作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

　　繼電器本質(zhì)上充當(dāng)開關(guān)，控制電路內(nèi)其他開關(guān)的操作。它們采用低功率輸入信號(hào)，對(duì)高功率電路發(fā)出命令。繼電器低功率信號(hào)的激活會(huì)觸發(fā)電磁體通電，從而啟動(dòng)電樞的運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)反過來促使電觸點(diǎn)閉合，從而促進(jìn)將電力傳輸?shù)绞芸仉娐贰?/span>

　　該設(shè)計(jì)的最重要優(yōu)勢之一在于其能夠?qū)⒌凸β士刂菩盘?hào)與高功率電路隔離。這種隔離不僅可以保護(hù)操作員免受潛在危險(xiǎn)，還可以保護(hù)設(shè)備免受潛在損壞。此外，這種布置有利于設(shè)備或系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作。

　　機(jī)電繼電器的起源可以追溯到 1835 年，盡管多年來其組件和多樣性取得了顯著進(jìn)步，但其基本功能一直存在。歷史上最受認(rèn)可的繼電器之一是功率繼電器。雖然所有繼電器本質(zhì)上都控制功率，但并非所有繼電器都被正確稱為“功率繼電器”。本文將仔細(xì)研究功率繼電器，包括它們的優(yōu)點(diǎn)、配置和關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)。

　　功率繼電器基礎(chǔ)知識(shí)

　　功率繼電器以其管理高水平電流開關(guān)的專業(yè)能力而聞名，電流范圍從幾安培到更高的幅度。其更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和更大的尺寸使功率繼電器觸點(diǎn)能夠承受相當(dāng)大的電流，使其成為電流通常超過 10 安培的應(yīng)用的理想選擇。

　　他們發(fā)現(xiàn)在不同行業(yè)中的使用量有所增加，包括汽車系統(tǒng)、電梯控制、閥門執(zhí)行器以及各種具有高初始電流浪涌特征的設(shè)備，例如電機(jī)、螺線管、電源和電子鎮(zhèn)流器。

　　與其他電氣元件非常相似，繼電器在安全管理的功率方面也存在固有的限制。每個(gè)型號(hào)都分配有最大額定功率，確保與各種負(fù)載(從燈泡等低功率實(shí)體到大型電機(jī)等堅(jiān)固機(jī)械)有效匹配。然而，超過規(guī)定的額定功率可能會(huì)對(duì)繼電器造成永久性損壞。

　　此外，觸點(diǎn)未對(duì)準(zhǔn)會(huì)引起觸點(diǎn)電弧，其特征是當(dāng)繼電器觸點(diǎn)打開但彼此靠近時(shí)，電流流過繼電器觸點(diǎn)之間的氣隙。這種現(xiàn)象帶來的風(fēng)險(xiǎn)超出了火花和發(fā)熱的范圍，包括觸點(diǎn)腐蝕和產(chǎn)生不必要的電氣干擾，可能會(huì)損害附近的設(shè)備。

　　圖 1：機(jī)電繼電器觸點(diǎn)電弧。 (圖片來源：CUI Devices)

　　功率繼電器是專為解決加熱器、電機(jī)、照明陣列和工業(yè)設(shè)備等大電流設(shè)備的電氣負(fù)載而設(shè)計(jì)的。功率繼電器較高的電流和電壓額定值很大程度上源于使用與常規(guī)繼電器不同的開關(guān)觸點(diǎn)材料。選擇這些材料是因?yàn)樗鼈兡軌虺惺芨吖β蕬?yīng)用的嚴(yán)酷考驗(yàn)，確保在要求苛刻的工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行和使用壽命長。

　　功率繼電器觸點(diǎn)材料

　　當(dāng)電流流過繼電器觸點(diǎn)時(shí)，會(huì)遇到電阻，該因素取決于觸點(diǎn)的尺寸和材料成分。較高的電阻不僅會(huì)放大繼電器內(nèi)消耗的功率，還會(huì)增加熱量的產(chǎn)生。減輕接觸電阻的一種方法是仔細(xì)選擇接觸材料。

　　傳統(tǒng)繼電器通常采用由銀鎳制成的觸點(diǎn)，銀鎳是一種因其歷史上在繼電器結(jié)構(gòu)中普遍存在而聞名的金屬。銀鎳觸點(diǎn)非常適合開關(guān)電流和電壓同相的電阻負(fù)載。

　　相比之下，專為更高負(fù)載設(shè)計(jì)的繼電器(如功率繼電器)選擇由銀氧化鎘、銀氧化錫或金合金等材料制成的觸點(diǎn)。這些材料非常適合處理感應(yīng)負(fù)載，其特點(diǎn)是異步電流和電壓，可能會(huì)產(chǎn)生大量電流或電壓尖峰。銀氧化鎘和銀氧化錫觸點(diǎn)均可降低電阻，并降低高浪涌電流引起的觸點(diǎn)焊接風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，銀錫氧化物的采用規(guī)避了與鎘基合金相關(guān)的環(huán)境問題，從而符合某些國家所堅(jiān)持的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

　　功率繼電器與信號(hào)繼電器的比較

　　功率繼電器和信號(hào)繼電器代表了繼電器領(lǐng)域內(nèi)的兩種流行變體。雖然功率繼電器優(yōu)先處理更高的電壓和電流，但它們通常承受的生命周期較短。相反，信號(hào)繼電器的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)更高的生命周期計(jì)數(shù)，但可以在較低的電壓和最小的電流下運(yùn)行。

　　功率繼電器中使用的觸點(diǎn)材料雖然擅長管理高功率場景，但并不非常適合低功率開關(guān)。這是因?yàn)椋谳^低電壓下，觸點(diǎn)之間的物理連接至關(guān)重要，這取決于觸點(diǎn)壓力和清潔度等因素，而不是觸點(diǎn)材料。

　　此外，在電力應(yīng)用中使用信號(hào)繼電器具有固有的風(fēng)險(xiǎn)，可能最終因過壓或過流而導(dǎo)致災(zāi)難性故障。即使這種繼電器能夠生存下來，它也將缺乏諸如防電弧和觸點(diǎn)自清潔等關(guān)鍵功能，從而損害長期可靠性。

　　在電源繼電器和信號(hào)繼電器之間的決策過程中，遵守基本準(zhǔn)則至關(guān)重要：始終將切換的功率級(jí)別與繼電器的額定功率相匹配。這可確保最佳性能，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，并維護(hù)繼電器和相關(guān)系統(tǒng)的完整性。有關(guān)信號(hào)繼電器的更多信息，請(qǐng)參閱 CUI Devices 的另一篇題為“信號(hào)繼電器 – 了解基礎(chǔ)知識(shí)”的文章。

　　功率繼電器類型

　　功率繼電器與常規(guī)繼電器一樣，有兩種主要類型：機(jī)電式和固態(tài)式。

　　機(jī)電功率繼電器依靠線圈、磁場、彈簧、可移動(dòng)電樞和觸點(diǎn)的組合來調(diào)節(jié)設(shè)備的電力輸送。

　　另一方面，固態(tài)繼電器不使用移動(dòng)部件。相反，它們利用硅控整流器 (SCR)、TRIAC(交流三極管)或開關(guān)晶體管等半導(dǎo)體器件來切換交流和直流電流。與機(jī)電繼電器相比，固態(tài)繼電器具有更快的開關(guān)速度和更高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著功率需求的升級(jí)，由于與強(qiáng)大的功率半導(dǎo)體和包含額外的熱管理組件相關(guān)的成本較高，它們的成本效益會(huì)降低。

　　圖 2：固態(tài)繼電器與散熱器結(jié)合的示例。 (圖片來源：CUI Devices)

　　常見配置和額定值

　　功率繼電器與非功率繼電器非常相似，根據(jù)其觸點(diǎn)配置進(jìn)行分類，表明它們可以同時(shí)控制的設(shè)備數(shù)量。常見的分類包括：

　　SPST(單刀單擲)

　　DPDT(雙刀雙擲)

　　3PDT(三刀雙擲)

　　SP3T(單刀三擲)

　　繼電器觸點(diǎn)被指定為常開 (NO) 或常閉 (NC)，具體取決于繼電器未通電時(shí)的狀態(tài)。

　　繼電器額定值表示繼電器可以安全有效地切換的最大功率。這些額定值通常以交流和直流電流的安培數(shù)表示。繼電器的額定值必須超過被切換設(shè)備的額定值，并考慮安全裕度，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

　　與非功率繼電器類似，功率繼電器也可以使用術(shù)語“形式”來描述。 “1 Form A”或“2 Form C”等短語可以讓您深入了解繼電器的特性。 “Form”前面的數(shù)字表示繼電器中可用的所述觸點(diǎn)的數(shù)量。 “A 型”表示常開繼電器，而“B 型”表示常閉繼電器。 “C 型”和“D 型”適用于 SPDT 繼電器，分別指示哪個(gè)位置被視為常閉以及繼電器是先斷后合還是先合后斷。雖然還有許多其他形式，但這四種是最常用的。

　　A 型 – 常開

　　B 型 – 常閉

　　C 型 – 先斷后合 SPDT 開關(guān)

　　D 型 – 先合后斷 SPDT 開關(guān)

　　其他注意事項(xiàng)

　　選擇設(shè)備時(shí)需要考慮的一些其他注意事項(xiàng)包括：

　　輸入電涌：某些設(shè)備在啟動(dòng)過程中可能會(huì)產(chǎn)生明顯的電涌。在指定繼電器之前識(shí)別這些浪涌非常重要，以防止損壞設(shè)備。

　　線圈抑制：繼電器循環(huán)會(huì)產(chǎn)生高壓瞬變。線圈抑制涉及在電路中使用附加組件來保護(hù)設(shè)備免受這些瞬變的影響。然而，這可能會(huì)縮短繼電器的使用壽命。確定特定的線圈抑制策略對(duì)于任何指定的應(yīng)用是否是必要的。

　　閉鎖：即使在激活電源被移除后，閉鎖繼電器仍保留其最后的接觸位置。某些應(yīng)用程序可能需要此功能。

　　噪聲：繼電器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 噪聲，這些噪聲在高功率設(shè)備中更為明顯。事先確定設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)此噪聲的敏感度。

　　觸點(diǎn)彈跳：隨著繼電器循環(huán)，其觸點(diǎn)可能會(huì)經(jīng)歷短暫的打開/關(guān)閉周期，稱為觸點(diǎn)彈跳，從而產(chǎn)生電脈沖。根據(jù)應(yīng)用的敏感性，這種彈跳可能會(huì)導(dǎo)致不良影響，因此在指定繼電器之前確定觸點(diǎn)彈跳是否會(huì)影響應(yīng)用非常重要。

　　圖 3：接觸彈跳和快速變化的電壓示例。 (圖片來源：CUI Devices)

　　結(jié)論

　　繼電器是值得信賴、高效且可靠的設(shè)備，可為系統(tǒng)和設(shè)備提供安全的電氣控制，同時(shí)使操作員安全地與工作電流隔離。功率繼電器，無論是機(jī)電式還是固態(tài)式，都經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，具有增強(qiáng)的功能，可以管理更高的電壓和電流。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)人員評(píng)估其產(chǎn)品的電源開關(guān)需求時(shí)，CUI Devices 提供了各種電源繼電器和信號(hào)繼電器。無論是處理低電平還是高電平電流開關(guān)，CUI Devices 都有繼電器解決方案來有效且高效地滿足各種需求。