每月電子零件:繼電器

九月 17, 2013
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在今年的每個月當中,我們帶領大家探索一種電子零件,從頭介紹零件的功能、運作原理到專題應用方式。上個月,我們介紹了電晶體,再之前則是電容器、LED與二極體,這個月要登場的零件則是繼電器!和之前一樣,我們將從查爾斯‧普萊特(Charles Platt)的《電子零件百科全書:第一冊》(暫譯,原書名為:Encyclopedia of Electronic Components: Volume 1)中的節錄開始。

繼電器完整的名稱是電磁繼電器(electromagnetic armature relay),與固態繼電器(solid-state relay)有所區隔,全名並不常用,通常以簡稱表示。也有人將繼電器稱為電機繼電器,但是通常提到繼電器這個稱呼時,人們都知道不是固態繼電器。

繼電器的功能在於使某一訊號或脈衝可以將另一股電流打開或截斷。通常,繼電器作用在於使用較低的電壓或電流來控制較高的電壓或電流,這些低電壓/電流的訊號可以透過較小、較便宜的開關來啟動,並經由小規格的電線帶往繼電器,繼電器因此可以用來控制較大的電流,舉例而言,在汽車引擎當中,將點火開關打開的同時會傳送一個訊號到啟動裝置旁的繼電器中。

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雖然固態開關裝置速度較快、穩定性較好,但是繼電器還是有一些優勢存在。繼電器可以處理多軸雙切(double-throw multiple-pole)的開關,而且在處理高電壓或電流時成本較低,在書中的〈雙極電晶體〉章節的開頭有繼電器、固態繼電器與電晶體的優劣表格比較。

右圖是電路圖上單切(圖上)與雙切(圖下)繼電器圖示,線圈外觀和接點符號可能有所不同,但功能不會有差異。


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運作原理

繼電器內含一個線圈、一組銜鐵和至少一對接點,電流會流過線圈,線圈就像一塊電磁鐵,會產生磁場,磁場因此推動銜鐵,銜鐵的外型類似旋轉支架,會釋放(或吸合)兩個接點。為了容易辨識,銜鐵通常會漆成綠色,線圈和接點則分別為紅色和橘色,藍色的兩個區塊是絕緣材料,左邊的那一塊用來支撐接點,
而右邊的那一塊在銜鐵因為線圈磁場變化移動時會將接點吸合,接點和線圈之間的線路為了簡單起見就先忽略不看。

右圖呈現了許多不同的小型繼電器,分別對應不同的電壓與電流使用需求。圖的左上角是一顆12V直流電車用繼電器,需要插入它下面的插座才能使用;右上方則是一顆24V直流電單極雙切繼電器,由於線圈與接點外露,這款繼電器必須要在乾燥、清潔的環境才能使用。而順著圖片繼續往下看,這四個裝在彩色塑膠盒當中的繼電器分別可以在250V交流電壓下開關5A的電流、120V交流電壓下開關10A的電流、125V交流電壓下開關0.6A的電流、30V直流電壓下開關2A的電流。藍色的兩顆繼電器內有12V直流電線圈,而紅色和黃色的繼電器則內含5V的線圈,這些繼電器都是非鎖存式的,唯一的例外是黃色的那一款,它是鎖存式繼電器,內有兩個線圈。左下角是一款12V直流電繼電器,裝在透明的盒子當中,根據規格可以在240V的交流電或30V的直流電中開關5A的電流。

繼電器在電路圖中的表示方式與開關相同,SP、DP、3P和4P分別表示單、雙、三或四極(超過四極的繼電器並不常見)。ST與DT則表示單切或雙切開關,通常,這些縮寫會合併使用,比如3PST或SPDT等等。此外, Form A(意即通常為開啟狀態)、Form B(意即通常為關閉狀態)與Form C (表示雙切)這些專門用法也很常見,字母前面的數字通常代表電磁極的個數,因此「2 Form C」就表示雙極雙切的繼電器。


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鎖存

繼電器有兩種基本形式:鎖存式(latching)及非鎖存式(nonlatching)。非鎖存式繼電器也稱為單穩態(single side stable)類繼電器,這種形式最為常見,它就像暫時性的開關(或按鈕),當繼電器電源被截斷時,接頭就會彈回原本的預設狀態。這一點在某些應用中相當重要,只要電源一消失,繼電器就會恢復原先的狀態。相反地,鎖存式繼電器沒有預設狀態,而且幾乎都有雙切的接點,不需要動用電能就能停留在其中任何一邊,這種繼電器只需要很短的脈衝就可以改變現狀,在半導體的術語當中,這和正反器(flip-flop)作用類似。.

在單線圈鎖存式繼電器的情況當中,施加電壓的極性將決定哪一對接點會關閉;而在雙線圈鎖存式繼電器當中,第二個線圈會在兩種狀態之間移動銜鐵。

雙線圈鎖存式繼電器在電路圖中的表現方式如圖右,在某些電路圖示當中,線圈與開關電流方向沒有清楚表現,因此會需要回去閱讀製造商的使用指南或或者直接在繼電器上施加電壓,並任意選擇兩個接頭來測試。

 

極性

直流電繼電器有三種:在中性繼電器當中,直流電的極性並不重要,無論電流是何種方向,繼電器都能維持良好的功能;極性繼電器當中有一個二極體和線圈串聯,阻擋來自某一方向的電流;而偏壓繼電器則是在銜鐵附近有一塊永久磁鐵,在電流從某一方向通過時會提升效能,但是在電流從反方向通過時,則會有抑制效果。製造商的規格說明上不一定會使用這些名詞,但會註明繼電器線圈是否會受直流電的極性影響。

附帶一提,所有繼電器都可以用來開關交流電,但是只有交流電繼電器可以使用交流電當作線圈的電流。

[原文]


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