許多應(yīng)用需要開關(guān)具有高隔離性能的電路，或者需要能夠利用低功率控制信號開關(guān)高電壓和高電流。有時候，基于半導(dǎo)體的解決方案不能滿足需求。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員需要在機(jī)電繼電器和接觸器之間進(jìn)行選擇，并了解如何正確應(yīng)用這些器件。

 

機(jī)電繼電器僅使用幾伏的控制信號就能開關(guān)相對較高的電流，并且能在控制信號和開關(guān)電源之間提供良好的電壓隔離。然而，如果是非常大的電流負(fù)載和非常高的開關(guān)電壓，則需要使用接觸器。接觸器可以說是“打了激素”的機(jī)電繼電器，性能更加強(qiáng)大。大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師都熟悉從磁簧繼電器到重型繼電器的各類繼電器。工業(yè)電力行業(yè)以外的人很少知道接觸器，其廣泛應(yīng)用于切換高壓電路和非常高的負(fù)載。

 

本文將討論繼電器與接觸器的區(qū)別以及每類器件最適合的應(yīng)用。文中將介紹多種繼電器和接觸器解決方案，并提供關(guān)于使用每類器件的實(shí)用設(shè)計(jì)技巧。

 

繼電器vs.接觸器

 

繼電器和接觸器均為使用電磁螺線管來促動一對或多對觸頭的機(jī)電器件。單極繼電器或接觸器只有一對觸頭。此外還有雙極繼電器和接觸器，觸頭數(shù)量可以非常多。觸頭可以是常開或常閉的。一些繼電器和接觸器還有同時包含常開觸頭和常閉觸頭的雙擲觸頭。

 

繼電器適用于切換電壓相對較低的中低電流負(fù)載，并且其外形尺寸有很多種，包括插入式和可焊接到PCB上的板安裝式。接觸器設(shè)計(jì)用于高電流和高電壓負(fù)載。

 

繼電器或接觸器類型的選擇在很大程度上取決于所切換的負(fù)載類型。以下是不同類型負(fù)載的總結(jié)以及處理這些負(fù)載的技巧：

 

•  電阻負(fù)載在首次通電時不會出現(xiàn)浪涌電流。電阻負(fù)載最常見的例子是簡易加熱器。如果其額定電流消耗為10A，則使用10A繼電器可以實(shí)現(xiàn)安全切換。在現(xiàn)實(shí)世界中，純電阻負(fù)載非常少。大多數(shù)負(fù)載表現(xiàn)為兩類或更多類負(fù)載的組合。

 

•  燈負(fù)載在首次通電時會消耗大量電流。白熾燈泡燈絲具有高溫度系數(shù)。冷燈泡燈絲電阻常常僅為熱燈泡電阻的5％，因此與燈泡加熱后相比，冷態(tài)時消耗的電流要高出20倍。正常工作期間，一只75W白熾燈泡消耗略高于0.5A的電流，但在剛開啟時，冷燈絲要消耗13A的涌流。雖然這種電流浪涌僅持續(xù)大約十分之一秒，但驅(qū)動白熾燈負(fù)載的任何繼電器觸頭都必須能承受該高涌流。

 

•  電機(jī)負(fù)載在首次通電時也會消耗大量電流。單相、110V AC、1/3馬力的同步電機(jī)通常僅消耗4A多一點(diǎn)的電流。但在啟動時或轉(zhuǎn)子鎖定情況下，該電機(jī)可能要消耗超過24A的電流。如果將機(jī)械負(fù)載從電機(jī)卸下，讓它空載運(yùn)行，則電機(jī)可能消耗6A電流。

 

•  電容負(fù)載在上電時表現(xiàn)出高電流浪涌，因?yàn)殡娙萜鲿噲D保持自身上的電壓恒定不變。將電壓切換到未充電的電容器就像是瞬時驅(qū)動一個短路電路。上電時的這種高電流可以產(chǎn)生焊接效應(yīng)，使繼電器觸頭閉合。典型電容負(fù)載包括直流電源輸出和其他濾波電源。

 

•  電感負(fù)載在通電時會隨著負(fù)載電流緩慢上升而徐徐導(dǎo)通。但是當(dāng)關(guān)閉負(fù)載時，由于電感器試圖保持通過自身的電流恒定不變，繼電器觸頭上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰。每次電源斷開時，感應(yīng)電壓尖峰可能大到足以在繼電器觸頭上引起電弧，導(dǎo)致觸頭表面發(fā)生熔化和點(diǎn)蝕，降低觸頭性能。這就解釋了為什么有些繼電器在其線圈上集成了吸收器二極管，目的是防止產(chǎn)生電弧。高電感負(fù)載類型包括螺線管致動器、電動閥和繼電器。

繼電器選型應(yīng)用詳解

 

繼電器的重要規(guī)格包括線圈電壓、交流或直流線圈操作、觸頭電流額定值和配置（常開、常閉、多極）、觸頭數(shù)量及致動/釋放次數(shù)。重要的是避免開關(guān)電流過小，這樣會導(dǎo)致繼電器無法可靠地工作。繼電器觸頭能否正常操作，在某種程度上取決于某一額定最小電流（常常稱之為消磁電流）的切換，因?yàn)樗鼤艨赡茉诶^電器觸頭上積聚的微量污染物。

 

繼電器能夠可靠切換的電流下限取決于多個因素，例如觸頭材料、觸頭幾何形狀和觸頭表面的機(jī)械滑動。繼電器的最小開關(guān)電流規(guī)格要考慮所有這些因素。帶鍍金觸頭的繼電器和帶分叉（分離）式觸頭的繼電器能夠可靠地切換低至10mA的電流。

 

磁簧繼電器和水銀濕簧繼電器適用于低電平開關(guān)應(yīng)用。例如，TE Connectivity Potter and Brumfield Relays的JWD和JWS磁簧繼電器可提供5至24V DC的線圈電壓以及多種單極和雙極配置。

 

舉例來說，TE Connectivity的JWD-171-10磁簧繼電器有一個集成吸收器二極管的24V線圈，以及一個常開觸頭，其在20V時的額定最大切換電流為500mA。JWD系列磁簧繼電器設(shè)計(jì)安裝在電路板上，基底面與14引腳DIP集成電路相同，不過只有8個引腳（圖1）。

 

圖1：TE Connectivity Potter and Brumfield Relays的JWD系列磁簧繼電器基底面與14引腳DIP相同，提供多種線圈電壓和觸頭配置。（圖片來源：TE Connectivity Potter and Brumfield Relays）

 

磁簧繼電器通常不適用于切換較高負(fù)載，后者需要物理尺寸更大的封裝以容納更大的高電流觸頭。例如，Omron Electronic Components的G2R-1-DC24通用繼電器在24V時的額定切換電流為10A。它有一個24V直流線圈和一個單刀雙擲觸頭排列。該繼電器比TE Connectivity的JWD系列磁簧繼電器稍大，但仍設(shè)計(jì)安裝在印刷電路板上（圖2）。

 

圖2：Omron Electronic的印刷電路板安裝式G2R-1-DC24通用繼電器在24V時的額定切換電流為10A。（圖片來源：Omron Electronics）

 

Omron還提供另一種類似的繼電器G2R-1-SND-DC24(S)，專為可置入插槽的插入應(yīng)用而設(shè)計(jì)。此類繼電器有多種配套插座，包括兼容DIN導(dǎo)軌、面板安裝和通孔電路板安裝的版本。

 

深入了解接觸器

 

接觸器是繼電器的重型工業(yè)等效產(chǎn)品，是工廠和工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)元器件。接觸器比繼電器更堅(jiān)固，通常設(shè)計(jì)為可輕松安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上。有些接觸器具有額外的安裝孔，可以直接用螺栓固定在平坦表面上。接觸器設(shè)計(jì)用于切換高負(fù)載，例如分馬力和多馬力多相電機(jī)、大型供暖負(fù)荷及工業(yè)/商業(yè)照明。因此，接觸器可接納大的高電流導(dǎo)線。

 

與繼電器線圈一樣，接觸器線圈也分為交流或直流規(guī)格。設(shè)計(jì)由PLC（可編程邏輯控制器）驅(qū)動的接觸器通常具有24V直流螺線管線圈，但交流線路電壓（包括110、220、240 V AC）的線圈驅(qū)動額定值也很常見。

 

與繼電器一樣，接觸器的電磁螺線管線圈以磁性吸引致動器或柱鎖，從而在接觸器的一對或多對重型電觸頭之間建立物理連接。與繼電器不同的是，接觸器采用模塊化方式組裝，可以輕松更換螺線管線圈以改變電壓。繼電器一般不是以模塊化方式構(gòu)建，改變繼電器配置通常需要更換整個繼電器。接觸器的模塊化結(jié)構(gòu)還允許用戶修改致動觸頭陣列。

 

接觸器通常有多組觸頭。有時候接觸器僅包含高電流觸頭，但接觸器可以混合使用高電流和低電流觸頭，分別用于電源和信號電路的同時切換。低電流觸頭也稱為輔助觸頭。這兩類觸頭的區(qū)別在于，高電流觸頭在物理尺寸上比低電流觸頭要大，可承載更高的負(fù)載電流。設(shè)計(jì)用于驅(qū)動三相電機(jī)的接觸器可能有三個高電流觸頭，用以承載電機(jī)功率，以及一個輔助觸頭，用于指示電機(jī)的致動狀態(tài)。

 

例如，Omron Automation & Safety的J7KNA-AR-31 24VS接觸器具有24V直流螺線管線圈和四刀單擲觸頭排列（圖3）。觸頭的額定電流為10A，最大開關(guān)電壓為600VAC。Omron J7KNA-AR系列是模塊化器件，可以指定許多選項(xiàng)，包括線圈電壓、觸頭排列（提供 4、6、8 極版本）及安裝方法。

 

圖3：Omron Automation and Safety的J7KNA-AR-31 24VS接觸器具有24V直流螺線管線圈和四刀單擲觸頭排列。（圖片來源：Omron Automation and Safety）

 

接觸器的機(jī)械結(jié)構(gòu)不斷在發(fā)展演進(jìn)，現(xiàn)在可以將接觸器以機(jī)械方式聯(lián)接起來以支持多重同時致動，或者提供機(jī)械閉鎖，防止一個接觸器隨著相鄰接觸器一同致動。

 

接觸器用來處理高電流和高電壓，因此額定載流能力高于絕對需求電流的接觸器可以延長投入使用后的壽命。觸頭越大，則結(jié)構(gòu)越堅(jiān)固且鍍層越厚，因此不會因致動而發(fā)生明顯點(diǎn)蝕。

 

TE Connectivity Aerospace Defense and Marine 的 EV200AAANA 是大電流接觸器的一個例子。該接觸器可以切換900V負(fù)載并承載500A電流，或通過其主電源觸頭在320V DC下中斷2000A負(fù)載電流。一組輔助觸頭可以在30V DC承載2A電流或在125V AC下承載3A電流。EV200AAANA接觸器具有一個12V直流螺線管線圈。如圖4所示，該接觸器采用密封式非模塊化設(shè)計(jì)。該接觸器的典型應(yīng)用包括電池切換和備用、直流電源控制及電路保護(hù)。

 

圖4：TE Connectivity的EV200AAANA密封式非模塊化接觸器可利用12V控制輸入切換500A電流。（圖片來源：TE Connectivity）

 

市面上也有特殊接觸器用于某些特定應(yīng)用。例如，很多工業(yè)和商業(yè)接觸器應(yīng)用需要切換照明負(fù)載，涉及到非常高的涌流，可能會將普通接觸器的觸頭焊接在一起。金屬鹵化物照明就是這樣一種負(fù)載，具有很高的涌流要求。開關(guān)電源也會呈現(xiàn)類似的高容性負(fù)載，需消耗較大的初始涌流。有些專用接觸器含有NTC防浪涌熱敏電阻，會在最初限制流向負(fù)載的電流，防止涌流將觸頭焊接在一起?；蛘呖梢栽陔娫措娐返慕佑|器外部增加高電流NTC防浪涌熱敏電阻，以實(shí)現(xiàn)相同的效果。

 

本文小結(jié)

 

只要規(guī)格適當(dāng)，包括選擇合適的線圈電壓（包括AC和DC）以及觸頭大小，繼電器和接觸器將是用于切換電源的高效器件。繼電器有許多外形尺寸可供選擇，而接觸器則是更標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)器件，外形尺寸比較統(tǒng)一。具體選擇取決于要切換的負(fù)載，同時還要考慮負(fù)載類型是電阻式、電容式還是電感式。

 

來源：DigiKey 作者：Steve Leibson