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固态继电器很有用,但也要看看现代的机电继电器

当着手为您的新项目规划系统模块时,其中可能就要涉及,用低电平直流电压打开和关闭某些电源轨。没问题:先记下控制信号的电压和电流,以及待切换负载的规格(同样是电压和电流),然后开始挑选合适的固态继电器 (SSR)。

但是,事情很快变得复杂起来。同一个低电平直流信号必须要关闭一条交流线路,同时打开另一条线路,而且还需要开关 48 VDC 线路。随着 BOM 上的 SSR 数量不断增长,确保为所有 SSR 提供稳定的驱动成为一大挑战。

这时一位资深设计人员走过来提醒说:“你可能从没考虑过,或许单个机电继电器 (EMR) 能够一次性解决所有这些问题。”他说得很对,可能您从没考虑过这点,但 EMR 听起来似乎已经过时。

再考虑一下。虽然 SSR 具有很多众所周知的显著优点(此处不再赘述),但 EMR 每年仍然有数千万的销售量。即便其中一些用于满足更换需求,大部分还是用于全新设计。

当有固态继电器可选且价格差不多时,为什么设计人员还要选择机电装置呢?因为全部用固态装置“麻烦”可能因此而生。原因在这里:虽然 EMR 与 SSR 相比在功能方面大体相似,但它具备很多独特的特性和优点。

与 SSR 相同,EMR 的继电器线圈与其触点之间也是通过几兆欧的阻抗路径实现彼此之间的电气(电位)隔离的,但 EMR 能够做到 SSR 不能做到的很多事。EMR 的一些特殊属性包括:

  • 继电器触点形成了基本的开关闭合,通过它的电流可能是直流或交流,不受线圈驱动影响;接触电阻在毫欧姆范围内,因此触点两端的电压降非常接近于零,而开路接触电阻是气隙,因而在几兆欧姆范围内。
  • EMR 完全是无源器件,不带任何有源元器件,例如 LED 或光电晶体管。这意味着耐用性和可靠性。它具有良好的电气和机械耐用性(部分归功于它的机械和热质量),可耐受尖峰、瞬态以及电磁干扰,这些状况可能导致 SSR 暂时跳闸甚至损坏 SSR。大多数 EMR 的额定使用寿命为数百万个工作周期,而密封型磁簧继电器(一种 EMR)的额定使用寿命甚至达到数千万个工作周期。
  • 虽然大多数继电器为金属框架,但线圈和触点闭合都没有接地或连接到电路公共端,因而继电器可以放置在电路中的任何位置;但采用了某些电路拓扑的 SSR,因其有源特性而难以做到这一点。
  • 虽然基本继电器触点在不通电时为常开 (NO) 型,但也有一些标准继电器的触点在不通电时为常闭型 (NC),还有很多继电器同时具有这两种触点,即使用 NO/NC 组合型触点对。
  • 继电器可能是多极器件,有多个 NO 或 NC 触点对,提供三个、四个甚至更多的独立 NO 和 NC 触点,其中双刀双掷 (DPDT) 方式最为常见(图 1)。另一大优点是,多个触点不必承载相同类型和额定值的负载,因而更加灵活;有些触点可能适用于低电平信号,有些触点则可能适用于功率信号。

图 1:此图以行业标准标志显示了 EMR 的很多可用触点配置(有些也适用于 SSR)。(图片来源:维基百科

例如,Panasonic Electric WorksAGQ200A4HX 是一款印刷电路板表面贴装型 EMR。虽然是面向电信应用而设计,但无疑也可用于其他用途。此器件的 DPDT 触点(行业术语中称为“2 Form C”触点形式)的额定值为 2 安培 (A)、125 伏交流电或 110 伏直流电,而其线圈只需要 4.5 伏、31 毫安 (mA) 直流电(图 2)。

图 2:Panasonic 的 AGQ200A4HX SMT 继电器通常属于低电压直流输入继电器,采用 DPDT 触点,每个触点都可切换 2 A 的 125 伏交流电或 110 伏直流电;同一个装置可以同时处理交流和直流负载。(图片来源:Panasonic Electric Works)

  • 在继电器的设计中,线圈电流可以低至 10 或 20 mA,或者高至几十安培,触点额定规格则可以仅处理几十毫安和几伏特,也可一直到这个规格的几个数量级以上。
  • EMR 触点与信号“无关”,只要保持在电压和电流最大额定值范围内,无论多个触点间的信号是功率信号、数据信号还是混合信号,都无关紧要。此外,负载不一定要明确定义,只需在设计限制范围内即可。在负载可能具有不确定或很难控制的特性情况下,这非常有用。
  • 到目前为止,EMR 的最常见故障模式是线圈未激励,因此 NO 触点无法“打开”,而 NC 触点则无法“关闭”——哪一种触点是首选或必需的,可能成为应用的安全问题。相反,SSR 在输出端短路时往往会出现故障,这一点可能无法接受。
  • 市面上有称为“自锁”继电器的标准 EMR,即使线圈断电或发生故障,也能保持通电触点位置(通过单独的线圈和信号进行解锁);在某些情况下,这是一种很好的特性,而在某些安全相关情况下,该特性至关重要。
  • 继电器易于进行故障排除,只需使用欧姆计来测量断电线圈的连续性和直流电阻,以及使用简单的交流或直流电源来激励线圈。
  • 最后,对于某些设计人员而言,还有个人因素,当 EMR 吸合或释放时,继电器会发出悦耳的“咔嗒”声。有些工程师(包括我自己)喜欢听这种“咔嗒”声,甚至利用这种声音来监控系统活动。

所以,下次遇到 SSR 方面的挑战时,别再以为您只是需要更多或不同的 SSR 了。机电继电器已经问世将近 150 年,现已经过高度优化并且日臻成熟。而这种产品的现代版也许能够真正解决您的问题,带来最能让人接受的替代方案。

关于此作者

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Bill Schweber 是一名电子工程师,撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品特性说明。他担任过 EE Times 的多个特定主题网站的技术管理员,以及 EDN 的执行编辑和模拟技术编辑。

在 Analog Devices, Inc.(模拟和混合信号 IC 的领先供应商)工作期间,Bill 从事营销传播(公共关系),对技术公关职能的两个方面均很熟悉,即向媒体展示公司产品、业务事例并发布消息,同时接收此类信息。

担任 Analog 营销传播职位之前,Bill 在该公司颇受推崇的技术期刊担任副主编,并且还在公司的产品营销和应用工程部门工作过。在此之前,Bill 曾在 Instron Corp. 工作,从事材料测试机器控制的实际模拟和电源电路设计及系统集成。

他拥有电气工程硕士学位(马萨诸塞州立大学)和电气工程学士学位(哥伦比亚大学),是注册专业工程师,并持有高级业余无线电许可证。Bill 还规划、撰写并讲授了关于各种工程主题的在线课程,包括 MOSFET 基础知识、ADC 选择和驱动 LED。

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