電磁繼電器

電磁繼電器（electromagnetic relay）是一種電子控制器件，它具有控制系統（輸入迴路）和被控制系統（輸出迴路），通常應用於自動控制電路中，它是用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高的電壓的一種開關控制方式，在電路中起着自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

電磁繼電器的原理圖符號有很多，各種EDA設計軟件自帶的符號也不一樣，《電子製作站》標準原理圖符號如下圖所示：

電磁繼電器主要由觸點簧片、銜鐵、線圈、鐵芯等部件組成，其基本結構如下圖所示：

通常，我們把繼電器線圈未通電時處於斷開狀態的靜觸點，稱爲“常開觸點”，處於接通狀態的靜觸點稱爲“常閉觸點”，以上兩者共用的動觸點稱爲“公共觸點”。

當線圈兩端沒有施加電壓時，線圈沒有產生磁力，彈簧的拉力使公共觸點與常閉觸點接觸，此時被控電源與用電器沒有連通，用電器負載不工作，如下圖所示：

當線圈兩端施加一定的電壓時，線圈電流使鐵芯產生磁力將銜鐵吸下來，從而使公共觸點與常開觸點接觸，從而使被控電源與用電設備連通，用電器負載開始工作，如下圖所示：

這樣的開關控制方式可以獲得兩個好處，其一是控制電路與被控電路是相互絕緣隔離的，因此，被控電路即使有高壓大電流也不會影響控制系統，正如同光電耦合器隔離前後級電路的效果一致，如下圖所示：

其次，控制線圈的信號可以是弱信號（如5V），而被控制電源可以是強信號（如220VAC@10A），這就是我們常說的“四兩拔千斤”的道理。

電磁繼電器在實際應用中，通常都會使用三極管或MOS管代替開關，以達到用電器負載的自動化控制（如通過單片機），其最基本的應用電路如下圖所示：

當輸入電壓VI爲高電平“H”時，三極管飽和導通相當於閉合的開關，繼電器開始動作，其等效電路如下圖所示：

當輸入電壓爲低電平“L”時，三極管截止相當於斷開的開關，線圈中沒有電流而導致繼電器回覆初始狀態，如下圖所示：

那爲什麼要在繼電器線圈上並聯一個二極管呢？我們可以看看沒有並聯二極管時電路會出現什麼情況，我們使用下圖所示的電路參數仿真一下：

其中，L1相當於電磁繼電器中的線圈，當開關進行閉合與斷開動作時，其波形如下圖所示：

當開關閉合時，電壓波形還是正常的，但是當開關斷開的一瞬間，電感將產生很高的電壓，遠遠超過了電源電壓值（上圖中的峯值未完全顯示），普通的電磁繼電器使用3904或8050之類的通用三極管就完全可以驅動了，其集電極-發射極最高耐壓值也就幾十伏，如下圖所示（來自DIODES三極管MMBT3094數據手冊）：

當控制開關斷開的瞬間，由於電感中的電流不能突變，將會產生上負下正極性的反向電動勢，如下圖所示：

這個反向電動勢的峯值就非常高，三極管的集電極將承受電源電壓VCC與電感反向電動勢串聯的高壓VL（相當於升壓電路），此時電路如下圖所示：

這時三極管Q1集電極的承受的電壓爲VCC+VL，很有可能超過三極管的集電極-發射極極限電壓VCEO而擊穿三極管，因此，我們可以在線圈兩端並聯一個二極管再仿真一下，如下圖所示：

其電壓波形如下圖所示：

開關管斷開瞬間的反向電動勢有了一些改善，但反向電動勢還是非常高，蝦米情況？其實二極管並聯是沒有錯的，只不過型號不是很適合。普通二極管的單向導電特性取決於P型半導體與N型半導體接觸形成的PN結，由於結電容的存在，反應時間並不太短，開關斷開的瞬間，二極管還來不及導通，相當於沒有接二極管一樣。
肖特基二極管（也稱肖特基勢壘二極管，Schottky Barrier Diode，SBD）的單向導電性是由金屬與半導體接觸形成的，它的特點是開關速度快，我們用肖特基二極管替換後再重新仿真一下，如下圖所示：

其波形如下圖所示：

其實瞬間還是有一點點的反向電壓，但已經控制在可以接受的範圍內了。從電磁繼電器的控制原理可以看出，繼電器線圈電壓是沒有正負之分的，因爲無論是正向反向電流，產生的都是對鐵的吸力（這裏沒有同極相斥異極相吸的說法，那是對兩塊磁鐵而言的），當然，有些繼電器可能內部加了些功能部件，比如續流二極管、指示燈之類的，這時候應該嚴格參考規格書進行電壓極性的施加，否則將燒燬輔助元件，如下圖所示：

繼電器的觸點相當於一個開關，因此不得不提及觸點結構，我們常常說常閉、常開就是開關的類型，再結合開關的數量，可以衍生出很多繼電器觸點結構。我們來看看數據手冊中是怎麼表達觸點結構的，如下圖所示：（來自Panasonic繼電器AGN2004H數據手冊）

其中，Arrangement即表示觸點的結構，這裏“2 Form C”表示該繼電器內部包含有兩個“C類開關”（它們由一個線圈來控制）。
繼電器的觸點結構通常有3種，即
◆ 常開觸點（normally open）：Form A或NO（中國代號：H）
◆ 常閉觸點（normally closed）：Form B或NC（中國代號：D）
◆ 轉換型觸點（changeover）：Form C或CO（中國代號：Z）
相應的符號如下圖所示：

實際的繼電器可能有多種組合方式，比如1a、1b、1c、1a1b等等，有些規格書直接也是這樣來表示的，其含義與上面是完全一樣的，如下圖所示：（下圖來自歐姆龍繼電器G5V-1數據手冊）

電磁繼電器的觸點是一個非常關鍵部位，也是很多工程師容易忽略的地方，在很多場合也需要添加相應的保護電路，我們下一節再詳細談談觸點的應用。