電氣繼電器和接觸器使用低電平控制信號(hào)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(cè)或“感知”各種物理變量和信號(hào)的輸入設(shè)備，因此它們被稱為傳感器。但還有許多電氣和電子設(shè)備被歸類(lèi)為輸出設(shè)備，用于控制或操作某些外部物理過(guò)程。這些輸出設(shè)備包括電氣繼電器，通常被歸類(lèi)為：執(zhí)行器。

執(zhí)行器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量，如運(yùn)動(dòng)、力、聲音等。執(zhí)行器也被歸類(lèi)為換能器，因?yàn)樗鼘⒁环N物理量轉(zhuǎn)換為另一種物理量，并且通常由低電壓命令信號(hào)激活或操作。根據(jù)其輸出的穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)量，執(zhí)行器可以分為二進(jìn)制設(shè)備或連續(xù)設(shè)備。

例如，繼電器是一種二進(jìn)制執(zhí)行器，因?yàn)樗袃蓚€(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即通電并鎖定或斷電并解鎖，而電機(jī)是一種連續(xù)執(zhí)行器，因?yàn)樗梢孕D(zhuǎn)360度。最常見(jiàn)的執(zhí)行器或輸出設(shè)備類(lèi)型包括電氣繼電器、燈、電機(jī)和揚(yáng)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(jī)器人和機(jī)電一體化應(yīng)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)稱為繼電器的設(shè)備，它非常有用，可以用于無(wú)數(shù)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(jī)械動(dòng)作繼電器，稱為“機(jī)電繼電器”，以及使用半導(dǎo)體晶體管、晶閘管、三端雙向可控硅等作為開(kāi)關(guān)設(shè)備的繼電器，稱為“固態(tài)繼電器”或SSR。

機(jī)電繼電器

繼電器一詞通常指一種設(shè)備，它在響應(yīng)控制信號(hào)的應(yīng)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(jī)電繼電器或EMR。

電氣繼電器電路

一個(gè)電氣繼電器

任何設(shè)備的最基本控制是能夠?qū)⑵洹按蜷_(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(duì)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(jí)，適用于所有類(lèi)型的應(yīng)用。繼電器還可以在單個(gè)封裝內(nèi)具有單個(gè)或多個(gè)觸點(diǎn)，用于主電壓或高電流切換應(yīng)用的較大功率繼電器稱為“接觸器”。

在本教程中，我們只關(guān)注可以在電機(jī)控制或機(jī)器人電路中使用的“輕負(fù)載”機(jī)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(dú)立連接，負(fù)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(yīng)用中很常見(jiàn)。

顧名思義，機(jī)電繼電器是電磁設(shè)備，它將通過(guò)繼電器端子施加的低電壓電氣控制信號(hào)（無(wú)論是交流還是直流）產(chǎn)生的磁通量轉(zhuǎn)換為拉動(dòng)機(jī)械力，從而操作繼電器內(nèi)的電氣觸點(diǎn)。最常見(jiàn)的機(jī)電繼電器形式包括一個(gè)稱為“初級(jí)電路”的激勵(lì)線圈，纏繞在可滲透的鐵芯上。

這個(gè)鐵芯有一個(gè)固定部分，稱為軛鐵，和一個(gè)可移動(dòng)的彈簧加載部分，稱為電樞，通過(guò)關(guān)閉固定電氣線圈和可移動(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(nèi)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(jī)電繼電器結(jié)構(gòu)

機(jī)電繼電器

在我們上面的簡(jiǎn)單繼電器中，我們有兩組導(dǎo)電觸點(diǎn)。繼電器可以是“常開(kāi)”或“常閉”。一對(duì)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(lì)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(yīng)線圈。

在常閉位置，當(dāng)勵(lì)磁電流“關(guān)閉”時(shí)，觸點(diǎn)永久關(guān)閉，因?yàn)殚_(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圈。觸點(diǎn)元件可以是單接通或雙接通設(shè)計(jì)。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(dǎo)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(dāng)觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)之間的電阻非常高，達(dá)到兆歐級(jí)，產(chǎn)生開(kāi)路條件，沒(méi)有電路電流流動(dòng)。

當(dāng)觸點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，接觸電阻應(yīng)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”，這被稱為“導(dǎo)通電阻”，類(lèi)似于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。

對(duì)于新的繼電器和觸點(diǎn)，這種導(dǎo)通電阻將非常小，通常小于0.2Ω，因?yàn)橛|點(diǎn)尖端是新的和干凈的，但隨著時(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(fù)載電流為10A，那么根據(jù)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(fù)載電壓將僅為10伏（12 – 2）。隨著觸點(diǎn)尖端開(kāi)始磨損，如果它們沒(méi)有適當(dāng)保護(hù)免受高感性或容性負(fù)載的影響，當(dāng)繼電器線圈斷電時(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(dǎo)致觸點(diǎn)尖端的接觸電阻進(jìn)一步增加，因?yàn)橛|點(diǎn)尖端受損。如果允許繼續(xù)，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(yán)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(xiàn)在由于電弧導(dǎo)致接觸電阻增加到1Ω，那么相同負(fù)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(duì)于負(fù)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(dǎo)通電阻”的影響，現(xiàn)代觸點(diǎn)尖端由或涂有各種銀基合金，以延長(zhǎng)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(dǎo)率和熱導(dǎo)率最高。

2. 表現(xiàn)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(duì)較高，抗腐蝕性能差。

AgNi（銀鎳）

1. 電導(dǎo)率與銀相當(dāng)，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(shù)據(jù)表僅給出電阻性直流負(fù)載的最大接觸額定值，對(duì)于交流負(fù)載或高感性或容性負(fù)載，該額定值大大降低。為了在切換帶有感性或容性負(fù)載的交流電流時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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?yàn)V波。

通過(guò)在電氣繼電器觸點(diǎn)尖端并聯(lián)連接一個(gè)稱為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(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(dú)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)組成，每個(gè)“觸點(diǎn)”被稱為一個(gè)“極”。這些觸點(diǎn)或極中的每一個(gè)都可以通過(guò)激勵(lì)繼電器線圈連接或“切換”在一起，這導(dǎo)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(shí)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(jī)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(nèi)組合的觸點(diǎn)數(shù)量來(lái)表示。例如，在繼電器斷電位置常開(kāi)的觸點(diǎn)稱為“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)稱為“B型觸點(diǎn)”或斷開(kāi)觸點(diǎn)。

當(dāng)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(biāo)識(shí)），這組觸點(diǎn)被稱為“C型觸點(diǎn)”或轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)。如果接通和斷開(kāi)觸點(diǎn)之間不存在電氣連接，則稱為雙轉(zhuǎn)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(fù)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(yīng)10A負(fù)載，因?yàn)闄C(jī)械操作的繼電器觸點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)在同一瞬間關(guān)閉或打開(kāi)。結(jié)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，隨著時(shí)間的推移會(huì)導(dǎo)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(jì)算機(jī)類(lèi)型電路切換相對(duì)較高的電流或電壓“打開(kāi)”或“關(guān)閉”。切勿在同一繼電器內(nèi)通過(guò)相鄰觸點(diǎn)混合不同的負(fù)載電壓，例如高壓交流（240V）和低壓直流（12V），始終使用單獨(dú)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(zhuǎn)換為電磁通量，用于機(jī)械操作繼電器觸點(diǎn)。繼電器線圈的主要問(wèn)題是它們是“高感性負(fù)載”，因?yàn)樗鼈冇删€圈制成。任何線圈都具有由電阻（R）和電感（L）串聯(lián)組成的阻抗值（LR串聯(lián)電路）。

當(dāng)電流流過(guò)線圈時(shí)，會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生自感磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中的電流“關(guān)閉”時(shí)，隨著磁通量在線圈內(nèi)崩潰，會(huì)產(chǎn)生大的反電動(dòng)勢(shì)（變壓器理論）。這種感應(yīng)反向電壓值可能相對(duì)于開(kāi)關(guān)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(dǎo)體設(shè)備，如晶體管、FET或微控制器。

線圈上的續(xù)流二極管

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

當(dāng)流過(guò)線圈的電流“關(guān)閉”時(shí)，隨著磁通量在線圈內(nèi)崩潰，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)。

這種反向電壓正向偏置二極管，使其導(dǎo)通并耗散存儲(chǔ)的能量，防止對(duì)半導(dǎo)體晶體管造成任何損壞。

在這種類(lèi)型的應(yīng)用中使用時(shí)，二極管通常被稱為續(xù)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(xù)流二極管保護(hù)的感性負(fù)載包括電磁鐵、電機(jī)和感應(yīng)線圈。

除了使用續(xù)流二極管保護(hù)半導(dǎo)體組件外，其他用于保護(hù)的設(shè)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(jī)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(hào)切換負(fù)載電路，但機(jī)電繼電器的主要缺點(diǎn)之一是它是“機(jī)械設(shè)備”，即它具有運(yùn)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(yīng)時(shí)間）較慢。

隨著時(shí)間的推移，這些運(yùn)動(dòng)部件會(huì)磨損和失效，或者由于持續(xù)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?cè)陔姎馍鲜怯性肼暤?，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，稱為固態(tài)繼電器或簡(jiǎn)稱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(shè)備，其設(shè)計(jì)中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因?yàn)闄C(jī)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(hào)和輸出負(fù)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(xiàn)的。

固態(tài)繼電器提供了高度的可靠性、長(zhǎng)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(tǒng)機(jī)電繼電器相比更快的幾乎瞬時(shí)的響應(yīng)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(shù)IC邏輯系列兼容，而無(wú)需額外的緩沖器、驅(qū)動(dòng)器或放大器。然而，作為一種半導(dǎo)體設(shè)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(dǎo)體設(shè)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(fù)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(jī)電繼電器電弧觸點(diǎn)的改進(jìn)。

與機(jī)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(hù)半導(dǎo)體輸出開(kāi)關(guān)設(shè)備免受噪聲和電壓瞬態(tài)尖峰的影響，當(dāng)用于切換高感性或容性負(fù)載時(shí)。在大多數(shù)現(xiàn)代SSR中，這種RC緩沖網(wǎng)絡(luò)作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置在繼電器中，減少了額外外部組件的需求。

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

由于固態(tài)繼電器的輸出開(kāi)關(guān)設(shè)備是半導(dǎo)體設(shè)備（用于直流開(kāi)關(guān)應(yīng)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(jī)電繼電器高得多，通常為1.5 – 2.0伏。如果長(zhǎng)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，專門(mén)設(shè)計(jì)用于將計(jì)算機(jī)、微控制器或PIC與“現(xiàn)實(shí)世界”負(fù)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(shè)備內(nèi)提供完整的接口和隔離。它們可以作為單獨(dú)的固態(tài)模塊或集成到4、8或16通道設(shè)備中。

模塊化輸入/輸出接口系統(tǒng)

SSR接口模塊

與等效功率的機(jī)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(shè)備，以及高“打開(kāi)”狀態(tài)電壓降和功率耗散導(dǎo)致額外的散熱需求。此外，它們不能切換非常小的負(fù)載電流或高頻信號(hào)，如音頻或視頻信號(hào)，盡管有特殊的固態(tài)開(kāi)關(guān)可用于此類(lèi)應(yīng)用。

在本教程中，我們探討了電氣繼電器，包括機(jī)電繼電器和固態(tài)繼電器，它們可以用作輸出設(shè)備（執(zhí)行器）來(lái)控制物理過(guò)程。在下一個(gè)教程中，我們將繼續(xù)探討稱為執(zhí)行器的輸出設(shè)備，特別是將小電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)物理運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。該輸出設(shè)備稱為電磁鐵。