Испытания герконовых переключателей и реле на надёжность

Окончание. Начало в №2-2016 бюллетеня «Компоненты TI»

Надёжность и конструкция герконовых контактов

Ничто другое в проектировании герконовых переключателей не является более спорным вопросом, чем конструкция контактов переключателя. Какое покрытие контактов следует использовать? Рутениевое, родиевое или иридиевое? Следует ли его наносить гальванизацией или напылением? Какова правильная толщина покрытия? Как выбранное покрытие будет вести себя при пусковых токах и других жёстких нагрузках? Какую структуру слоёв следует использовать? Корпорация Coto Technology имеет многолетний опыт оценки таких вопросов. Мы уверены, что напылённое рутениевое покрытие является наилучшим вариантом для всех применений в области ATE. Твёрдость и высокая точка кипения рутения по сравнению с другими металлами платиновой группы обеспечивают превосходные характеристики износа и устойчивости к залипанию контактов. Нанесение рутения напылением — более медленный и дорогостоящий процесс, чем нанесение электролитического покрытия, обычно используемое изготовителями переключателей, однако оно даёт превосходную надёжность контактов, устраняя примесные включения. Эти качества были продемонстрированы контролируемыми одновременными испытаниями герконовых переключателей Coto и переключателей, изготовленных нашими конкурентами. Недавнее независимое исследование подтверждает эти выводы Ошияма и др. [5] пришли к выводу, что перенос металла в условиях горячего переключения является главной причиной отказов в виде залипания и что переключатели с рутениевыми контактами были в семь раз меньше подвержены этому эффекту, чем переключатели с родиевыми контактами.

Системы для испытания реле

К системам для испытания долговечности реле предъявляются уникальные требования, включая необходимость быть более надёжными, чем испытываемые ими устройства. По причине уникальных требований к системам для испытания долговечности реле корпорация Coto Technology в 1980 г. разработала и создала свой первый специализированный тестер долговечности и с тех пор несколько раз модернизировала систему. Теперь у Coto есть шесть тестеров под названием Coto System 300, установленных в штаб-квартире корпорации на Род-Айленд в США и на производстве в Мехикали в Мексике (рисунок 2).

 Coto Technology System 300

Рисунок 2. Coto Technology System 300. Система для испытаний долговечности реле

Каждая система имеет 32 испытательных канала, способных испытывать герконовые переключатели при нагрузках, которые могут варьировать от 0,03 В, 1 мА (30 мкВт) до 60 В, 1 А (60 Вт). Вспомогательные модули формирователей позволяют использовать нагрузки до 150 В, 10 А (1500 Вт) или 1000 В, 10 мА (10 Вт). Модульные съёмные платы нагрузок позволяют настраивать резистивные, емкостные, индуктивные или гибридные нагрузки (рисунок 3).

 System 300

Рисунок 3. System 300. Плата нагрузок системы для испытаний на долговечность

Частота испытательных циклов обычно устанавливается равной 200 Гц или разворачивается с шагом 10 Гц до диапазона в 255 Гц. Мягкие залипания и пропуски проверяются в каждом цикле переключения. Если обнаруживается любое из них, система ждёт 0,5 с и проверяет, присутствует ли всё ещё отказ, и регистрирует жёсткое залипание или жёсткий пропуск, если таковой имеется. Кроме того, через запрограммированные интервалы выполняются параметрические измерения сопротивления контактов; эти показатели могут быть впоследствии использованы для построения графика с целью оценки деградации сопротивления контактов в ходе выполненного испытания на долговечность.

Зарегистрированные данные по долговечности экспортируются в формат Microsoft Excel для последующей обработки статистических показателей надёжности с помощью коммерческих программных средств для оценки надёжности.

У Coto также есть специализированное оборудование для испытаний на надёжность, которое может испытывать отдельные реле при ВЧ-нагрузках в диапазоне частоты свыше 20 кГц и до 1 МГц, при нагрузках до 300 В, 6 А. Такие реле обычно используются в радиовещании и медицинском оборудовании. Камера для испытаний на воздействие окружающей среды компании Coto также позволяет проводить испытания на долговечность при температурах от -40 до +150 °С в режимах статической или циклической температуры.

Получение высочайшей надёжности от своих герконовых реле

Вы приняли решение использовать герконовые реле в своём следующем коммутационном проекте и выбрали, какое изделие Coto представляется вам подходящим. Специалист по применению проверил ваше предполагаемое использование и подтвердил, что вы сделали наиболее подходящий выбор. Что вы можете сделать в ходе процесса проектирования, чтобы обеспечить получение максимальной надёжности? Вот несколько подсказок:

  1. Холодное переключение, если это возможно. Это не всегда целесообразно, но если вы можете спроектировать свою систему так, чтобы реле переключались только тогда, когда ток выключен, срок службы реле значительно удлинится.
  2. Избегайте реактивных нагрузок. Герконовые реле наиболее надёжны при переключении резистивных нагрузок. Высокие пусковые токи от ёмкостных цепей могут вызвать преждевременный отказ контактов или даже приваривание контактов, а индуктивные нагрузки могут вызвать чрезмерное образование электрических дуг при размыкании. Обратитесь в компанию Coto за технической поддержкой, если вы предполагаете, что вам придётся переключать реактивную нагрузку.
  3. Поддерживайте достаточное для переключения напряжение обмотки. Для реле с номинальным напряжением катушки 5 В обычно будет указано рабочее напряжение, при котором оно должно срабатывать, равное 3,8 В. Постарайтесь обеспечить, чтобы подаваемое на катушку напряжение было хотя бы на 25% выше, то есть 4,75 В. Это превышение на 25% будет гарантировать прочное замыкание контактов, увеличивающее срок службы реле.
  4. Магнитное взаимодействие. Если реле предполагается расположить на печатной плате вплотную друг к другу, позаботьтесь о том, чтобы они были ориентированы так, чтобы минимизировать магнитное взаимодействие. Обычно это означает ориентирование реле с противоположной полярностью. Оптимальные схемы расположения приведены в каталоге Coto.
  5. Используйте реле с оболочкой из чёрных металлов. Многие реле Coto предлагаются с металлическим экраном, который сводит к минимуму магнитное взаимодействие и поддерживает максимальное уплотнение. По возможности выбирайте реле с оболочкой.
  6. Поддерживайте низкую рабочую температуру. Сопротивление катушки герконового реле увеличивается на 0,39% при повышении температуры на каждый градус Цельсия. Если допустить, что вы используете источник питания катушки постоянного напряжения, повышение температуры на 50 °С приведёт к увеличению сопротивления катушки на 20% и к соответствующему снижению на 15% подаваемой на катушку мощности. Это снижает его превышение напряжения обмотки над порогом переключения и может снизить долговечность реле.
  7. Поддерживайте напряжение катушки после замыкания реле. Избегайте использования таких ИС управляющей цепи реле, которые позволяют понизить напряжение катушки после того, как реле замкнётся, чтобы сэкономить энергию (или просто выключите запрограммированное снижение). У большинства маленьких герконовых реле недостаточная разница между напряжениями втягивания и отпускания, чтобы таким образом поддерживать превышение, и долговечность может пострадать.
  8. Используйте для катушек реле независимый источник питания. Катушки реле являются индуктивными и могут отсылать по линиям питания потенциально опасные пиковые броски. Нормой хорошего проектирования является обеспечение независимого БП для катушек реле. Рассмотрите вариант внешнего подавления индуктивных пиковых бросков для всех реле, у которых нет встроенных диодов.
  9. Запрограммируйте периодический тренировочный цикл (для реле формы С). Герконовые реле формы C, которые активируются только иногда, длительное время простаивают с нормально замкнутыми контактами. Это может иногда приводить к инерционности контактов, когда реле активируется в первый раз, или в редких случаях реле может остаться залипшим в нормально замкнутом положении. Программирование периодических вспышек срабатывания реле может значительно ослабить проблему.

Распределение Вейбулла и расчёт его параметров

Это распределение широко описывается в литературе по надёжности. Число циклов до отказа для выборки реле или переключателей аппроксимируется методами наименьших квадратов с использованием функции распределения Вейбулла с двумя параметрами F(t), где

Формула

где F(t) — функция ненадёжности, t — время или циклы до отказа, η и β — параметры распределения Вейбулла.

Это уравнение можно линеаризовать с помощью преобразований:

Формула

После линейной регрессии x по y наклон линии y наклон линии регрессии = β, а отрезок = β loge(η)1.

При заданном числе циклов до отказа для определённой выборки реле значения F(t) можно вычислить при помощи аппроксимации Бернарда для медианных рангов:

Формула

где j — порядковый номер ранга для отказа, а N — общее число отказов. При обращении с цензурированными данными от образцов, которые прошли испытание без отказа, следует принимать специальные предосторожности.

MCBF изделия и его доверительные пределы после этого вычисляются исходя из подобранных параметров η и β. Параметр η (эта) — это ресурсная характеристика, или ресурс для 63,2% отказа. Параметр наклона распределения Вейбулла β особенно полезен, поскольку его величина связана с характеристиками износа испытываемого изделия. Значение β < 1 указывает на отказы типа «детской смертности», число которых потенциально можно сократить путём производственных усовершенствований или изготовления или отсеять отбраковочными испытаниями. Значения β > 1 более желательны, поскольку они указывают на нормальные механизмы износа после периода надёжной работы. Типовые значения β для герконовых реле обычно находятся в диапазоне от 1,5 до 4.

Описанное выше уравнение регрессии может быть подобрано при помощи программного обеспечения электронных таблиц общего назначения, такого как, например, Microsoft Excel. Однако обработка наборов данных с цензурированными данными недостаточно сложна. Такие имеющиеся в продаже программные пакеты, как Reliasoft Weibull++ [6] или Minitab [7], значительно упрощают вычисления, а также имеют встроенную возможность расчёта таких дополнительных параметров, как доверительные пределы.

MCBF можно рассчитать исходя из шкалы Вейбулла [2] по формуле:

Формула

где Γ(z) — гамма-функция. Эта функция имеется в таблицах и легко вычисляется в электронной таблице с помощью разложения в ряд (таблица 2). Программное обеспечение Reliasoft Weibull++ имеет калькулятор MCBF, упрощающий работу.

Таблица 2. Вычисление гамма-функции [8]

Разложение в ряд 2 для 1/r(z)
6.1.34

Формула

k Ck
1 1. 00000 00000 000000
2 0. 57721 56649 015329
3 -0. 65587 80715 202538
4 -0. 04200 26350 340952
5 0. 16653 86113 822915
6 -0. 04219 77345 555443
7 -0. 00962 19715 278770
8 0. 00721 89432 466630
9 -0. 00116 51675 918591
10 -0. 00021 52416 741149
11 0. 00012 80502 823882
12 -0. 00002 01348 547807
13 -0. 00000 12504 934821
14 0. 00000 11330 272320
15 -0. 00000 02056 338417
16 0. 00000 00061 160950
17 0. 00000 00050 020075
18 -0. 00000 00011 812746
19 0. 00000 00001 043427
20 0. 00000 00000 077823
21 -0. 00000 00000 036968
22 0. 00000 00000 005100
23 -0. 00000 00000 000206
24 -0. 00000 00000 000054
25 0. 00000 00000 000014
26 0. 00000 00000 000001

Для получения дополнительной информации обращайтесь к менеджерам компании Сканти.

Литература

  1. Weibull W. «A Statistical Distribution of Wide Applicability», J. Appl. Mech.18: 293-297 (1951).
  2. Dodson B. Weibull Analysis, Milwaukee WI: American Society for Quality, 1994 (ISBN 0-07389-295-X).
  3. Sutherland E. F. "Predicting Early Failure of Dry Reed Contacts", Proc. 25th Annual Relay Conference, Oklahoma State University, April 26/27, 1977.
  4. Gusciora R. H. "A Statistical Study of Contact Attributes and Reed Relay Life", Proc. 27th Annual Relay Conference, Oklahoma State University, April 24/25, 1979.
  5. Oshiyama Y., M. Fukushima and F. Katada. "Life Time Diagnosis of Reed Relays Operated Under Hot Conditions". Proceedings of the 50th Int'l Relay Conference, Newport Beach, Ca., USA, April 1417, 2003. pp. 4/1-4/5.
  6. Reliasoft Weibull++ Version 7 (Reliability Statistics Software). Tucson AZ: Reliasoft Corporation. www.reliasoft.com.
  7. Minitab Version 15 for Microsoft Windows (Statistical Software). State College PA: Minitab Inc. www.minitab.com.
  8. Abramowitz, Milton; Stegun, Irene A., eds. (1972). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, New York: Dover Publications, ISBN 978-0486-61272-0.

1 Поскольку ошибки по времени до отказа больше ошибок оценок ненадёжности, общепринятой практикой является назначение логарифмического преобразования времени до отказа в качестве зависимой переменной и выполнение регрессии x по y, а не более привычной y по x. Также можно использовать другие методы для оценки параметров регрессии Вейбулла, такие как оценка по методу максимального правдоподобия (ММП). Подробные сведения приведены в документации к программному обеспечению Reliasoft Weibull++ [6] и документации к Minitab [7].