電氣繼電器

電氣繼電器和接觸器使用低電平控制信號來(lái)切換更高電壓或電流的供電，采用多種不同的觸點(diǎn)配置。

到目前為止，我們已經(jīng)看到了一系列可以用于檢測或“感知”各種物理變量和信號的輸入設備，因此它們被稱(chēng)為傳感器。但還有許多電氣和電子設備被歸類(lèi)為輸出設備，用于控制或操作某些外部物理過(guò)程。這些輸出設備包括電氣繼電器，通常被歸類(lèi)為：執行器。

執行器將電信號轉換為相應的物理量，如運動(dòng)、力、聲音等。執行器也被歸類(lèi)為換能器，因為它將一種物理量轉換為另一種物理量，并且通常由低電壓命令信號激活或操作。根據其輸出的穩定狀態(tài)數量，執行器可以分為二進(jìn)制設備或連續設備。

例如，繼電器是一種二進(jìn)制執行器，因為它有兩個(gè)穩定狀態(tài)，即通電并鎖定或斷電并解鎖，而電機是一種連續執行器，因為它可以旋轉360度。最常見(jiàn)的執行器或輸出設備類(lèi)型包括電氣繼電器、燈、電機和揚聲器。

我們之前看到，電磁鐵可以用于電氣開(kāi)啟門(mén)閂、門(mén)、開(kāi)關(guān)閥門(mén)，以及各種機器人和機電一體化應用等。然而，如果電磁鐵的柱塞用于操作一個(gè)或多個(gè)電氣觸點(diǎn)組，我們就有了一個(gè)稱(chēng)為繼電器的設備，它非常有用，可以用于無(wú)數種不同的方式。在本教程中，我們將探討電氣繼電器。

電氣繼電器還可以分為機械動(dòng)作繼電器，稱(chēng)為“機電繼電器”，以及使用半導體晶體管、晶閘管、三端雙向可控硅等作為開(kāi)關(guān)設備的繼電器，稱(chēng)為“固態(tài)繼電器”或SSR。

機電繼電器

繼電器一詞通常指一種設備，它在響應控制信號的應用時(shí)在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間提供電氣連接。最常見(jiàn)和廣泛使用的電氣繼電器類(lèi)型是機電繼電器或EMR。

電氣繼電器電路

一個(gè)電氣繼電器

任何設備的最基本控制是能夠將其“打開(kāi)”和“關(guān)閉”。最簡(jiǎn)單的方法是使用開(kāi)關(guān)來(lái)中斷電源。雖然開(kāi)關(guān)可以用于控制某些東西，但它們有缺點(diǎn)。最大的缺點(diǎn)是它們必須手動(dòng)（物理）打開(kāi)或關(guān)閉。此外，它們相對較大、較慢，并且只能切換小電流。

然而，電氣繼電器基本上是電氣操作的開(kāi)關(guān)，具有多種形狀、尺寸和功率等級，適用于所有類(lèi)型的應用。繼電器還可以在單個(gè)封裝內具有單個(gè)或多個(gè)觸點(diǎn)，用于主電壓或高電流切換應用的較大功率繼電器稱(chēng)為“接觸器”。

在本教程中，我們只關(guān)注可以在電機控制或機器人電路中使用的“輕負載”機電繼電器的基本操作原理。這些繼電器通常用于一般電氣和電子控制或開(kāi)關(guān)電路，可以直接安裝在PCB板上或獨立連接，負載電流通常為幾分之一安培到20多安培。繼電器電路在電子應用中很常見(jiàn)。

顧名思義，機電繼電器是電磁設備，它將通過(guò)繼電器端子施加的低電壓電氣控制信號（無(wú)論是交流還是直流）產(chǎn)生的磁通量轉換為拉動(dòng)機械力，從而操作繼電器內的電氣觸點(diǎn)。最常見(jiàn)的機電繼電器形式包括一個(gè)稱(chēng)為“初級電路”的激勵線(xiàn)圈，纏繞在可滲透的鐵芯上。

這個(gè)鐵芯有一個(gè)固定部分，稱(chēng)為軛鐵，和一個(gè)可移動(dòng)的彈簧加載部分，稱(chēng)為電樞，通過(guò)關(guān)閉固定電氣線(xiàn)圈和可移動(dòng)電樞之間的氣隙來(lái)完成磁場(chǎng)電路。電樞是鉸接或樞接的，允許它在生成的磁場(chǎng)內自由移動(dòng)，關(guān)閉連接到它的電氣觸點(diǎn)。通常在軛鐵和電樞之間連接一個(gè)彈簧（或多個(gè)彈簧），以便在繼電器線(xiàn)圈處于“斷電”狀態(tài)時(shí)，即關(guān)閉時(shí)，返回行程將觸點(diǎn)“重置”回其初始靜止位置。

機電繼電器結構

機電繼電器

在我們上面的簡(jiǎn)單繼電器中，我們有兩組導電觸點(diǎn)。繼電器可以是“常開(kāi)”或“常閉”。一對觸點(diǎn)被歸類(lèi)為常開(kāi)（NO）或接通觸點(diǎn)，另一組被歸類(lèi)為常閉（NC）或斷開(kāi)觸點(diǎn)。在常開(kāi)位置，觸點(diǎn)僅在勵磁電流“打開(kāi)”時(shí)關(guān)閉，并且開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)被拉向感應線(xiàn)圈。

在常閉位置，當勵磁電流“關(guān)閉”時(shí)，觸點(diǎn)永久關(guān)閉，因為開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)返回到其正常位置。這些術(shù)語(yǔ)常開(kāi)、常閉或接通和斷開(kāi)觸點(diǎn)指的是繼電器線(xiàn)圈“斷電”時(shí)電氣觸點(diǎn)的狀態(tài)，即沒(méi)有電源電壓連接到繼電器線(xiàn)圈。觸點(diǎn)元件可以是單接通或雙接通設計。下面給出了這種布置的示例。

電氣繼電器觸點(diǎn)尖端

繼電器的觸點(diǎn)是導電的金屬片，它們接觸在一起完成電路并允許電路電流流動(dòng)，就像開(kāi)關(guān)一樣。當觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)之間的電阻非常高，達到兆歐級，產(chǎn)生開(kāi)路條件，沒(méi)有電路電流流動(dòng)。

當觸點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，接觸電阻應為零，即短路，但情況并非總是如此。所有繼電器觸點(diǎn)在關(guān)閉時(shí)都有一定量的“接觸電阻”，這被稱(chēng)為“導通電阻”，類(lèi)似于場(chǎng)效應晶體管（FET）。

對于新的繼電器和觸點(diǎn)，這種導通電阻將非常小，通常小于0.2Ω，因為觸點(diǎn)尖端是新的和干凈的，但隨著(zhù)時(shí)間的推移，觸點(diǎn)尖端的電阻會(huì )增加。

例如，如果觸點(diǎn)通過(guò)的負載電流為10A，那么根據歐姆定律，觸點(diǎn)上的電壓降為0.2 x 10 = 2伏，如果電源電壓為12伏，那么負載電壓將僅為10伏（12 – 2）。隨著(zhù)觸點(diǎn)尖端開(kāi)始磨損，如果它們沒(méi)有適當保護免受高感性或容性負載的影響，當繼電器線(xiàn)圈斷電時(shí)，觸點(diǎn)開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，電路電流仍然想要流動(dòng)，它們將開(kāi)始顯示出電弧損壞的跡象。

觸點(diǎn)之間的電弧或火花將導致觸點(diǎn)尖端的接觸電阻進(jìn)一步增加，因為觸點(diǎn)尖端受損。如果允許繼續，觸點(diǎn)尖端可能會(huì )被燒毀和損壞到物理上關(guān)閉但不通過(guò)任何或非常少的電流的程度。

如果這種電弧損壞變得嚴重，觸點(diǎn)最終會(huì )“焊接”在一起，產(chǎn)生短路條件，并可能損壞它們所控制的電路。如果現在由于電弧導致接觸電阻增加到1Ω，那么相同負載電流下觸點(diǎn)上的電壓降將增加到1 x 10 = 10伏直流。這種高電壓降對于負載電路可能是不可接受的，特別是在12伏或24伏下操作時(shí)，那么故障繼電器將不得不更換。

為了減少接觸電弧和高“導通電阻”的影響，現代觸點(diǎn)尖端由或涂有各種銀基合金，以延長(cháng)其使用壽命，如下表所示。

電氣繼電器觸點(diǎn)尖端材料

Ag（純銀）

1. 在所有金屬中，電導率和熱導率最高。

2. 表現出低接觸電阻，價(jià)格低廉且廣泛使用。

3. 觸點(diǎn)容易因硫化影響而失去光澤。

AgCu（銀銅）

1. 被稱(chēng)為“硬銀”觸點(diǎn)，具有更好的耐磨性和較少的電弧和焊接傾向，但接觸電阻略高。

AgCdO（銀氧化鎘）

1. 電弧和焊接傾向非常小，具有良好的耐磨性和滅弧性能。

AgW（銀鎢）

1. 硬度和熔點(diǎn)高，抗電弧性能優(yōu)異。

2. 不是貴金屬。

3. 需要高接觸壓力以減少電阻。

4. 接觸電阻相對較高，抗腐蝕性能差。

AgNi（銀鎳）

1. 電導率與銀相當，抗電弧性能優(yōu)異。

AgPd（銀鈀）

1. 接觸磨損低，硬度更高。

2. 昂貴。

鉑、金和銀合金

1. 優(yōu)異的抗腐蝕性能，主要用于低電流電路。

繼電器制造商的數據表僅給出電阻性直流負載的最大接觸額定值，對于交流負載或高感性或容性負載，該額定值大大降低。為了在切換帶有感性或容性負載的交流電流時(shí)實(shí)現長(cháng)壽命和高可靠性，需要在繼電器觸點(diǎn)之間采用某種形式的電弧抑制或濾波。

通過(guò)在電氣繼電器觸點(diǎn)尖端并聯(lián)連接一個(gè)稱(chēng)為RC緩沖網(wǎng)絡(luò )的電阻-電容網(wǎng)絡(luò )，可以減少觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧量，從而延長(cháng)繼電器尖端的使用壽命。在觸點(diǎn)打開(kāi)的瞬間產(chǎn)生的電壓峰值將被RC網(wǎng)絡(luò )安全短路，從而抑制在觸點(diǎn)尖端產(chǎn)生的任何電弧。例如。

電氣繼電器緩沖電路

繼電器RC緩沖電路

電氣繼電器觸點(diǎn)類(lèi)型。

除了用于描述繼電器觸點(diǎn)連接方式的標準描述常開(kāi)（NO）和常閉（NC）外，繼電器觸點(diǎn)布置還可以按其動(dòng)作分類(lèi)。電氣繼電器可以由一個(gè)或多個(gè)單獨的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)組成，每個(gè)“觸點(diǎn)”被稱(chēng)為一個(gè)“極”。這些觸點(diǎn)或極中的每一個(gè)都可以通過(guò)激勵繼電器線(xiàn)圈連接或“切換”在一起，這導致觸點(diǎn)類(lèi)型的描述為：

SPST – 單極單擲

SPDT – 單極雙擲

DPST – 雙極單擲

DPDT – 雙極雙擲

觸點(diǎn)的動(dòng)作被描述為“接通”（M）或“斷開(kāi)”（B）。然后，如上所示的一個(gè)簡(jiǎn)單繼電器，具有一組觸點(diǎn)，可以具有以下觸點(diǎn)描述：

“單極雙擲 – （先斷后通）”，或SPDT – （B-M）

下面給出了一些用于電氣繼電器觸點(diǎn)類(lèi)型的更常見(jiàn)圖表示例，以識別電路或示意圖中的繼電器，但還有許多其他可能的配置。

電氣繼電器觸點(diǎn)配置

觸點(diǎn)配置

其中：

C是公共端子

NO是常開(kāi)觸點(diǎn)

NC是常閉觸點(diǎn)

機電繼電器還通過(guò)其觸點(diǎn)或開(kāi)關(guān)元件的組合以及單個(gè)繼電器內組合的觸點(diǎn)數量來(lái)表示。例如，在繼電器斷電位置常開(kāi)的觸點(diǎn)稱(chēng)為“A型觸點(diǎn)”或接通觸點(diǎn)。而在繼電器斷電位置常閉的觸點(diǎn)稱(chēng)為“B型觸點(diǎn)”或斷開(kāi)觸點(diǎn)。

當同時(shí)存在接通和斷開(kāi)觸點(diǎn)元件時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)電氣連接以產(chǎn)生一個(gè)公共點(diǎn)（由三個(gè)連接標識），這組觸點(diǎn)被稱(chēng)為“C型觸點(diǎn)”或轉換觸點(diǎn)。如果接通和斷開(kāi)觸點(diǎn)之間不存在電氣連接，則稱(chēng)為雙轉換觸點(diǎn)。

關(guān)于使用電氣繼電器的最后一點(diǎn)要記住。不建議將繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)以處理更高的負載電流。例如，切勿嘗試使用兩個(gè)觸點(diǎn)額定值為5A的繼電器并聯(lián)來(lái)供應10A負載，因為機械操作的繼電器觸點(diǎn)永遠不會(huì )在同一瞬間關(guān)閉或打開(kāi)。結果是其中一個(gè)觸點(diǎn)將始終過(guò)載，即使只是短暫的一瞬間，隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )導致繼電器過(guò)早失效。

此外，雖然電氣繼電器可以用于允許低功率電子或計算機類(lèi)型電路切換相對較高的電流或電壓“打開(kāi)”或“關(guān)閉”。切勿在同一繼電器內通過(guò)相鄰觸點(diǎn)混合不同的負載電壓，例如高壓交流（240V）和低壓直流（12V），始終使用單獨的繼電器以確保安全。

任何電氣繼電器中最重要的部分之一是其線(xiàn)圈。它將電流轉換為電磁通量，用于機械操作繼電器觸點(diǎn)。繼電器線(xiàn)圈的主要問(wèn)題是它們是“高感性負載”，因為它們由線(xiàn)圈制成。任何線(xiàn)圈都具有由電阻（R）和電感（L）串聯(lián)組成的阻抗值（LR串聯(lián)電路）。

當電流流過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生自感磁場(chǎng)。當線(xiàn)圈中的電流“關(guān)閉”時(shí)，隨著(zhù)磁通量在線(xiàn)圈內崩潰，會(huì )產(chǎn)生大的反電動(dòng)勢（變壓器理論）。這種感應反向電壓值可能相對于開(kāi)關(guān)電壓非常高，并且可能損壞用于操作繼電器線(xiàn)圈的任何半導體設備，如晶體管、FET或微控制器。

線(xiàn)圈上的續流二極管

防止晶體管或任何開(kāi)關(guān)半導體設備損壞的一種方法是在繼電器線(xiàn)圈上連接一個(gè)反向偏置二極管。

當流過(guò)線(xiàn)圈的電流“關(guān)閉”時(shí)，隨著(zhù)磁通量在線(xiàn)圈內崩潰，會(huì )產(chǎn)生感應反電動(dòng)勢。

這種反向電壓正向偏置二極管，使其導通并耗散存儲的能量，防止對半導體晶體管造成任何損壞。

在這種類(lèi)型的應用中使用時(shí)，二極管通常被稱(chēng)為續流二極管、自由輪二極管甚至回掃二極管，但它們都意味著(zhù)相同的東西。其他需要續流二極管保護的感性負載包括電磁鐵、電機和感應線(xiàn)圈。

除了使用續流二極管保護半導體組件外，其他用于保護的設備包括RC緩沖網(wǎng)絡(luò )、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和齊納二極管。

固態(tài)繼電器

雖然機電繼電器（EMR）價(jià)格低廉、易于使用，并且允許通過(guò)低功率、電氣隔離的輸入信號切換負載電路，但機電繼電器的主要缺點(diǎn)之一是它是“機械設備”，即它具有運動(dòng)部件，因此由于使用磁場(chǎng)物理移動(dòng)金屬觸點(diǎn)，其切換速度（響應時(shí)間）較慢。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些運動(dòng)部件會(huì )磨損和失效，或者由于持續的電弧和腐蝕，接觸電阻可能使繼電器無(wú)法使用并縮短其壽命。此外，它們在電氣上是有噪聲的，觸點(diǎn)會(huì )因接觸彈跳而受到影響，這可能會(huì )影響它們所連接的任何電子電路。

為了克服電氣繼電器的這些缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了另一種類(lèi)型的繼電器，稱(chēng)為固態(tài)繼電器或簡(jiǎn)稱(chēng)SSR，它是一種固態(tài)無(wú)觸點(diǎn)、純電子繼電器。

固態(tài)繼電器作為一種純電子設備，其設計中沒(méi)有運動(dòng)部件，因為機械觸點(diǎn)已被功率晶體管、晶閘管或三端雙向可控硅取代。輸入控制信號和輸出負載電壓之間的電氣分離是通過(guò)光耦類(lèi)型的光傳感器實(shí)現的。

固態(tài)繼電器提供了高度的可靠性、長(cháng)壽命和減少的電磁干擾（EMI）（無(wú)電弧觸點(diǎn)或磁場(chǎng)），以及與傳統機電繼電器相比更快的幾乎瞬時(shí)的響應時(shí)間。

此外，固態(tài)繼電器的輸入控制功率要求通常足夠低，使其與大多數IC邏輯系列兼容，而無(wú)需額外的緩沖器、驅動(dòng)器或放大器。然而，作為一種半導體設備，它們必須安裝在合適的散熱器上，以防止輸出開(kāi)關(guān)半導體設備過(guò)熱。

固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器

交流型固態(tài)繼電器在交流正弦波形的零交叉點(diǎn)“打開(kāi)”，防止在切換感性或容性負載時(shí)產(chǎn)生高浪涌電流，而晶閘管和三端雙向可控硅的固有“關(guān)閉”特性提供了優(yōu)于機電繼電器電弧觸點(diǎn)的改進(jìn)。

與機電繼電器一樣，通常需要在SSR的輸出端子上連接一個(gè)電阻-電容（RC）緩沖網(wǎng)絡(luò )，以保護半導體輸出開(kāi)關(guān)設備免受噪聲和電壓瞬態(tài)尖峰的影響，當用于切換高感性或容性負載時(shí)。在大多數現代SSR中，這種RC緩沖網(wǎng)絡(luò )作為標準內置在繼電器中，減少了額外外部組件的需求。

非零交叉檢測開(kāi)關(guān)（瞬時(shí)“打開(kāi)”）型SSR也可用于相位控制應用，如音樂(lè )會(huì )、演出、迪斯科燈光等的燈光調光或漸變，或電機速度控制類(lèi)型的應用。

由于固態(tài)繼電器的輸出開(kāi)關(guān)設備是半導體設備（用于直流開(kāi)關(guān)應用的晶體管，或用于交流開(kāi)關(guān)的三端雙向可控硅/晶閘管組合），SSR在“打開(kāi)”時(shí)輸出端子上的電壓降比機電繼電器高得多，通常為1.5 – 2.0伏。如果長(cháng)時(shí)間切換大電流，則需要額外的散熱器。

輸入/輸出接口模塊

輸入/輸出接口模塊（I/O模塊）是另一種固態(tài)繼電器，專(zhuān)門(mén)設計用于將計算機、微控制器或PIC與“現實(shí)世界”負載和開(kāi)關(guān)接口。有四種基本類(lèi)型的I/O模塊可用，交流或直流輸入電壓到TTL或CMOS邏輯電平輸出，以及TTL或CMOS邏輯輸入到交流或直流輸出電壓，每個(gè)模塊包含所有必要的電路，以在一個(gè)小設備內提供完整的接口和隔離。它們可以作為單獨的固態(tài)模塊或集成到4、8或16通道設備中。

模塊化輸入/輸出接口系統

SSR接口模塊

與等效功率的機電繼電器相比，固態(tài)繼電器（SSR）的主要缺點(diǎn)是其成本較高，只有單極單擲（SPST）類(lèi)型可用，“關(guān)閉”狀態(tài)泄漏電流流過(guò)開(kāi)關(guān)設備，以及高“打開(kāi)”狀態(tài)電壓降和功率耗散導致額外的散熱需求。此外，它們不能切換非常小的負載電流或高頻信號，如音頻或視頻信號，盡管有特殊的固態(tài)開(kāi)關(guān)可用于此類(lèi)應用。

在本教程中，我們探討了電氣繼電器，包括機電繼電器和固態(tài)繼電器，它們可以用作輸出設備（執行器）來(lái)控制物理過(guò)程。在下一個(gè)教程中，我們將繼續探討稱(chēng)為執行器的輸出設備，特別是將小電信號轉換為相應物理運動(dòng)的設備。該輸出設備稱(chēng)為電磁鐵。