原来继电器的设计细节这么多你们都知道吗？

半导体

继电器可以分为机械动作继电器，称为“ Electromechanical Relays”，以及使用半导体晶体管，晶闸管，三端双向可控硅开关元件作为其开关装置的固态继电器或SSR。

机电继电器术语“继电器”通常是指响应于施加控制信号而在两个或多个点之间提供电连接的设备。电气继电器中最常见且使用最广泛的类型是机电继电器或EMR。

继电器

任何设备上最基本的控制是将其打开和关闭的能力。最简单的方法是使用开关来中断电源。尽管可以使用开关来控制某些东西，但它们也有缺点。最大的问题是必须手动（物理上）将它们设为“ ON”或“ OFF”。而且，它们相对较大，较慢并且仅切换小电流。

但是，继电器基本上是电动开关，具有各种形状，尺寸和额定功率，适用于所有类型的应用。继电器也可以在一个封装中具有单个或多个触点，用于电源电压或高电流开关应用的较大功率继电器称为“接触器”。

在本教程中，我们仅关注可在电动机控制或机器人电路中使用的“轻型”机电继电器的基本工作原理。这种继电器用于一般的电气和电子控制或开关电路中，或者直接安装在PCB板上或独立地连接，并且其中的负载电流通常为20安培的几分之一安培。继电器电路在电子应用中很常见。

顾名思义，机电继电器是一种电磁设备，可将通过在继电器端子上施加交流或直流低压电控制信号而产生的磁通量转换为拉动机械力，从而使继电器内的电触点工作。机电继电器的最常见形式是缠绕在可渗透铁芯上的称为“初级电路”的励磁线圈。

该铁芯既具有称为轭的固定部分，又具有称为电枢的可动弹簧加载部分，该部分通过闭合固定电线圈和可动电枢之间的气隙来完成磁场回路。电枢是铰接的或枢转的，从而使电枢在产生的磁场内自由移动，从而关闭与之相连的电触点。磁轭和电枢之间通常连接有一个或多个弹簧，用于使回程在继电器线圈处于“断电”状态（即“断开”）时将触点“复位”到其初始静止位置。
机电继电器构造

在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”。一对触点分类为常开（NO）或常开触点，另一对触点分类为常闭（NC）或断开触点。在常开位置，仅当励磁电流为“ ON”且开关触头被拉向感应线圈时，触头才闭合。

在常闭位置，当励磁电流为“ OFF”时，由于开关触点返回其正常位置，触点永久闭合。这些术语“常开”，“常闭”或“断开和断开”触点是指继电器线圈“断电”，即没有电源电压连接到继电器线圈时电触点的状态。接触元件可以是单或双通断设计。下面给出该布置的示例。

继电器触点是导电的金属片，它们接触在一起就构成一个电路，并允许电路电流像开关一样流动。当触点断开时，兆欧姆中触点之间的电阻非常高，从而产生开路状态，并且没有电路电流流动。

当触点闭合时，接触电阻应为零，即发生短路，但并非总是如此。所有继电器触点闭合时都具有一定量的“接触电阻”，这与FET相似，称为“导通电阻”。

使用新的继电器和触点时，此导通电阻会很小，通常小于0.2Ω，因为尖端是新的和干净的，但随着时间的流逝，尖端电阻会增加。

例如。如果触点通过的负载电流为10A，则使用欧姆定律在触点上的压降为0.2 x 10 = 2伏，如果电源电压为12伏，则负载电压将仅为10伏（12 – 2）。当触头开始磨损时，如果没有适当地保护它们免受高感性或容性负载的影响，则当继电器线圈断开时，由于触头开始打开时电路电流仍要流动，因此它们将开始显示出电弧损坏的迹象。断电。

触点上的电弧或火花会导致尖端的接触电阻随着触点尖端的损坏而进一步增加。如果继续进行操作，则触头在物理上闭合但不会流过或流过很少电流的情况下，可能会被烧毁并损坏到一定程度。

如果这种电弧损坏变得严重，则触点将最终“焊接”在一起，从而产生短路状况，并可能损坏它们所控制的电路。如果现在由于电弧放电使接触电阻增加，例如1Ω，则在相同负载电流的情况下，跨接点的电压降将增加到1 x 10 = 10伏直流。触点电路上的高电压降对于负载电路可能是不可接受的，尤其是在12伏甚至24伏电压下工作时，则必须更换故障继电器。

为减少接触电弧和高“导通电阻”的影响，下表中给出了各种银基合金制成或涂有现代触点的尖端，以延长其使用寿命。
继电器触点材料

Ag（纯银）
- 1.导电率和导热率是所有金属中最高的。
- 2.具有低接触电阻，价格便宜并且被广泛使用。
- 3.接触会因硫化作用而容易失去光泽。
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（氧化银银）
- 1.极少发生电弧和焊接现象，具有良好的耐磨性和灭弧性能。
AgW（银钨）
- 1.硬度和熔点高，耐电弧性极佳。
- 2.不是贵重金属。
- 3.需要高接触压力以减小电阻。
- 4.接触电阻较高，耐腐蚀性较差。
AgNi（银镍）
- 1.等于银的导电性，极好的耐电弧性。
AgPd（银钯）
- 1.低接触磨损，更高硬度。
- 2.昂贵。
铂，金和银合金
- 1.优异的耐腐蚀性，主要用于小电流电路。

继电器制造商的数据表仅给出了电阻性直流负载的最大接触额定值，而对于交流负载或高感性或容性负载，该额定值会大大降低。为了在电感性或电容性负载切换交流电时实现长寿命和高可靠性，需要在继电器触点之间进行某种形式的电弧抑制或滤波。
通过将称为RC缓冲网络的电阻-电容网络与继电器触头并联连接，可通过减少断开时产生的电弧来延长继电器端头的寿命。在触点断开的瞬间出现的电压峰值将通过RC网络安全地短路，从而抑制了在触点尖端产生的任何电弧。例如。
继电器缓冲电路

继电器触点类型。除了用于描述继电器触点如何连接的标准打开（NO）和常闭（NC）的标准描述之外，继电器触点的布置也可以通过其动作进行分类。继电器可以由一个或多个单独的开关触点组成，每个“触点”称为“极”。通过给继电器线圈通电，可以将这些触点或电极中的每一个连接或“扔”在一起，因此对触点类型的描述如下：

SPST –单刀单掷
SPDT –单刀双掷
DPST –双刀单掷
DPDT –双刀双掷

与触点的作用被描述为“制作”（中号）或“中断”（乙）。这样，一个带有一组触点的简单继电器就可以具有以下触点描述：

“单刀双掷–（先弯后断）”或SPDT –（BM）

下面给出了一些用于继电器触点类型以在电路或原理图中识别继电器的更常见图表的示例，但还有许多可能的配置。
继电器触点配置

C是公共终端
NO是常开触点
NC是常闭触点

机电继电器还由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，通常在继电器的失电位置断开的触点称为“ Form A触点”或接通触点。而通常在继电器的失电位置闭合的触点称为“ B型触点”或分断触点。

如果同时存在一组闭合触点和一组断开触点，以使两个触点电气连接以产生一个公共点（由三个连接标识），则该组触点称为“ C型触点”或转换联系人。如果接通和断开触点之间不存在电气连接，则称为双重转换触点。

关于使用继电器的最后一点要记住。完全不建议并联继电器触点以承受更高的负载电流。例如，切勿尝试通过并联的两个继电器触点（每个触点触点额定值为5A）为10A负载供电，因为机械操作的继电器触点永远不会在同一时刻闭合或断开。结果是，即使是短暂的瞬间，触点之一也始终会过载，从而导致继电器随时间而过早失效。

同样，尽管继电器可以用于允许低功率电子或计算机类型的电路将相对较高的电流或电压都切换为“ ON”或“ OFF”。切勿通过同一继电器内的相邻触点混合不同的负载电压，例如高压AC（240v）和低压DC（12v），为安全起见，请始终使用单独的继电器。

任何继电器最重要的部分之一就是线圈。这将电流转换为电磁通量，该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在于，它们是由电线线圈制成的，因此是“高电感负载”。任何电线线圈的阻抗值均由串联的电阻（ R）和电感（ L ）组成（LR串联电路）。

当电流流过线圈时，线圈周围会产生自感应磁场。当线圈中的电流变为“ OFF”时，由于磁通量在线圈内坍塌，会产生较大的反电动势（电动势）电压（变压器理论）。与开关电压相比，该感应的反向电压值可能非常高，并且可能损坏任何用于操作继电器线圈的半导体器件，例如晶体管，FET或微控制器。

防止损坏晶体管或任何开关半导体器件的一种方法是在继电器线圈两端连接一个反向偏置的二极管。

当流过线圈的电流切换到“ OFF”时，由于磁通在线圈中坍塌，会产生感应反电动势。

该反向电压使二极管正向偏置，该二极管导通并耗散所存储的能量，从而防止损坏半导体晶体管。

当在这种类型的应用中使用时，该二极管通常被称为“飞轮二极管”，“续流二极管”甚至是“反激二极管”，但它们的含义相同。需要续流二极管进行保护的其他类型的感应负载是螺线管，电动机和感应线圈。

除了使用飞轮二极管来保护半导体组件外，用于保护的其他设备还包括RC缓冲网络，金属氧化物压敏电阻或MOV和齐纳二极管。

固态继电器。虽然机电继电器（EMR）价格便宜，容易使用，并允许通过低功率，电隔离的输入信号控制的负载电路的开关，机电继电器的主要缺点之一是，它是一个“机械装置”即，它具有运动部件，因此由于金属触点在磁场作用下的物理运动而引起的开关速度（响应时间）变慢。

这些运动部件将在一段时间内磨损并发生故障，或者由于持续的电弧放电和腐蚀而产生的接触电阻可能会使继电器无法使用，并缩短其使用寿命。而且，它们的电噪声很大，触点的触点会发生跳动，这可能会影响与其连接的任何电子电路。

为了克服电气继电器的这些缺点，开发了另一种称为固态继电器或简称为（SSR）的继电器，它是固态非接触式纯电子继电器。

固态继电器是一种纯电子设备，其设计内没有活动部件，因为机械触点已被功率晶体管，晶闸管或双向可控硅开关所代替。输入控制信号和输出负载电压之间的电气隔离是借助于光耦合器类型的光传感器实现的。

该固态继电器提供了高度的可靠性，寿命长，减少了电磁干扰（EMI），（无灭弧触头或磁场），具有更快的几乎即时的响应时间在一起，相比于常规的机电继电器。
而且，固态继电器的输入控制功率要求通常足够低，以使其与大多数IC逻辑系列兼容，而无需额外的缓冲器，驱动器或放大器。但是，作为半导体器件，它们必须安装在合适的散热器上，以防止输出开关半导体器件过热。
固态继电器

AC型固态继电器在AC正弦波的零交叉点处将ON接通，防止在切换电感性或电容性负载时产生高浪涌电流，而晶闸管和Triac的固有OFF断开功能则改善了电弧触头机电继电器。

像机电继电器一样，在SSR的输出端子之间通常需要一个电阻-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，以用于切换高感性或容性负载。在大多数现代SSR中，此RC缓冲网络是继电器本身的标准配置，从而减少了对其他外部组件的需求。

非过零检测开关（即时“ ON”）型SSR也可用于相位控制应用，例如音乐会，演出，迪斯科灯光等的灯光调暗或褪色，或者用于电动机速度控制类型的应用。

由于固态继电器的输出开关器件是半导体器件（用于DC开关应用的晶体管，或用于AC开关的三端双向可控硅/晶闸管组合），因此，“接通”时SSR输出端子上的压降远高于机电继电器的电压，通常为1.5 – 2.0伏。如果长时间切换大电流，将需要额外的散热器。
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”的负载和开关接口。I / O模块有四种基本类型，交流或直流输入电压至TTL或CMOS逻辑电平输出，以及TTL或CMOS逻辑输入至交流或直流输出电压，每个模块均包含提供完整功能所需的所有电路一个小型设备中的接口和隔离。它们可以作为单独的固态模块使用，也可以集成到4、8或16通道设备中。
模块化输入/输出接口系统。

与等效功率的机电继电器相比，固态继电器（SSR）的主要缺点是成本较高，只有单刀单掷（SPST）类型可用，“关”态泄漏电流流经开关器件，高的“ ON”状态压降和功耗导致额外的散热要求。尽管特殊的固态开关可用于此类应用，但它们也无法切换很小的负载电流或高频信号，例如音频或视频信号。

在关于继电器的本教程中，我们介绍了机电继电器和固态继电器，它们可以用作控制物理过程的输出设备（执行器）。在下一个教程中，我们将继续研究称为执行器的输出设备，尤其是使用电磁将小的电信号转换为相应的物理运动的设备。输出设备称为电磁阀。