Posted By Liang Bird on 9 月 30, 2019 in Maker電子學, 教學文, 繼電器 | 7 comments

作者：Bird

繼電器是個很普遍的控制與開關零件，由於它的原理很簡單，小到幾個 mA 的訊號甚或大到數千安培的動力用電，都能用繼電器來控制，這次就讓我們來聊一下這個看似簡單但其實有點學問的小零件吧！

「繼電器」名字的由來

繼電器的英文名字「relay」原來是「驛站」的意思，就是古代傳遞軍事情報的路途中，官員食宿、換馬的場所，但在後來有了電報後，實體信件就不再是傳送資訊的唯一方式。

在電報網路中，資訊使用一個電流迴路傳送，主要利用迴路上的電流有無、長短來編碼 （就是莫爾斯電碼 ），即時將信息傳到遠方，但由於電流流經電線會因爲線上的電阻而產生壓降與損耗，導致單一迴路的電報系統無法接得太遠，因此 relay 就被發明來「放大」電報的電流訊號。

隨著距離增加，電流迴路中的訊號會因為線路上的衰減而越來越弱。若在它還推得動 relay 裡的線圈時，就在那裡設一個 relay，讓它可以切換這個 relay，就能在 relay 的輸出端利用電池重新產生更強力的訊號，繼續送往下一個 relay。

（圖片來源：Bird 提供）

就這麼一站接一站，一個 relay 接一個 relay，只要在 relay 附近有可以用的電源或電池，relay 就能重新放大原本已經衰減的電報訊號，將訊號送到很遠的地方，佈建出可以橫跨大陸的電報網路。

這種一站接一站傳送的特性很像以前騎馬送信的驛站，因此這樣的電磁開關就被稱之爲「relay」，而中文除了叫「繼電器」外，也有「電驛」的說法，其實講的都是同個東西。

雖然現在我們已經有無線電、數位網路甚至光線網路，資訊的傳播量和速度也早就比電報那個年代增長許多，但看到這個名字仍然會讓人想起那個用人工打電報，速度大概只有 2.5 bps 的年代。

電磁控制的開關

我們在【Maker電子學】磁性感應元件的原理與應用中談過磁簧開關，繼電器其實就是把一個電磁鐵和磁簧開關包在一起的零件，讓你可以用電的訊號來控制磁場，進而也控制磁簧開關的開或關，這樣的結構從 relay 的電路圖符號可以看得出來：

（圖片來源：Bird 提供）

Relay 的符號隨著它的結構、開關數、接點數不同而有許多變化，但基本原理是相同的。圖中接腳 1 和 2 稱爲線圈的接腳，主要用來控制 relay 裡面電磁鐵的線圈，而接腳 3、4、5 則是被控制的開關接腳，它們其實有名字：

• 3 – Common，常縮寫爲 COM
• 4 – Normal Open，常縮寫爲 NO
• 5 – Normal Closed，常縮寫爲 NC

Normal open 的意思是「常開」，也就是說當 relay 的電磁鐵沒有通電時，這隻腳不會接到 common 腳；相對的，Normal closed 的意思就是「常閉」，也就是說當 relay 的電磁鐵沒有通電時，這隻腳會跟 common 腳閉合、接在一起；而當 relay 的電磁鐵通電時，common 會跟 NC 分開，而與 NO 接在一起。

以上所說的 relay 開關結構稱為 SPDT，英文全名是 single pole double throw，很久以前中文有個很繞口的說法叫做「單刀雙擲」，不過現在這種說法已經很少見了，多半還是用英文的叫法，這邊的 pole 指的就是裡面有幾組開關，而 throw 就是裡面每個開關可以有幾個接點。

這裡畫出幾種常用的 relay 內部開關配置以及它們的名稱：

（圖片來源：Bird 提供）

最右邊的 4PDT relay 裡面有四組同步運作的開關，其實一般很少用到這麼大且複雜的 relay，這邊畫出來只是要讓讀者知道它確實可以有這樣的配置。

一般的搖頭開關或滑動開關，由於開關可以設計成停在好幾個不同的位置，因此開關 throw 的數量可以是 2、3、甚至更多，但 relay 的 throw 數量，一般來說不是 single throw 就是 double throw，這是因爲 relay 的電磁鐵只能控制開或關，因此它的開關最多就只能在兩個位置之間切換。

早期的機械式電信交換機裡有一種 10 throw 的 relay，它的接點會在十個位置之間循環切換，但那是非常特殊的用途與設計，一般的應用中很少會有 double throw 以上的 relay。

會彈跳的接點

Relay 的接點靠的是貨真價實的金屬接觸，因此它和一般的機械式開關一樣，都會有「彈跳」的問題。

所謂「彈跳」（bouncing），就是機械接點在接觸的那一瞬間，因爲機械力的緣故，會在接觸與未接觸的狀態間來回變化一小段極小的時間，而這個來回變化的時間、速度、和週期等，會因接點的材料、機械特性等因素而不同，但大多發生在數十到數百微秒左右的時間數量級。

我用一個 3V 驅動的小型繼電器來示範這個現象：

（圖片來源：Bird 提供）

我們用這樣的電路來測試這個繼電器：

（圖片來源：Bird 提供）

當我把圖中的開關閉合時，A 點的電壓會因爲繼電器 NO 接點的與 COM 接點的導通，而從 3V 變成 0 V，但是當我們用示波器來觀察這個電壓變化的過程時，它並不是一步就可到達的，如下圖所示：

A 點的電壓在從 3 V 變成 0 V 的過程中，會來回彈跳好幾次，而且有些彈跳的時間甚至只有數個 uS 左右（圖中水平一格是 100 uS）（圖片來源：Bird 提供）

如果你是拿這個繼電器來控制一顆燈，那麼這樣的彈跳現象可能不是什麼問題。但如果你用一個速度很快的 MCU，例如 60 MHz 的 ARM Cortex-M0，來偵測 A 點的電壓，可能就看得到這個快速彈跳的過程，進而引發一些不必要的問題，因此軟體上對這種機械接點的輸入偵測，還有所謂的「去彈跳」（de-bouncing）演算法（這個以後我們有機會再細談，這裡要強調的就是，relay 既然是機械接點，就會有一些機械接點的特性和問題）。

繼電器的小把戲

一個單獨的繼電器，不加任何額外的零件，可以做一個小把戲。我們照下面這樣的線路來連接一個 relay：

（圖片來源：Bird 提供）

這個電路的原理其實很簡單。當它一通上電時，電流流經 NC 和 COM 接點再流經線圈，驅使線圈動作，而線圈一動作，NC 和 COM 接點就分開，分開後電流就不再流向線圈，因此 NC 和 COM 接點又會再度閉合，如此週而復始，只要有電就永遠不會停止。

事實上這就是振盪電路的基本原理。不過這個振盪電路是個無法控制頻率的振盪電路，它的頻率完全取決於 relay 從線圈電流流過到接點閉合的速度，而這是 relay 本身的特性，頂多只能用驅動電壓稍微改變，沒什麼可以控制的空間。

小結

這次我們簡單談了繼電器的基本原理與規格，以及因爲機械接點而造成的彈跳效應。下次我們再繼續聊聊在電路中使用 relay 時，該如何正確、可靠地驅動它。

（責任編輯：賴佩萱）

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Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年，經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業，從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物，協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業，熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號，亦是不折不扣的熱血 maker。

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