利用機(jī)電繼電器解決現(xiàn)代接口問(wèn)題

作者： Bill Schweber

系統(tǒng)集成面臨諸多挑戰(zhàn)，連接現(xiàn)有子系統(tǒng)與新的或不同子系統(tǒng)便是其一。有時(shí)，當(dāng)兩側(cè)子系統(tǒng)的輸入/輸出特性均為已知標(biāo)準(zhǔn)特性時(shí)，電平位移器/轉(zhuǎn)換器 IC（如 [Texas Instruments]的 [SN74AUP1T57DCKR]）就能在其輸入和輸出端適應(yīng)不同的數(shù)字信號(hào)電平，從而輕松解決該問(wèn)題（圖 1）。

圖 1：當(dāng)兩個(gè)接口都是標(biāo)準(zhǔn)且定義明確的接口時(shí)，現(xiàn)成即用的 IC（例如 SN74AUP1T57DCKR）可以快速輕松地解決問(wèn)題。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

但在許多情況下，新舊系統(tǒng)互連并不容易實(shí)現(xiàn)。通常，接口一側(cè)或兩側(cè)的特性并不清楚或定義不明確，因而無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)元器件。

我在兩種不同場(chǎng)合都遇到過(guò)這個(gè)問(wèn)題。借助已有近 200 年歷史的機(jī)電繼電器 (EMR) 的現(xiàn)代版本，我可以輕松解決每種情況下出現(xiàn)的問(wèn)題。EMR 發(fā)明于 1835 年左右，人們普遍認(rèn)為要?dú)w功于美國(guó)科學(xué)家 Joseph Henry。

盡管與光耦合器或固態(tài)繼電器 (SSR) 相比，這種繼電器似乎有些過(guò)時(shí)，但很多時(shí)候，它們的“傳統(tǒng)”優(yōu)點(diǎn)非常有用。這類(lèi)繼電器每年的銷(xiāo)售量數(shù)以億計(jì)；雖然許多用于替換，但也有很大一部分用于新設(shè)計(jì)。

繼電器大致分為三類(lèi)：接觸電流低于 2 A 的小信號(hào)器件、電流較大的功率繼電器和射頻 (RF) 繼電器。射頻繼電器通常處理兆赫和千兆赫范圍內(nèi)的小信號(hào)。此外，還有其他同類(lèi)產(chǎn)品，如音頻繼電器和用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 的磁簧繼電器。另外，繼電器還具有多種觸點(diǎn)配置，從基礎(chǔ)的單刀單擲 (SPST) 版本，到具有多個(gè)觸點(diǎn)的單元。

老實(shí)說(shuō)：我非常喜歡 EMR，原因有很多：

• 堅(jiān)固且可靠。
• 能提供近乎完美的電（歐姆）隔離。
• 輸入和輸出電流/額定電壓基本獨(dú)立。
• 線圈和觸點(diǎn)的額定值范圍廣。
• 一般具有兼容的插口引腳布局版本，簡(jiǎn)化了接線和調(diào)試。
• 通常有多個(gè)常開(kāi) (NO)/常閉 (NC) 觸點(diǎn)，事實(shí)證明很有用。
• 通過(guò)電樞位置提供可視化指示，直觀顯示通電狀態(tài)。
• 打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，會(huì)發(fā)出清晰的“咔噠”聲。

簡(jiǎn)而言之，這類(lèi)繼電器能夠輕松、靈活且巧妙地解決問(wèn)題。在可靠性方面，優(yōu)質(zhì)的繼電器若按規(guī)格工作，可以持續(xù)開(kāi)關(guān)數(shù)百萬(wàn)次和使用數(shù)十年。

我的情況相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)槲姨幚淼摹靶盘?hào)”是觸點(diǎn)閉合，有時(shí)也稱為“干觸點(diǎn)”，在這種情況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只希望實(shí)現(xiàn)兩根電線之間的基本連通。下面來(lái)看看我的問(wèn)題以及如何利用簡(jiǎn)單的繼電器解決每個(gè)問(wèn)題。

第一項(xiàng)挑戰(zhàn)：升級(jí)供熱控制系統(tǒng)

我“自愿”幫助一位朋友將一個(gè)僅供熱系統(tǒng)的控制裝置從基本、功能正常、老式、帶有簡(jiǎn)單溫度驅(qū)動(dòng)開(kāi)/關(guān)功能的溫控器升級(jí)為更復(fù)雜、更智能、支持 Wi-Fi 的裝置。舊版溫度控制器類(lèi)似于 [Honeywell]的經(jīng)典 T87F。T87F 于 20 世紀(jì) 60 年代初推出，雖然現(xiàn)已停售，但已安裝數(shù)百萬(wàn)臺(tái)，而且由于具備極其可靠的雙金屬隔熱片和密閉式水銀開(kāi)關(guān)，許多仍在服役中。

我看了一眼現(xiàn)有的溫控器，發(fā)現(xiàn)它只有兩根電線，所以我想，“這能有多難？”特別是其輸出動(dòng)作是簡(jiǎn)單的觸點(diǎn)閉合。事實(shí)證明，情況并非如此。根據(jù)智能溫控器說(shuō)明文檔，從兩線裝置升級(jí)為新版更智能的三線裝置時(shí)有很多可能的配置和接線選項(xiàng)。

首先，新版溫控器需要通過(guò) 24 VAC 變壓器供電，因此暖通空調(diào) (HVAC) 控制器與溫控器之間需要額外的引線。幸運(yùn)的是，第三條未使用的引線已經(jīng)有了（謝謝你，不管是誰(shuí)干的?。┧裕@部分不是問(wèn)題。

有很多方法將新版三線系統(tǒng)連接到現(xiàn)有的兩線觸點(diǎn)閉合開(kāi)關(guān)，這取決于系統(tǒng)控制器（在我說(shuō)的例子中，還相當(dāng)新）的供應(yīng)商，是僅用于供熱還是供熱加制冷，以及想如何處理新版溫控器與現(xiàn)有控制器的電氣隔離。

有一種選擇是光隔離器或 SSR，但我不確定電壓和電流水平，或者“開(kāi)啟”的 SSR 輸出端是否足夠像真正的觸點(diǎn)閉合，因?yàn)?SSR 輸出端有微小的電壓降。更簡(jiǎn)單、更省心的選擇是使用類(lèi)似于 [IDEC][RY2S-UAC24V] 的繼電器進(jìn)行隔離。這款通用型雙刀雙擲 (DPDT) 繼電器在基本轉(zhuǎn)換/隔離電路中有一個(gè) 24 VAC 線圈和 3 A 觸點(diǎn)（圖 3）。顯然，在這種情況下，開(kāi)關(guān)速度不是問(wèn)題。

圖 3：我在將現(xiàn)代化智能溫控器與新型、簡(jiǎn)單的雙線供熱系統(tǒng)控制器連接時(shí)遇到了問(wèn)題，但通過(guò)帶有 24 VAC 線圈的繼電器得到了解決。（圖片來(lái)源：Bill Schweber）

好消息是一切都很順利，第一次！沒(méi)有比這更好的了。

第二項(xiàng)挑戰(zhàn)：將安防系統(tǒng)撥號(hào)器從固定電話升級(jí)為手機(jī)

另一位朋友請(qǐng)我?guī)兔⒓彝グ卜老到y(tǒng)中現(xiàn)已過(guò)時(shí)的固定電話撥號(hào)器更換為現(xiàn)代無(wú)線蜂窩設(shè)備。由于簡(jiǎn)單的兩線閉合即可觸發(fā)舊設(shè)備和新設(shè)備，我希望可以直接替換；但事實(shí)并非如此。

以前的撥號(hào)器觸發(fā)需要從“開(kāi)啟”觸點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)換為“閉合”觸點(diǎn)對(duì)，而根據(jù)新?lián)芴?hào)器說(shuō)明書(shū)，觸發(fā)需要從接地轉(zhuǎn)換為“開(kāi)路”。不幸的是，“開(kāi)路”一詞有時(shí)會(huì)產(chǎn)生歧義：是意味著“浮動(dòng)”（真正開(kāi)路），還是只需通過(guò)開(kāi)路集電極輸出斷開(kāi)線路？

更為棘手的是，在有關(guān)驅(qū)動(dòng)撥號(hào)器的報(bào)警控制單元輸出引腳的說(shuō)明文檔中，未明確注明引腳的電氣性質(zhì)：可能是開(kāi)路集電極結(jié)構(gòu)，也可能不是。因此，我不能確定控制單元的輸出是否至少可能與撥號(hào)器的輸入需求電氣兼容。

經(jīng)過(guò)思考，我把問(wèn)題歸結(jié)為：我擁有一個(gè)從高到低、結(jié)構(gòu)不清晰的輸出端，而我想要一個(gè)看起來(lái)像是從接地到開(kāi)路的直流信號(hào)。

同樣地，利用 EMR 來(lái)解決問(wèn)題。在這種情況下，帶有 5 VDC 線圈和 1 A 觸點(diǎn)的類(lèi)似于 [KEMET][UA2-5NU]的通用型 DPDT 繼電器，似乎是解決這些問(wèn)題的靈活、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的方法。我將線圈連接在供電軌和控制單元的有源輸出端之間，然后在 NC 模式下使用未通電繼電器觸點(diǎn)將撥號(hào)器的輸入端真正接地（圖 4）。當(dāng)控制單元的輸出變?yōu)榈碗娖剑ㄏ吕r(shí)，線圈通電，打開(kāi)常閉繼電器觸點(diǎn)并為撥號(hào)器輸入提供真正的開(kāi)路。

圖 4：低壓直流繼電器完成了報(bào)警系統(tǒng)觸發(fā)器不明確的輸出與新無(wú)線撥號(hào)器之間的轉(zhuǎn)換和信號(hào)變換。（圖片來(lái)源：Bill Schweber）

問(wèn)題解決了！該繼電器既可用作電平位移器，又可用作信號(hào)變換器，同時(shí)還可提供電流隔離。

結(jié)語(yǔ)

這兩種 EMR 解決方案都能輕松巧妙且高效地解決問(wèn)題。有什么不滿意的嗎？經(jīng)驗(yàn)告訴我們，要毫不猶豫地選擇久經(jīng)考驗(yàn)的元器件，因?yàn)檫@些元器件簡(jiǎn)單、功能多樣且靈活。至于我，我會(huì)繼續(xù)自愿提供幫助；我無(wú)法預(yù)測(cè)會(huì)遇到什么問(wèn)題，有時(shí)候問(wèn)題會(huì)令人沮喪，但終會(huì)得到解決。

審核編輯 黃宇