杜光遠(yuǎn)

（北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

固體繼電器在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用

杜光遠(yuǎn)

（北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

固體繼電器可靠性高，抗力學(xué)環(huán)境能力強(qiáng)，因而被廣泛地應(yīng)用到了火工品點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路中。然而，當(dāng)將固體繼電器應(yīng)用到火工品點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路中時(shí)，繼電器的漏電流和分布電容引起的耦合電壓又會(huì)給火工品的安全性帶來(lái)不良的影響。針對(duì)這種情況，在總結(jié)固體繼電器的上述特點(diǎn)對(duì)火工品點(diǎn)火電路的影響的基礎(chǔ)上，提出了在固體繼電器的控制端增加能量判別電路和電壓選擇電路來(lái)增強(qiáng)固體繼電器的抗干擾能力的技術(shù)方案，從而為固體繼電器在涉及安全的武器系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了條件。

固體繼電器；火工品；安全性；能量判別電路；電壓選擇電路

0 引言

目前，武器系裝備上使用的火工品點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路大部分都是使用電磁繼電器作為功率控制元件。這種元件具有觸點(diǎn)電阻小、斷開(kāi)狀態(tài)隔離度高、驅(qū)動(dòng)方式為功率驅(qū)動(dòng)，以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電磁繼電器內(nèi)部有運(yùn)動(dòng)部件，因而其又存在抗力學(xué)環(huán)境能力較差，以及接通和斷開(kāi)時(shí)觸點(diǎn)間容易出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象等缺點(diǎn)。電磁繼電器在吸合的瞬間，觸點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷一次復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，觸點(diǎn)碰撞所引起的回跳不僅會(huì)加劇觸點(diǎn)的磨損、燒蝕，甚至?xí)?dǎo)致觸點(diǎn)粘接、擊穿，從而嚴(yán)重地影響繼電器的可靠性與壽命[1]。

固體繼電器是具有隔離功能的電子開(kāi)關(guān)，利用光電子和微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制電路 （輸入端）與負(fù)載電路 （輸出端）之間的電耦合和電隔離，內(nèi)部無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件。固體繼電器除了具有與電磁繼電器一樣的控制功能外，還具有與邏輯電路一樣的兼容性好、開(kāi)關(guān)速度快、輸出接通電阻穩(wěn)定、瞬間切換功率大、對(duì)外界干擾小、壽命長(zhǎng)以及可靠性高等特點(diǎn)。一般情況下，軍用電磁繼電器的壽命次數(shù)能達(dá)到五級(jí)或亞五級(jí)就是比較好的了，而固體繼電器的可靠工作壽命一般能達(dá)到108～1012次[2]。固體繼電器具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此其在火工品點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

但是，當(dāng)固體繼電器被運(yùn)用到武器系統(tǒng)等環(huán)境中時(shí)，固體繼電器的某些優(yōu)點(diǎn)也可能會(huì)變成缺點(diǎn)，因此，應(yīng)用固體繼電器前必須認(rèn)真分析，謹(jǐn)慎使用。

1 漏電流的影響

固體繼電器普遍有一定的漏電流，數(shù)值一般在mA級(jí)。如果固體繼電器后端是高阻、弱電流驅(qū)動(dòng)電路，后端電路有可能在繼電器處于未導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)因漏電流而響應(yīng)，從而造成系統(tǒng)狀態(tài)異常。因此，固體繼電器后端一般應(yīng)為功率型電路，如果用弱功率電路來(lái)監(jiān)測(cè)輸出端的狀態(tài)，則一定要考慮漏電流的影響。

在武器系統(tǒng)中，如果將固體繼電器運(yùn)用在火工品點(diǎn)火的驅(qū)動(dòng)電路中，則必須對(duì)固體繼電器漏電流的大小進(jìn)行嚴(yán)格地控制。按GJB 5309.15的規(guī)定，火工品雜散電流試驗(yàn)條件為：電流脈沖幅度100±5 mA；電流脈沖寬度300±5 ms；脈沖周期 500±5 ms；脈沖個(gè)數(shù)不少于 2 000。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果火工品試樣在試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)火、不斷橋，且試驗(yàn)后的試樣在做規(guī)定的功能試驗(yàn)時(shí)能夠滿足設(shè)計(jì)性能的要求，則認(rèn)為試樣合格，否則，則認(rèn)為試樣不合格。由此可以判斷，如果固體繼電器在接通之前有小于100 mA的漏電流，該電流對(duì)火工品的性能是沒(méi)有影響的，但是，如果電流大于100 mA，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，就應(yīng)仔細(xì)分析漏電流對(duì)火工品的影響了。

2 寄生電容的影響

在固體繼電器的原極和漏極之間存在一個(gè)幾百至幾千皮的分布電容，這個(gè)電容的大小受工藝的影響。此電容的存在，能夠使繼電器的原極和漏極之間在工作電源上電瞬間短時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，表現(xiàn)為在電源上電瞬間，在輸出端可以測(cè)到一個(gè)電壓。在輸出端連接不同的負(fù)載時(shí)測(cè)到的電壓會(huì)有明顯的不同。某型固體繼電器在連接不同負(fù)載時(shí)輸出端電壓的仿真結(jié)果如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可知，輸出端的電壓與輸入端電壓上升沿的上升時(shí)間直接相關(guān)，即輸入端電壓的上升時(shí)間越短，輸出端的電壓就會(huì)越高，反之輸出電壓越低。在單獨(dú)測(cè)試固體繼電器時(shí)，因?yàn)楣ぷ麟娫粗苯咏o固體繼電器加電，所以上升沿一般較陡，輸出電壓較大。在一個(gè)系統(tǒng)中，如果供電接通瞬間電源除了有繼電器之外還有其他的容性和感性負(fù)載，則電壓上升沿一般較緩，輸出電壓也就會(huì)比電源單獨(dú)給繼電器供電時(shí)的輸出電壓小。這也說(shuō)明，固體繼電器在系統(tǒng)中使用時(shí)，上電瞬間因分布電容引起的輸出電壓一般會(huì)比較小，因而其對(duì)后端電路的影響也會(huì)較小。輸出端的電壓的峰值和高電壓的保持時(shí)間還與輸出端的負(fù)載電阻的大小有關(guān)。負(fù)載電阻大時(shí)，峰值電壓較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，反之峰值電壓較低且持續(xù)時(shí)間較短。當(dāng)負(fù)載端的電阻為100Ω時(shí)，輸出端的峰值電壓只有1.8 V，持續(xù)時(shí)間只有1.1μs。這種等級(jí)的峰值電壓和能量對(duì)后端電路的影響較小。由此可知，當(dāng)固體繼電器后端電路為功率型電路時(shí)，固體繼電器的分布電容引起的電壓耦合對(duì)后端電路的影響較小。而當(dāng)固體繼電器的輸出端連接的是測(cè)量電路時(shí)，因測(cè)量端的放大器或數(shù)據(jù)采集電路的輸入端的阻抗較大，電容耦合的峰值電壓會(huì)較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，特別是用示波器測(cè)量輸出端的電壓時(shí)，因示波器輸入端阻抗一般較大，所以能夠捕捉到耦合電壓的機(jī)會(huì)也會(huì)較大?；谝陨锨闆r，當(dāng)在固體繼電器測(cè)量電路測(cè)到了耦合電壓時(shí)，要分析固體繼電器的實(shí)際后端電路與測(cè)量電路的區(qū)別，以此分析耦合電壓的影響。在設(shè)計(jì)固體繼電器電路時(shí)，應(yīng)盡量地避免用固體繼電器驅(qū)動(dòng)高阻抗后端電路，因?yàn)檫@樣的電路可能會(huì)在電源上電瞬間由于耦合電壓的影響而發(fā)生故障。

表1 負(fù)載電阻與輸出端電壓和持續(xù)時(shí)間仿真結(jié)果

3 電壓選擇電路和能量判別電路

為了使固體繼電器適用于更多的場(chǎng)合，在設(shè)計(jì)固體繼電器或固體繼電器模塊時(shí)，一般常常在固體繼電器前端設(shè)置一個(gè)過(guò)壓及欠壓保護(hù)模塊[3]，以保證固體繼電器的工作電壓在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，固體繼電器仍能正常工作。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于提高固體繼電器在復(fù)雜電源環(huán)境下的工作可靠性具有重要的意義。

固體繼電器的轉(zhuǎn)換速度很快，轉(zhuǎn)換時(shí)間在微秒級(jí)，而且其輸入功率很小，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，如果仍然用電壓幅值對(duì)固體繼電器進(jìn)行控制，則由干擾脈沖引起的誤動(dòng)作的情況可能會(huì)發(fā)生。固體繼電器的輸入電壓和輸出電壓之間具有近似的線性放大關(guān)系。由于輸入電壓在很窄的區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓就進(jìn)入了飽和導(dǎo)通的狀態(tài)[4]，所以固體繼電器可能會(huì)因很窄的干擾脈沖電壓的影響而接通。固體繼電器的這個(gè)特性，使其在驅(qū)動(dòng)涉及安全性的火工品點(diǎn)火電路時(shí)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。而電磁繼電器實(shí)際上是一個(gè)能量驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓很高但持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，由于繼電器的線圈儲(chǔ)存的能量不足以克服繼電器的彈簧力和電磁力，所以繼電器的銜鐵不會(huì)離開(kāi)原來(lái)的位置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，因此，將這樣的電路應(yīng)用在火工品點(diǎn)火電路中可以抑制干擾電壓信號(hào)引起的誤動(dòng)作，具有較好的安全性。

如果能讓固體繼電器具有與電磁繼電器類(lèi)似的能量驅(qū)動(dòng)特性，則固體繼電器在火工品點(diǎn)火電路中應(yīng)用時(shí)的安全性也能得到保障。實(shí)現(xiàn)上述目的的最好的辦法就是在固體繼電器的輸入端增加能量判別電路和電壓選擇電路。

能量判別電路能夠?qū)斎氲目刂菩盘?hào)的能量進(jìn)行判別，將繼電器的控制方式由傳統(tǒng)的幅值控制改變成能量控制，對(duì)不滿足能量要求的干擾脈沖進(jìn)行濾除。電壓選擇電路對(duì)控制端的電壓進(jìn)行選擇，使控制端對(duì)非正?？刂齐妷翰豁憫?yīng)，從而可以避免干擾電壓誤驅(qū)動(dòng)固體繼電器接通。

能量判別電路和電壓選擇電路的工作原理示意圖如圖1所示。當(dāng)寬度小于3 ms的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)此電路時(shí)，該脈沖信號(hào)不能轉(zhuǎn)換為固體繼電器的有效輸入，可以用積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。當(dāng)電壓小于18 V的干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，可以用電壓選擇電路把這部分信號(hào)濾掉。電壓選擇功能由電壓比較器結(jié)合其他元器件共同組成的電路完成。可以通過(guò)調(diào)整積分電路中的電容、電阻的參數(shù)來(lái)控制累積能量的大小，也可以通過(guò)調(diào)整電壓選擇電路中電壓比較器的參數(shù)來(lái)調(diào)整電壓選擇的門(mén)檻，以適用于不同的環(huán)境需求。能量判別電路和電壓選擇電路的參數(shù)可以靈活地設(shè)置，也可以聯(lián)合使用，可以根據(jù)使用環(huán)境的不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

一般固體繼電器的最小接通電壓和最大關(guān)斷電壓相同，而且動(dòng)作電壓的范圍很大，這一點(diǎn)對(duì)于武器系統(tǒng)中的火工品點(diǎn)火的控制十分不利，需要利用控制前端的電壓選擇電路，對(duì)輸入的控制信號(hào)進(jìn)行判別。當(dāng)用28 V的電壓來(lái)控制固體繼電器的通斷時(shí)，接通過(guò)程中，當(dāng)控制電壓低于18 V時(shí)，繼電器不轉(zhuǎn)換，當(dāng)控制電壓高于21 V時(shí)，繼電器必須轉(zhuǎn)換 （控制電壓的持續(xù)時(shí)間小于3 ms的情況除外）；關(guān)斷過(guò)程中，當(dāng)電壓高于18 V時(shí)不應(yīng)關(guān)斷，當(dāng)控制電壓低于8 V時(shí)，必須關(guān)斷。

圖1 電壓選擇電路工作原理示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

固體繼電器可靠性高、抗力學(xué)環(huán)境能力強(qiáng)，因而被廣泛地應(yīng)用在了火工品點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路中。然而，當(dāng)將固體繼電器應(yīng)用到火工品點(diǎn)火的控制電路中時(shí)，繼電器的漏電流和分布電容引起的耦合電壓又會(huì)對(duì)火工品的安全性造成不良影響。針對(duì)這種情況，筆者提出了在固體繼電器的控制端增加能量判別電路和電壓選擇電路來(lái)增強(qiáng)固體繼電器的抗干擾能力的技術(shù)方案。在固體繼電器控制端設(shè)置能量判別電路和電壓選擇電路后，固體繼電器就具有了與電磁繼電器類(lèi)似的能量控制特性和電壓選擇特性，而且輸入能量和電壓的選擇可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，這樣不但能夠抑制很高的尖峰電壓引起固體繼電器的誤導(dǎo)通的情況[5]，而且能夠防止電壓幅值較低的干擾信號(hào)對(duì)固體繼電器產(chǎn)生影響，使固體繼電器具有了確定的、可選擇的抗干擾能力。用戶(hù)可以根據(jù)使用環(huán)境設(shè)置適合的抗干擾能力，從而為將固體繼電器應(yīng)用到控制火工品點(diǎn)火等涉及安全性的武器系統(tǒng)中提供了條件。

隨著固體繼電器技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了一些智能固體繼電器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品設(shè)置了過(guò)熱保護(hù)電路和過(guò)載保護(hù)電路[6]，在繼電器因外電路短路等原因造成過(guò)載或過(guò)熱時(shí)固體繼電器能自動(dòng)切斷輸出電路使繼電器免于損壞。但是，在應(yīng)用這類(lèi)繼電器時(shí)，要保證該繼電器的輸出斷開(kāi)不至于引起整機(jī)故障，否則，保護(hù)比不保護(hù)損失更大。建議根據(jù)實(shí)際需要，在條件允許的情況下，為關(guān)鍵繼電器設(shè)置熱備份，這樣，在一個(gè)繼電器因熱保護(hù)或過(guò)載保護(hù)而關(guān)斷后，另一只繼電器能夠承擔(dān)該繼電器的功能。

本文的前半部分分析了固體繼電器應(yīng)用在符合國(guó)軍標(biāo)要求的鈍感火工品的控制電路時(shí)漏電流和分布電容引起的耦合電壓對(duì)火工品點(diǎn)火安全性的影響，這里的分析結(jié)論不適合敏感火工品的點(diǎn)火電路控制。

[1]翟國(guó)富，樊薇薇，葉雪榮，等.具有回跳特征的電磁繼電器動(dòng)態(tài)反力計(jì)算模型 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（1）：88-94.

[2]王恒玉，朱煜，戴治興.光MOS固體繼電器及其應(yīng)用[J].機(jī)電元件，2011，31（5）：27.

[3]閆軍政，賴(lài)耀康，高曉林.大功率控制繼電器模塊化設(shè)計(jì) [C]//2010年中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十六屆電子元器件學(xué)年會(huì)論文集.2010：171-176.

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[6]趙剛，利文兵.固體繼電器智能化技術(shù) [C]//2004年中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十三屆電子元器件學(xué)年會(huì)論文集.2004：264-265.

《電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性試驗(yàn)》雜志2012、2013年增刊出版和征訂信息

隨著工業(yè)和信息化科技與產(chǎn)品的迅速發(fā)展，質(zhì)量與可靠性的科學(xué)技術(shù)滲透到工業(yè)和信息化的各個(gè)領(lǐng)域，可靠性與環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題也越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。為了擴(kuò)大可靠性與環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)的應(yīng)用范疇，探討技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，推動(dòng)科技工作的不斷創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展以及成果交流，起到總結(jié)、提高、借鑒和促進(jìn)的作用；并解決文稿積壓過(guò)多、文章發(fā)表周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，由工業(yè)和信息化部主管、工業(yè)和信息化部電子第五研究所主辦的國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行、可靠性行業(yè)內(nèi)具有權(quán)威性、影響力的專(zhuān)業(yè)科技期刊——《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)》雜志在2012年5月、2013年11月以增刊的形式，出版論文集。兩本增刊各收錄了七八十篇論文，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)、內(nèi)容和信息豐富、設(shè)計(jì)精美，歡迎訂閱。

《電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性試驗(yàn)》編輯部

The Application of Solid State Relay in W eapon System

DU Guang-yuan
（Beijing Electro-mechanical Engineering Institute，Beijing 100074，China）

With high reliability and strong ability to resistmechanical environment，solid state relay is widely applied to the ignition driving circuit of initiator.However，when applied to the ignition driving circuit of initiator，the leakage current and coupling voltage caused by distributed capacitance will bring bad influence on the security of initiator.According to this circumstance，by summarizing the influence of the characteristics of solid state relay on the ignition driving circuit of initiator，a technical proposal that energy discrim ination circuit and voltage selection circuit can be added to the control term inal of solid state relay to increase its anti-jamm ing capacity is proposed，which provides conditions for the application of solid state relay to the safety-related weapon systems.

solid state relay；initiator；security；energy discrimination circuit；voltage selection circuit

TM 58

：A

：1672-5468（2015）05-0028-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.007

2015-04-07

杜光遠(yuǎn) （1961-），男 （滿族），遼寧撫順人，北京機(jī)電工程研究所研究員，主要從事電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合電子集成技術(shù)研究工作。