一文簡單介紹繼電器

作者：Jeff Smoot

在數(shù)不清的消費(fèi)、商業(yè)、工業(yè)應(yīng)用和系統(tǒng)中，繼電器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們經(jīng)常會(huì)被不經(jīng)意地用于日常系統(tǒng)中。例如，在調(diào)節(jié)家用火爐、點(diǎn)按電視遙控器或操作電梯時(shí)，我們就要使用繼電器。繼電器最初構(gòu)想于 1835 年，當(dāng)時(shí)是用來建立遠(yuǎn)距離電報(bào)連接，后來經(jīng)改造又用于電話交換機(jī)。雖然本身不起眼，但仍一如既往地高效可靠地運(yùn)行。

從實(shí)用的角度來看，繼電器的功能就是電氣開關(guān)。無論是近距離還是遠(yuǎn)距離，全都利用低功率信號(hào)來控制高功率電路。繼電器的固有設(shè)計(jì)有助于有效隔離低功率信號(hào)和高功率電路，通常稱為電隔離。這種隔離可確保用戶的電氣系統(tǒng)安全穩(wěn)健地運(yùn)行。繼電器具有多功能性，因?yàn)樗鼈兛捎糜谡{(diào)節(jié)單個(gè)電路或多個(gè)電路，還可用作放大器或斷路器。

此外，繼電器還能夠遠(yuǎn)程控制設(shè)備電源，從而增強(qiáng)安全措施，尤其是在可能對(duì)操作員造成身體危害的工業(yè)流程中。這些多功能器件采用多種封裝，提供各種電流容量、安裝選項(xiàng)和物理基底面，因而像無處不在的常用開關(guān)一樣獲得普遍使用。

繼電器 - 工作原理

為了更好地理解這個(gè)主題，我們可將繼電器分為兩種基本類型：機(jī)電式繼電器 (EMR) 和固態(tài)繼電器 (SSR)。關(guān)鍵區(qū)別在于有無活動(dòng)部件。

在這兩種類型中，機(jī)電式繼電器的歷史最為悠久，其中包括觸頭、電樞、彈簧和電磁鐵。在最基本的操作中，彈簧維持電樞的位置。通電時(shí)，電磁鐵對(duì)電樞產(chǎn)生吸引力，使其移動(dòng)并閉合一組觸頭，從而讓電流流過電路。

圖 1：機(jī)電式繼電器的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（圖片來源：[CUI Devices]）

相反，固態(tài)繼電器與機(jī)電式繼電器的基本用途相同，但完全是電子元件，沒有活動(dòng)部件。這種繼電器出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì) 50 年代后期。它們包括輸入電路、控制電路和輸出電路，可用于調(diào)節(jié)電流。當(dāng)施加的電壓超過規(guī)定的始動(dòng)電壓時(shí)，控制電路會(huì)觸發(fā)繼電器。一旦電壓降到壓差以下，繼電器就會(huì)停用。

機(jī)電式繼電器與固態(tài)繼電器的比較（續(xù)）

與任何電子元件技術(shù)一樣，機(jī)電式繼電器和固態(tài)繼電器都有各自明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，需要加以考慮。

由于機(jī)電式繼電器的設(shè)計(jì)已有兩個(gè)世紀(jì)的歷史，因此是一種操作簡便的穩(wěn)定器件，在涉及高電流和危險(xiǎn)環(huán)境在內(nèi)的各種應(yīng)用中，均表現(xiàn)出良好的可靠性。它們提供完全的電氣隔離，能夠耐受高電流和電壓浪涌，而且不受電磁干擾和射頻干擾 (EMI/RFI) 等電氣噪聲的影響。

但是，由于機(jī)電式繼電器有活動(dòng)部件，因此隨著時(shí)間的推移，它會(huì)出現(xiàn)物理退化，觸頭會(huì)因腐蝕和氧化而損壞。它們可能容易發(fā)生接觸電弧，導(dǎo)致點(diǎn)蝕和短路。由于它們的機(jī)械特性，它們?nèi)菀资艿經(jīng)_擊和振動(dòng)造成的觸頭顫動(dòng)的影響，而且會(huì)產(chǎn)生自身的 EMI/RFI 噪聲。此外，外部磁場(chǎng)可能影響繼電器的工作。

相比之下，固態(tài)繼電器的工作壽命更長，由于設(shè)計(jì)中沒有活動(dòng)部件，因此控制功率顯著降低。這些器件能提供更快的開關(guān)循環(huán)，消除了電弧和觸頭顫動(dòng)，而且不受外部機(jī)械沖擊、振動(dòng)或磁場(chǎng)的影響。與機(jī)電式繼電器相比，固態(tài)繼電器的工作電壓范圍較小，因而適用于電子設(shè)備，但不太適合大功率應(yīng)用。

但是，由于本身獨(dú)特的設(shè)計(jì)，固態(tài)繼電器可能容易受到電壓或電流瞬變以及 EMI/RFI 噪聲的影響。所產(chǎn)生的熱量往往高于機(jī)械式繼電器，而且可能對(duì)環(huán)境溫度非常敏感。值得注意的是，若是使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體開關(guān)，在本質(zhì)上無法實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與負(fù)載之間的完全電氣隔離，但可以使用光電耦合器件中的光電元件來實(shí)現(xiàn)，從而隔離輸入和輸出信號(hào)。

圖 2：固態(tài)繼電器的基本內(nèi)部原理圖。（圖片來源：CUI Devices）

常見繼電器類型

市場(chǎng)上有多種繼電器類型可供選擇，每種類型都是為滿足特定的應(yīng)用要求而量身定制。值得注意的是，雖然制造商對(duì)產(chǎn)品的具體命名可能略有不同，但主要的繼電器類型可以大致歸總?cè)缦拢?/p>

• 通用型： 這些是常見的機(jī)電式繼電器，使用交流或直流電，工作電壓范圍為 12 至 230 V，能夠控制 2 至 30 A 的電流。
• [ 信號(hào) ]：信號(hào)繼電器可用于控制低功耗負(fù)載，電流通常小于 2 A。如需了解更多信息，請(qǐng)參閱 CUI Devices 的[“信號(hào)繼電器 - 了解基礎(chǔ)知識(shí)”]一文。
• [ 功率 ]：功率繼電器專門設(shè)計(jì)用于管理大功率負(fù)載，能最大限度地減少發(fā)熱和電弧。如需了解更多信息，請(qǐng)參閱 CUI Devices 的[“功率繼電器簡介”]一文。
• 機(jī)器控制 ：這些是耐用的重載繼電器，適用于大型工業(yè)應(yīng)用。
• 自鎖 ：自鎖繼電器會(huì)保持設(shè)定或復(fù)位狀態(tài)（開或關(guān)），直至收到反相電壓信號(hào)。
• 磁簧 ：磁簧繼電器結(jié)構(gòu)緊湊，操作便捷。這些繼電器使用電磁鐵控制一個(gè)或多個(gè)密閉式磁簧開關(guān)，因而不受外部污染物或濕氣的影響。
• 零開關(guān) ：當(dāng)施加控制電壓且負(fù)載電壓接近于零時(shí)，這些繼電器會(huì)激活負(fù)載。當(dāng)控制電壓消失時(shí)，它們會(huì)斷開負(fù)載。

圖 3：使用繼電器執(zhí)行零開關(guān)的基本原理。（圖片來源：CUI Devices）

• 峰值開關(guān) ：當(dāng)施加控制電壓且負(fù)載電壓位于峰值時(shí)，峰值開關(guān)繼電器會(huì)激活負(fù)載。當(dāng)控制電壓消失且電流負(fù)載接近于零時(shí)，它們會(huì)斷開負(fù)載。
• 瞬時(shí)開啟 ：瞬時(shí)開啟繼電器在施加始動(dòng)電壓時(shí)立即激活負(fù)載。
• 延時(shí) ：延時(shí)繼電器內(nèi)置計(jì)時(shí)器，可基于時(shí)間控制事件。
• 模擬開關(guān) ：模擬開關(guān)繼電器對(duì)輸出電壓進(jìn)行管理，將其作為輸入電壓的函數(shù)，從而在繼電器額定值范圍內(nèi)提供無限的輸出電壓。
• 光耦合 ：這些是固態(tài)繼電器，可以響應(yīng)內(nèi)部光源進(jìn)行開關(guān)，從而提供控制電路和電源電路之間的隔離。
• 軍用/高可靠性 ：這些繼電器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，能夠在條件苛刻的惡劣環(huán)境下工作。

繼電器可以進(jìn)一步分類為常開型 (NO) 和常閉型 (NC)，前者在電路不通電時(shí)觸頭斷開；后者在電路不通電時(shí)觸頭閉合?？傊诓煌姇r(shí)，繼電器通常被指定為 NO 或 NC。

額定值和配置

繼電器的額定值基于本身通過器件安全切換電力的能力。這些額定值可分類為交流和直流，通常以安培為單位。繼電器的額定值必須等于或大于所要控制的器件，這一點(diǎn)非常重要。

繼電器具備同時(shí)控制多個(gè)電路的能力，其名稱表明了具體的特征。這些繼電器名稱包括 SPST、DPDT、3PDT 和 SP3T，其中的 P 和 T 分別表示我們所熟悉的“刀”和“擲”。

除了刀數(shù)和擲數(shù)外，還可以用“Form”（外形）一詞來描述繼電器的重要特征。類似“1 Form A”或“2 Form C”的字樣重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)兩個(gè)關(guān)鍵信息。Form 類型表示開關(guān)是常開還是常閉，如果是 SPDT 開關(guān)，則表示它們是“先開后合”還是“先合后開”。Form 前的數(shù)字（1 或 2）表示繼電器中此類外形的觸頭數(shù)量。一些常見的外形包括：

• Form A - 常開
• Form B - 常閉
• Form C - 先開后合 SPDT 開關(guān)
• Form D - 先合后開 SPDT 開關(guān)

總結(jié)

由于繼電器設(shè)計(jì)簡單且運(yùn)行可靠，因而廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和市場(chǎng)的設(shè)備和系統(tǒng)中。繼電器最初是電報(bào)系統(tǒng)的基本組件，甚至為計(jì)算機(jī)的早期發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，如今仍發(fā)揮著重要作用，可確保從遠(yuǎn)程位置安全高效地控制電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

為了滿足工程師對(duì)低電平或高電平電流開關(guān)的要求，CUI Devices 提供了各種不同額定值和配置的[功率和信號(hào)繼電器]以供選擇。