什么是電弧？電弧是如何產生的？怎么才能熄滅？電弧對繼電器觸點壽命有什么影響？ 

這些是這里將討論的一些問題。希望您能夠更好地理解如何盡可能延長繼電器觸點壽命。 

但首先，我們花一點時間來定義幾個我們將要用到的術語。 

首先是“收縮面”，指接觸表面要吸合的第一個極小區域，以及要斷開的最后一個點。 

第二個是“熔化電壓”，指存在于收縮面上足以使其上的接觸材料熔化的電壓量。 

第三個是“弧電壓”，指存在于由小間隙隔開的觸點上并將導致放電穿過間隙的電壓量。 

最后是“弧電流”，指剛好維持弧電壓放電引起的電弧所需的電量。 

請記住這些術語，接下來，我們將帶您進入繼電器觸點世界—一個相當嚴酷的環境。我們從微觀角度來看看觸點電弧的影響。 

如您所知，觸點電弧的最終結果是縮短了觸點壽命。根據電弧的嚴重程度和持續時間，每次電弧點燃時，都會出現觸點腐蝕。這種腐蝕會導致觸點材料損耗，從而導致出現兩種情況之一。

圖 1 第一種情況

第一種情況是觸點損耗太多材料，以致于無法以電氣方式閉合負載電路。第二種情況是一個觸點損耗太多材料，這些材料都轉移到另一個觸點上，導致出現尖峰和凹坑的結果。

圖 2 第二種情況

有關交流負載切換中同步的重要說明

術語“同步”與交流負載切換相關，本應用說明中多次使用這一術語。在本上下文中，同步是繼電器操作，使觸點在負載電源電壓波形的同一點處或主要在負載電壓正弦波上的同一極性處接通和/或斷開。

 這種同步將導致觸點材料在觸點之間凈轉移。這增加了觸點機械鎖定和/或焊接的概率，從而縮短了預期的觸點壽命。除非另有說明，否則我們發布的所有額定值和壽命測試結果均基于相對于負載電源頻率的隨機切換。 

引起觸點與線路頻率意外同步的原因包括但不限于以下情況：

• 微控制器與電源頻率同步

• 晶閘管與電源頻率同步

• 驅動線圈的直流電源濾波不足

• 傳感器電路中的感應線路頻率噪聲

設計電路時要小心，因為設計不當的預期“零交叉”電路在較大電流和相同極性下可能會導致觸點閉合，尤其會導致觸點彈跳。 

另一個可能不時會發生的嚴重電弧結果是接觸焊接。但通常在發生這種情況時，有證據表明繼電器被錯誤地應用在電壓和/或電流遠大于該特定繼電器可處理的電路中。 

關于尖峰和凹坑的情況，當情況變得足夠嚴重時，高點（即尖峰）可能會以機械方式掛在凹坑的邊緣。然后，當繼電器斷電時，觸點無法打開，負載處于不受控的接通狀態。毋庸置疑，誰都不想發生這種情況。 

通常，尖峰和凹坑材料轉移條件與直流應用相關。但是，我們開始注意到，即使在一些交流電應用中，尖峰和凹坑材料的轉移也顯而易見。這是因為，在這些應用中，繼電器的運行與交流線路電壓同步。這種同步通常是由于運行繼電器的固態邏輯或微機電路的交流線路同步所致。如果同步正好發生在或接近線路電壓峰值，那么每次繼電器觸點運行時，它們的運行電壓等于或接近 170 伏特或 340 伏特，當然，具體取決于線路電壓是 120 伏特還是 240 伏特。 

如果應用要求電路時鐘與交流線路同步，則應包含附加電路以實現繼電器的隨機操作。或者，也可以設置同步，使繼電器觸點在零電流或接近零電流時打開。 

這里還有一條關于尖峰和凹坑材料轉移的備注。不要自動假設是觸點電弧導致發生此類轉移。可能不是如此。即使在沒有電弧點燃的電路中，也可能發生材料轉移。這是因為電路電壓大于觸點材料的熔化電壓，當觸點剛剛接觸或剛剛分離時，材料就會熔化，從較熱的觸點、陽極流到較冷的觸點、陰極，并留在那里。在真正實現隨機操作的交流應用中，材料先從一個方向轉移一次，再從另一個方向轉移一次。最終結果是，每個觸點都不會獲得明顯的材料增益。但在直流應用或繼電器同步到交流線路的應用中，材料轉移始終朝同一方向，并可能導致尖峰和凹坑情況。 

當電弧點燃時，材料從陰極觸點轉移到陽極觸點。因此，對于觸點的任何給定操作，在電弧點燃之前，材料都會從陽極轉移到陰極，然后在電弧點燃時，材料從陰極轉移到陽極。電弧期間的轉移量通常最大。但請記住，正如剛才所述（這很重要），在真正隨機的交流應用中，任一觸點的凈材料增益均可忽略不計，而在直流應用或與交流線路同步的應用中，有一個觸點可能會獲得顯著的材料增益。 

現在，我們來看看觸點閉合時會發生什么。如果在高倍顯微鏡下查看繼電器觸點的表面，您會看到表面非常不規則，由深低點和許多高點組成，某些點比其他點更高。

當觸點剛剛接觸時，接觸的第一個高點要承受滿載電流。即使負載電流只是幾分之一安培，該高點中產生的 I2R 熱量也會立即導致該高點熔化，甚至可能沸騰。該高點周圍的空氣過熱，開始因電子損失而出現電離。如果 I2R 能量足夠，該高點可能會達到 5,000 開爾文或更高的溫度，并可能爆炸，從而在觸點之間的間隙中留下過熱、電離的空氣和金屬離子。根據觸點材料和此氣隙上的電壓應力（即爆炸瞬間的觸點電壓），電離的氣隙可能開始將電子電流從陰極傳導到陽極。觸點之間的這種放電實際上是電弧的開始。如果負載電流超過觸點材料的弧電流額定值，則電弧將包含足夠的能量來維持自身。如果沒有超過，則觸點之間的放電不會導致電弧點燃。 

如果電弧點燃，由于湯姆森效應，沿弧柱存在一個溫度梯度，陰極是較熱的觸點。也就是說，熱量將從陰極流向陽極。I2R 熱量最大的陰極點可能會沸騰，從而釋放出原子甚至分子排放物。這些排放物被拉過弧柱，沉積在稍冷的陽極觸點上。當然，這就是電弧焊的原理。隨著觸點繼續一起移動，所有這一切大概在 10 納秒或稍長時間內發生。 

電弧會一直存在，直到下一個或多個高點形成為止。同樣，這些高點的熱量可能會導致它們熔化。熔化時，它們開始分散，從而增加觸點接通的面積。當觸點一起有力地移動時，這種液化金屬可能會飛濺，導致材料損耗。當觸點之間的熔融金屬冷卻時，觸點將以正常方式凍結在一起。與繼電器應用不當時可能發生的災難性焊縫不同，當繼電器斷電時，該焊縫較弱，容易在繼電器彈簧力作用下破裂。現在，回想一下！電弧點燃之前到底會發生什么？電弧是由負載電流或電壓造成的嗎？當然，電弧必須有介質才能傳播，觸點之間的電離間隙就是這種介質。而且是觸點高點的負載電流加熱導致了離子產生。但正是觸點間隙兩端存在的電壓導致了電弧點燃。這個電壓不一定是負載電壓，也可能是電路電壓。也就是說，在觸點接通時，電路中可能存在一定量的電容通過觸點充電。

另外，如果在觸點之間使用消弧電容器，則此電容將通過繼電器觸點自行放電。

放電浪涌電流可能在幾納秒或稍長時間內達到數百安培。為了限制這種放電電流，消弧電容器應與一定量的電阻串聯。但是，在沒有專用電容的電路中，仍可能有足夠的雜散電容在觸點接通時引起瞬時過流。許多電路設計人員經常忽視這一事實。

觸點斷開時，電弧以類似方式點燃。當觸點開始分離時，攜帶負載電流的接觸區域越來越小。負載電流開始匯入這個狹窄區域，I2R 熱量開始增加。最后一個接觸點熔化，當觸點繼續分離時，觸點之間將拉伸出一條熔融金屬的薄橋。間隙中的空氣開始電離。薄橋中的 I2R 能量會產生非常大的能量，實際上會導致薄橋爆炸，從而將金屬離子灑在間隙中。同樣，如果觸點電壓足夠，電弧將點燃。 

不同的觸點材料具有不同的額定弧電壓。對于純銀，弧電壓為 12 伏特。對于鎘，為 10 伏特；而對于黃金和鉑金，則為 15 伏特。我們假設觸點是純銀。在熔融薄橋爆炸后的幾納秒內，如果材料為銀，并且電路電壓為 12 伏特或更大，則會發生電壓導通。如果電路電壓小于 12 伏特，則無法發生導通，也就不會出現電弧。 

當電弧在分離的觸點之間點燃時，只要有足夠的能量饋電，電弧就會持續存在。只要電弧存在，材料轉移就會繼續下去。在直流應用中，電弧只能通過拉伸到其自身阻抗導致其熄滅的長度或在其他點斷開電路才能熄滅。但在許多應用中，觸點間隙足夠大，電弧在觸點完全打開之前就會熄滅。因此，對于給定觸點額定值，繼電器的額定值如果為 120 伏特交流，那么直流電壓額定值要低得多，通常為 28 或 30 伏特直流。也就是說，這個間隙要足夠大，確保在交流周期性擺動到零時，任何交流電弧都會迅速熄滅。但是這個間隙不足以讓 110 伏特的直流電弧熄滅。 

在交流應用中，根據電離空氣的溫度，即使弧電流每半周期降至零，電弧也可能在電流過零后重新點燃。這是因為觸點之間仍然存在正離子，并且不需要太多能量即可重新點燃電弧。 

人們早就認識到，與純銀相比，銀氧化鎘觸點在電弧存在的情況下具有更長的使用壽命。一種理論認為，由于氧化物涂層材料在充分加熱后會產生負離子，因此銀氧化鎘產生的負離子會導致正離子在電流過零后過早重組。這種重組會導致電弧提前熄滅，并可能防止電流過零后重新點燃。這似乎表明，在預期出現電弧的交流應用中，使用適當消弧方法保護的銀氧化鎘觸點將具有較長壽命。我們不會在這里介紹消弧技術，因為這是另一個名為“繼電器觸點保護”的應用說明的主題。關于消弧，我們在這里將只說明適當的抑制會延長觸點壽命。此外，通過消弧，可將電磁干擾（簡稱 EMI）控制在較低限度。EMI 是弧柱中原子作用的結果。在電弧等離子體中，觸點表面受到原子、正負離子和電子的轟擊，一些轟擊可通過電場加速，另一些轟擊會引起電子的二次發射，從而可能會在廣泛的頻率范圍內輻射能量。通過快速進行電弧淬火，可以盡可能減弱這種作用。結果往往是顯著減少了電磁和無線電頻率干擾。 

總之，要確保電弧繼電器觸點具有較長壽命，適當的繼電器和觸點應用以及盡可能采取消弧措施非常重要。 

注意繼電器與交流線路電壓同步的交流應用。如果同步不可避免，請設置時鐘，使繼電器觸點操作在零電流或接近零電流時發生。 

而且，當出現嚴重的電弧情況時，請選擇采用銀鎘觸點材料的繼電器。