干簧继电器：从声带呼叫到GHz ATE，现在面临MEMS中断第1部分

干簧继电器已从其音频根源发展到处理 GHz 信号;MEMS 技术可能会将它们推到一边。

机电继电器就像恐龙一样，没有得到它们应该灭绝的消息。相反，它们催生了新一代，被设计成新的应用，甚至占领了新的领域。数以百万计的此类继电器被用于新设计中，以解决从直流到射频、切换低电平信号和电源等通常难以解决的问题，同时解决相互冲突的目标。

对于熟悉固态、无移动部件半导体世界的设计人员来说，机电继电器 （EMR） 似乎是一个早已过去的时代的遗留物。事实并非如此，因为在许多应用中，EMR 比固态继电器 （SSR） 具有明显的优势。然而，EMR 确实面临着一种新形式的固态竞争，尽管在某些应用中以基于 MEMS 的器件的形式存在微观的移动部件。

从基础开始

经典的 EMR 归功于迈克尔·法拉第爵士，是最古老的“电气”组件（以及基本的开关）。它的工作原理是给初级侧线圈通电，该线圈拉入电枢，然后导致触点闭合（或打开，具体取决于设计，如图 1 所示）。这是大多数对继电器有所了解的人所设想的表示，并在基础电力培训课程中用作非常有形的电路元件。第一台基于电力的数字计算机在 20 年上半年使用了数千台th世纪形成逻辑门和计算元素。

图 1.（左）在EMR中，当电磁铁线圈中没有电流流动时，电枢被弹簧拉起，其公共（COM）触点连接到常闭（NC）触点;（右）;当电磁线圈施加电压时，线圈中流动的电流会在铁芯中产生磁能，从而将电枢向下拉，COM触点从NC切换到常开（NO）。（图片来源：Glolab Corporation)

EMR 有很多优点，包括：

• 继电器触点形成一个基本的开关闭合，通过它的电流可以是交流或直流，独立于线圈驱动;接触电阻在亚毫欧范围内，因此触点两端的压降非常接近于零;触点开路电阻是一个气隙，因此在数兆欧姆范围内，漏电流接近于零。

• EMR 是一种完全无源的设备，这对坚固性和可靠性具有影响。它在电气和机械上都坚固耐用，可抵抗尖峰、瞬变和 EMI。

• 继电器可以是多极、多触点的器件，具有多个常开或常闭触点对;提供三个、四个甚至更多独立的常开和常闭触点，其中最常见的是双刀/双掷 （DPDT）。

• 多个触点不必承载相同类型和额定负载，这是另一个好处;一些触点可以用于低电平信号，而另一些触点可以用于电源。

• 继电器可以设计用于低至 10 或 20 mA 或高至数十安培的线圈电流，触点的额定电流仅为几十 mA 和几伏，直到两个参数的几个数量级。

• EMR 触点在很大程度上与信号“无关”，只要正在处理的信号在电压和电流最大额定值范围内即可;此外，无论是电源信号、数据信号还是多个触点的混合，都无关紧要。此外，负载不必是众所周知或定义的;它只需要在设计限制范围内。

• 继电器非常容易排除故障;所需要的只是一个欧姆表来测量未通电线圈的连续性和接触电阻，以及一个简单的交流或直流电源来为线圈通电。

经典的机电继电器已经很好地服务于该行业，并将继续如此，每年销售数百万台。然而，它不适合一类应用：在中心局 （CO） 中交换音频频段电话信号。在这种情况下，两个通话方的铜环需要相互连接。这是通过X-Y矩阵实现的，如果一个呼叫者都在同一个CO中，则一个呼叫者直接连接到另一个呼叫者，或者一个呼叫者连接到另一个CO的“中继线”，以呼叫该CO。

经典的 EMR 太大、成本高、耗电，并且会暴露在 CO 的污垢、灰尘和其他环境条件下。由此产生的长期可靠性不足将带来维护问题，这与贝尔电话系统 40 年使用寿命的目标背道而驰——您现在能想象这个目标吗？由于环境条件，即使多年来触点性能适度下降，也会影响信号质量和可靠性。

即使最初基于继电器的电话交换矩阵发展到高度复杂的横杆开关设计，该布置的裸露触点也缺乏所需的长期可靠性。

下一节将探讨干簧继电器及其在 ATE 应用中的应用。