電氣繼電器和接觸器使用低電平控制信號，使用不同接觸布置的數(shù)字切換更高的電壓或電流電源

到目前為止，我們已經(jīng)看到了的選擇輸入設(shè)備，可用于檢測或“感知”各種物理變量和信號，因此稱為傳感器。但是也有各種各樣的電氣和電子設(shè)備被歸類為用于控制或操作某些外部物理過程的輸出設(shè)備。這些輸出設(shè)備通常稱為執(zhí)行器。

執(zhí)行器將電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量，如運(yùn)動，力，聲等。執(zhí)行器也被歸類為換能器，因為它將一種物理量改變?yōu)榱硪环N，通常由低壓指令信號激活或操作。根據(jù)輸出的穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)量，執(zhí)行器可以歸類為二進(jìn)制或連續(xù)設(shè)備。

例如，繼電器是二進(jìn)制執(zhí)行器，因為它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，通電和鎖存或者de - 電動和非閂鎖，而電動機(jī)是一個連續(xù)的執(zhí)行器，因為它可以旋轉(zhuǎn)整個360 o 運(yùn)動。最常見的執(zhí)行器或輸出設(shè)備類型是電氣繼電器，燈，電機(jī)和揚(yáng)聲器。

我們之前看到，螺線管可用于電動打開閂鎖，門，打開或關(guān)閉閥門，以及各種機(jī)器人和機(jī)電一體化應(yīng)用等。但是，如果電磁鐵柱塞用于操作一套或多套對于電觸點，我們有一個名為relay的設(shè)備非常有用，它可以以無數(shù)種不同的方式使用，在本教程中我們將看看電氣繼電器。

電氣繼電器也可以分為稱為“機(jī)電繼電器”的機(jī)械動作繼電器和使用半導(dǎo)體晶體管，晶閘管，三端雙向可控硅開關(guān)等的機(jī)械動作繼電器，作為其稱為“固態(tài)繼電器”或SSR的開關(guān)設(shè)備。 / p>

機(jī)電繼電器

術(shù)語繼電器通常是指在resp中的兩個或多個點之間提供電氣連接的設(shè)備接下來應(yīng)用控制信號。最常見和最廣泛使用的繼電器類型是機(jī)電繼電器或EMR。

電氣繼電器

對任何設(shè)備的最基本控制是能夠?qū)⑵洹按蜷_”和“關(guān)閉”。最簡單的方法是使用開關(guān)來中斷電源。雖然開關(guān)可用于控制某些東西，但它們有其缺點。最大的一個是他們必須手動（物理）“開”或“關(guān)”。此外，它們相對較大，速度較慢，只能切換小電流。

電氣繼電器然而，基本上是電動開關(guān)，具有多種形狀，尺寸和額定功率，適用于所有類型的應(yīng)用程序。繼電器也可以在單個封裝內(nèi)具有單個或多個觸點，其中用于電源電壓的大功率繼電器或稱為“接觸器”的高電流開關(guān)應(yīng)用。

在本教程中關(guān)于電氣繼電器我們只關(guān)注我們可以在電機(jī)控制或機(jī)器人電路中使用“輕型”機(jī)電繼電器的基本工作原理。這種繼電器用于通常的電氣和電子控制或開關(guān)電路，或者直接安裝在PCB板上或者是獨立連接的，其中負(fù)載電流通常是安培的分?jǐn)?shù)，最高可達(dá)20+安培。繼電器電路在電子應(yīng)用中很常見。

顧名思義，機(jī)電繼電器是電磁設(shè)備，它們通過在中繼端子上施加交流或直流的低壓電氣控制信號產(chǎn)生的磁通量轉(zhuǎn)換為拉動操作繼電器內(nèi)的電觸點的機(jī)械力。最常見的機(jī)電繼電器形式包括一個纏繞在可滲透鐵芯上的稱為“初級電路”的激勵線圈。

這個鐵芯有一個稱為軛的固定部分和一個可移動的彈簧加載部件稱為電樞，通過閉合固定電線圈和可動電樞之間的氣隙來完成磁場電路。電樞鉸接或樞轉(zhuǎn)，允許其在產(chǎn)生的磁場內(nèi)自由移動，從而閉合連接到其上的電觸點。連接在磁軛和電樞之間的通常是一個彈簧（或多個彈簧），當(dāng)繼電器線圈處于“斷電”狀態(tài)，即“關(guān)閉”時，返回行程將觸點“復(fù)位”回到其初始靜止位置。

機(jī)電繼電器構(gòu)造

在上面的簡單繼電器中，我們有兩套導(dǎo)電觸點。繼電器可以是“常開”或“常閉”。一對觸點分為常開，（NO）或觸點和另一組，分為常閉，（NC）或斷開觸點。在常開位置，觸點僅在勵磁電流為“ON”且開關(guān)觸點被拉向感應(yīng)線圈時閉合。

在常閉位置，觸點永久閉合當(dāng)開關(guān)觸點返回其正常位置時，勵磁電流為“OFF”。這些術(shù)語常開，常閉或斷開觸點是指繼電器線圈“斷電”時的電觸點狀態(tài)，即無電源電壓連接到繼電器線圈。接觸元件可以是單個或雙重制造或斷開設(shè)計。下面給出了這種安排的一個例子。

繼電器觸點是導(dǎo)電金屬片，它們一起觸摸完成電路并允許電路電流流動，就像開關(guān)一樣。當(dāng)觸點打開時，觸點之間的電阻在兆歐中非常高，產(chǎn)生開路狀態(tài)并且沒有電路電流流動。

當(dāng)觸點閉合時，觸點電阻應(yīng)為零，a短路，但情況并非總是如此。所有繼電器觸點在閉合時都具有一定量的“接觸電阻”，這被稱為“導(dǎo)通電阻”，類似于FET。

使用新的繼電器和觸點，這個導(dǎo)通電阻將是非常小，通常小于0.2Ω，因為尖端是新的和干凈的，但隨著時間的推移，尖端電阻會增加。

例如。如果觸點通過的負(fù)載電流為10A，那么使用歐姆定律的觸點上的電壓降為0.2 x 10 = 2伏，如果電源電壓為12伏，則負(fù)載電壓僅為10伏（12 - 2）。由于接觸尖端開始磨損，并且如果它們沒有得到適當(dāng)?shù)母吒袘?yīng)或容性負(fù)載保護(hù)，它們將開始顯示電弧損壞的跡象，因為當(dāng)繼電器線圈是接觸器開始打開時電路電流仍然想要流動

觸點上的這種電弧或火花將導(dǎo)致尖端的接觸電阻隨著觸點的損壞而進(jìn)一步增加。如果允許繼續(xù)，接觸尖端可能會變得如此灼燒并且損壞到它們物理關(guān)閉但不通過任何或非常小的電流的程度。

如果這種電弧放電損壞變得嚴(yán)重，則觸點將最終“焊接“一起產(chǎn)生短路狀態(tài)并可能對他們控制的電路造成損壞。如果現(xiàn)在接觸電阻由于產(chǎn)生1Ω的電弧而增加，則對于相同的負(fù)載電流，觸點上的電壓降增加到1×10 = 10伏直流。對于負(fù)載電路而言，觸點上的這種高壓降可能是不可接受的，特別是如果在12伏或甚至24伏下工作，則必須更換故障繼電器。

為了減少接觸電弧和高“導(dǎo)通電阻”的影響，現(xiàn)代接觸尖端由各種銀基合金制成或涂有各種銀基合金，以延長其使用壽命，如下表所示。

電氣繼電器觸頭材料

Ag（精銀）

1。電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率是所有金屬中最高的。

2。表現(xiàn)出低接觸電阻，價格低廉且使用廣泛。

3。通過磺化影響，觸點容易失去光澤。

AgCu（銀銅）

1。被稱為“硬銀”觸點，具有更好的耐磨性和更小的電弧和焊接傾向，但接觸電阻略高。

AgCdO（銀氧化鎘）

1。非常小的電弧和焊接傾向，良好的耐磨性和滅弧性能。

AgW（銀鎢）

1 。硬度和熔點高，耐電弧性極佳。

2。不是貴金屬。

3。需要高接觸壓力來降低阻力。

4。接觸電阻相對較高，耐腐蝕性差。

AgNi（銀鎳）

1。等于銀的導(dǎo)電性，優(yōu)異的耐電弧性。

AgPd（銀鈀）

1。低接觸磨損，硬度更高。

2。昂貴。

鉑，金和銀合金

1。優(yōu)異的耐腐蝕性，主要用于低電流電路。

繼電器制造商數(shù)據(jù)表僅給出了電阻性直流負(fù)載的最大觸點額定值，并且該額定值大大降低適用于交流負(fù)載或高感性或容性負(fù)載。為了在用感性或容性負(fù)載切換交流電流時實現(xiàn)長壽命和高可靠性，需要在繼電器觸點上進(jìn)行某種形式的電弧抑制或濾波。

通過減少繼電器尖端的數(shù)量來延長繼電器尖端的壽命通過將一個稱為RC緩沖網(wǎng)絡(luò)的電阻 - 電容網(wǎng)絡(luò)與電氣繼電器觸點并聯(lián)電氣來實現(xiàn)電弧放電時產(chǎn)生的電弧。在觸點打開的瞬間發(fā)生的電壓峰值將由RC網(wǎng)絡(luò)安全地短路，從而抑制在觸點尖端處產(chǎn)生的任何電弧。例如。

電氣繼電器緩沖電路

電氣繼電器觸點類型。

以及作為常開，（NO）和常閉的標(biāo)準(zhǔn)描述，（NC）用于描述繼電器觸點如何連接，繼電器觸點排列也可以歸類為他們的行為。電氣繼電器可以由一個或多個單獨的開關(guān)觸點組成，每個“觸點”被稱為“極”。通過激勵繼電器線圈，可以將這些觸點或極中的每一個連接或“拋出”，這使得觸點類型的描述為：

SPST - 單刀單擲

SPDT - 單刀雙擲

DPST - 雙桿單擲

DPDT - 雙桿雙擲

，聯(lián)系人的動作被描述為“制作“（M）或”休息“（B）。然后，如上所示的具有一組觸點的簡單繼電器可具有以下的接觸描述：

“單極雙擲 - （制造前斷開）”或SPDT - （BM）

用于繼電器觸點的一些較常見圖表的示例下面給出了在電路或原理圖中識別繼電器的類型，但還有更多可能的配置。

電氣繼電器觸點配置

其中：

C是公共終端

NO是常開聯(lián)系

NC是常閉聯(lián)系

機(jī)電繼電器也表示其觸點或開關(guān)元件的組合以及單個繼電器內(nèi)組合的觸點數(shù)量。例如，在繼電器的斷電位置通常打開的觸點稱為“A型觸點”或接觸。而在繼電器的斷電位置通常閉合的觸點稱為“B型觸點”或斷開觸點。

當(dāng)觸點元件的觸發(fā)元件和觸發(fā)元件都存在時同時使兩個觸點電連接以產(chǎn)生公共點（由三個連接標(biāo)識），該組觸點被稱為“形式C觸點”或轉(zhuǎn)換觸點。如果接通和斷開觸點之間不存在電氣連接，則稱為雙重轉(zhuǎn)換觸點。

關(guān)于使用繼電器的最后一點要記住。完全不建議并聯(lián)繼電器觸點以處理更高的負(fù)載電流。例如，永遠(yuǎn)不要嘗試為兩個并聯(lián)的繼電器觸點提供10A負(fù)載，每個觸點具有5A觸點額定值，因為機(jī)械操作的繼電器觸點永遠(yuǎn)不會在完全相同的時刻關(guān)閉或打開。結(jié)果是，即使短暫的瞬間，其中一個觸點也會過載，導(dǎo)致繼電器過早失效。

此外，電氣繼電器可用于允許低功率電子或計算機(jī)類型用于切換“ON”或“OFF”的相對高電流或電壓的電路。切勿通過同一繼電器內(nèi)的相鄰觸點混合不同的負(fù)載電壓，例如高壓AC（240v）和低壓DC（12v），為了安全起見，請始終使用單獨的繼電器。

其中一個更重要任何繼電器的部件都是其線圈。這將電流轉(zhuǎn)換為電磁通量，該電磁通量用于機(jī)械地操作繼電器觸點。繼電器線圈的主要問題是它們是“高感性負(fù)載”，因為它們是由線圈制成的。任何線圈的阻抗值均由電阻（ R ）和電感（ L ）串聯(lián)組成（LR系列電路）。

As當(dāng)電流流過線圈時，在其周圍產(chǎn)生自感應(yīng)磁場。當(dāng)線圈中的電流變?yōu)椤癘FF”時，隨著磁通量在線圈內(nèi)坍塌（變壓器理論），產(chǎn)生大的反電動勢（電動勢）電壓。與開關(guān)電壓相比，該感應(yīng)反向電壓值可能非常高，并且可能損壞任何半導(dǎo)體器件，例如用于操作繼電器線圈的晶體管，F(xiàn)ET或微控制器。

防止晶體管或任何開關(guān)半導(dǎo)體器件損壞的一種方法是在繼電器線圈上連接一個反向偏置二極管。

當(dāng)電流流過線圈切換為“OFF”，當(dāng)磁通量在線圈中坍塌時產(chǎn)生感應(yīng)反電動勢。

該反向電壓正向偏置二極管，二極管傳導(dǎo)和消散儲存的能量，防止對半導(dǎo)體晶體管的任何損壞。

當(dāng)在這種應(yīng)用中使用時，二極管通常被稱為飛輪二極管，續(xù)流二極管甚至飛 - 返回二極管，但它們都意味著同樣的事情。需要使用續(xù)流二極管進(jìn)行保護(hù)的其他類型的感性負(fù)載是螺線管，電機(jī)和感應(yīng)線圈。

除了使用飛輪二極管保護(hù)半導(dǎo)體元件外，其他用于保護(hù)的器件包括RC緩沖器網(wǎng)絡(luò)，金屬氧化物壓敏電阻或MOV和齊納二極管。

固態(tài)繼電器。

雖然機(jī)電繼電器（EMR）價格便宜，易于使用并且允許切換由低功率，電隔離輸入信號控制的負(fù)載電路，但其主要缺點之一是機(jī)電繼電器是一種“機(jī)械裝置”，即它具有運(yùn)動部件，因此由于使用磁場的金屬觸點的物理運(yùn)動，它們的開關(guān)速度（響應(yīng)時間）很慢。

結(jié)束一段時間這些運(yùn)動部件會磨損失效，或者通過持續(xù)的電弧和腐蝕導(dǎo)致的接觸電阻可能使繼電器無法使用并縮短其壽命即而且，它們與遭受接觸反彈的觸點電噪聲，這可能影響它們所連接的任何電子電路。

為了克服繼電器的這些缺點，開發(fā)了另一種稱為固態(tài)繼電器或（SSR）的繼電器，它是一種固態(tài)非接觸式，純電子繼電器。

固態(tài)繼電器是一種純電子設(shè)備，其設(shè)計中沒有活動部件，因為機(jī)械觸點已被功率晶體管，晶閘管或三端雙向可控硅開關(guān)取代。輸入控制信號和輸出負(fù)載電壓之間的電氣隔離是借助于光耦合器型光傳感器完成的。

固態(tài)繼電器提供高度的與傳統(tǒng)的機(jī)電繼電器相比，可靠性，長壽命和降低的電磁干擾（EMI），（無電弧觸點或磁場），以及更快的幾乎即時響應(yīng)時間。

此外，輸入控制固態(tài)繼電器的功率要求通常足夠低，使其與大多數(shù)IC邏輯系列兼容，而無需額外的緩沖器，驅(qū)動器或放大器。然而，作為半導(dǎo)體器件，它們必須安裝在合適的散熱片上，以防止輸出開關(guān)半導(dǎo)體器件過熱。

固態(tài)繼電器

AC型固態(tài)繼電器在AC正弦波形的過零點處變?yōu)椤癘N”，在固有轉(zhuǎn)向“OFF”時切換感性或容性負(fù)載時防止高浪涌電流“晶閘管和三端雙向可控硅開關(guān)的特性提供了對機(jī)電繼電器電弧觸點的改進(jìn)。

與機(jī)電繼電器一樣，SSR的輸出端子通常需要一個電阻 - 電容（RC）緩沖網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用于切換高電感或電容負(fù)載時，保護(hù)半導(dǎo)體輸出開關(guān)器件免受噪聲和電壓瞬變尖峰的影響。在大多數(shù)現(xiàn)代SSR中，這個RC緩沖網(wǎng)絡(luò)作為繼電器本身的標(biāo)準(zhǔn)配置，減少了對額外外部元件的需求。

非零交叉檢測開關(guān)（即時“ON”）型SSR也可用于相位控制應(yīng)用，如音樂會，演出，迪斯科燈光等的燈光調(diào)暗或褪色，或電機(jī)速度控制型應(yīng)用。

由于固態(tài)繼電器的輸出開關(guān)器件是半導(dǎo)體器件（晶體管）對于直流開關(guān)應(yīng)用，或用于交流開關(guān)的三端雙向可控硅/晶閘管組合），當(dāng)“導(dǎo)通”時，SSR輸出端子上的電壓降遠(yuǎn)高于機(jī)電繼電器的壓降，通常為1.5-2.0伏。如果長時間切換大電流，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，專門用于將計算機(jī)，微控制器或PIC連接到“真實世界”的負(fù)載和開關(guān)。有四種基本類型的I / O模塊，AC或DC輸入電壓到TTL或CMOS邏輯電平輸出，TTL或CMOS邏輯輸入到AC或DC輸出電壓，每個模塊包含提供完整的所有必要電路一個小設(shè)備內(nèi)的接口和隔離。它們可作為單獨的固態(tài)模塊使用，也可集成到4,8或16通道器件中。

模塊化輸入/輸出接口系統(tǒng)。

固態(tài)繼電器（SSR）與等效功率機(jī)電繼電器相比的主要缺點是成本較高，只有單刀單擲（SPST）類型可用，“ OFF“ - 狀態(tài)泄漏電流流過開關(guān)器件，高”O(jiān)N“狀態(tài)電壓降和功耗導(dǎo)致額外的散熱要求。此外，它們無法切換非常小的負(fù)載電流或高頻信號，如音頻或視頻信號，盡管此類應(yīng)用可使用特殊的固態(tài)開關(guān)。

本教程中有關(guān)電氣繼電器

b>，我們研究了機(jī)電繼電器和固態(tài)繼電器，它們可以用作控制物理過程的輸出設(shè)備（執(zhí)行器）。在下一個教程中，我們將繼續(xù)研究名為執(zhí)行器的輸出設(shè)備，特別是使用電磁技術(shù)將小電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理運(yùn)動的輸出設(shè)備。輸出設(shè)備稱為Solenoid。