1.7.1 机电继电器-1

继电器可用于开关和保护应用。继电器用于切换电路，使其电流可以从当前电路转移到另一个电路。这种切换操作可以手动或自动完成。手动切换继电器的操作通过按钮和其他传统开关完成。在大多数情况下，控制电路的输出用于驱动继电器以实现自动操作。

通用继电器用于确保电力系统的平稳运行，它们会在电压或电流等参数超出限制时隔离特定电路或发出警报。因此，继电器的主要功能是在开关和保护应用中接通或断开电路。继电器有多种类型，广泛应用于各种场景。本文将简要介绍电磁继电器及其不同类型。

电磁继电器

继电器是一种具有电气、磁性和机械部件的电磁机械装置。继电器通过打开或闭合电路的触点来控制电路。电磁继电器包含三个端子，分别是公共端（COM）、常闭端（NC）和常开端（NO）触点。在继电器工作时，这些触点可以打开或闭合。电磁继电器可以用于交流（AC）和直流（DC）电源。

电磁继电器的结构因交流和直流而有所不同，但它们都基于电磁感应原理工作。对于交流继电器，每次电流过零时，继电器线圈都会去磁化，因此可能会出现电路持续断开的情况。因此，交流继电器采用特殊机制以保持持续的磁性，从而避免上述问题。这些机制包括电子电路或遮蔽线圈机制。

大多数电磁继电器分为吸引型和感应型。

吸引型电磁继电器在交流和直流中都能工作，其中衔铁被吸引到电磁铁上，或者通过柱塞被吸入螺线管。所有这些继电器都基于电磁吸引原理工作。衔铁或柱塞上的电磁力与电流的平方或气隙中磁通量的平方成正比。这些继电器又分为多种类型，如铰链衔铁型、柱塞型、平衡梁型、动圈型和簧片型继电器。

感应型继电器基于电磁感应原理工作。这种继电器仅用于交流电源。在这些继电器中，通过两个交变磁通在磁性元件上的相互作用，由可动触点（可以是圆盘或杯子）产生驱动作用。感应型继电器分为遮蔽极型、感应杯型和电能表继电器。

继电器操作

下图说明了继电器的操作。为了便于理解，我们以吸引型电磁继电器为例。在任何类型的电磁继电器中，主要部件是线圈、衔铁和触点。将导线缠绕在磁芯上形成电磁铁。当给线圈供电时，它被激活并产生与流经它的电流成正比的电磁场。衔铁是一个可动部件，其主要功能是打开或闭合触点。它连接到一个弹簧上，以便在正常工作条件下，衔铁能够回到其原始位置。触点是连接负载和电源电路的导电部件。

在通电条件下 如果线圈由电源供电，继电器线圈被激活并产生与流经它的电流成正比的磁通量。这个磁场会使衔铁被吸引到电磁铁上，从而使动触点和静触点相互靠近，如图所示。对于NO、NC和COM端子（图中未显示），当继电器被激活时，NO和COM端子相互接触，而NC端子保持悬空。

在断电条件下 当继电器线圈未供电时，没有磁通量产生，因此衔铁处于静止位置。因此，两个触点保持不接触，并且它们之间存在一个小气隙。换句话说，当线圈断电时，NC和COM触点相互接触。

继电器触点类型

继电器有多种风格、配置、尺寸和技术。根据应用需求，选择合适的继电器。基本上，继电器有三个触点，这些触点是连接两个电路所必需的，但根据这些触点的配置或触点的切换动作，继电器被分为不同类型。在了解这些触点的分类之前，我们需要了解继电器开关的极数和掷数。

极数和掷数 每个继电器或开关至少必须有两个触点或端子。这些是信号输入（或输入）和信号输出（或输出）端子。在开关或继电器术语中，输入端子对应于极数，输出端子由继电器或开关的掷数表示。继电器的极数表示它可以控制多少个独立电路，而掷数定义了每个极可以连接到输入的输出数量。

根据极数和掷数，继电器分为以下几种类型：

• 单极单掷（SPST）
• 单极双掷（SPDT）
• 双极单掷（DPST）
• 双极双掷（DPDT）

下图展示了基于其切换触点的不同类型的继电器。单极单掷继电器可以控制一个电路，并且只能连接到一个输出。它用于只需要开或关状态的应用。单极双掷继电器将一个输入电路连接到两个输出中的一个。这种继电器也被称为转换继电器。尽管SPDT有两个输出位置，但根据配置和应用需求，它可能包含超过两个掷数。

双极单掷继电器有两个极和一个掷，它可以同时连接一个电路的两个端子。例如，这种继电器用于同时连接相线和零线到负载。双极双掷（DPDT）继电器有两个极和每个极有两个掷。在电机方向控制中，它们用于相位或极性反转。对于所有这些继电器，当线圈被激活时，触点之间的切换动作如下面的图所示。

常开和常闭触点

常开继电器表示在线圈去磁条件下开关处于打开状态。每当线圈被激活时，电路闭合，如图a所示，其中使用了一个简单的SPST继电器来执行切换操作。相反，常闭（NC）继电器默认连接到电路，即使在线圈去磁化或未供电条件下也是如此。

每当线圈被激活时，这些触点打开，从而打开活动电路，如图b所示。继电器可以配置为SPDT配置，通过在继电器本身中包含NC和NO触点，如图c所示。根据应用需求，我们可以连接这些NC和NO端子，以便它们可以从接通切换到断开，或从断开切换到接通，或在两个电路之间切换。

根据上述继电器触点概念，我们可以获得具有NO和NC触点的继电器，用于各种切换操作，如下图所示。

继电器类型

根据功能、结构、应用等，继电器可以分为不同类型。

驱动继电器

如前所述，继电器允许通过低功率电路切换高功率电路。因此，要使继电器工作，我们需要通过线圈通电来激活它。因此，需要一个驱动电路，这实际上就是继电器的控制电路。继电器驱动电路操作或驱动继电器，以便在给定电路中适当地执行切换功能。主要有两种类型的驱动电路用于驱动继电器，分别是交流继电器驱动电路和直流继电器驱动电路。

1. 直流继电器驱动电路

有多种方法可以使用不同类型的控制设备来操作直流继电器，范围从简单的晶体管设备到高端集成型设备。

a. NPN 或 PNP 驱动器 使用NPN或PNP晶体管控制继电器线圈中的电流，可以形成简单的继电器驱动器。需要一个低功率控制电路来提供基极电流，以便打开或关闭晶体管。下图展示了由NPN晶体管驱动的继电器，其中继电器线圈连接在直流电源端子和NPN晶体管的集电极端子之间。电阻 $R_1$ 限制流向晶体管基极的电流，二极管 $D_1$ 保护晶体管免受因晶体管关闭时继电器线圈产生的反向电动势而造成的损坏。

每当基极端子被提供适当的电流时，NPN晶体管被驱动到饱和模式，从而完成从电源到地的通路。流经继电器线圈的电流产生磁场，该磁场负责操作继电器触点。这个磁场吸引继电器触点，从而操作继电器。当没有基极电流时，晶体管处于截止模式，因此继电器线圈处于断电状态。

与NPN驱动器类似，我们可以使用PNP驱动器来操作继电器，如下图所示。在这种情况下，继电器线圈连接在发射极和地之间。在这种驱动电路中，操作与NPN继电器驱动器相反。

b. 555 定时器集成电路驱动器 上述讨论的驱动电路成本非常低，并且通常更灵活地用于驱动继电器。然而，在某些情况下，这些电路所需的基极电流有点低，特别是当控制电路基于CMOS逻辑时。在这种情况下，可以使用555定时器集成电路来操作继电器。该集成电路非常适合用于驱动继电器，其中2和6端子短接并连接到输入端。3号端子是连接到继电器线圈的输出引脚，如下图所示。

当2号和6号端子的输入电压超过电源电压的$\frac{2}{3}$时，3号引脚的输出将变为低电平；而当该电压低于电源电压的$\frac{1}{3}$时，3号引脚的输出将变为高电平。在定时器的这些切换过程中，可以令人满意地操作继电器（小型继电器）以控制功率电路。继电器线圈两端的二极管用于保护定时器免受线圈产生的反向电动势的损害。

c. 驱动集成电路 作为上述讨论的基于晶体管和定时器的驱动电路的替代方案，继电器驱动集成电路可以驱动多个设备。这些驱动集成电路有多种类型，例如双极型晶体管驱动型集成电路、达林顿对驱动型集成电路、MOSFET桥式集成电路等，并且具有各种通道配置，如8通道、16通道等。这些集成电路允许连接多个继电器线圈以实现开关应用。一些在控制电子设备中常用的继电器驱动集成电路包括UL2803、ULN2003、TLC5940等。

2. 交流继电器驱动电路

下图展示了交流电路中继电器的操作。在此电路中，继电器用于通过继电器控制加热器。为了控制主继电器（继电器2），使用了一个辅助继电器（继电器1），该辅助继电器由直流控制电路控制。当辅助继电器线圈通过晶体管驱动电路被激活时，主继电器的通路通过继电器1的触点完成。因此，继电器2的线圈被激活，从而操作加热器。同样地，要关闭加热器，必须使继电器1的线圈断电。

继电器测试

大多数电磁继电器需要定期检查其功能以确保可靠运行。由于继电器的活动部件会因异常情况而发生变化，因此需要定期进行测试。保护继电器用于中高压电力系统。随着长期使用，继电器的连接会因碳颗粒而恶化。因此，为了确保继电器的可靠运行，在投入使用前以及定期检查时，必须对其进行测试。这些测试包括：

• 验收测试：由制造商在制造过程中的多个阶段进行，以检查该单元是否符合销售要求。
• 调试测试：这些测试确定继电器在特定保护方案中的功能。这些测试用于检查继电器中组件组装的准确性、额定值、校准以及与整个系统的符合性。
• 定期维护测试：这些测试用于识别继电器的服务退化和设备故障。

这些是在高、中功率开关或保护系统应用中使用的继电器上进行的测试。然而，对于低功率应用，尤其是用于电子控制系统中的继电器，使用万用表就足以进行继电器测试。测试继电器的步骤如下：

1. 将万用表选择器置于通断模式。
2. 将万用表探针放置在公共端和常闭端之间，检查是否导通。
3. 将万用表探针放置在公共端和常开端之间，检查公共端与常开端之间是否断开。
4. 现在，将额定电压施加到继电器线圈上以激活继电器，然后观察继电器发出的点击声。
5. 再次检查公共端和常开端之间的导通性。
6. 检查公共端和常闭端之间的断开性。
7. 最后，切断电源。将万用表选择器置于电阻模式，并测量继电器线圈的电阻。将测量的电阻值与制造商声明的值进行比较。
8. 如果上述所有条件都满足，则可以认为继电器工作正常，否则它是有缺陷的。

继电器应用

继电器用于保护电力系统，并将因过电流/电压而对系统中连接的设备造成的损坏降至最低。继电器用于保护与其连接的设备。它们用于在音频放大器和某些类型的调制解调器等应用中通过低电压信号控制高电压电路。它们还用于在汽车的启动电磁阀等应用中通过低电流信号控制高电流电路。它们可以检测并隔离在电力传输和分配系统中发生的故障。继电器的典型应用领域包括：

• 照明控制系统
• 电信
• 工业过程控制器
• 交通控制
• 电机驱动控制
• 电力系统的保护系统
• 计算机接口
• 汽车
• 家用电器