电气继电器

电气继电器和接触器使用低电平控制信号来切换更高电压或电流的供电，采用多种不同的触点配置。

到目前为止，我们已经看到了一系列可以用于检测或“感知”各种物理变量和信号的输入设备，因此它们被称为传感器。但还有许多电气和电子设备被归类为输出设备，用于控制或操作某些外部物理过程。这些输出设备包括电气继电器，通常被归类为：执行器。

执行器将电信号转换为相应的物理量，如运动、力、声音等。执行器也被归类为换能器，因为它将一种物理量转换为另一种物理量，并且通常由低电压命令信号激活或操作。根据其输出的稳定状态数量，执行器可以分为二进制设备或连续设备。

例如，继电器是一种二进制执行器，因为它有两个稳定状态，即通电并锁定或断电并解锁，而电机是一种连续执行器，因为它可以旋转360度。最常见的执行器或输出设备类型包括电气继电器、灯、电机和扬声器。

我们之前看到，电磁铁可以用于电气开启门闩、门、开关阀门，以及各种机器人和机电一体化应用等。然而，如果电磁铁的柱塞用于操作一个或多个电气触点组，我们就有了一个称为继电器的设备，它非常有用，可以用于无数种不同的方式。在本教程中，我们将探讨电气继电器。

电气继电器还可以分为机械动作继电器，称为“机电继电器”，以及使用半导体晶体管、晶闸管、三端双向可控硅等作为开关设备的继电器，称为“固态继电器”或SSR。

机电继电器

继电器一词通常指一种设备，它在响应控制信号的应用时在两个或多个点之间提供电气连接。最常见和广泛使用的电气继电器类型是机电继电器或EMR。

电气继电器电路

一个电气继电器

任何设备的最基本控制是能够将其“打开”和“关闭”。最简单的方法是使用开关来中断电源。虽然开关可以用于控制某些东西，但它们有缺点。最大的缺点是它们必须手动（物理）打开或关闭。此外，它们相对较大、较慢，并且只能切换小电流。

然而，电气继电器基本上是电气操作的开关，具有多种形状、尺寸和功率等级，适用于所有类型的应用。继电器还可以在单个封装内具有单个或多个触点，用于主电压或高电流切换应用的较大功率继电器称为“接触器”。

在本教程中，我们只关注可以在电机控制或机器人电路中使用的“轻负载”机电继电器的基本操作原理。这些继电器通常用于一般电气和电子控制或开关电路，可以直接安装在PCB板上或独立连接，负载电流通常为几分之一安培到20多安培。继电器电路在电子应用中很常见。

顾名思义，机电继电器是电磁设备，它将通过继电器端子施加的低电压电气控制信号（无论是交流还是直流）产生的磁通量转换为拉动机械力，从而操作继电器内的电气触点。最常见的机电继电器形式包括一个称为“初级电路”的激励线圈，缠绕在可渗透的铁芯上。

这个铁芯有一个固定部分，称为轭铁，和一个可移动的弹簧加载部分，称为电枢，通过关闭固定电气线圈和可移动电枢之间的气隙来完成磁场电路。电枢是铰接或枢接的，允许它在生成的磁场内自由移动，关闭连接到它的电气触点。通常在轭铁和电枢之间连接一个弹簧（或多个弹簧），以便在继电器线圈处于“断电”状态时，即关闭时，返回行程将触点“重置”回其初始静止位置。

机电继电器结构

机电继电器

在我们上面的简单继电器中，我们有两组导电触点。继电器可以是“常开”或“常闭”。一对触点被归类为常开（NO）或接通触点，另一组被归类为常闭（NC）或断开触点。在常开位置，触点仅在励磁电流“打开”时关闭，并且开关触点被拉向感应线圈。

在常闭位置，当励磁电流“关闭”时，触点永久关闭，因为开关触点返回到其正常位置。这些术语常开、常闭或接通和断开触点指的是继电器线圈“断电”时电气触点的状态，即没有电源电压连接到继电器线圈。触点元件可以是单接通或双接通设计。下面给出了这种布置的示例。

电气继电器触点尖端

继电器的触点是导电的金属片，它们接触在一起完成电路并允许电路电流流动，就像开关一样。当触点打开时，触点之间的电阻非常高，达到兆欧级，产生开路条件，没有电路电流流动。

当触点关闭时，接触电阻应为零，即短路，但情况并非总是如此。所有继电器触点在关闭时都有一定量的“接触电阻”，这被称为“导通电阻”，类似于场效应晶体管（FET）。

对于新的继电器和触点，这种导通电阻将非常小，通常小于0.2Ω，因为触点尖端是新的和干净的，但随着时间的推移，触点尖端的电阻会增加。

例如，如果触点通过的负载电流为10A，那么根据欧姆定律，触点上的电压降为0.2 x 10 = 2伏，如果电源电压为12伏，那么负载电压将仅为10伏（12 – 2）。随着触点尖端开始磨损，如果它们没有适当保护免受高感性或容性负载的影响，当继电器线圈断电时，触点开始打开时，电路电流仍然想要流动，它们将开始显示出电弧损坏的迹象。

触点之间的电弧或火花将导致触点尖端的接触电阻进一步增加，因为触点尖端受损。如果允许继续，触点尖端可能会被烧毁和损坏到物理上关闭但不通过任何或非常少的电流的程度。

如果这种电弧损坏变得严重，触点最终会“焊接”在一起，产生短路条件，并可能损坏它们所控制的电路。如果现在由于电弧导致接触电阻增加到1Ω，那么相同负载电流下触点上的电压降将增加到1 x 10 = 10伏直流。这种高电压降对于负载电路可能是不可接受的，特别是在12伏或24伏下操作时，那么故障继电器将不得不更换。

为了减少接触电弧和高“导通电阻”的影响，现代触点尖端由或涂有各种银基合金，以延长其使用寿命，如下表所示。

电气继电器触点尖端材料

Ag（纯银）

1. 在所有金属中，电导率和热导率最高。

2. 表现出低接触电阻，价格低廉且广泛使用。

3. 触点容易因硫化影响而失去光泽。

AgCu（银铜）

1. 被称为“硬银”触点，具有更好的耐磨性和较少的电弧和焊接倾向，但接触电阻略高。

AgCdO（银氧化镉）

1. 电弧和焊接倾向非常小，具有良好的耐磨性和灭弧性能。

AgW（银钨）

1. 硬度和熔点高，抗电弧性能优异。

2. 不是贵金属。

3. 需要高接触压力以减少电阻。

4. 接触电阻相对较高，抗腐蚀性能差。

AgNi（银镍）

1. 电导率与银相当，抗电弧性能优异。

AgPd（银钯）

1. 接触磨损低，硬度更高。

2. 昂贵。

铂、金和银合金

1. 优异的抗腐蚀性能，主要用于低电流电路。

继电器制造商的数据表仅给出电阻性直流负载的最大接触额定值，对于交流负载或高感性或容性负载，该额定值大大降低。为了在切换带有感性或容性负载的交流电流时实现长寿命和高可靠性，需要在继电器触点之间采用某种形式的电弧抑制或滤波。

通过在电气继电器触点尖端并联连接一个称为RC缓冲网络的电阻-电容网络，可以减少触点打开时产生的电弧量，从而延长继电器尖端的使用寿命。在触点打开的瞬间产生的电压峰值将被RC网络安全短路，从而抑制在触点尖端产生的任何电弧。例如。

电气继电器缓冲电路

继电器RC缓冲电路

电气继电器触点类型。

除了用于描述继电器触点连接方式的标准描述常开（NO）和常闭（NC）外，继电器触点布置还可以按其动作分类。电气继电器可以由一个或多个单独的开关触点组成，每个“触点”被称为一个“极”。这些触点或极中的每一个都可以通过激励继电器线圈连接或“切换”在一起，这导致触点类型的描述为：

SPST – 单极单掷

SPDT – 单极双掷

DPST – 双极单掷

DPDT – 双极双掷

触点的动作被描述为“接通”（M）或“断开”（B）。然后，如上所示的一个简单继电器，具有一组触点，可以具有以下触点描述：

“单极双掷 – （先断后通）”，或SPDT – （B-M）

下面给出了一些用于电气继电器触点类型的更常见图表示例，以识别电路或示意图中的继电器，但还有许多其他可能的配置。

电气继电器触点配置

触点配置

其中：

C是公共端子

NO是常开触点

NC是常闭触点

机电继电器还通过其触点或开关元件的组合以及单个继电器内组合的触点数量来表示。例如，在继电器断电位置常开的触点称为“A型触点”或接通触点。而在继电器断电位置常闭的触点称为“B型触点”或断开触点。

当同时存在接通和断开触点元件时，两个触点电气连接以产生一个公共点（由三个连接标识），这组触点被称为“C型触点”或转换触点。如果接通和断开触点之间不存在电气连接，则称为双转换触点。

关于使用电气继电器的最后一点要记住。不建议将继电器触点并联以处理更高的负载电流。例如，切勿尝试使用两个触点额定值为5A的继电器并联来供应10A负载，因为机械操作的继电器触点永远不会在同一瞬间关闭或打开。结果是其中一个触点将始终过载，即使只是短暂的一瞬间，随着时间的推移会导致继电器过早失效。

此外，虽然电气继电器可以用于允许低功率电子或计算机类型电路切换相对较高的电流或电压“打开”或“关闭”。切勿在同一继电器内通过相邻触点混合不同的负载电压，例如高压交流（240V）和低压直流（12V），始终使用单独的继电器以确保安全。

任何电气继电器中最重要的部分之一是其线圈。它将电流转换为电磁通量，用于机械操作继电器触点。继电器线圈的主要问题是它们是“高感性负载”，因为它们由线圈制成。任何线圈都具有由电阻（R）和电感（L）串联组成的阻抗值（LR串联电路）。

当电流流过线圈时，会在其周围产生自感磁场。当线圈中的电流“关闭”时，随着磁通量在线圈内崩溃，会产生大的反电动势（变压器理论）。这种感应反向电压值可能相对于开关电压非常高，并且可能损坏用于操作继电器线圈的任何半导体设备，如晶体管、FET或微控制器。

线圈上的续流二极管

防止晶体管或任何开关半导体设备损坏的一种方法是在继电器线圈上连接一个反向偏置二极管。

当流过线圈的电流“关闭”时，随着磁通量在线圈内崩溃，会产生感应反电动势。

这种反向电压正向偏置二极管，使其导通并耗散存储的能量，防止对半导体晶体管造成任何损坏。

在这种类型的应用中使用时，二极管通常被称为续流二极管、自由轮二极管甚至回扫二极管，但它们都意味着相同的东西。其他需要续流二极管保护的感性负载包括电磁铁、电机和感应线圈。

除了使用续流二极管保护半导体组件外，其他用于保护的设备包括RC缓冲网络、金属氧化物压敏电阻（MOV）和齐纳二极管。

固态继电器

虽然机电继电器（EMR）价格低廉、易于使用，并且允许通过低功率、电气隔离的输入信号切换负载电路，但机电继电器的主要缺点之一是它是“机械设备”，即它具有运动部件，因此由于使用磁场物理移动金属触点，其切换速度（响应时间）较慢。

随着时间的推移，这些运动部件会磨损和失效，或者由于持续的电弧和腐蚀，接触电阻可能使继电器无法使用并缩短其寿命。此外，它们在电气上是有噪声的，触点会因接触弹跳而受到影响，这可能会影响它们所连接的任何电子电路。

为了克服电气继电器的这些缺点，开发了另一种类型的继电器，称为固态继电器或简称SSR，它是一种固态无触点、纯电子继电器。

固态继电器作为一种纯电子设备，其设计中没有运动部件，因为机械触点已被功率晶体管、晶闸管或三端双向可控硅取代。输入控制信号和输出负载电压之间的电气分离是通过光耦类型的光传感器实现的。

固态继电器提供了高度的可靠性、长寿命和减少的电磁干扰（EMI）（无电弧触点或磁场），以及与传统机电继电器相比更快的几乎瞬时的响应时间。

此外，固态继电器的输入控制功率要求通常足够低，使其与大多数IC逻辑系列兼容，而无需额外的缓冲器、驱动器或放大器。然而，作为一种半导体设备，它们必须安装在合适的散热器上，以防止输出开关半导体设备过热。

固态继电器

固态继电器

交流型固态继电器在交流正弦波形的零交叉点“打开”，防止在切换感性或容性负载时产生高浪涌电流，而晶闸管和三端双向可控硅的固有“关闭”特性提供了优于机电继电器电弧触点的改进。

与机电继电器一样，通常需要在SSR的输出端子上连接一个电阻-电容（RC）缓冲网络，以保护半导体输出开关设备免受噪声和电压瞬态尖峰的影响，当用于切换高感性或容性负载时。在大多数现代SSR中，这种RC缓冲网络作为标准内置在继电器中，减少了额外外部组件的需求。

非零交叉检测开关（瞬时“打开”）型SSR也可用于相位控制应用，如音乐会、演出、迪斯科灯光等的灯光调光或渐变，或电机速度控制类型的应用。

由于固态继电器的输出开关设备是半导体设备（用于直流开关应用的晶体管，或用于交流开关的三端双向可控硅/晶闸管组合），SSR在“打开”时输出端子上的电压降比机电继电器高得多，通常为1.5 – 2.0伏。如果长时间切换大电流，则需要额外的散热器。

输入/输出接口模块

输入/输出接口模块（I/O模块）是另一种固态继电器，专门设计用于将计算机、微控制器或PIC与“现实世界”负载和开关接口。有四种基本类型的I/O模块可用，交流或直流输入电压到TTL或CMOS逻辑电平输出，以及TTL或CMOS逻辑输入到交流或直流输出电压，每个模块包含所有必要的电路，以在一个小设备内提供完整的接口和隔离。它们可以作为单独的固态模块或集成到4、8或16通道设备中。

模块化输入/输出接口系统

SSR接口模块

与等效功率的机电继电器相比，固态继电器（SSR）的主要缺点是其成本较高，只有单极单掷（SPST）类型可用，“关闭”状态泄漏电流流过开关设备，以及高“打开”状态电压降和功率耗散导致额外的散热需求。此外，它们不能切换非常小的负载电流或高频信号，如音频或视频信号，尽管有特殊的固态开关可用于此类应用。

在本教程中，我们探讨了电气继电器，包括机电继电器和固态继电器，它们可以用作输出设备（执行器）来控制物理过程。在下一个教程中，我们将继续探讨称为执行器的输出设备，特别是将小电信号转换为相应物理运动的设备。该输出设备称为电磁铁。