關(guān)于繼電器加裝LED的設(shè)計(jì)方案探討

有位朋友想在雙刀單擲機(jī)電式繼電器上增加一個(gè)LED，用來(lái)指示繼電器線圈的通電狀態(tài)。我先后想到兩種解決方案：直接將LED與繼電器線圈串聯(lián)；或者將它與一個(gè)限流電阻串聯(lián)，然后并聯(lián)到線圈的兩端。前一種方案更加簡(jiǎn)單，但簡(jiǎn)單的就是最好嗎？

除了技術(shù)專長(zhǎng)外，工程技術(shù)的真正核心是能夠闡明不可避免的折衷以及設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后在應(yīng)用的背景中對(duì)它們進(jìn)行權(quán)衡。這些折衷有些明顯有些不太明顯，包含了許多因素，例如基本性能、尺寸、功耗、對(duì)整體設(shè)計(jì)的影響、設(shè)計(jì)信心、可靠性、重量和成本等。

有次當(dāng)我被問(wèn)及一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)問(wèn)題時(shí)，我遇到了上述情況的另一個(gè)基本示例。有位朋友想在雙刀單擲（DPST）機(jī)電式繼電器上增加一個(gè)LED——這個(gè)繼電器以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)命名法命名為“2 Form A”（請(qǐng)參閱參考資料1）——用來(lái)指示繼電器線圈的通電狀態(tài)。電氣參數(shù)非常清楚：繼電器電源為24Vrms/1A交流電源，線圈阻值為600Ω，因此根據(jù)歐姆定律，繼電器電流為40mA（圖1）。

圖1：基本拓?fù)浞浅：?jiǎn)單——24VAC電源，為600Ω DPST繼電器供電。

我的第一個(gè)想法就是保持簡(jiǎn)單：只需插入一個(gè)40mA的LED，而與繼電器線圈形成串聯(lián)即可。這個(gè)繼電器線圈用作限流電阻器：只有一個(gè)元件，既快速又便宜（圖2）。但是由于多種原因，這個(gè)解決方案在我看來(lái)并不理想。首先，我不確定在線圈上串聯(lián)一個(gè)二極管（LED是二極管）是否會(huì)影響線圈工作——經(jīng)過(guò)半波整流的電流會(huì)導(dǎo)致線圈以60Hz的頻率發(fā)生“震顫”。其次，繼電器在斷電時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電感“反沖”，這可能對(duì)LED的壽命不利。眾所周知，電氣應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力是導(dǎo)致元器件過(guò)早失效的最常見的原因。

圖2：第一個(gè)想法是將LED與繼電器線圈串聯(lián)，這個(gè)解決方案只用到一個(gè)元件，看上去很簡(jiǎn)單。

由于這個(gè)裝置已工作了“一段時(shí)間”，因此要解決這些故障就可能令人沮喪。可以在線圈上增加一個(gè)鉗位二極管來(lái)解決，但這意味著要增加一個(gè)元件。再者，我通常不喜歡把原本正常工作的電路打斷而串聯(lián)加入別的元件，因?yàn)檫@樣做通常會(huì)在機(jī)械上造成難以清潔和正確固定的問(wèn)題。

因此我轉(zhuǎn)而采用B計(jì)劃：在線圈兩端增加這個(gè)LED以及一個(gè)限流電阻（圖3）。這個(gè)1A變壓器具有足夠的容量來(lái)處理額外的20~30mA負(fù)載，因此這樣做沒(méi)有問(wèn)題。我還認(rèn)為，可能不需要對(duì)整流器的交流輸出進(jìn)行濾波而減少可見紋波，因?yàn)檠劬Φ囊曈X(jué)暫留現(xiàn)象很可能會(huì)解決這一問(wèn)題。但是電感反沖的問(wèn)題仍然存在。

圖3：替代方案是將LED和電阻器與線圈并聯(lián)，而不是將LED串聯(lián)進(jìn)去，這比第一種方案只多使用了一個(gè)電阻器。

此外，有些人的眼睛對(duì)60Hz紋波特別敏感。如果要解決這個(gè)問(wèn)題，那么就必須在外部添加一個(gè)半波或全波整流器來(lái)為L(zhǎng)ED供電，然后用一個(gè)10μF至100μF的小電容對(duì)其進(jìn)行濾波。由于這種附加版的指示器電路是與線圈并聯(lián)，因此實(shí)際安裝會(huì)更容易（如有必要，也更容易將其取出）。

但是退后一步，我意識(shí)到這些方法中存在很多的不確定性，這通常會(huì)令人擔(dān)憂，會(huì)讓人花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行微調(diào)，甚至?xí)绊戦L(zhǎng)期可靠性。因此，我花了一些時(shí)間思考一個(gè)基本問(wèn)題：“這里還有哪些其他資源可以使用？”答案顯而易見：未使用的那個(gè)繼電器刀觸點(diǎn)——這個(gè)觸點(diǎn)與工作觸點(diǎn)在電氣上獨(dú)立而在機(jī)械上耦合。請(qǐng)注意，雖然單刀繼電器（SPST——1 Form A）很常見，但許多設(shè)計(jì)人員為方便起見和“以防萬(wàn)一”會(huì)選擇雙刀版本，甚至?xí)x擇DPDT（2 Form C）繼電器而不使用那些多余的觸點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兾磥?lái)提供的額外的靈活性通?？梢缘窒杀静町?。

因此，我建議他將LED及其電阻器通過(guò)那個(gè)未使用的繼電器刀開關(guān)從24VAC電源進(jìn)行接線（圖4），這樣他所得到的指示器電路就完全獨(dú)立于繼電器線圈電路本身，從而有助于最大程度地減少電氣影響與實(shí)際安裝這兩個(gè)困難。而且，除了表明線圈通電以外，獨(dú)立電路還能表明繼電器銜鐵實(shí)際上處于吸合狀態(tài)，因此就可以對(duì)繼電器的工作情況更加有信心。如果從交流線路驅(qū)動(dòng)LED產(chǎn)生了不可接受的視覺(jué)閃爍，那么有很簡(jiǎn)單的方法可以解決這個(gè)問(wèn)題，并且無(wú)需擔(dān)心會(huì)影響到線圈驅(qū)動(dòng)回路。

圖4：使用繼電器未使用的那個(gè)刀開關(guān)是一種更好、更高明的、靈活、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的解決方案，它不僅驗(yàn)證了線圈已通電，而且還驗(yàn)證了繼電器銜鐵的實(shí)際吸合。

您是否曾經(jīng)考慮過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但在深思熟慮后卻發(fā)現(xiàn)，盡管采用了KISS（保持簡(jiǎn)單）原則，但這個(gè)顯而易見的解決方案確實(shí)不是明智之舉？更好的是，您是否發(fā)現(xiàn)了額外的未使用的繼電器觸點(diǎn)而可以予以利用，或者只要將BOM表從SPST繼電器升級(jí)到SPDT甚至DPDT繼電器，就可以解決問(wèn)題？
編輯：hfy