功率繼電器 - 了解基礎知識

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

繼電器的主要功能是作為開關，控制電路中其他開關的運行。它們采用低功率輸入信號，對高功率電路進行控制。激活繼電器的低功率信號可觸發電磁鐵通電，從而啟動銜鐵移動。這種移動依次又會促使電氣觸點閉合，從而促使電力向受控電路的傳輸。

這種設計的最大優勢之一在于能夠將低功耗控制信號與高功率電路隔離開來。這種隔離不僅能保護操作人員免受潛在危險，還能保護設備免受潛在損壞。此外，這種布置還便于遠程控制設備或系統，實現遠距離操作。

機電繼電器的起源可追溯到 1835 年，盡管多年來其組件和多樣性有了很大的進步，但其基本功能卻一直沒有改變。歷史上最廣為人知的繼電器之一就是功率繼電器。雖然所有電氣繼電器本質上都能控制電源，但將所有繼電器都稱作“功率繼電器”并不適合。本文將詳細介紹[功率繼電器]，包括其優點、配置和主要選擇標準。

功率繼電器基礎知識

功率繼電器因其能夠管理高電平電流開關的專業能力而出名，電流覆蓋幾安培到更高的量級。由于功率繼電器結構更堅固，尺寸更大，因此其觸點能夠承受較大的電流，這是通常需要電流超過 10 安培的應用的理想選擇。

它們在各行各業的應用日益廣泛，具體包括汽車系統、電梯控制器、閥門執行器以及各種以高初始電流浪涌為特征的設備，如電機、電磁閥、電源和電子鎮流器。

與其他電氣元件一樣，繼電器在安全管理功率方面也有其固有限制。每個型號都有一個最大額定功率，確保與各種負載有效匹配，從燈泡等低功率實體到大型電機等重型機械。不過，超過規定的額定功率會對繼電器造成永久性損壞。

此外，觸點不對齊會引起觸點電弧，其特征是，當繼電器觸點打開但彼此靠近時，電流會通過觸點之間的氣隙放電。這種現象帶來的風險不僅僅是產生火花和熱量，還包括侵蝕觸點和產生不必要的電氣干擾，并可能會損害附近的設備。

圖 1：機電繼電器觸點起弧。（圖片來源：[CUI Devices]）

功率繼電器專為解決加熱器、電機、照明陣列和工業設備等大電流設備的電力負載而設計。功率繼電器的額定電流和電壓之所以更高，主要是因為它使用了與普通繼電器不同的開關觸點材料。之所以選擇這些材料，是因為它們能夠經受大功率應用的嚴格考驗，確保在要求苛刻的工業環境中可靠運行并經久耐用。

功率繼電器觸點材料

電流流經繼電器觸點時會遇到電阻，這一因素取決于觸點的尺寸和材料成分。電阻升高不僅會放大繼電器內部的功率耗散，還會增加發熱量。減少觸頭電阻的一種方法是仔細選擇接觸材料。

傳統繼電器的觸點通常由銀鎳制成，這種金屬因其在繼電器結構中的普遍應用而出名。銀鎳觸點在切換阻性負載時表現出色，此時電流和電壓同相。

相比之下，為更高負載而設計的繼電器（如功率繼電器）會選擇使用氧化銀鎘、氧化銀錫或金合金等材料制成的觸點。這些材料是處理感性負載的理想選擇，感性負載的特點是電流和電壓不同步，可能會產生巨大的電流或電壓尖峰。銀氧化鎘和銀氧化錫觸點都能減小電阻，降低高浪涌電流造成觸點焊接的風險。值得注意的是，銀氧化錫的采用避免了與鎘基合金相關的環境問題，從而符合某些國家堅持的監管標準。

功率繼電器與信號繼電器的比較

功率繼電器和[信號繼電器]是繼電器領域中兩種常見的變體。雖然功率繼電器優先處理較高的電壓和電流，但它們的壽命周期通常較短。相反，信號繼電器的設計壽命周期較長，但工作電壓較低，電流最小。

功率繼電器中使用的觸點材料雖然擅長管理高功率情況，但并不非常適合低功率開關。這是因為在較低的電壓下，觸點之間的物理連接至關重要，這是由觸點壓力和清潔度等因素決定的，而不是由觸點材料決定的。

此外，在電力應用中使用信號繼電器存在固有風險，可能會因過壓或過流而導致災難性故障。即使這樣的繼電器能夠幸存下來，也會缺少防電弧和觸點自潔等關鍵功能，從而影響長期可靠性。

因此在決定使用功率繼電器還是信號繼電器，要遵守一項重要的基本準則：始終將切換的功率級別與繼電器的額定功率相匹配。這樣就可以確保最佳性能，降低故障風險，維持繼電器和相關系統的完整性。有關信號繼電器的更多信息，請參閱 CUI Devices 另一篇題為《[信號繼電器 - 了解基礎知識]》的文章。

功率繼電器類型

功率繼電器和普通繼電器一樣，主要有兩種類型：機電式和固態式。

機電式功率繼電器依靠線圈、磁場、彈簧、活動銜鐵和觸點的組合來調節設備的功率輸出。

另一方面，固態繼電器不使用移動部件。相反，它們利用硅控整流器 (SCR)、TRIAC（交流三極管）或開關晶體管等半導體器件來切換交流和直流電流。與機電繼電器相比，固態繼電器具有開關速度更快、可靠性更強等優點。然而，隨著功率需求的增加，其成本效益也隨之降低，原因是堅固型功率半導體的相關成本較高，且還需要加入額外的[熱管理元件]。

圖 2：固態繼電器與散熱器組合示例。（圖片來源：CUI Devices）

常見配置和額定值

功率繼電器與非功率繼電器一樣，也是根據觸點配置進行分類的，觸點配置表示繼電器可同時控制的設備數量。常見的分類包括：

• SPST（單刀單擲）
• DPDT（雙刀雙擲）
• 3PDT（三刀雙擲）
• SP3T（單刀三擲）

繼電器觸點分為常開 (NO) 或常閉 (NC)，取決于其在繼電器無電源時的狀態。

繼電器額定值表示繼電器可安全有效地切換的最大功率。這些額定值通常以交流和直流電流的安培數表示。繼電器的額定值必須超過被切換設備的額定值，同時要考慮安全系數。

與非功率繼電器類似，功率繼電器也可以用“Form”一詞來描述。"1 Form A" 或 "2 Form C" 等短語可以讓人了解繼電器的特性。"Form" 前面的數字表示繼電器中可用的觸點數量。"Form A" 表示常開繼電器，"Form B" 表示常閉繼電器。"Form C" 和 "Form D" 適用于 SPDT 繼電器，表示哪個位置視為常閉，以及分別表示繼電器是先開后合還是先合后開。雖然還有許多其他形式，但這四種是最常用的。

• Form A - 常開
• Form B - 常閉
• Form C - 先開后合 SPDT 開關
• Form D - 先合后開 SPDT 開關

其他考慮因素

在選擇器件時需要考慮的其他因素包括：

• 輸入電力浪涌： 某些設備在啟動時可能會產生明顯的電力浪涌。在指定繼電器之前，必須找出這些浪涌，以防損壞設備。
• 線圈抑制： 繼電器循環會產生高壓瞬態。線圈抑制包括在電路中使用額外的元件來保護設備免受這些瞬態干擾。不過，這可能會縮短繼電器的使用壽命。確定是否有必要針對特定應用使用特定線圈抑制策略。
• 閉鎖： 閉鎖繼電器在斷開啟動電源后仍能保持上次的觸點位置。某些應用可能需要此功能。
• 噪聲： 繼電器會產生電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 噪聲，在大功率設備中更為明顯。事先要確定設備或系統對這種噪音的敏感度。
• 觸點顫動： 繼電器工作時，其觸點可能會經歷短暫的打開/關閉周期，即觸點顫動，從而產生電脈沖。根據應用的靈敏度，這種反彈可能會造成不良影響，因此在指定繼電器之前，必須確定觸點顫動是否會影響應用。

圖 3：觸點顫動和快速變化的電壓示例。（圖片來源：CUI Devices）

結語

繼電器是值得信賴、高效、可靠的設備，可為系統和設備提供安全的電氣控制，同時保持操作員與工作電流的安全隔離。無論是機電式還是固態式功率繼電器，都經過了專門的設計，具有增強的功能，可管理更高的電壓和電流。

在設計人員評估其產品的電源開關需求時，CUI Devices 可提供各種功率繼電器和信號繼電器。無論是處理低電平還是高電平電流開關，CUI Devices 都能提供合適的[繼電器解決方案]olutions)，有效滿足各種需求。

審核編輯 黃宇