一文简单介绍继电器

作者：Jeff Smoot

在数不清的消费、商业、工业应用和系统中，继电器发挥着至关重要的作用。它们经常会被不经意地用于日常系统中。例如，在调节家用火炉、点按电视遥控器或操作电梯时，我们就要使用继电器。继电器最初构想于 1835 年，当时是用来建立远距离电报连接，后来经改造又用于电话交换机。虽然本身不起眼，但仍一如既往地高效可靠地运行。

从实用的角度来看，继电器的功能就是电气开关。无论是近距离还是远距离，全都利用低功率信号来控制高功率电路。继电器的固有设计有助于有效隔离低功率信号和高功率电路，通常称为电隔离。这种隔离可确保用户的电气系统安全稳健地运行。继电器具有多功能性，因为它们可用于调节单个电路或多个电路，还可用作放大器或断路器。

此外，继电器还能够远程控制设备电源，从而增强安全措施，尤其是在可能对操作员造成身体危害的工业流程中。这些多功能器件采用多种封装，提供各种电流容量、安装选项和物理基底面，因而像无处不在的常用开关一样获得普遍使用。

继电器 - 工作原理

为了更好地理解这个主题，我们可将继电器分为两种基本类型：机电式继电器 (EMR) 和固态继电器 (SSR)。关键区别在于有无活动部件。

在这两种类型中，机电式继电器的历史最为悠久，其中包括触头、电枢、弹簧和电磁铁。在最基本的操作中，弹簧维持电枢的位置。通电时，电磁铁对电枢产生吸引力，使其移动并闭合一组触头，从而让电流流过电路。

图 1：机电式继电器的基本内部结构。（图片来源：[CUI Devices]）

相反，固态继电器与机电式继电器的基本用途相同，但完全是电子元件，没有活动部件。这种继电器出现于上个世纪 50 年代后期。它们包括输入电路、控制电路和输出电路，可用于调节电流。当施加的电压超过规定的始动电压时，控制电路会触发继电器。一旦电压降到压差以下，继电器就会停用。

机电式继电器与固态继电器的比较（续）

与任何电子元件技术一样，机电式继电器和固态继电器都有各自明显的优缺点，需要加以考虑。

由于机电式继电器的设计已有两个世纪的历史，因此是一种操作简便的稳定器件，在涉及高电流和危险环境在内的各种应用中，均表现出良好的可靠性。它们提供完全的电气隔离，能够耐受高电流和电压浪涌，而且不受电磁干扰和射频干扰 (EMI/RFI) 等电气噪声的影响。

但是，由于机电式继电器有活动部件，因此随着时间的推移，它会出现物理退化，触头会因腐蚀和氧化而损坏。它们可能容易发生接触电弧，导致点蚀和短路。由于它们的机械特性，它们容易受到冲击和振动造成的触头颤动的影响，而且会产生自身的 EMI/RFI 噪声。此外，外部磁场可能影响继电器的工作。

相比之下，固态继电器的工作寿命更长，由于设计中没有活动部件，因此控制功率显着降低。这些器件能提供更快的开关循环，消除了电弧和触头颤动，而且不受外部机械冲击、振动或磁场的影响。与机电式继电器相比，固态继电器的工作电压范围较小，因而适用于电子设备，但不太适合大功率应用。

但是，由于本身独特的设计，固态继电器可能容易受到电压或电流瞬变以及 EMI/RFI 噪声的影响。所产生的热量往往高于机械式继电器，而且可能对环境温度非常敏感。值得注意的是，若是使用标准半导体开关，在本质上无法实现控制信号与负载之间的完全电气隔离，但可以使用光电耦合器件中的光电元件来实现，从而隔离输入和输出信号。

图 2：固态继电器的基本内部原理图。（图片来源：CUI Devices）

常见继电器类型

市场上有多种继电器类型可供选择，每种类型都是为满足特定的应用要求而量身定制。值得注意的是，虽然制造商对产品的具体命名可能略有不同，但主要的继电器类型可以大致归总如下：

• 通用型： 这些是常见的机电式继电器，使用交流或直流电，工作电压范围为 12 至 230 V，能够控制 2 至 30 A 的电流。
• [ 信号 ]：信号继电器可用于控制低功耗负载，电流通常小于 2 A。如需了解更多信息，请参阅 CUI Devices 的[“信号继电器 - 了解基础知识”]一文。
• [ 功率 ]：功率继电器专门设计用于管理大功率负载，能最大限度地减少发热和电弧。如需了解更多信息，请参阅 CUI Devices 的[“功率继电器简介”]一文。
• 机器控制 ：这些是耐用的重载继电器，适用于大型工业应用。
• 自锁 ：自锁继电器会保持设定或复位状态（开或关），直至收到反相电压信号。
• 磁簧 ：磁簧继电器结构紧凑，操作便捷。这些继电器使用电磁铁控制一个或多个密闭式磁簧开关，因而不受外部污染物或湿气的影响。
• 零开关 ：当施加控制电压且负载电压接近于零时，这些继电器会激活负载。当控制电压消失时，它们会断开负载。

图 3：使用继电器执行零开关的基本原理。（图片来源：CUI Devices）

• 峰值开关 ：当施加控制电压且负载电压位于峰值时，峰值开关继电器会激活负载。当控制电压消失且电流负载接近于零时，它们会断开负载。
• 瞬时开启 ：瞬时开启继电器在施加始动电压时立即激活负载。
• 延时 ：延时继电器内置计时器，可基于时间控制事件。
• 模拟开关 ：模拟开关继电器对输出电压进行管理，将其作为输入电压的函数，从而在继电器额定值范围内提供无限的输出电压。
• 光耦合 ：这些是固态继电器，可以响应内部光源进行开关，从而提供控制电路和电源电路之间的隔离。
• 军用/高可靠性 ：这些继电器经过专门设计，能够在条件苛刻的恶劣环境下工作。

继电器可以进一步分类为常开型 (NO) 和常闭型 (NC)，前者在电路不通电时触头断开；后者在电路不通电时触头闭合。总之，在不通电时，继电器通常被指定为 NO 或 NC。

额定值和配置

继电器的额定值基于本身通过器件安全切换电力的能力。这些额定值可分类为交流和直流，通常以安培为单位。继电器的额定值必须等于或大于所要控制的器件，这一点非常重要。

继电器具备同时控制多个电路的能力，其名称表明了具体的特征。这些继电器名称包括 SPST、DPDT、3PDT 和 SP3T，其中的 P 和 T 分别表示我们所熟悉的“刀”和“掷”。

除了刀数和掷数外，还可以用“Form”（外形）一词来描述继电器的重要特征。类似“1 Form A”或“2 Form C”的字样重点强调两个关键信息。Form 类型表示开关是常开还是常闭，如果是 SPDT 开关，则表示它们是“先开后合”还是“先合后开”。Form 前的数字（1 或 2）表示继电器中此类外形的触头数量。一些常见的外形包括：

• Form A - 常开
• Form B - 常闭
• Form C - 先开后合 SPDT 开关
• Form D - 先合后开 SPDT 开关

总结

由于继电器设计简单且运行可靠，因而广泛应用于各个行业和市场的设备和系统中。继电器最初是电报系统的基本组件，甚至为计算机的早期发展做出了贡献，如今仍发挥着重要作用，可确保从远程位置安全高效地控制电力驱动设备。

为了满足工程师对低电平或高电平电流开关的要求，CUI Devices 提供了各种不同额定值和配置的[功率和信号继电器]以供选择。