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机电继电器与接触器:类型和应用如何匹配

作者:Steve Leibson

投稿人:Digi-Key 北美编辑

许多应用需要切换具有高隔离性能的电路,或者需要能够利用低功率控制信号切换高电压和高电流。有时候,基于半导体的解决方案不能满足需求。在这种情况下,设计人员需要在机电继电器和接触器之间进行选择,并了解如何正确应用这些器件。

机电继电器仅使用几伏的控制信号就能切换相对较高的电流,并且能在控制信号和开关电源之间提供良好的电压隔离。然而,如果是非常大的电流负载和非常高的开关电压,则需要使用接触器。接触器可以说是“打了激素”的机电继电器,性能更加强大。大多数设计工程师都熟悉从磁簧继电器到重型继电器的各类继电器。工业电力行业以外的人很少知道接触器,其广泛应用于切换高压电路和非常高的负载。

本文将讨论继电器与接触器的区别以及每类器件最适合的应用。文中将介绍多种继电器和接触器解决方案,并提供关于使用每类器件的实用设计技巧。

继电器与接触器

继电器和接触器均为使用电磁螺线管来促动一对或多对触头的机电器件。单极继电器或接触器只有一对触头。此外还有双极继电器和接触器,触头数量可以非常多。触头可以是常开或常闭的。一些继电器和接触器还有同时包含常开触头和常闭触头的双掷触头。

继电器适用于切换电压相对较低的中低电流负载,并且其外形尺寸有很多种,包括插入式和可焊接到 PCB 上的板安装式。接触器设计用于高电流和高电压负载。

继电器或接触器类型的选择在很大程度上取决于所切换的负载类型。以下是不同类型负载的总结以及处理这些负载的技巧:

  • 电阻负载在首次通电时不会出现浪涌电流。电阻负载最常见的例子是简易加热器。如果其额定电流消耗为 10 A,则使用 10 A 继电器可以实现安全切换。在现实世界中,纯电阻负载非常少。大多数负载表现为两类或更多类负载的组合。
  • 灯负载在首次通电时会消耗大量电流。白炽灯泡灯丝具有高温度系数。冷灯泡灯丝电阻常常仅为热灯泡电阻的 5%,因此与灯泡加热后相比,冷态时消耗的电流要高出 20 倍。正常工作期间,一只 75 W 白炽灯泡消耗略高于 0.5 A 的电流,但在刚开启时,冷灯丝要消耗 13 A 的涌流。虽然这种电流浪涌仅持续大约十分之一秒,但驱动白炽灯负载的任何继电器触头都必须能承受该高涌流。
  • 电机负载在首次通电时也会消耗大量电流。单相、110 V AC、1/3 马力的同步电机通常仅消耗 4 A 多一点的电流。但在启动时或转子锁定情况下,该电机可能要消耗超过 24 A 的电流。如果将机械负载从电机卸下,让它空载运行,则电机可能消耗 6 A 电流。
  • 电容负载在上电时表现出高电流浪涌,因为电容器会试图保持自身上的电压恒定不变。将电压切换到未充电的电容器就像是瞬时驱动一个短路电路。上电时的这种高电流可以产生焊接效应,使继电器触头闭合。典型电容负载包括直流电源输出和其他滤波电源。
  • 电感负载在通电时会随着负载电流缓慢上升而徐徐导通。但是当关闭负载时,由于电感器试图保持通过自身的电流恒定不变,继电器触头上会产生感应电压尖峰。每次电源断开时,感应电压尖峰可能大到足以在继电器触头上引起电弧,导致触头表面发生熔化和点蚀,降低触头性能。这就解释了为什么有些继电器在其线圈上集成了吸收器二极管,目的是防止产生电弧。高电感负载类型包括螺线管致动器、电动阀和继电器。

继电器详解

继电器的重要规格包括线圈电压、交流或直流线圈操作、触头电流额定值和配置(常开、常闭、多极)、触头数量及致动/释放次数。重要的是避免开关电流过小,以致继电器无法可靠地工作。继电器触头能否正常操作,在某种程度上取决于某一额定最小电流(常常称之为消磁电流)的切换,因为它会烧掉可能在继电器触头上积聚的微量污染物。

继电器能够可靠切换的电流下限取决于多个因素,例如触头材料、触头几何形状和触头表面的机械滑动。继电器的最小开关电流规格要考虑所有这些因素。带镀金触头的继电器和带分叉(分离)式触头的继电器能够可靠地切换低至 10 mA 的电流。

磁簧继电器和水银湿簧继电器适用于低电平开关应用。例如,TE Connectivity Potter and Brumfield Relays JWDJWS 磁簧继电器可提供 5 至 24 V DC 的线圈电压以及多种单极和双极配置。

举例来说,TE Connectivity 的 JWD-171-10 磁簧继电器有一个集成吸收器二极管的 24 V 线圈,以及一个常开触头,其在 20 V 时的额定最大切换电流为 500 mA。JWD 系列磁簧继电器设计安装在电路板上,基底面与 14 引脚 DIP 集成电路相同,不过只有 8 个引脚(图 1)。

TE Connectivity Potter and Brumfield Relays 的 JWD 系列磁簧继电器图片

图 1:TE Connectivity Potter and Brumfield Relays 的 JWD 系列磁簧继电器基底面与 14 引脚 DIP 相同,提供多种线圈电压和触头配置。(图片来源:TE Connectivity Potter and Brumfield Relays)

磁簧继电器通常不适用于切换较高负载,后者需要物理尺寸更大的封装以容纳更大的高电流触头。例如,Omron Electronic Components G2R-1-DC24 通用继电器在 24 V 时的额定切换电流为 10 A。它有一个 24 V 直流线圈和一个单刀双掷触头排列。该继电器比 TE Connectivity 的 JWD 系列磁簧继电器稍大,但仍设计安装在印刷电路板上(图 2)。

Omron Electronics 的印刷电路板安装式 G2R-1-DC24 通用继电器图片

图 2:Omron Electronic 的印刷电路板安装式 G2R-1-DC24 通用继电器在 24 V 时的额定切换电流为 10 A。(图片来源:Omron Electronics)

Omron 还提供另一种类似的继电器 G2R-1-SND-DC24(S),专为可置入插槽的插入应用而设计。此类继电器有多种配套插座,包括兼容 DIN 导轨、面板安装和通孔电路板安装的版本。

深入了解接触器

接触器是继电器的重型工业等效产品,是工厂和工业应用中的标准元器件。接触器比继电器更坚固,通常设计为可轻松安装在标准 DIN 导轨上。有些接触器具有额外的安装孔,可以直接用螺栓固定在平坦表面上。接触器设计用于切换高负载,例如分马力和多马力多相电机、大型供暖负荷及工业/商业照明。因此,接触器可接纳大的高电流导线。

与继电器线圈一样,接触器线圈也分为交流或直流规格。设计由 PLC(可编程逻辑控制器)驱动的接触器通常具有 24 V 直流螺线管线圈,但交流线路电压(包括 110、220、240 V AC)的线圈驱动额定值也很常见。

与继电器一样,接触器的电磁螺线管线圈以磁性吸引致动器或柱塞,从而在接触器的一对或多对重型电触头之间建立物理连接。与继电器不同的是,接触器采用模块化方式组装,可以轻松更换螺线管线圈以改变电压。继电器一般不是以模块化方式构建,改变继电器配置通常需要更换整个继电器。接触器的模块化结构还允许用户修改致动触头阵列。

接触器通常有多组触头。有时候接触器仅包含高电流触头,但接触器可以混合使用高电流和低电流触头,分别用于电源和信号电路的同时切换。低电流触头也称为辅助触头。这两类触头的区别在于,高电流触头在物理尺寸上比低电流触头要大,可承载更高的负载电流。设计用于驱动三相电机的接触器可能有三个高电流触头,用以承载电机功率,以及一个辅助触头,用于指示电机的致动状态。

例如,Omron Automation & Safety J7KNA-AR-31 24VS 接触器具有 24 V 直流螺线管线圈和四刀单掷触头排列(图 3)。触头的额定电流为 10 A,最大开关电压为 600 V AC。Omron J7KNA-AR 系列是模块化器件,可以指定许多选项,包括线圈电压、触头排列(提供 4、6、8 极版本)及安装方法。

Omron Automation and Safety 的 J7KNA-AR-31 24VS 接触器图片

图 3:Omron Automation and Safety 的 J7KNA-AR-31 24VS 接触器具有 24 V 直流螺线管线圈和四刀单掷触头排列。(图片来源:Omron Automation and Safety)

接触器的机械结构不断在发展演进,现在可以将接触器以机械方式联接起来以支持多重同时致动,或者提供机械闭锁,防止一个接触器随着相邻接触器一同致动。

接触器从来理高电流和高电压,因此额定载流能力高于绝对需求电流的接触器可以延长投入使用后的寿命。触头越大,则结构越坚固且镀层越厚,因此不会因致动而发生明显点蚀。

TE Connectivity Aerospace Defense and Marine EV200AAANA 是大电流接触器的一个例子。该接触器可以切换 900 V 负载并承载 500 A 电流,或通过其主电源触头在 320 V DC 下中断 2000 A 负载电流。一组辅助触头可以在 30 V DC 承载 2 A 电流或在 125 V AC 下承载 3 A 电流。EV200AAANA 接触器具有一个 12 V 直流螺线管线圈。如图 4 所示,该接触器采用密封式非模块化设计。该接触器的典型应用包括电池切换和备用、直流电源控制及电路保护。

TE Connectivity 的 EV200AAANA 密封式非模块化接触器图片

图 4:TE Connectivity 的 EV200AAANA 密封式非模块化接触器可利用 12 V 控制输入切换 500 A 电流。(图片来源:TE Connectivity)

市面上也有特殊接触器用于某些特定应用。例如,很多工业和商业接触器应用需要切换照明负载,涉及到非常高的涌流,可能会将普通接触器的触头焊接在一起。金属卤化物照明就是这样一种负载,具有很高的涌流要求。开关电源也会呈现类似的高容性负载,需消耗较大的初始涌流。有些专用接触器含有 NTC 防浪涌热敏电阻,会在最初限制流向负载的电流,防止涌流将触头焊接在一起。或者可以在电源电路的接触器外部增加高电流 NTC 防浪涌热敏电阻,以实现相同的效果。

总结

只要规格适当,包括选择合适的线圈电压(包括 AC 和 DC)以及触头大小,继电器和接触器将是用于切换电源的高效器件。继电器有许多外形尺寸可供选择,而接触器则是更标准化的工业器件,外形尺寸比较统一。具体选择取决于要切换的负载,同时还要考虑负载类型是电阻式、电容式还是电感式。

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关于此作者

Steve Leibson

Steve Leibson 是 HP 和 Cadnetix 的系统工程师、《EDN》和《Microprocessor Report》杂志主编以及 Xilinx 和 Cadence 的技术博主,并担任过两集“The Next Wave with Leonard Nimoy”的技术专家。33 年来,他一直致力于帮助设计工程师们开发出更好、更快、更可靠的系统。

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