技術指南:幾種常見的繼電器類型及其工作原理

十二月 13, 2017
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繼電器的機型、樣式與搭載技術十分多元,您的應用可能只適用一種繼電器,也可能適用多種繼電器。只要了解各種繼電器的運作原理及其優缺點,就能選出最合適的款式。下列段落將說明幾種常見繼電器的運作原理,並闡述其優缺點。

機電繼電器

機電繼電器主要由線圈、電樞與電子接點所組成。其基本原理是線圈通電後會產生磁場並推動電樞,進而開啟或關閉接點。如圖1所示。
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圖1:機電繼電器:電流通過線圈時會產生磁場,並推動接點間的電樞

機電繼電器支援多種訊號特性,諸如低電壓/電流、高電壓/電流、直流與GHz頻率等,因此您可輕易找到訊號特性符合系統需求的機電繼電器。通過機電繼電器中驅動電路的直流電都與繼電器接點隔離,而各接點之間也都彼此隔離。若系統需要具備電流隔離特性,就非常適合使用機電繼電器。

機電繼電器上的接點通常都比其他繼電器大,也更為堅固耐用。由於機電繼電器的接點較大,因此更能承受電路或連接線中寄生電容意外產生的浪湧電流。然而,接點較大,就代表整個組合的體積也變大了,因此無法密集安裝在切換器模組上。

雖然機電繼電器的機械構造有助於提高切換彈性,但這種切換器有個重大弱點:速度有限。機電繼電器的速度筆其他繼電器慢,切換與穩定時間大概是5~15ms。這樣的運作速度對某些應用來說太慢了。

機電繼電器的機械壽命通常比其他繼電器短,隨著科技日新月異,機電繼電器的機械壽命也延長了,但致動效能還是比不上同級的簧片繼電器。機電繼電器與其他繼電器一樣,整體的使用壽命很容易受到功率切換量與其他系統考量所影響,實際上,機電繼電器的機械壽命可能不及簧片繼電器,但在相同的負載下(尤其是電容性負載),其電子使用壽命衰退率通常低於簧片繼電器。相較於同級簧片繼電器,機電繼電器的接點更大、更堅固、也更耐用。

機電繼電器分為鎖存式(latching)與非鎖存式(non-latching)兩種,以非鎖存式繼電器而言,連續性電流必須流經線圈,以便讓繼電器保持啟動。而使用這種繼電器的應用時,繼電器通常都必須在停電時自動返回安全狀態。大多數超低電壓應用則會使用鎖存式繼電器,其原理是使用永久磁鐵來維持電樞的目前位置,因此即使線圈中已無驅動電流也不會有影響。由於線圈不會因發熱而產生熱電動勢(EMF)並影響量測結果,鎖存式繼電器極適合於超低電壓應用。

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機電繼電器可用於多種切換器模組,而由於這種繼電器十分堅固耐用,因此適用於多種應用(尤其是不甚講究切換速度的應用)。機電繼電器的多功能特性也適用於各種切換設定,例如通用模組、多工器模組與矩陣模組。

簧片繼電器

雖然簧片繼電器與機電繼電器都配備實體接點,並且可以使用機械啟動的方式來開啟或關閉路徑,但兩者的運作原理卻有所不同。簧片繼電器的接點尺寸遠小於機電繼電器,而數量也相對較少。乾式簧片繼電器由圍繞著簧片切換器的線圈所組成,簧片切換器包含兩片密封於玻璃管中的強磁性葉片(稱為簧片),玻璃管內充滿惰性氣體。簧片的重疊端上有接點,當線圈通電時兩片簧片會受到牽引,使接點互相接觸,並形成通過繼電器的通路。而一旦線圈停止通電,簧片的彈力就會分開接點。如圖2所示。
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圖2:乾式簧片繼電器:電流通過線圈時會產生磁場,進而牽引兩片簧片並使接點互相接觸。

由於簧片繼電器的接點較小、數量較少且啟動機制不同,因此切換速度是同級機電繼電器的10倍之多。簧片繼電器的機械使用壽命較機電繼電器長,但其接點面積較小,因此容易在關閉電路時被電弧損壞。電弧在各接點間跳動時,往往會造成一小部分的接點表面熔化,如果接點在熔化區塊重新凝固時仍處於關閉狀態,接點就可能焊接在一起。驅動電流關閉後,簧片的彈力通常不足以斷開焊接,從而造成繼電器無法使用。雖然機電繼電器也可能因電弧而受損,但能量要夠大才有可能造成損害。

由於簧片繼電器非常容易發生接點損壞,因此需要特別小心系統電容產成的浪湧電流(Inrushcurrent)。繼電器與電容之間的串聯阻抗(如電阻或磁體)可以控制浪湧電流。系統中的任何電容都可能產生浪湧電流,無論此電流是來自無功(reactive)待測裝置或抗雜式連接線。

簧片繼電器採用強磁性材質,比同級機電繼電器更容易產生嚴重的熱電動勢,並引發過多雜訊且造成量測結果出錯,因此不適合超低電壓應用。

簧片繼電器尺寸較小且速度極快,非常適合多種切換應用。簧片繼電器多半用於矩陣與多工器模組中,通用模組較少使用簧片繼電器。

固態繼電器(SolidStateRelaySSR

固態繼電器使用配備LED的光感應MOSFET裝置來啟動裝置。如圖3所示。
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圖3:固態繼電器(SSR):LED所發出的光線可啟動光感應MOSFET,並讓電流通過。

其切換時間視開關LED電源的時間長短而定(一般約為1ms與0.5ms),由此原理可看出,固態繼電器的切換速度高於機電繼電器。固態繼電器無機械零件,使用壽命較機電繼電器或簧片繼電器高。

由於LED的致動功能可於控制電路與MOSFET之間提供電流隔離,因此適用於高電壓應用。然而因為MOSFET會在此期間執行切換作業,所以其接點不具有電流隔離作用。若MOSFET不再具有閘極門驅動(gatedrive),MOSFET上的汲源極間通道將具有極高的電阻,可形成接觸點之間的斷路。

固態繼電器的連線主要透過電晶體執行,不像機電繼電器與簧片繼電器那樣使用實體金屬,因此接觸電阻較高。雖然繼電器的接觸電阻已因科技進步而持續改善,然而目前製程中電阻超過100Ohm的繼電器仍然很普遍。

固態繼電器的堅固程度不如機電繼電器,如果使用時的訊號準位超過標準,固態繼電器往往會像簧片繼電器一樣因浪湧電流而損壞。雖然固態繼電器並沒有會熔化的金屬接點,但如果MOSFET遭到破壞,繼電器也就無法使用了。

FET切換器

FET切換器和固態繼電器一樣,都不是機械裝置。FET切換器使用一系列CMOS電晶體以建置切換功能。其控制電路的原理則與固態繼電器不同,可直接驅動電晶體閘極而不需驅動LED。由於開啟/關閉LED的時間不會構成問題,因此直接驅動電晶體閘極可達到更快的切換速度。FET切換器是本文中速度最快的切換器。由於封裝中並不包含機器零件或LED,因此FET切換器可擁有極小的尺寸。FET切換器的主要限制之一是缺乏實體的隔離障礙,因此僅能搭配使用低電壓訊號。

由於此切換器為FET架構,因此優缺點均與SSR類似。舉例來說,FET切換器的使用壽命極長,但路徑電阻也遠高於機電繼電器或簧片繼電器。FET切換器常見於多工器設定,適用於更高速的低電壓應用。

摘要

本文主要講解了幾種常用的繼電器及其工作原理。機電繼電器是相當良好的通用式解決方案,然而封裝尺寸、切換速度與機械使用壽命均受到限制。簧片繼電器的封裝尺寸、密度與速度均有所改善,但就可能產生浪湧電流的環境而言,耐用度較差。SSR是一種可以替代機械式繼電器的優良選擇,但其路徑電阻較高,而且各接點間無法完全隔離。FET切換器則為高速、低成本的解決方案,但只能用於低電壓應用中。不論是那一種應用,您應該在決定採用哪一種繼電器之前先考慮所有系統參數,以滿足個人應用的需求。

註:雖然本文大部分的結論適用於所有的繼電器應用,但文件內容主要針對自動化測試設備(ATE)應用,並闡述選擇各種切換器模組用繼電器時需要考量的因素。

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