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繼電器面臨新技術(shù)革命

2017-08-08

網(wǎng)絡的興起把世界帶進了經(jīng)濟發(fā)展的又一新時期。未來10年,將是信息技術(shù)和網(wǎng)絡應用高速發(fā)展的時期。繼電器作為電子信息業(yè)的支撐產(chǎn)業(yè)以及作為利用電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),其技術(shù)發(fā)展將是革命性的。 

  數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化已成為當今世界科技發(fā)展的主流。模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變將是未來10年內(nèi)電子產(chǎn)品更新?lián)Q代主旋律。繼電器必須積極應對這種革命性的轉(zhuǎn)變。面對技術(shù)不斷創(chuàng)新、市場不斷出現(xiàn)新的需求,繼電器行業(yè)對自身發(fā)展的認識應有新的思路,應盡快制訂從模擬技術(shù)市場向數(shù)字技術(shù)市場轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略措施,大力促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高技術(shù)化,全面提升繼電器的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 

  數(shù)字化技術(shù)發(fā)展對繼電器技術(shù)發(fā)展的要求是:微型化、薄型化(表面貼裝);低功耗、低損耗(綠色化);高頻化;抑制EMI/RFI;高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性;多功能化、組合化、模塊化、智能化。 

  繼電器主要市場正從傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向數(shù)字化信息產(chǎn)品:通訊設(shè)備、計算機、網(wǎng)絡終端產(chǎn)品、數(shù)字音視頻設(shè)備以及信息家電等產(chǎn)品。當今,通訊與網(wǎng)絡、計算機及軟件、家電等消費類電子正隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展進一步走向融合,這種結(jié)合和一體化,已成為當今信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢。 

  IC和LSI的驅(qū)動電壓將從5V改為3V,為進一步降低功率將目標定為1.5V,如采用1.5V驅(qū)動信號繼電器,將要求繼電器功耗低于50mW?,F(xiàn)代組裝技術(shù)正由自動插裝技術(shù)向表面貼裝技術(shù)(SMT)發(fā)展,進而向微組裝技術(shù)(MPT)、微機電系統(tǒng)(MEMS)方向發(fā)展。 

  在這場世界信息技術(shù)革命浪潮中,繼電器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)一定要以前瞻性的新技術(shù)、新產(chǎn)品去滿足新興產(chǎn)業(yè)和新的生產(chǎn)技術(shù)工程化、智能化的需要,同時還要大力推進繼電器自身加速向以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)變。 

  小型功率繼電器 

  小型功率繼電器通常指最大觸點開閉電流大于2A的通用電磁繼電器(EMR),這是目前市場上使用量最大的一類繼電器,按產(chǎn)品類型劃分,已占繼電器的半壁江山。這類繼電器技術(shù)發(fā)展已相當成熟,近期,技術(shù)發(fā)展的新目標是:繼續(xù)減小體積,向薄型(高5mm)和窄型(寬5mm)兩個方向發(fā)展,以進一步降低PCB層間距離或減小PCB安裝面積;進一步降低功耗,大力研制和推廣環(huán)保型以及節(jié)能保持型繼電器,努力解決觸點“粘結(jié)”故障難題;在體積減小的同時提高絕緣性能,隔離電壓大于2500V,滿足BellCore和FCCPart68等標準要求;提高可靠性,高可靠不再為軍用繼電器所壟斷,對通用繼電器已提出50PPM或更高的要求。 

  低電平信號繼電器 

  低電平信號繼電器通常指最大觸點開閉電流小于2A的通信繼電器,主要用于通信、網(wǎng)絡產(chǎn)品、計算機等信息產(chǎn)品,按應用領(lǐng)域劃分,通信繼電器約占繼電器總量25%。 

  該類繼電器采用永磁設(shè)計以獲得較小底面積及較低的功耗,采用DIP封裝以適應自動插裝和SMT的需要。 

  目前通信繼電器的主流產(chǎn)品是第三代程控交換機通信繼電器,14.0×7.0×5.5,140mW,結(jié)構(gòu)采用平衡力式極化型,由計算機集成系統(tǒng)(CIMS)生產(chǎn)制造。1998年國際上已推出第四代通信繼電器,10.0×6.5×5.0,0.7g,100mW;表面貼裝型,耐熱260℃、5~10s焊接熱;隔離電壓大于2500V,滿足BellCore和FCC等標準要求。 

  第三代移動通信、衛(wèi)星地面站等領(lǐng)域采用的新型高頻繼電器能無失真地傳輸信號。適用于W—CDMA方式的小型高頻繼電器(2.5GHz),其插入損耗:0.2dB以下,隔離度:60dB以上,電壓駐波比:1.2以下。

  汽車繼電器 

  汽車繼電器泛指應用在汽車工業(yè)中的各類繼電器,約占繼電器總量的16%。對汽車繼電器的要求是:小體積,大電流(有的達70A),結(jié)構(gòu)堅固耐振,耐水、油、濕和鹽霧,以及超靜音等。要求汽車繼電器進行模擬汽車運行狀態(tài)的各種試驗,如電磁兼容(EMC)試驗、啟動電機的感性負載試驗等。 

  當今,以至今后汽車繼電器的一個重要發(fā)展方向是將傳統(tǒng)的開關(guān)繼電器與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合,擴展成具有故障診斷、報警和模糊控制功能的一個功能部件,即組合式繼電器。例如,雨刮繼電器從單純的繼電器轉(zhuǎn)為雨刮控制器。組合式繼電器技術(shù)主要在硬件和軟件開發(fā) 

  。硬件方面,廣泛采用微控制器(MCU)、專用IC(ASIC)以及SMT、SMD(表面貼裝器件)。軟件方面,對開發(fā)工具的運用和熟練的編程技術(shù)及技巧。實現(xiàn)產(chǎn)品向智能化、系統(tǒng)集成化、模塊化及滿足環(huán)保、低功耗要求方面發(fā)展。 

  固態(tài)繼電器(SSR) 

  SSR是由電子元器件、IC和混合電路構(gòu)成、通過半導體結(jié)實現(xiàn)電路導通和關(guān)斷的一種電子式繼電器,其在各類繼電器中增長最快,在整個繼電器中的比重不斷上升,目前約占8%。與EMR相比,SSR具有可靠性高、壽命長(達上億次,而EMR通常幾十萬次)、EMI低、響應速度快、控制功率低(與大多數(shù)邏輯IC兼容)和抗振動等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢決定了SSR具有旺盛的生命力和極強的市場競爭力。 

  隨著電子技術(shù)、光電子技術(shù)的進步,SSR性能將有進一步提高:導通電阻降至1mΩ以下;斷路漏電流降至1μA以下,開關(guān)時間降至10μs以下;高負載能力直流達1000A;實現(xiàn)多組轉(zhuǎn)換等。 

  SSR產(chǎn)品發(fā)展方向:一是微型化,如光MOSSSR3.9×4.09×2.0mm,已成為當前世界熱門產(chǎn)品;二是大功率,如采用新型電力電子器件VDMOS,已達100V/30A,工作頻率100KHz,采用IGBT,已達1700V/800A,工作頻率150KHz;三是模塊化(如I/O模塊、IPM模塊等)、組合化、智能化。 

  IPM(智能功率模塊)是集微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品,是在新型功率器件—絕緣柵雙極晶體管IGBT的基礎(chǔ)上,采用SMT和厚膜IC工藝,將IBGT芯片、最優(yōu)化柵極驅(qū)動電路、控制電路和過流、過壓、短路、過熱、欠壓鎖定等保護電路裝在一塊模塊內(nèi)。IPM實際上是一種功能拓展的模塊化、智能化的SSR。 

  目前,鑒于SSR價格偏高,主要用于軍事、防火、抗干擾等高檔次場合。隨著技術(shù)的迅速進步,SSR會有更大的價格下降空間,其應用將進一步擴大。 

  微型機電繼電器 

  最近,國外已利用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)開發(fā)成功了迄今世界上最小的微型機電繼電器1.5×1.0×0.6mm。該繼電器觸點負荷0.3A,觸點接觸電阻小于300mΩ,觸點斷開時絕緣電阻大于1013Ω,動作電壓5V,可滿足長途通信和數(shù)據(jù)通信以及要求體積小、精度高的電子裝置的需要。 

  目前,微型繼電器雖尚處研發(fā)階段,但在21世紀必將得到飛速發(fā)展,前景不可限量。 

  繼電器外形尺寸將繼續(xù)縮小結(jié)構(gòu)和材料將不斷創(chuàng)新 

  繼電器發(fā)展目標是不斷提高技術(shù)性能和性能價格比,而不斷縮小外形尺寸,不斷進行結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新正是實現(xiàn)這一目標的必然結(jié)果和動力源泉。 

  試以程控交換機用通信繼電器為例。自第一代通信繼電器于70年代投產(chǎn)以來,差不多以每十年更新一代的速度向前發(fā)展,到80年代生產(chǎn)的第二代通信繼電器外形尺寸已縮小到20.0×10.0×9.0mm(200mW),再到90年代生產(chǎn)的第三代通信繼電器尺寸又縮小為14.0×7.0×5.5mm(140mW),直到1998年推出的第四代通信繼電器尺寸更進一步縮小到10.0×6.5×5.0mm(100mW)。從第三代到第四代的更迭已縮短為8年。預測第四代通信繼電器在21世紀初將成為通信繼電器的主流產(chǎn)品。 

  繼電器這種外形尺寸的縮小,是否意味著已逐漸逼近其物理“極限”?早在30年前,就曾有人預測,10mm是繼電器外形尺寸的“極限”,后來又預測8mm、5mm 

  ,然而所有這些預測一次次被實踐所突破。目前,國際上除第四代通訊繼電器外,還大量生產(chǎn)3.9×4.1×2.0mm的SSR,近期更推出了1.5×1.6×0.6mm的微型機電繼電器。繼電器發(fā)展究竟有無“極限”?極限”究竟在哪里?究竟由哪些因素決定?看來突破這些“限制”發(fā)展新一代繼電器及相關(guān)新技術(shù)、新材料乃是當前繼電器發(fā)展的一個重要方向,也是繼電器技術(shù)發(fā)展中的一個重大研究課題。國外研究力度很大,且在尋找新的途徑。我們也應從研究繼電器技術(shù)“限制”問題入手,探尋突破現(xiàn)有“限制”的理論和技術(shù),努力實現(xiàn)我國繼電器技術(shù)飛躍。

  由傳統(tǒng)的開關(guān)繼電器向組合式繼電器發(fā)展 

  繼電器是一種自動控制元件,而不是最終產(chǎn)品,它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮作用。隨著整機系統(tǒng)向高可靠(減少連線)、高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡化、移動化方向發(fā)展,系統(tǒng)對功能元件的要求越來越高,希望多功能化、組合化、系統(tǒng)集成化、模塊化、智能化,單一功能的傳統(tǒng)繼電器已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。 

  另一方面,由于繼電器設(shè)計及工藝水平的提高,已可將微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、智能控制技術(shù)等移植到繼電器,內(nèi)部集成各種器件和電路,如MCU、ASIC等,使之能實現(xiàn)多種功能,如延時、放大、運算、顯示、監(jiān)控、報警、故障診斷、模糊控制等等。 

  正是在需求牽引和技術(shù)推動的雙重作用下,出現(xiàn)了智能化的多功能的組合式繼電器。組合式繼電器更能從整機系統(tǒng)角度出發(fā),實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。從單一開關(guān)功能的傳統(tǒng)繼電器轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ艿慕M合式繼電器不僅是一種概念上的突破,同時也是繼電器技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。這是繼電器領(lǐng)域的一場革命,對繼電器技術(shù)有重大推動作用。目前,組合式繼電器技術(shù)已嶄露頭角,21世紀將是組合式電器技術(shù)真正快速發(fā)展的時期。我們一定要抓住這一機遇,加強繼電器技術(shù)與系統(tǒng)應用的互相融合,努力培養(yǎng)復合型創(chuàng)新人才,實現(xiàn)繼電器技術(shù)上的大跨越。 

  繼電器技術(shù)和其他學科相結(jié)合將產(chǎn)生新的繼電器領(lǐng)域 

  繼電器技術(shù)一旦與其他學科結(jié)合定會誕生一系列嶄新的繼電器領(lǐng)域和重大經(jīng)濟增長點。70年代與半導體技術(shù)、光電技術(shù)相結(jié)合誕生了SSR。最新的典型例證便是使用MEMS技術(shù)研制成功的微型機電繼電器。該微型繼電器既不是傳統(tǒng)繼電器外形尺寸的機械縮小,也不是繼電器簡單的拓展和延伸,而是由微電子技術(shù)發(fā)展而引發(fā)的一場微小型化革命的產(chǎn)物,是微電子技術(shù)與精密加工技術(shù)交叉的前沿研究領(lǐng)域。它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領(lǐng)域,如電子技術(shù)、機械技術(shù)、光學、物理學、化學、材料科學、能源科學等。 

  微型繼電器的發(fā)展開辟了一全新的繼電器領(lǐng)域,它能實現(xiàn)許多繼電器不能完成的功能,在航天、航空、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境控制和軍事等許多領(lǐng)域都有十分廣闊的應用和市場前景。微型繼電器是跨世紀的科學技術(shù),在21世紀知識經(jīng)濟中將有更大發(fā)展。這向我們昭示:強調(diào)和加強交叉學科的結(jié)合,對我國繼電器技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。




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