電氣繼電器構(gòu)造電路類型配置和輸入/輸出接口系統(tǒng)

電氣繼電器和接觸器使用低電平控制信號(hào)，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(cè)或“感知”各種物理變量和信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理量，如運(yùn)動(dòng)，力，聲等。執(zhí)行器也被歸類為換能器，因?yàn)樗鼘⒁环N物理量改變?yōu)榱硪环N，通常由低壓指令信號(hào)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?yàn)樗袃蓚€(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，通電和鎖存或者de - 電動(dòng)和非閂鎖，而電動(dòng)機(jī)是一個(gè)連續(xù)的執(zhí)行器，因?yàn)樗梢孕D(zhuǎn)整個(gè)360 o 運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(duì)于電觸點(diǎn)，我們有一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間提供電氣連接的設(shè)備接下來應(yīng)用控制信號(hào)。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(duì)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(jiǎn)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(diǎn)。最大的一個(gè)是他們必須手動(dòng)（物理）“開”或“關(guān)”。此外，它們相對(duì)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(dòng)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(gè)封裝內(nèi)具有單個(gè)或多個(gè)觸點(diǎn)，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(dú)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(hào)產(chǎn)生的磁通量轉(zhuǎn)換為拉動(dòng)操作繼電器內(nèi)的電觸點(diǎn)的機(jī)械力。最常見的機(jī)電繼電器形式包括一個(gè)纏繞在可滲透鐵芯上的稱為“初級(jí)電路”的激勵(lì)線圈。

這個(gè)鐵芯有一個(gè)稱為軛的固定部分和一個(gè)可移動(dòng)的彈簧加載部件稱為電樞，通過閉合固定電線圈和可動(dòng)電樞之間的氣隙來完成磁場(chǎng)電路。電樞鉸接或樞轉(zhuǎn)，允許其在產(chǎn)生的磁場(chǎng)內(nèi)自由移動(dòng)，從而閉合連接到其上的電觸點(diǎn)。連接在磁軛和電樞之間的通常是一個(gè)彈簧（或多個(gè)彈簧），當(dāng)繼電器線圈處于“斷電”狀態(tài)，即“關(guān)閉”時(shí)，返回行程將觸點(diǎn)“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(jiǎn)單繼電器中，我們有兩套導(dǎo)電觸點(diǎn)。繼電器可以是“常開”或“常閉”。一對(duì)觸點(diǎn)分為常開，（NO）或觸點(diǎn)和另一組，分為常閉，（NC）或斷開觸點(diǎn)。在常開位置，觸點(diǎn)僅在勵(lì)磁電流為“ON”且開關(guān)觸點(diǎn)被拉向感應(yīng)線圈時(shí)閉合。

在常閉位置，觸點(diǎn)永久閉合當(dāng)開關(guān)觸點(diǎn)返回其正常位置時(shí)，勵(lì)磁電流為“OFF”。這些術(shù)語常開，常閉或斷開觸點(diǎn)是指繼電器線圈“斷電”時(shí)的電觸點(diǎn)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(gè)或雙重制造或斷開設(shè)計(jì)。下面給出了這種安排的一個(gè)例子。

繼電器觸點(diǎn)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(dòng)，就像開關(guān)一樣。當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí)，觸點(diǎn)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(dòng)。

當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，觸點(diǎn)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(diǎn)在閉合時(shí)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(diǎn)，這個(gè)導(dǎo)通電阻將是非常小，通常小于0.2Ω，因?yàn)榧舛耸切碌暮透蓛舻模S著時(shí)間的推移，尖端電阻會(huì)增加。

例如。如果觸點(diǎn)通過的負(fù)載電流為10A，那么使用歐姆定律的觸點(diǎn)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?yàn)楫?dāng)繼電器線圈是接觸器開始打開時(shí)電路電流仍然想要流動(dòng)

觸點(diǎn)上的這種電弧或火花將導(dǎo)致尖端的接觸電阻隨著觸點(diǎn)的損壞而進(jìn)一步增加。如果允許繼續(xù)，接觸尖端可能會(huì)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(diǎn)將最終“焊接“一起產(chǎn)生短路狀態(tài)并可能對(duì)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(duì)于相同的負(fù)載電流，觸點(diǎn)上的電壓降增加到1×10 = 10伏直流。對(duì)于負(fù)載電路而言，觸點(diǎn)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(jià)格低廉且使用廣泛。

3。通過磺化影響，觸點(diǎn)容易失去光澤。

AgCu（銀銅）

1。被稱為“硬銀”觸點(diǎn)，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(diǎn)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(duì)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(diǎn)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(shí)實(shí)現(xiàn)長壽命和高可靠性，需要在繼電器觸點(diǎn)上進(jìn)行某種形式的電弧抑制或?yàn)V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(gè)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(diǎn)并聯(lián)電氣來實(shí)現(xiàn)電弧放電時(shí)產(chǎn)生的電弧。在觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)如何連接，繼電器觸點(diǎn)排列也可以歸類為他們的行為。電氣繼電器可以由一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的開關(guān)觸點(diǎn)組成，每個(gè)“觸點(diǎn)”被稱為“極”。通過激勵(lì)繼電器線圈，可以將這些觸點(diǎn)或極中的每一個(gè)連接或“拋出”，這使得觸點(diǎn)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(dòng)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(diǎn)的簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)別繼電器的類型，但還有更多可能的配置。

電氣繼電器觸點(diǎn)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(diǎn)或開關(guān)元件的組合以及單個(gè)繼電器內(nèi)組合的觸點(diǎn)數(shù)量。例如，在繼電器的斷電位置通常打開的觸點(diǎn)稱為“A型觸點(diǎn)”或接觸。而在繼電器的斷電位置通常閉合的觸點(diǎn)稱為“B型觸點(diǎn)”或斷開觸點(diǎn)。

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

關(guān)于使用繼電器的最后一點(diǎn)要記住。完全不建議并聯(lián)繼電器觸點(diǎn)以處理更高的負(fù)載電流。例如，永遠(yuǎn)不要嘗試為兩個(gè)并聯(lián)的繼電器觸點(diǎn)提供10A負(fù)載，每個(gè)觸點(diǎn)具有5A觸點(diǎn)額定值，因?yàn)闄C(jī)械操作的繼電器觸點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)在完全相同的時(shí)刻關(guān)閉或打開。結(jié)果是，即使短暫的瞬間，其中一個(gè)觸點(diǎn)也會(huì)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(jì)算機(jī)類型用于切換“ON”或“OFF”的相對(duì)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(diǎn)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(qǐng)始終使用單獨(dú)的繼電器。

其中一個(gè)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(diǎn)。繼電器線圈的主要問題是它們是“高感性負(fù)載”，因?yàn)樗鼈兪怯删€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(shí)，在其周圍產(chǎn)生自感應(yīng)磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中的電流變?yōu)椤癘FF”時(shí)，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(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)）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(gè)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(shí)產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)。

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

當(dāng)在這種應(yīng)用中使用時(shí)，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(jià)格便宜，易于使用并且允許切換由低功率，電隔離輸入信號(hào)控制的負(fù)載電路，但其主要缺點(diǎn)之一是機(jī)電繼電器是一種“機(jī)械裝置”，即它具有運(yùn)動(dòng)部件，因此由于使用磁場(chǎng)的金屬觸點(diǎn)的物理運(yùn)動(dòng)，它們的開關(guān)速度（響應(yīng)時(shí)間）很慢。

結(jié)束一段時(shí)間這些運(yùn)動(dòng)部件會(huì)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(diǎn)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(diǎn)，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(jì)中沒有活動(dòng)部件，因?yàn)闄C(jī)械觸點(diǎn)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(hào)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(diǎn)或磁場(chǎng)），以及更快的幾乎即時(shí)響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(diǎn)處變?yōu)椤癘N”，在固有轉(zhuǎn)向“OFF”時(shí)切換感性或容性負(fù)載時(shí)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(duì)機(jī)電繼電器電弧觸點(diǎn)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(gè)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(shí)，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(gè)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(duì)額外外部元件的需求。

非零交叉檢測(cè)開關(guān)（即時(shí)“ON”）型SSR也可用于相位控制應(yīng)用，如音樂會(huì)，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(duì)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(shí)，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(shí)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(jì)算機(jī)，微控制器或PIC連接到“真實(shí)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(gè)模塊包含提供完整的所有必要電路一個(gè)小設(shè)備內(nèi)的接口和隔離。它們可作為單獨(dú)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(diǎn)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(hào)，如音頻或視頻信號(hào)，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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理運(yùn)動(dòng)的輸出設(shè)備。輸出設(shè)備稱為Solenoid。