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(hào)開關(guān)高電壓和高電流。有時(shí)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(hào)就能開關(guān)相對(duì)較高的電流，并且能在控制信號(hào)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(dòng)一對(duì)或多對(duì)觸頭的機(jī)電器件。單極繼電器或接觸器只有一對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)不會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)也會(huì)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(dòng)時(shí)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(shí)表現(xiàn)出高電流浪涌，因?yàn)殡娙萜鲿?huì)試圖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(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)短路電路。上電時(shí)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(shí)會(huì)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰。每次電源斷開時(shí)，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(dòng)器、電動(dòng)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(dòng)/釋放次數(shù)。重要的是避免開關(guān)電流過小，這樣會(huì)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?huì)燒掉可能在繼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(gè)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(dòng)。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(gè)集成吸收器二極管的24V線圈，以及一個(gè)常開觸頭，其在20V時(shí)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(gè)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(shí)的額定切換電流為10A。它有一個(gè)24V直流線圈和一個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器或柱鎖，從而在接觸器的一對(duì)或多對(duì)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(gè)繼電器。接觸器的模塊化結(jié)構(gòu)還允許用戶修改致動(dòng)觸頭陣列。

 

接觸器通常有多組觸頭。有時(shí)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(hào)電路的同時(shí)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(dòng)三相電機(jī)的接觸器可能有三個(gè)高電流觸頭，用以承載電機(jī)功率，以及一個(gè)輔助觸頭，用于指示電機(jī)的致動(dòng)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(shí)致動(dòng)，或者提供機(jī)械閉鎖，防止一個(gè)接觸器隨著相鄰接觸器一同致動(dòng)。

 

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(duì)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(huì)因致動(dòng)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(gè)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(gè)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(huì)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(huì)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(huì)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。或者可以在電源電路的接觸器外部增加高電流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(shí)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