电磁继电器(relay)是一种电子控制装置,它有控制系统(输入电路)和被控系统(输出电路),通常应用于自动控制电路中,它采用较小的电流、较低的电压来进行开关控制的方式控制大电流、高电压,在电路中起到自动调节、安全保护、转换电路的作用。
电磁继电器的原理图符号有很多,各种EDA设计软件自带的符号也不同。 “电子生产站”的标准示意图符号如下图所示:
电磁继电器主要由接触干簧、衔铁、线圈、铁芯等部件组成。 其基本结构如下图所示:
通常,我们将继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点称为“常开触点”,将处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 这些联系人称为“公共联系人”。
当线圈两端不加电压时,线圈不产生磁力,弹簧的拉力使公共触点与常闭触点接触。 此时受控电源未与用电器连接,用电负载不工作,如下图:
当线圈两端施加一定的电压时,线圈电流使铁芯产生磁力将衔铁吸下,从而使公共触点与常开触点接触,从而接通受控电源。接通用电设备,用电负载开始工作,如下图:
这种开关控制方法可以获得两个好处。 一是控制电路与被控电路相互绝缘。 因此,即使被控电路出现高电压、大电流,也不会影响控制系统,就像隔离前后的光电耦合器一样。 级电路的效果是一样的,如下图所示:
其次,控制线圈的信号可以是弱信号(如5V),而受控电源可以是强信号(如@10A)。
在实际应用中,电磁继电器通常采用三极管或MOS管代替开关来实现对用电负载的自动控制(如通过单片机)。 最基本的应用电路如下图所示:
当输入电压VI为高电平“H”时,三极管饱和导通,相当于闭合的开关,继电器开始动作。 等效电路如下图所示:
当输入电压为低电平“L”时,三极管截止相当于断开开关,线圈中没有电流,导致继电器回到初始状态,如图以下:
那么为什么要在继电器线圈上并联一个二极管呢? 我们可以看到当没有并联二极管时电路会发生什么。 我们用下图所示的电路参数来模拟一下:
其中,L1相当于电磁继电器中的线圈。 开关闭合和断开时,其波形如下图所示:
当开关闭合时,电压波形仍正常,但当开关关断时,电感会产生很高的电压,远远超过电源电压(上图中的峰值未完全显示),普通电磁继电器采用3904或8050等通用三极管即可完全驱动,其集电极-发射极最高耐压只有几十伏,如下图(摘自三极管数据表):
当控制开关关断时,由于电感中的电流不能突变,因此会产生上负下正的反电动势,如下图所示:
这个反向电动势的峰值很高,三极管的集电极将承受与电源电压VCC和电感反向电动势串联的高压VL(相当于升压电路)。 此时电路如下图所示:
此时三极管Q1集电极电压为VCC+VL,很可能超过三极管集电极-发射极极限电压VCEO而击穿三极管。 因此,我们可以在线圈两端并联一个二极管,再次进行仿真,如下图所示:
其电压波形如下图所示:
开关管断开瞬间的反向电动势有所改善,但反向电动势仍然很高。 虾呢? 其实并联二极管并没有什么问题,只是模型不太合适。 普通二极管的单向导电取决于P型半导体和N型半导体接触形成的PN结。 由于结电容的存在,响应时间不会太短。 开关关断的瞬间,二极管来不及导通,相当于不象二极管。
肖特基二极管(也称肖特基势垒二极管,Diode,SBD)的单向导电性是由金属和半导体之间的接触形成的。 其特点是开关速度快。 我们将其替换为肖特基二极管,然后重新仿真,如下图所示:
其波形如下图所示:
其实瞬间还是有一点反向电压的,不过已经控制在可以接受的范围内了。
从电磁继电器的控制原理可以看出,继电器线圈的电压没有正负之分,因为无论是正向电流还是反向电流,产生的都是对铁的吸引力(没有一说同极相斥,异极相吸。(即对于两块磁铁而言),当然有的继电器内部可能有一些功能元件,如续流二极管、指示灯等,此时电压极性应严格按规范使用楼宇自控继电器原理,否则会烧毁辅助元件,如下图所示:
继电器的触点相当于一个开关,所以就不得不提一下触点结构。 我们常说的开关有常闭和常开两种类型。 结合开关的数量,可以衍生出许多继电器触点结构。
我们看一下数据手册中触点结构是如何表达的,如下图所示:(摘自继电器数据手册)
其中,表示触点的结构,其中“2 Form C”表示继电器包含两个“C型开关”(它们由线圈控制)。
继电器触点结构通常有三种类型,即
◆ 常开触点(open):A型或NO型(中文代号:H)
◆ 常闭触点( ):B型或NC型(中文代号:D)
◆ 转换接点():Form C 或 CO(中文代码:Z)
对应的符号如下图所示:
实际的继电器可能有多种组合,如1a、1b、1c、1a1b等,有的规格直接这样表示,其含义与上一模一样,如下图所示:(该图以下摘自欧姆龙继电器 G5V-1 数据表)
电磁继电器的触点是一个非常关键的部分,也是很多工程师容易忽视的地方。 在很多场合,还需要添加相应的保护电路。 我们将在下一节中详细讨论触点的应用。