一文簡單介紹繼電器

作者：Jeff Smoot

在數(shù)不清的消費、商業(yè)、工業(yè)應用和系統(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、點按電視遙控器或操作電梯時，我們就要使用繼電器。繼電器最初構(gòu)想于 1835 年，當時是用來建立遠距離電報連接，后來經(jīng)改造又用于電話交換機。雖然本身不起眼，但仍一如既往地高效可靠地運行。

從實用的角度來看，繼電器的功能就是電氣開關(guān)。無論是近距離還是遠距離，全都利用低功率信號來控制高功率電路。繼電器的固有設(shè)計有助于有效隔離低功率信號和高功率電路，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)健地運行。繼電器具有多功能性，因為它們可用于調(diào)節(jié)單個電路或多個電路，還可用作放大器或斷路器。

此外，繼電器還能夠遠程控制設(shè)備電源，從而增強安全措施，尤其是在可能對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主題，我們可將繼電器分為兩種基本類型：機電式繼電器 (EMR) 和固態(tài)繼電器 (SSR)。關(guān)鍵區(qū)別在于有無活動部件。

在這兩種類型中，機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，電磁鐵對電樞產(chǎn)生吸引力，使其移動并閉合一組觸頭，從而讓電流流過電路。

圖 1：機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)繼電器與機電式繼電器的基本用途相同，但完全是電子元件，沒有活動部件。這種繼電器出現(xiàn)于上個世紀 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。當施加的電壓超過規(guī)定的始動電壓時，控制電路會觸發(fā)繼電器。一旦電壓降到壓差以下，繼電器就會停用。

機電式繼電器與固態(tài)繼電器的比較（續(xù)）

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

由于機電式繼電器的設(shè)計已有兩個世紀的歷史，因此是一種操作簡便的穩(wěn)定器件，在涉及高電流和危險環(huán)境在內(nèi)的各種應用中，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，由于機電式繼電器有活動部件，因此隨著時間的推移，它會出現(xiàn)物理退化，觸頭會因腐蝕和氧化而損壞。它們可能容易發(fā)生接觸電弧，導致點蝕和短路。由于它們的機械特性，它們?nèi)菀资艿經(jīng)_擊和振動造成的觸頭顫動的影響，而且會產(chǎn)生自身的 EMI/RFI 噪聲。此外，外部磁場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)計中沒有活動部件，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，而且不受外部機械沖擊、振動或磁場的影響。與機電式繼電器相比，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用。

但是，由于本身獨特的設(shè)計，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械式繼電器，而且可能對環(huán)境溫度非常敏感。值得注意的是，若是使用標準半導體開關(guān)，在本質(zhì)上無法實現(xiàn)控制信號與負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現(xiàn)，從而隔離輸入和輸出信號。

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用要求而量身定制。值得注意的是，雖然制造商對產(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 ]：信號繼電器可用于控制低功耗負載，電流通常小于 2 A。如需了解更多信息，請參閱 CUI Devices 的[“信號繼電器 - 了解基礎(chǔ)知識”]一文。
• [ 功率 ]：功率繼電器專門設(shè)計用于管理大功率負載，能最大限度地減少發(fā)熱和電弧。如需了解更多信息，請參閱 CUI Devices 的[“功率繼電器簡介”]一文。
• 機器控制 ：這些是耐用的重載繼電器，適用于大型工業(yè)應用。
• 自鎖 ：自鎖繼電器會保持設(shè)定或復位狀態(tài)（開或關(guān)），直至收到反相電壓信號。
• 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或多個密閉式磁簧開關(guān)，因而不受外部污染物或濕氣的影響。
• 零開關(guān) ：當施加控制電壓且負載電壓接近于零時，這些繼電器會激活負載。當控制電壓消失時，它們會斷開負載。

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) ：當施加控制電壓且負載電壓位于峰值時，峰值開關(guān)繼電器會激活負載。當控制電壓消失且電流負載接近于零時，它們會斷開負載。
• 瞬時開啟 ：瞬時開啟繼電器在施加始動電壓時立即激活負載。
• 延時 ：延時繼電器內(nèi)置計時器，可基于時間控制事件。
• 模擬開關(guān) ：模擬開關(guān)繼電器對輸出電壓進行管理，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，可以響應內(nèi)部光源進行開關(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，能夠在條件苛刻的惡劣環(huán)境下工作。

繼電器可以進一步分類為常開型 (NO) 和常閉型 (NC)，前者在電路不通電時觸頭斷開；后者在電路不通電時觸頭閉合?？傊诓煌姇r，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，這一點非常重要。

繼電器具備同時控制多個電路的能力，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”的字樣重點強調(diào)兩個關(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)計簡單且運行可靠，因而廣泛應用于各個行業(yè)和市場的設(shè)備和系統(tǒng)中。繼電器最初是電報系統(tǒng)的基本組件，甚至為計算機的早期發(fā)展做出了貢獻，如今仍發(fā)揮著重要作用，可確保從遠程位置安全高效地控制電力驅(qū)動設(shè)備。

為了滿足工程師對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[功率和信號繼電器]以供選擇。