一文詳解電磁繼電器的工作原理

電磁繼電器（electromagnetic relay）是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（輸入回路）和被控制系統(tǒng)（輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它是用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高的電壓的一種開關(guān)控制方式，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。

電磁繼電器的原理圖符號有很多，各種EDA設(shè)計軟件自帶的符號也不一樣，《電子制作站》標準原理圖符號如下圖所示：

電磁繼電器主要由觸點簧片、銜鐵、線圈、鐵芯等部件組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

通常，我們把繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”，處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”，以上兩者共用的動觸點稱為“公共觸點”。

當線圈兩端沒有施加電壓時，線圈沒有產(chǎn)生磁力，彈簧的拉力使公共觸點與常閉觸點接觸，此時被控電源與用電器沒有連通，用電器負載不工作，如下圖所示：

當線圈兩端施加一定的電壓時，線圈電流使鐵芯產(chǎn)生磁力將銜鐵吸下來，從而使公共觸點與常開觸點接觸，從而使被控電源與用電設(shè)備連通，用電器負載開始工作，如下圖所示：

這樣的開關(guān)控制方式可以獲得兩個好處，其一是控制電路與被控電路是相互絕緣隔離的，因此，被控電路即使有高壓大電流也不會影響控制系統(tǒng)，正如同光電耦合器隔離前后級電路的效果一致，如下圖所示：

其次，控制線圈的信號可以是弱信號（如5V），而被控制電源可以是強信號（如220VAC@10A），這就是我們常說的“四兩拔千斤”的道理。

電磁繼電器在實際應用中，通常都會使用三極管或MOS管代替開關(guān)，以達到用電器負載的自動化控制（如通過單片機），其最基本的應用電路如下圖所示：

當輸入電壓VI為高電平“H”時，三極管飽和導通相當于閉合的開關(guān)，繼電器開始動作，其等效電路如下圖所示：

當輸入電壓為低電平“L”時，三極管截止相當于斷開的開關(guān)，線圈中沒有電流而導致繼電器回復初始狀態(tài)，如下圖所示：

那為什么要在繼電器線圈上并聯(lián)一個二極管呢？我們可以看看沒有并聯(lián)二極管時電路會出現(xiàn)什么情況，我們使用下圖所示的電路參數(shù)仿真一下：

其中，L1相當于電磁繼電器中的線圈，當開關(guān)進行閉合與斷開動作時，其波形如下圖所示：

當開關(guān)閉合時，電壓波形還是正常的，但是當開關(guān)斷開的一瞬間，電感將產(chǎn)生很高的電壓，遠遠超過了電源電壓值（上圖中的峰值未完全顯示），普通的電磁繼電器使用3904或8050之類的通用三極管就完全可以驅(qū)動了，其集電極-發(fā)射極最高耐壓值也就幾十伏，如下圖所示（來自DIODES三極管MMBT3094數(shù)據(jù)手冊）：

當控制開關(guān)斷開的瞬間，由于電感中的電流不能突變，將會產(chǎn)生上負下正極性的反向電動勢，如下圖所示：

這個反向電動勢的峰值就非常高，三極管的集電極將承受電源電壓VCC與電感反向電動勢串聯(lián)的高壓VL（相當于升壓電路），此時電路如下圖所示：

這時三極管Q1集電極的承受的電壓為VCC+VL，很有可能超過三極管的集電極-發(fā)射極極限電壓VCEO而擊穿三極管，因此，我們可以在線圈兩端并聯(lián)一個二極管再仿真一下，如下圖所示：

其電壓波形如下圖所示：

開關(guān)管斷開瞬間的反向電動勢有了一些改善，但反向電動勢還是非常高，蝦米情況？其實二極管并聯(lián)是沒有錯的，只不過型號不是很適合。普通二極管的單向?qū)щ娞匦匀Q于P型半導體與N型半導體接觸形成的PN結(jié)，由于結(jié)電容的存在，反應時間并不太短，開關(guān)斷開的瞬間，二極管還來不及導通，相當于沒有接二極管一樣。

肖特基二極管（也稱肖特基勢壘二極管，Schottky Barrier Diode，SBD）的單向?qū)щ娦允怯山饘倥c半導體接觸形成的，它的特點是開關(guān)速度快，我們用肖特基二極管替換后再重新仿真一下，如下圖所示：

其波形如下圖所示：

其實瞬間還是有一點點的反向電壓，但已經(jīng)控制在可以接受的范圍內(nèi)了。

從電磁繼電器的控制原理可以看出，繼電器線圈電壓是沒有正負之分的，因為無論是正向反向電流，產(chǎn)生的都是對鐵的吸力（這里沒有同極相斥異極相吸的說法，那是對兩塊磁鐵而言的），當然，有些繼電器可能內(nèi)部加了些功能部件，比如續(xù)流二極管、指示燈之類的，這時候應該嚴格參考規(guī)格書進行電壓極性的施加，否則將燒毀輔助元件，如下圖所示：

繼電器的觸點相當于一個開關(guān)，因此不得不提及觸點結(jié)構(gòu)，我們常常說常閉、常開就是開關(guān)的類型，再結(jié)合開關(guān)的數(shù)量，可以衍生出很多繼電器觸點結(jié)構(gòu)。

我們來看看數(shù)據(jù)手冊中是怎么表達觸點結(jié)構(gòu)的，如下圖所示：（來自Panasonic繼電器AGN2004H數(shù)據(jù)手冊）

其中，Arrangement即表示觸點的結(jié)構(gòu)，這里“2 Form C”表示該繼電器內(nèi)部包含有兩個“C類開關(guān)”（它們由一個線圈來控制）。

繼電器的觸點結(jié)構(gòu)通常有3種，即

◆ 常開觸點（normally open）：Form A或NO（中國代號：H）

◆ 常閉觸點（normally closed）：Form B或NC（中國代號：D）

◆ 轉(zhuǎn)換型觸點（changeover）：Form C或CO（中國代號：Z）

相應的符號如下圖所示：

實際的繼電器可能有多種組合方式，比如1a、1b、1c、1a1b等等，有些規(guī)格書直接也是這樣來表示的，其含義與上面是完全一樣的，如下圖所示：（下圖來自歐姆龍繼電器G5V-1數(shù)據(jù)手冊）

電磁繼電器的觸點是一個非常關(guān)鍵部位，也是很多工程師容易忽略的地方，在很多場合也需要添加相應的保護電路，我們下一節(jié)再詳細談談觸點的應用。

審核編輯：湯梓紅