【實作實驗室】一文看懂什麼是繼電器!選擇不再有障礙

作者:實作派

Relay 繼電器的目的是以小電流控制大電流的 ON/OFF,利用微電腦 CPU 的 IO(Input/Output)來控制家電甚至動力馬達,常見應用像汽車的方向燈、建築物蓄水池的抽水馬達,也是利用浮球的低電壓訊號來驅動繼電器 ON/OFF,進而驅動抽水馬達。

繼電器 Relay 的構造

下圖就是個很典型的電磁式繼電器 Electromechanical Relay,它右方有個 24 VDC 的電磁鐵與控制電路相連接,啟動時電磁鐵會吸住左方的簧片,如此簧片就會導通,進而讓負載運作。

Relay 4PDT 繼電器(圖片來源:實作派提供)

Relay 規格敘述

繼電器的規格分為兩種,線圈規格與接點規格,前者指的是電磁鐵的規格,用來敘述電磁鐵需要多少電壓電流才能驅動;後者指的是接點規格,用來敘述這個 Relay 可以導通多大的電壓電流。

  • 線圈規格

可分為 DC 或 AC 驅動,控制線路必須考慮自身能提供的電壓與電流,這當中線圈的阻抗與電抗也要考慮。

繼電器 Relay 的規格範例(摘自 OMRON MY 系列的 datasheet)

線圈規格通常會標示在外殼的某一面,以這個例子來說它標示在外殼的上方 Top View,要注意的是接腳的順序是 Bottom View,所以從上往下看的話接腳是反序的。

繼電器的外殼會標示線圈規格與接腳(圖片來源:實作派提供)

  • 接點規格

接點可導通的電壓電流上限都敘述在這裡,AC 與 DC 的適用規格不同。接點組成是指有幾路會同時導通,例如 DPDT 是 2 路它就會寫 2c,4PDT 是 4 路它就會寫 4c;接點機構若為單點,表示它在每路的接點上,使用一個圓餅形的金屬作為接觸點,雙點則是指在每路接點上的末端會叉成兩路(bifurcation),各自有圓餅形的金屬作為接觸點,接觸效果會變好但 Relay 壽命會變短。

繼電器 Relay 的接點規格(摘自OMRON MY系列的 datasheet)

優缺點

電磁式繼電器的缺點是體積大,切換時會產生很大的噪音,方向燈閃爍時會聽到的滴答聲就是繼電器在 ON/OFF 之間切換的聲音,而且電流大的話還會產生火花;音響擴大機內的音源切換,也能聽到清脆的滴答聲。

音響擴大機內切換音源的 Relay 繼電器(圖片來源:實作派提供)

建築物的抽水馬達控制盤內的繼電器體積更大(如下圖),裡面有電磁接觸器 Magnetic Contactor(MC)與繼電器 Relay,切換時產生的噪音更驚人,火花的亮光透過 MC 的外殼縫隙就隱約能看到。

抽水馬達控制盤的 Relay(圖片來源:實作派提供)

電磁接觸器 MC 某種程度來說它就是個繼電器,它與一般 Relay 的差別是,它配備有消弧功能,專門用在 15 A 以上電流或3 KW 以上功率的裝置,例如馬達的控制,所以 Relay 與 MC 是不同檔次的東西;電磁式繼電器雖然有噪音與火花,它的好處就是接點阻抗很低、頻寬高,因此音響擴大機的後級會透過電磁式繼電器將聲音訊號接入,以確保音質。

時代在進步,有人利用半導體開發了固態電容 Solid State Relay(SSR),裡面是用光耦合的方式來達成隔離效果,而且由於是半導體製程,SSR 切換時速度超快,沒有火花,也沒有噪音,非常地安靜,但缺點就是會熱,因為講到底 SSR 畢竟不是整塊金屬,接點 Close 時的阻抗並不像金屬般低,所以會熱,Open 時的阻抗又不像空氣般的高,所以斷路時還是會有漏電流,至於要選哪一種比較好,端看你的應用。

Relay 電路

既然繼電器有電磁鐵線圈 coil 與開關 switch,所以電路的 Relay 符號就會有這兩樣東西,我畫在下圖。這是個方向燈的例子,左邊是閃爍控制訊號,它的電流比較小,而右方的鎢絲燈泡所需的電流比較大,因此無法直接接在控制電路上,需要用繼電器隔開。

Relay 繼電器燈泡控制應用(圖片來源:實作派提供)

一定有人會問如果是用省電的 LED 燈難道不能直接放在控制電路上嗎?理論上可以,但是我們設計電路時需要考慮到意外狀況,也就是使用者有可能將燈泡兩極短路。如果此時燈炮與控制電路接在一起,可能會將控制線路燒毀,而我希望在意外時刻被燒毀的是繼電器,維修成本較低,而且它通常會插在專屬的區域插座上,比較方便更換。

彈跳現象 Bounce

眼尖的你應該會發現上圖繼電器的線圈端並聯了一個反向的二極體,這是為了減少 ON/OFF 瞬間產生的彈跳震盪 Bounce,這種震盪會造成如下圖的 EMI 干擾,你一定不希望車子在關鍵時刻不聽使喚,只因為你打了方向燈,詳細的內容可以參考這篇

遭受電磁干擾的 I2C 訊號(圖片來源:實作派提供)

RELAY FORM A/B/C/D

如果你選購過繼電器,一定會發現 Relay 規格有所謂的 FORM A 或者 FORM C,這是什麼呢?我說明如下,這是繼電器型式的簡稱,畫圖如下。

繼電器的型式(圖片來源:實作派提供)

  • Form A

表示常開型 Normal Open 的單刀單擲(Single Pole Single Throw,SPST),若單一包裝內有兩組則標示為 2 Form A,也稱為 DPST,以下類推。

  • Form B

表示常閉型 Normal Close 的單刀單擲 SPST。

  • Form C

表示單刀雙擲(Single Pole Double Throw,SPDT),切換的過渡時期新舊端點都不會觸碰到,最終會停在新端點上,若有兩組則稱為 2 Form C 或是 DPDT(Double Pole Double Throw),以下類推。

  • Form D

表示單刀雙擲 SPDT,切換的過渡時期新舊端點都會觸碰到,最終會停在新端點上。

注意 Relay 極性

雖然說 Relay 裡面是電磁鐵驅動,理當沒有極性之分,但為了方便 User 使用,有些 Relay 會幫你安裝好 Flyback 二極體,有些還會安裝 LED 指示,這時你就需要注意極性了,若電源反接很可能燒掉自己的控制電路。

各種繼電器的變化選項(摘自 OMRON MY 系列的 datasheet)

(本文經同意轉載自實作派電子實驗室原文連結;責任編輯:賴佩萱)

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Author: StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。

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