【導(dǎo)讀】隨著自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械功能越來越依賴于電子控制。螺線管(Solenoid)為許多這類應(yīng)用提供了機(jī)電接口。另外，許多電子負(fù)載通常需要不斷地被導(dǎo)通和切斷。繼電器就是一種可以切換電子負(fù)載的螺線管。本文向初學(xué)者介紹了繼電器和螺線管的基礎(chǔ)，還有作者經(jīng)歷的幾個(gè)有趣故事。
螺線管基本上就是塊電磁鐵，它是通過對(duì)線圈接通電流而形成的。在物理學(xué)上我們學(xué)過“右手定律”，它決定了電流在線圈中流動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)的方向。通過以手掌裹繞柱狀線圈的形式彎曲手指，當(dāng)電流流出包裹的指尖時(shí)，磁場(chǎng)將流出伸出的拇指尖。
圖1：右手定律。
在線圈內(nèi)插入電樞，當(dāng)線圈通電時(shí)，磁力會(huì)將電樞往外推向拇指。力的大小取決于線圈繞組的匝數(shù)以及流經(jīng)線圈的電流量。這種力被用于驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，包括發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)、電動(dòng)門鎖，以及各種運(yùn)動(dòng)閥(比如在自動(dòng)販賣機(jī)中看到的那種運(yùn)動(dòng)閥)。你所聽到的“咔嗒”聲實(shí)際上是施加磁力時(shí)電樞撞擊閥門的聲音。
在螺線管動(dòng)作中實(shí)際上有兩個(gè)力：第一個(gè)是移動(dòng)電樞所需的力，第二個(gè)是將電樞保持在設(shè)定位置的力。由于大多數(shù)電磁鐵都有一個(gè)彈簧一直在將電樞回拉，所以電力必須足夠大以克服彈簧力，從而使電樞移動(dòng)或保持在設(shè)置位置。在這些力中，保持力小于用于啟動(dòng)電樞運(yùn)動(dòng)的初始啟動(dòng)力。
最近，我就經(jīng)歷了一次柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中引擎停止的事件，其原因就是由于電樞保持電流不足。用于控制燃油閥的螺線管失效，沒能保持燃油閥處于打開狀態(tài)。因沒能將閥門打開得足夠大，螺線管也禁止引擎啟動(dòng)。后一種故障實(shí)際上是由于螺線管和繼電器都失效的緣故。查看線束才了解到失效的原因。啟動(dòng)車輛時(shí)，螺線管啟動(dòng)以打開燃油閥，這需要更大的動(dòng)力來保持閥門打開，以維持發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。額外的啟動(dòng)動(dòng)力由繼電器接入。繼電器觸點(diǎn)跳火以及與連接器一起變得更具阻性，這兩種情況的組合還導(dǎo)致電壓下降，并且“虛搭（hokey）”的接地系統(tǒng)已經(jīng)將螺線管上的電壓降低到不能將燃油閥拉出足夠遠(yuǎn)以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的程度。結(jié)果是啟動(dòng)時(shí)燃料不足。帶藍(lán)色標(biāo)記的連接器照片（圖2頂部）顯示了連接器電磁線圈一側(cè)的三根導(dǎo)線：
紅色保持線
白色電樞啟動(dòng)線
黑色地線
圖2：頂部照片顯示帶藍(lán)色標(biāo)記的連接器，其螺線管側(cè)有三根導(dǎo)線。
但請(qǐng)注意，底部照片中線束側(cè)的綠色保持線要細(xì)得多。與12V時(shí)的啟動(dòng)電流相比，10.7V時(shí)的保持電流設(shè)計(jì)得較低。但是，每個(gè)電流路徑都有太大壓降，從而導(dǎo)致啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)問題。更換螺線管和繼電器可能會(huì)解決問題，減少線束中的電壓損耗可能也是解決之道。最后，地線穿過線束，這增加了額外壓降。最終解決辦法可能是采用更直接的連接路徑。
繼電器是移動(dòng)一組觸點(diǎn)以便切換電路開關(guān)的螺線管。在汽車控制中大量使用繼電器。隨著負(fù)載的增加，電流路徑保持在本地，而不是一直連接到儀表盤下的開關(guān)和控制信號(hào)。因此，繼電器可以利用低電平信號(hào)來為更高的電流負(fù)載供電。
與半導(dǎo)體開關(guān)和相關(guān)的支持組件相比，繼電器通常成本更低。繼電器也是隔離的，這意味著開關(guān)電路可以單獨(dú)的接地為參考，或者開關(guān)觸點(diǎn)可以執(zhí)行電壓的高壓側(cè)切換。對(duì)于汽車應(yīng)用，繼電器為刀片式端子提供一個(gè)通常帶有安裝位置的密封外殼。這就很容易做到即插即用，而半導(dǎo)體電子電路則要求隔離、保護(hù)和安裝電路板的措施，以及半導(dǎo)體封裝或電路板跡線的端接等。
圖3：包含觸點(diǎn)和線圈的繼電器內(nèi)部視圖（來源：Explainthatstuff.com）
除電壓隔離外，繼電器還可以切換大電流，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其它負(fù)載的大電流。因此，可能會(huì)出現(xiàn)開關(guān)電弧現(xiàn)象，特別是那些對(duì)于具有較大初始電流尖峰的容性負(fù)載。接觸不良是繼電器常見的問題，在極端情況下甚至出現(xiàn)觸點(diǎn)焊接在一起的情況。我安裝在自己卡車上的一組越野燈，有一次就發(fā)生了這種情況。我不得不駛下高速公路，斷開燈泡，以避免對(duì)面的司機(jī)花了眼或者烤焦我前面車輛司機(jī)的頭皮。
另一種形式的繼電器是干簧繼電器。干簧繼電器為軸向設(shè)計(jì)，其觸點(diǎn)也提供彈簧張力以創(chuàng)建一個(gè)開路。線圈通電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉觸點(diǎn)的磁場(chǎng)。干簧繼電器的電流比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電繼電器小，但開關(guān)速度更快。
圖4：干簧繼電器圖（圖片來源：NI白皮書）
繼電器的壽命與繼電器開合的周期數(shù)有關(guān)。觸點(diǎn)打開和閉合的次數(shù)越多，產(chǎn)生電弧的可能性就越大，這會(huì)降低繼電器的使用壽命。表1比較了繼電器開關(guān)速度、預(yù)期壽命和電流承載能力。
表1：繼電器類型和特性比較。（來源：《如何選擇正確的繼電器》，NI）
開關(guān)繼電器曾經(jīng)在汽車穩(wěn)壓器應(yīng)用中占有重要地位。繼電器觸點(diǎn)脈沖開啟和關(guān)閉以均衡來自交流發(fā)電機(jī)的電壓。因此，許多老式汽車的車主將其交流發(fā)電機(jī)替換為更可靠的固態(tài)版本。基于繼電器的電壓穩(wěn)壓器不僅不可靠，而且還需要費(fèi)力的調(diào)整流程。此外，許多穩(wěn)壓器外殼都是導(dǎo)電的金屬，必須使用橡膠密封圈將其與金屬安裝位置隔離。當(dāng)墊圈變干、破裂和老化時(shí)，穩(wěn)壓器會(huì)發(fā)生短路，帶來許多麻煩。
繼電器，作為負(fù)載切換的一種選擇，即便在現(xiàn)今的集成半導(dǎo)體時(shí)代也仍然有用武之地。對(duì)許多應(yīng)用來說，它們?nèi)匀皇强尚械倪x擇。隨著世界的電子化，螺線管將會(huì)出現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用中。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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