功率繼電器 - 了解基礎(chǔ)知識(shí)

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

繼電器的主要功能是作為開關(guān)，控制電路中其他開關(guān)的運(yùn)行。它們采用低功率輸入信號(hào)，對(duì)高功率電路進(jìn)行控制。激活繼電器的低功率信號(hào)可觸發(fā)電磁鐵通電，從而啟動(dòng)銜鐵移動(dòng)。這種移動(dòng)依次又會(huì)促使電氣觸點(diǎn)閉合，從而促使電力向受控電路的傳輸。

這種設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢之一在于能夠?qū)⒌凸目刂菩盘?hào)與高功率電路隔離開來。這種隔離不僅能保護(hù)操作人員免受潛在危險(xiǎn)，還能保護(hù)設(shè)備免受潛在損壞。此外，這種布置還便于遠(yuǎn)程控制設(shè)備或系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作。

機(jī)電繼電器的起源可追溯到 1835 年，盡管多年來其組件和多樣性有了很大的進(jìn)步，但其基本功能卻一直沒有改變。歷史上最廣為人知的繼電器之一就是功率繼電器。雖然所有電氣繼電器本質(zhì)上都能控制電源，但將所有繼電器都稱作“功率繼電器”并不適合。本文將詳細(xì)介紹[功率繼電器]，包括其優(yōu)點(diǎn)、配置和主要選擇標(biāo)準(zhǔn)。

功率繼電器基礎(chǔ)知識(shí)

功率繼電器因其能夠管理高電平電流開關(guān)的專業(yè)能力而出名，電流覆蓋幾安培到更高的量級(jí)。由于功率繼電器結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，尺寸更大，因此其觸點(diǎn)能夠承受較大的電流，這是通常需要電流超過 10 安培的應(yīng)用的理想選擇。

它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)的應(yīng)用日益廣泛，具體包括汽車系統(tǒng)、電梯控制器、閥門執(zhí)行器以及各種以高初始電流浪涌為特征的設(shè)備，如電機(jī)、電磁閥、電源和電子鎮(zhèn)流器。

與其他電氣元件一樣，繼電器在安全管理功率方面也有其固有限制。每個(gè)型號(hào)都有一個(gè)最大額定功率，確保與各種負(fù)載有效匹配，從燈泡等低功率實(shí)體到大型電機(jī)等重型機(jī)械。不過，超過規(guī)定的額定功率會(huì)對(duì)繼電器造成永久性損壞。

此外，觸點(diǎn)不對(duì)齊會(huì)引起觸點(diǎn)電弧，其特征是，當(dāng)繼電器觸點(diǎn)打開但彼此靠近時(shí)，電流會(huì)通過觸點(diǎn)之間的氣隙放電。這種現(xiàn)象帶來的風(fēng)險(xiǎn)不僅僅是產(chǎn)生火花和熱量，還包括侵蝕觸點(diǎn)和產(chǎn)生不必要的電氣干擾，并可能會(huì)損害附近的設(shè)備。

圖 1：機(jī)電繼電器觸點(diǎn)起弧。（圖片來源：[CUI Devices]）

功率繼電器專為解決加熱器、電機(jī)、照明陣列和工業(yè)設(shè)備等大電流設(shè)備的電力負(fù)載而設(shè)計(jì)。功率繼電器的額定電流和電壓之所以更高，主要是因?yàn)樗褂昧伺c普通繼電器不同的開關(guān)觸點(diǎn)材料。之所以選擇這些材料，是因?yàn)樗鼈兡軌蚪?jīng)受大功率應(yīng)用的嚴(yán)格考驗(yàn)，確保在要求苛刻的工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行并經(jīng)久耐用。

功率繼電器觸點(diǎn)材料

電流流經(jīng)繼電器觸點(diǎn)時(shí)會(huì)遇到電阻，這一因素取決于觸點(diǎn)的尺寸和材料成分。電阻升高不僅會(huì)放大繼電器內(nèi)部的功率耗散，還會(huì)增加發(fā)熱量。減少觸頭電阻的一種方法是仔細(xì)選擇接觸材料。

傳統(tǒng)繼電器的觸點(diǎn)通常由銀鎳制成，這種金屬因其在繼電器結(jié)構(gòu)中的普遍應(yīng)用而出名。銀鎳觸點(diǎn)在切換阻性負(fù)載時(shí)表現(xiàn)出色，此時(shí)電流和電壓同相。

相比之下，為更高負(fù)載而設(shè)計(jì)的繼電器（如功率繼電器）會(huì)選擇使用氧化銀鎘、氧化銀錫或金合金等材料制成的觸點(diǎn)。這些材料是處理感性負(fù)載的理想選擇，感性負(fù)載的特點(diǎn)是電流和電壓不同步，可能會(huì)產(chǎn)生巨大的電流或電壓尖峰。銀氧化鎘和銀氧化錫觸點(diǎn)都能減小電阻，降低高浪涌電流造成觸點(diǎn)焊接的風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，銀氧化錫的采用避免了與鎘基合金相關(guān)的環(huán)境問題，從而符合某些國家堅(jiān)持的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

功率繼電器與信號(hào)繼電器的比較

功率繼電器和[信號(hào)繼電器]是繼電器領(lǐng)域中兩種常見的變體。雖然功率繼電器優(yōu)先處理較高的電壓和電流，但它們的壽命周期通常較短。相反，信號(hào)繼電器的設(shè)計(jì)壽命周期較長，但工作電壓較低，電流最小。

功率繼電器中使用的觸點(diǎn)材料雖然擅長管理高功率情況，但并不非常適合低功率開關(guān)。這是因?yàn)樵谳^低的電壓下，觸點(diǎn)之間的物理連接至關(guān)重要，這是由觸點(diǎn)壓力和清潔度等因素決定的，而不是由觸點(diǎn)材料決定的。

此外，在電力應(yīng)用中使用信號(hào)繼電器存在固有風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)因過壓或過流而導(dǎo)致災(zāi)難性故障。即使這樣的繼電器能夠幸存下來，也會(huì)缺少防電弧和觸點(diǎn)自潔等關(guān)鍵功能，從而影響長期可靠性。

因此在決定使用功率繼電器還是信號(hào)繼電器，要遵守一項(xiàng)重要的基本準(zhǔn)則：始終將切換的功率級(jí)別與繼電器的額定功率相匹配。這樣就可以確保最佳性能，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，維持繼電器和相關(guān)系統(tǒng)的完整性。有關(guān)信號(hào)繼電器的更多信息，請(qǐng)參閱 CUI Devices 另一篇題為《[信號(hào)繼電器 - 了解基礎(chǔ)知識(shí)]》的文章。

功率繼電器類型

功率繼電器和普通繼電器一樣，主要有兩種類型：機(jī)電式和固態(tài)式。

機(jī)電式功率繼電器依靠線圈、磁場、彈簧、活動(dòng)銜鐵和觸點(diǎn)的組合來調(diào)節(jié)設(shè)備的功率輸出。

另一方面，固態(tài)繼電器不使用移動(dòng)部件。相反，它們利用硅控整流器 (SCR)、TRIAC（交流三極管）或開關(guān)晶體管等半導(dǎo)體器件來切換交流和直流電流。與機(jī)電繼電器相比，固態(tài)繼電器具有開關(guān)速度更快、可靠性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著功率需求的增加，其成本效益也隨之降低，原因是堅(jiān)固型功率半導(dǎo)體的相關(guān)成本較高，且還需要加入額外的[熱管理元件]。

圖 2：固態(tài)繼電器與散熱器組合示例。（圖片來源：CUI Devices）

常見配置和額定值

功率繼電器與非功率繼電器一樣，也是根據(jù)觸點(diǎn)配置進(jìn)行分類的，觸點(diǎn)配置表示繼電器可同時(shí)控制的設(shè)備數(shù)量。常見的分類包括：

• SPST（單刀單擲）
• DPDT（雙刀雙擲）
• 3PDT（三刀雙擲）
• SP3T（單刀三擲）

繼電器觸點(diǎn)分為常開 (NO) 或常閉 (NC)，取決于其在繼電器無電源時(shí)的狀態(tài)。

繼電器額定值表示繼電器可安全有效地切換的最大功率。這些額定值通常以交流和直流電流的安培數(shù)表示。繼電器的額定值必須超過被切換設(shè)備的額定值，同時(shí)要考慮安全系數(shù)。

與非功率繼電器類似，功率繼電器也可以用“Form”一詞來描述。"1 Form A" 或 "2 Form C" 等短語可以讓人了解繼電器的特性。"Form" 前面的數(shù)字表示繼電器中可用的觸點(diǎn)數(shù)量。"Form A" 表示常開繼電器，"Form B" 表示常閉繼電器。"Form C" 和 "Form D" 適用于 SPDT 繼電器，表示哪個(gè)位置視為常閉，以及分別表示繼電器是先開后合還是先合后開。雖然還有許多其他形式，但這四種是最常用的。

• 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)

其他考慮因素

在選擇器件時(shí)需要考慮的其他因素包括：

• 輸入電力浪涌： 某些設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生明顯的電力浪涌。在指定繼電器之前，必須找出這些浪涌，以防損壞設(shè)備。
• 線圈抑制： 繼電器循環(huán)會(huì)產(chǎn)生高壓瞬態(tài)。線圈抑制包括在電路中使用額外的元件來保護(hù)設(shè)備免受這些瞬態(tài)干擾。不過，這可能會(huì)縮短繼電器的使用壽命。確定是否有必要針對(duì)特定應(yīng)用使用特定線圈抑制策略。
• 閉鎖： 閉鎖繼電器在斷開啟動(dòng)電源后仍能保持上次的觸點(diǎn)位置。某些應(yīng)用可能需要此功能。
• 噪聲： 繼電器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 噪聲，在大功率設(shè)備中更為明顯。事先要確定設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)這種噪音的敏感度。
• 觸點(diǎn)顫動(dòng)： 繼電器工作時(shí)，其觸點(diǎn)可能會(huì)經(jīng)歷短暫的打開/關(guān)閉周期，即觸點(diǎn)顫動(dòng)，從而產(chǎn)生電脈沖。根據(jù)應(yīng)用的靈敏度，這種反彈可能會(huì)造成不良影響，因此在指定繼電器之前，必須確定觸點(diǎn)顫動(dòng)是否會(huì)影響應(yīng)用。

圖 3：觸點(diǎn)顫動(dòng)和快速變化的電壓示例。（圖片來源：CUI Devices）

結(jié)語

繼電器是值得信賴、高效、可靠的設(shè)備，可為系統(tǒng)和設(shè)備提供安全的電氣控制，同時(shí)保持操作員與工作電流的安全隔離。無論是機(jī)電式還是固態(tài)式功率繼電器，都經(jīng)過了專門的設(shè)計(jì)，具有增強(qiáng)的功能，可管理更高的電壓和電流。

在設(shè)計(jì)人員評(píng)估其產(chǎn)品的電源開關(guān)需求時(shí)，CUI Devices 可提供各種功率繼電器和信號(hào)繼電器。無論是處理低電平還是高電平電流開關(guān)，CUI Devices 都能提供合適的[繼電器解決方案]olutions)，有效滿足各種需求。

審核編輯 黃宇