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繼電器面臨新技術革命

2017-08-08

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

  數(shù)字化、網絡化、信息化已成為當今世界科技發(fā)展的主流。模擬到數(shù)字的轉變將是未來10年內電子產品更新?lián)Q代主旋律。繼電器必須積極應對這種革命性的轉變。面對技術不斷創(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市場向數(shù)字技術市場轉變的戰(zhàn)略措施,大力促進產業(yè)結構、產品結構的高技術化,全面提升繼電器的產業(yè)結構和產品結構。 

  數(shù)字化技術發(fā)展對繼電器技術發(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)的電子產品轉向數(shù)字化信息產品:通訊設備、計算機、網絡終端產品、數(shù)字音視頻設備以及信息家電等產品。當今,通訊與網絡、計算機及軟件、家電等消費類電子正隨著數(shù)字化技術的快速發(fā)展進一步走向融合,這種結合和一體化,已成為當今信息技術和信息產業(yè)的重要發(fā)展趨勢。 

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

  在這場世界信息技術革命浪潮中,繼電器技術和產業(yè)一定要以前瞻性的新技術、新產品去滿足新興產業(yè)和新的生產技術工程化、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為基礎的轉變。 

  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,按產品類型劃分,已占繼電器的半壁江山。這類繼電器技術發(fā)展已相當成熟,近期,技術發(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”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、網絡產品、計算機等信息產品,按應用領域劃分,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品是第三代程控交換機通信繼電器,14.0×7.0×5.5,140mW,結構采用平衡力式極化型,由計算機集成系統(tǒng)(CIMS)生產制造。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),結構堅固耐振,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)的開關繼電器與微電子技術、計算機技術相結合,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為雨刮控制器。組合式繼電器技術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及技巧。實現(xiàn)產品向智能化、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和混合電路構成、通過半導體結實現(xiàn)電路導通和關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、光電子技術的進步,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,開關時間降至10μs以下;高負載能力直流達1000A;實現(xiàn)多組轉換等。 

  SSR產品發(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、電力電子技術和控制技術于一體的高科技產品,是在新型功率器件—絕緣柵雙極晶體管IGBT的基礎上,采用SMT和厚膜IC工藝,將IBGT芯片、最優(yōu)化柵極驅動電路、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。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)縮小結構和材料將不斷創(chuàng)新 

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

  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新技術、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“限制”問題入手,探尋突破現(xiàn)有“限制”的理論和技術,努力實現(xiàn)我國繼電器技術飛躍。

  由傳統(tǒng)的開關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,由于繼電器設計及工藝水平的提高,已可將微電子技術、光電子技術、智能控制技術等移植到繼電器,內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。從單一開關功能的傳統(tǒng)繼電器轉變?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發(fā)展的必然結果。這是繼電器領域的一場革命,對繼電器技術有重大推動作用。目前,組合式繼電器技術已嶄露頭角,21世紀將是組合式電器技術真正快速發(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)繼電器技術上的大跨越。 

  繼電器技術和其他學科相結合將產生新的繼電器領域 

  繼電器技術一旦與其他學科結合定會誕生一系列嶄新的繼電器領域和重大經濟增長點。70年代與半導體技術、光電技術相結合誕生了SSR。最新的典型例證便是使用MEMS技術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,而是由微電子技術發(fā)展而引發(fā)的一場微小型化革命的產物,是微電子技術與精密加工技術交叉的前沿研究領域。它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域,如電子技術、機械技術、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,在21世紀知識經濟中將有更大發(fā)展。這向我們昭示:強調和加強交叉學科的結合,對我國繼電器技術發(fā)展具有重要的意義。




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