【Maker電子學】淺談繼電器的原理與應用

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)

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。
Bird

Author: 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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