電氣繼電器

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

到目前為止，我們已經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，因此它們被稱為傳感器。但還有許多電氣和電子設備被歸類為輸出設備，用于控制或操作某些外部物理過程。這些輸出設備包括電氣繼電器，通常被歸類為：執行器。

執行器將電信號轉換為相應的物理量，如運動、力、聲音等。執行器也被歸類為換能器，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數量，執行器可以分為二進制設備或連續設備。

例如，繼電器是一種二進制執行器，因為它有兩個穩定狀態，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。最常見的執行器或輸出設備類型包括電氣繼電器、燈、電機和揚聲器。

我們之前看到，電磁鐵可以用于電氣開啟門閂、門、開關閥門，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或多個電氣觸點組，我們就有了一個稱為繼電器的設備，它非常有用，可以用于無數種不同的方式。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作繼電器，稱為“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關設備的繼電器，稱為“固態繼電器”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在兩個或多個點之間提供電氣連接。最常見和廣泛使用的電氣繼電器類型是機電繼電器或EMR。

電氣繼電器電路

一個電氣繼電器

任何設備的最基本控制是能夠將其“打開”和“關閉”。最簡單的方法是使用開關來中斷電源。雖然開關可以用于控制某些東西，但它們有缺點。最大的缺點是它們必須手動（物理）打開或關閉。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關，具有多種形狀、尺寸和功率等級，適用于所有類型的應用。繼電器還可以在單個封裝內具有單個或多個觸點，用于主電壓或高電流切換應用的較大功率繼電器稱為“接觸器”。

在本教程中，我們只關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關電路，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。

顧名思義，機電繼電器是電磁設備，它將通過繼電器端子施加的低電壓電氣控制信號（無論是交流還是直流）產生的磁通量轉換為拉動機械力，從而操作繼電器內的電氣觸點。最常見的機電繼電器形式包括一個稱為“初級電路”的激勵線圈，纏繞在可滲透的鐵芯上。

這個鐵芯有一個固定部分，稱為軛鐵，和一個可移動的彈簧加載部分，稱為電樞，通過關閉固定電氣線圈和可移動電樞之間的氣隙來完成磁場電路。電樞是鉸接或樞接的，允許它在生成的磁場內自由移動，關閉連接到它的電氣觸點。通常在軛鐵和電樞之間連接一個彈簧（或多個彈簧），以便在繼電器線圈處于“斷電”狀態時，即關閉時，返回行程將觸點“重置”回其初始靜止位置。

機電繼電器結構

機電繼電器

在我們上面的簡單繼電器中，我們有兩組導電觸點。繼電器可以是“常開”或“常閉”。一對觸點被歸類為常開（NO）或接通觸點，另一組被歸類為常閉（NC）或斷開觸點。在常開位置，觸點僅在勵磁電流“打開”時關閉，并且開關觸點被拉向感應線圈。

在常閉位置，當勵磁電流“關閉”時，觸點永久關閉，因為開關觸點返回到其正常位置。這些術語常開、常閉或接通和斷開觸點指的是繼電器線圈“斷電”時電氣觸點的狀態，即沒有電源電壓連接到繼電器線圈。觸點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。

電氣繼電器觸點尖端

繼電器的觸點是導電的金屬片，它們接觸在一起完成電路并允許電路電流流動，就像開關一樣。當觸點打開時，觸點之間的電阻非常高，達到兆歐級，產生開路條件，沒有電路電流流動。

當觸點關閉時，接觸電阻應為零，即短路，但情況并非總是如此。所有繼電器觸點在關閉時都有一定量的“接觸電阻”，這被稱為“導通電阻”，類似于場效應晶體管（FET）。

對于新的繼電器和觸點，這種導通電阻將非常小，通常小于0.2Ω，因為觸點尖端是新的和干凈的，但隨著時間的推移，觸點尖端的電阻會增加。

例如，如果觸點通過的負載電流為10A，那么根據歐姆定律，觸點上的電壓降為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）。隨著觸點尖端開始磨損，如果它們沒有適當保護免受高感性或容性負載的影響，當繼電器線圈斷電時，觸點開始打開時，電路電流仍然想要流動，它們將開始顯示出電弧損壞的跡象。

觸點之間的電弧或火花將導致觸點尖端的接觸電阻進一步增加，因為觸點尖端受損。如果允許繼續，觸點尖端可能會被燒毀和損壞到物理上關閉但不通過任何或非常少的電流的程度。

如果這種電弧損壞變得嚴重，觸點最終會“焊接”在一起，產生短路條件，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，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，現代觸點尖端由或涂有各種銀基合金，以延長其使用壽命，如下表所示。

電氣繼電器觸點尖端材料

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，價格低廉且廣泛使用。

3. 觸點容易因硫化影響而失去光澤。

AgCu（銀銅）

1. 被稱為“硬銀”觸點，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. 硬度和熔點高，抗電弧性能優異。

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實現長壽命和高可靠性，需要在繼電器觸點之間采用某種形式的電弧抑制或濾波。

通過在電氣繼電器觸點尖端并聯連接一個稱為RC緩沖網絡的電阻-電容網絡，可以減少觸點打開時產生的電弧量，從而延長繼電器尖端的使用壽命。在觸點打開的瞬間產生的電壓峰值將被RC網絡安全短路，從而抑制在觸點尖端產生的任何電弧。例如。

電氣繼電器緩沖電路

繼電器RC緩沖電路

電氣繼電器觸點類型。

除了用于描述繼電器觸點連接方式的標準描述常開（NO）和常閉（NC）外，繼電器觸點布置還可以按其動作分類。電氣繼電器可以由一個或多個單獨的開關觸點組成，每個“觸點”被稱為一個“極”。這些觸點或極中的每一個都可以通過激勵繼電器線圈連接或“切換”在一起，這導致觸點類型的描述為：

SPST – 單極單擲

SPDT – 單極雙擲

DPST – 雙極單擲

DPDT – 雙極雙擲

觸點的動作被描述為“接通”（M）或“斷開”（B）。然后，如上所示的一個簡單繼電器，具有一組觸點，可以具有以下觸點描述：

“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類型的更常見圖表示例，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。

電氣繼電器觸點配置

觸點配置

其中：

C是公共端子

NO是常開觸點

NC是常閉觸點

機電繼電器還通過其觸點或開關元件的組合以及單個繼電器內組合的觸點數量來表示。例如，在繼電器斷電位置常開的觸點稱為“A型觸點”或接通觸點。而在繼電器斷電位置常閉的觸點稱為“B型觸點”或斷開觸點。

當同時存在接通和斷開觸點元件時，兩個觸點電氣連接以產生一個公共點（由三個連接標識），這組觸點被稱為“C型觸點”或轉換觸點。如果接通和斷開觸點之間不存在電氣連接，則稱為雙轉換觸點。

關于使用電氣繼電器的最后一點要記住。不建議將繼電器觸點并聯以處理更高的負載電流。例如，切勿嘗試使用兩個觸點額定值為5A的繼電器并聯來供應10A負載，因為機械操作的繼電器觸點永遠不會在同一瞬間關閉或打開。結果是其中一個觸點將始終過載，即使只是短暫的一瞬間，隨著時間的推移會導致繼電器過早失效。

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型電路切換相對較高的電流或電壓“打開”或“關閉”。切勿在同一繼電器內通過相鄰觸點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圈。它將電流轉換為電磁通量，用于機械操作繼電器觸點。繼電器線圈的主要問題是它們是“高感性負載”，因為它們由線圈制成。任何線圈都具有由電阻（R）和電感（L）串聯組成的阻抗值（LR串聯電路）。

當電流流過線圈時，會在其周圍產生自感磁場。當線圈中的電流“關閉”時，隨著磁通量在線圈內崩潰，會產生大的反電動勢（變壓器理論）。這種感應反向電壓值可能相對于開關電壓非常高，并且可能損壞用于操作繼電器線圈的任何半導體設備，如晶體管、FET或微控制器。

線圈上的續流二極管

防止晶體管或任何開關半導體設備損壞的一種方法是在繼電器線圈上連接一個反向偏置二極管。

當流過線圈的電流“關閉”時，隨著磁通量在線圈內崩潰，會產生感應反電動勢。

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。

在這種類型的應用中使用時，二極管通常被稱為續流二極管、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緩沖網絡、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和齊納二極管。

固態繼電器

雖然機電繼電器（EMR）價格低廉、易于使用，并且允許通過低功率、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之一是它是“機械設備”，即它具有運動部件，因此由于使用磁場物理移動金屬觸點，其切換速度（響應時間）較慢。

隨著時間的推移，這些運動部件會磨損和失效，或者由于持續的電弧和腐蝕，接觸電阻可能使繼電器無法使用并縮短其壽命。此外，它們在電氣上是有噪聲的，觸點會因接觸彈跳而受到影響，這可能會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，開發了另一種類型的繼電器，稱為固態繼電器或簡稱SSR，它是一種固態無觸點、純電子繼電器。

固態繼電器作為一種純電子設備，其設計中沒有運動部件，因為機械觸點已被功率晶體管、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光耦類型的光傳感器實現的。

固態繼電器提供了高度的可靠性、長壽命和減少的電磁干擾（EMI）（無電弧觸點或磁場），以及與傳統機電繼電器相比更快的幾乎瞬時的響應時間。

此外，固態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，而無需額外的緩沖器、驅動器或放大器。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，以防止輸出開關半導體設備過熱。

固態繼電器

固態繼電器

交流型固態繼電器在交流正弦波形的零交叉點“打開”，防止在切換感性或容性負載時產生高浪涌電流，而晶閘管和三端雙向可控硅的固有“關閉”特性提供了優于機電繼電器電弧觸點的改進。

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

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

由于固態繼電器的輸出開關設備是半導體設備（用于直流開關應用的晶體管，或用于交流開關的三端雙向可控硅/晶閘管組合），SSR在“打開”時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。如果長時間切換大電流，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）是另一種固態繼電器，專門設計用于將計算機、微控制器或PIC與“現實世界”負載和開關接口。有四種基本類型的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，每個模塊包含所有必要的電路，以在一個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，固態繼電器（SSR）的主要缺點是其成本較高，只有單極單擲（SPST）類型可用，“關閉”狀態泄漏電流流過開關設備，以及高“打開”狀態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，盡管有特殊的固態開關可用于此類應用。

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繼電器，它們可以用作輸出設備（執行器）來控制物理過程。在下一個教程中，我們將繼續探討稱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的設備。該輸出設備稱為電磁鐵。