸气并飞散等，造成接点的消耗。
另外从一方接点分离的金属粒子与其他方的接点结合，引起接点转移，然后接通时可能会引起溶解结合等接点故障。
直流时，像交流一样，电压或者电流没有零点，即使是相当小的负载，电弧也可持续较长时间。
在这样的负载条件下，因金属粒子的附着、绝缘物的碳化会引起绝缘老化，因此需要注意绝缘物的材质、形状。
接点故障根据负载种类而有所不同。
变压器、电机、灯等的负载中有较大的冲击电流流通，因此常有接点熔化事故发生。
在灯、电机、变压器、螺线管等中流通数倍到数10倍的电流。
在电机、变压器、螺线管等感性负载中，断路时发生较大的逆起功率。
这个电压为达到恒定电压的4～20倍，有时会消耗接点、破坏负载。
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