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繼電器面臨新技術(shù)革命

2017-08-08

網(wǎng)絡(luò)的興起把世界帶進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一新時(shí)期。未來(lái)10年,將是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用高速發(fā)展的時(shí)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(luò)化、信息化已成為當(dāng)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(lái)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(yīng)對(duì)這種革命性的轉(zhuǎn)變。面對(duì)技術(shù)不斷創(chuàng)新、市場(chǎng)不斷出現(xiàn)新的需求,繼電器行業(yè)對(duì)自身發(fā)展的認(rèn)識(shí)應(yīng)有新的思路,應(yīng)盡快制訂從模擬技術(shù)市場(chǎng)向數(shù)字技術(shù)市場(chǎng)轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略措施,大力促進(jìn)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(duì)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(chǎng)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(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)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(dāng)今,通訊與網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)及軟件、家電等消費(fèi)類(lèi)電子正隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)一步走向融合,這種結(jié)合和一體化,已成為當(dāng)今信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。 

  IC和LSI的驅(qū)動(dòng)電壓將從5V改為3V,為進(jìn)一步降低功率將目標(biāo)定為1.5V,如采用1.5V驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)插裝技術(shù)向表面貼裝技術(shù)(SMT)發(fā)展,進(jìn)而向微組裝技術(shù)(MPT)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)方向發(fā)展。 

  在這場(chǎng)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(shí)還要大力推進(jìn)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(diǎn)開(kāi)閉電流大于2A的通用電磁繼電器(EMR),這是目前市場(chǎng)上使用量最大的一類(lèi)繼電器,按產(chǎn)品類(lèi)型劃分,已占繼電器的半壁江山。這類(lèi)繼電器技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟,近期,技術(shù)發(fā)展的新目標(biāo)是:繼續(xù)減小體積,向薄型(高5mm)和窄型(寬5mm)兩個(gè)方向發(fā)展,以進(jìn)一步降低PCB層間距離或減小PCB安裝面積;進(jìn)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(diǎn)“粘結(jié)”故障難題;在體積減小的同時(shí)提高絕緣性能,隔離電壓大于2500V,滿足BellCore和FCCPart68等標(biāo)準(zhǔn)要求;提高可靠性,高可靠不再為軍用繼電器所壟斷,對(duì)通用繼電器已提出50PPM或更高的要求。 

  低電平信號(hào)繼電器 

  低電平信號(hào)繼電器通常指最大觸點(diǎn)開(kāi)閉電流小于2A的通信繼電器,主要用于通信、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)等信息產(chǎn)品,按應(yīng)用領(lǐng)域劃分,通信繼電器約占繼電器總量25%。 

  該類(lèi)繼電器采用永磁設(shè)計(jì)以獲得較小底面積及較低的功耗,采用DIP封裝以適應(yīng)自動(dòng)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(jī)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(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)(CIMS)生產(chǎn)制造。1998年國(guó)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(biāo)準(zhǔn)要求。 

  第三代移動(dòng)通信、衛(wèi)星地面站等領(lǐng)域采用的新型高頻繼電器能無(wú)失真地傳輸信號(hào)。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(chē)?yán)^電器 

  汽車(chē)?yán)^電器泛指應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)中的各類(lèi)繼電器,約占繼電器總量的16%。對(duì)汽車(chē)?yán)^電器的要求是:小體積,大電流(有的達(dá)70A),結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐振,耐水、油、濕和鹽霧,以及超靜音等。要求汽車(chē)?yán)^電器進(jìn)行模擬汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的各種試驗(yàn),如電磁兼容(EMC)試驗(yàn)、啟動(dòng)電機(jī)的感性負(fù)載試驗(yàn)等。 

  當(dāng)今,以至今后汽車(chē)?yán)^電器的一個(gè)重要發(fā)展方向是將傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)繼電器與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,擴(kuò)展成具有故障診斷、報(bào)警和模糊控制功能的一個(gè)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(kāi)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(duì)開(kāi)發(fā)工具的運(yùn)用和熟練的編程技術(shù)及技巧。實(shí)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(guò)半導(dǎo)體結(jié)實(shí)現(xiàn)電路導(dǎo)通和關(guān)斷的一種電子式繼電器,其在各類(lèi)繼電器中增長(zhǎng)最快,在整個(gè)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(zhǎng)(達(dá)上億次,而EMR通常幾十萬(wàn)次)、EMI低、響應(yīng)速度快、控制功率低(與大多數(shù)邏輯IC兼容)和抗振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)決定了SSR具有旺盛的生命力和極強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 

  隨著電子技術(shù)、光電子技術(shù)的進(jìn)步,SSR性能將有進(jìn)一步提高:導(dǎo)通電阻降至1mΩ以下;斷路漏電流降至1μA以下,開(kāi)關(guān)時(shí)間降至10μs以下;高負(fù)載能力直流達(dá)1000A;實(shí)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(dāng)前世界熱門(mén)產(chǎn)品;二是大功率,如采用新型電力電子器件VDMOS,已達(dá)100V/30A,工作頻率100KHz,采用IGBT,已達(dá)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(dòng)電路、控制電路和過(guò)流、過(guò)壓、短路、過(guò)熱、欠壓鎖定等保護(hù)電路裝在一塊模塊內(nèi)。IPM實(shí)際上是一種功能拓展的模塊化、智能化的SSR。 

  目前,鑒于SSR價(jià)格偏高,主要用于軍事、防火、抗干擾等高檔次場(chǎng)合。隨著技術(shù)的迅速進(jìn)步,SSR會(huì)有更大的價(jià)格下降空間,其應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大。 

  微型機(jī)電繼電器 

  最近,國(guó)外已利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)開(kāi)發(fā)成功了迄今世界上最小的微型機(jī)電繼電器1.5×1.0×0.6mm。該繼電器觸點(diǎn)負(fù)荷0.3A,觸點(diǎn)接觸電阻小于300mΩ,觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)絕緣電阻大于1013Ω,動(dòng)作電壓5V,可滿足長(zhǎng)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(jì)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(biāo)是不斷提高技術(shù)性能和性能價(jià)格比,而不斷縮小外形尺寸,不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必然結(jié)果和動(dòng)力源泉。 

  試以程控交換機(jī)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(lái),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(jìn)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(yù)測(cè)第四代通信繼電器在21世紀(jì)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(yù)測(cè),10mm是繼電器外形尺寸的“極限”,后來(lái)又預(yù)測(cè)8mm、5mm 

  ,然而所有這些預(yù)測(cè)一次次被實(shí)踐所突破。目前,國(guó)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(jī)電繼電器。繼電器發(fā)展究竟有無(wú)“極限”?極限”究竟在哪里?究竟由哪些因素決定?看來(lái)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(dāng)前繼電器發(fā)展的一個(gè)重要方向,也是繼電器技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重大研究課題。國(guó)外研究力度很大,且在尋找新的途徑。我們也應(yīng)從研究繼電器技術(shù)“限制”問(wèn)題入手,探尋突破現(xiàn)有“限制”的理論和技術(shù),努力實(shí)現(xiàn)我國(guó)繼電器技術(shù)飛躍。

  由傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)繼電器向組合式繼電器發(fā)展 

  繼電器是一種自動(dòng)控制元件,而不是最終產(chǎn)品,它只有裝入整機(jī)系統(tǒng)才能發(fā)揮作用。隨著整機(jī)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(luò)化、移動(dòng)化方向發(fā)展,系統(tǒng)對(duì)功能元件的要求越來(lái)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(wú)法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求。 

  另一方面,由于繼電器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多種功能,如延時(shí)、放大、運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、報(bào)警、故障診斷、模糊控制等等。 

  正是在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)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(jī)系統(tǒng)角度出發(fā),實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。從單一開(kāi)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(shí)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(chǎng)革命,對(duì)繼電器技術(shù)有重大推動(dòng)作用。目前,組合式繼電器技術(shù)已嶄露頭角,21世紀(jì)將是組合式電器技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。我們一定要抓住這一機(jī)遇,加強(qiáng)繼電器技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用的互相融合,努力培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才,實(shí)現(xiàn)繼電器技術(shù)上的大跨越。 

  繼電器技術(shù)和其他學(xué)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(xué)科結(jié)合定會(huì)誕生一系列嶄新的繼電器領(lǐng)域和重大經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。70年代與半導(dǎo)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(jī)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(jī)械縮小,也不是繼電器簡(jiǎn)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(chǎng)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(xué)的所有領(lǐng)域,如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。 

  微型繼電器的發(fā)展開(kāi)辟了一全新的繼電器領(lǐng)域,它能實(shí)現(xiàn)許多繼電器不能完成的功能,在航天、航空、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制和軍事等許多領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。微型繼電器是跨世紀(jì)的科學(xué)技術(shù),在21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)中將有更大發(fā)展。這向我們昭示:強(qiáng)調(diào)和加強(qiáng)交叉學(xué)科的結(jié)合,對(duì)我國(guó)繼電器技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。




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