【導(dǎo)讀】本文介紹了機(jī)電繼電器(EMR)在信號切換中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其出色的導(dǎo)通和關(guān)斷性能、輸入/輸出隔離功能以及多極配置帶來的靈活性和多功能性。文章以 Omron Electronic Components 的產(chǎn)品為例，介紹了如何選擇和應(yīng)用 EMR，包括繼電器類型、區(qū)別、配置、射頻性能、功耗以及可靠性等方面的考慮。
文章概述
本文介紹了機(jī)電繼電器(EMR)在信號切換中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其出色的導(dǎo)通和關(guān)斷性能、輸入/輸出隔離功能以及多極配置帶來的靈活性和多功能性。文章以 Omron Electronic Components 的產(chǎn)品為例，介紹了如何選擇和應(yīng)用 EMR，包括繼電器類型、區(qū)別、配置、射頻性能、功耗以及可靠性等方面的考慮。
電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動測試設(shè)備 (ATE) 和安全設(shè)備等應(yīng)用越來越需要可靠地切換和路由單個或多個中低電平直流、交流（模擬）和射頻 (RF) 信號。機(jī)電繼電器 (EMR) 非常適合處理這項(xiàng)任務(wù)。
EMR 提供出色的導(dǎo)通和關(guān)斷性能以及輸入/輸出隔離功能，并具有多極配置，為設(shè)計(jì)人員提供靈活性和多功能性。此外，單個繼電器可在同一設(shè)備中支持不同的信號類型（交流、直流、低頻、射頻），從而提升其價(jià)值。
雖然 EMR 具有活動部件和物理觸點(diǎn)，但由于其應(yīng)用歷史悠久，各項(xiàng)特性已一應(yīng)俱全。因此，它們是可靠的“問題解決方案”，可以穩(wěn)定使用多年。雖然 EMR 本身堅(jiān)固耐用，但設(shè)計(jì)人員必須選擇合適的繼電器（線圈和觸點(diǎn)額定值）并正確使用，這樣才能確保使用壽命達(dá)到最長。
繼電器類型和區(qū)別
EMR 是指一種具有許多應(yīng)用特定子類型的元器件。例如，功率繼電器的觸點(diǎn)額定電流為 2 A 或更高，而信號繼電器的設(shè)計(jì)觸點(diǎn)電流低于該值。
信號繼電器可分為兩類：非射頻信號和射頻信號。雖然所有繼電器都有基本導(dǎo)通參數(shù)以及電流和電壓處理最大值，但射頻繼電器還有其他性能指標(biāo)。具體包括：
隔離度：即使觸點(diǎn)是分開的，高頻信號也會通過觸點(diǎn)間的雜散電容泄漏。隔離度的測量單位是分貝(dB)。
插入損耗：在高頻率下，自感、電阻、介質(zhì)損耗以及因阻抗不匹配而引起的反射都會產(chǎn)生信號干擾。插入損耗的測量單位也是 dB。
電壓駐波比 (VSWR)：由輸入信號波和任何反射信號之間的相長/相消干擾產(chǎn)生。該測量值是一個無單位數(shù)值，表示最大波形值與最小波形值之間的比值。
簡化物料清單
繼電器配置由其觸點(diǎn)數(shù)或極數(shù) (P) 以及常開（指無電源）/常閉觸點(diǎn)狀態(tài)定義（圖 1）。這些觸點(diǎn)可以是常開 (NO) 或者常閉 (NC) 觸點(diǎn)。最常見的是單極 (SP) 和雙極 (DP) 配置，但也有具有更多觸點(diǎn)極數(shù)的裝置。擲 (T) 是指致動器的極限位置。
圖 1：所示為幾種 EMR 的觸點(diǎn)排列和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)名稱；Form 2C 繼電器中的虛線表示兩個電樞都具有非導(dǎo)通鏈路，當(dāng)繼電器線圈接收到電流時，兩個觸點(diǎn)同時移動。（圖片來源：Sealevel Systems, Inc.）
EMR 能夠支持多極和 NO/NC 擲，因而能夠簡化電路、節(jié)省電路板空間、削減物料清單 (BOM) 并降低成本。原因在于，一個繼電器就可以將多條電路切換為全開、全閉或兩者的組合，具體取決于極和擲的配置。同一繼電器還可以切換交流和直流信號，在多條電路上同時工作。在某些情況下，可以使用額外有一對極點(diǎn)的 EMR 為輔助電路供電，比如給 LED 電路供電，以向用戶指示繼電器已通電并已產(chǎn)生所需的觸點(diǎn)狀態(tài)。此外，一些經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員會在只需要單刀雙擲 (SPDT) 裝置時采用雙刀雙擲 (DPDT) 繼電器（SPDT 和 DPDT 繼電器在許多情況下具有相同的占用空間），從而為其提供一個“以防萬一”的觸點(diǎn)對，用以解決在設(shè)計(jì)周期后期發(fā)現(xiàn)的問題或疏忽。Omron 的 G6J-2P-Y DC12（圖 2）是一款超薄型 DPDT (Form 2C) 繼電器，采用 977 Ω 線圈，設(shè)計(jì)驅(qū)動電壓和電流分別為 12 V 和 12.3 mA。請注意，該系列的其他產(chǎn)品可提供不同的線圈電壓/電流配對，最高可達(dá) 24 VDC，幾乎可與任何驅(qū)動電路或情況兼容。
圖 2：G6J-2P-Y DC12 是一款超薄型 DPDT 繼電器，采用 12 V 12.3 mA 線圈；屬于尺寸和觸點(diǎn)額定值相同但線圈電壓/電流組合不同的繼電器系列產(chǎn)品。（圖片來源：Omron）
這款小型繼電器的尺寸僅為 5.7 × 10.6 × 9 mm，因此適合用于高密度印刷電路 (pc) 板。G6J-2P-Y DC12 具有通孔端子，但相同款型也提供短表面貼裝端子和長表面貼裝端子，因而能夠?qū)崿F(xiàn)最大的靈活性。這款繼電器及該系列中的所有其他繼電器的觸點(diǎn)額定電流均為 125 VAC 下 0.3 A 以及 30 VDC 下 1 A。
繼電器和射頻
繼電器的用途并不局限于提供簡單的“干”觸點(diǎn)閉合或處理直流電壓/電流和低頻交流信號。有些型號專門為 ATE 等超高頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。Omron 的 G6K-2F-RF-V DC4.5 是一款微型表面貼裝 DPDT 繼電器，支持差分傳輸信號切換。這款 11.7 × 7.9 × 7.1 mm 繼電器在 8 GHz 頻率下的插入損耗為 3 dB 或更低。該繼電器還在更高的頻率下使用，如其眼圖所示，可用于上升時間為 25 ps 的 200 mV 差分信號（圖 3）。
圖 3：G6K-2F-RF-V DC 微型表面貼裝 DPDT 繼電器采用差分傳輸信號切換，其指定頻率可達(dá) 8 GHz 及以上，如這些具有 8.1、10 和 12.5 Gbit/s 信號的眼圖所示。（圖片來源：Omron）
這種千兆赫范圍的性能部分歸功于本身就會為差分信號提供支持的電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)。這有助于確保達(dá)到由射頻隔離（與電氣隔離無關(guān)）、插入損耗和 VSWR 定義的理想性能（圖 4）。
圖 4：G6K-2F-RF-V 千兆赫繼電器采用固有的差分設(shè)計(jì)，可緩解電路板物理布局問題，并最大限度減少布局對射頻性能的不利影響。（圖片來源：Omron）
這款繼電器采用先進(jìn)的內(nèi)部布局，不僅能夠簡化 PC 板布局，而且無需在電路板上進(jìn)行復(fù)雜的多層信號路徑布線，因此射頻性能不會降低。采用樹脂外殼，而不是金屬外殼，從而能夠避免在檢查繼電器安裝情況時，探頭引腳通過金屬外殼短路并損壞電路板和部件的問題。
繼電器和功耗
在幾乎所有電路和系統(tǒng)中，功耗都是非常重要的參數(shù)。功耗決定了電源大小，影響電池供電設(shè)計(jì)的運(yùn)行時間，以及相關(guān)熱量對熱性能的影響。這對傳統(tǒng)的非閉鎖型繼電器有影響。對于這種繼電器，線圈必須在繼電器需要通電的整個過程中保持通電狀態(tài)。基本開/關(guān)設(shè)計(jì)（正式名稱為單側(cè)穩(wěn)定設(shè)計(jì)）的替代架構(gòu)解決了這一問題。閉鎖型繼電器（也稱保持型繼電器）設(shè)計(jì)為一旦通電，即使線圈斷電也能保持在原位置。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。G6JU-2P-Y DC3 以及該系列中的其他產(chǎn)品采用單繞組閉鎖技術(shù)，即“置位”輸入脈沖可通過鄰近的永磁體保持工作狀態(tài)。“復(fù)位”輸入脈沖（極性與置位輸入相反的輸入）可使繼電器進(jìn)入非閉鎖狀態(tài)。
繼電器和可靠性
繼電器有活動部件和物理電氣觸點(diǎn)，因此正常情況下，可以認(rèn)為在一定次數(shù)的開/關(guān)循環(huán)后，繼電器就會變得不可靠。但是，事實(shí)并非如此。首先，眾所周知，在傳輸不同電平的交流和直流信號時，觸點(diǎn)開合的影響是不同的，在繼電器的數(shù)據(jù)表中也有詳細(xì)標(biāo)注。如果遵守規(guī)定的條件，就不會出現(xiàn)觸點(diǎn)過早磨損的問題。同樣重要的是，數(shù)十年的使用、無數(shù)現(xiàn)場裝置的經(jīng)驗(yàn)、冶金研究與發(fā)展、建模與分析、受控壽命測試、生產(chǎn)與制造改進(jìn)以及其他技術(shù)因素，已將線圈和觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制造轉(zhuǎn)變?yōu)楸娝苤某墒炀芄に嚕⑶夷軌蛏a(chǎn)出相應(yīng)的元器件。繼電器的耐用性與觸點(diǎn)和線圈的耐用性有關(guān)。線圈的耐用性以 40,000 小時的標(biāo)準(zhǔn)值為起點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)額定電壓持續(xù)作用于線圈時會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致絕緣性能下降。如果繼電器的使用是間歇性的，線圈的耐用性就會長很多。耐用性還可以通過數(shù)據(jù)表中經(jīng)常標(biāo)注的兩個因素來評估：
機(jī)械耐用性是指考慮機(jī)械故障和特性后，在無負(fù)載情況下繼電器能夠打開和閉合觸點(diǎn)的次數(shù)。
電氣耐用性是指在額定負(fù)載（如 125 VAC，0.3 A / 30 VDC，1 A）下繼電器能夠打開和閉合觸點(diǎn)的次數(shù)。
繼電器觸點(diǎn)提供不同的配置：單觸點(diǎn)、雙觸點(diǎn)和橫桿雙觸點(diǎn)（圖 5），其長期可靠性從左到右越來越高。橫桿雙觸點(diǎn)設(shè)計(jì)可提供異常穩(wěn)定的接觸電阻，最大限度減少接觸故障。G6J-2P-Y 系列產(chǎn)品采用分叉橫桿（類似于橫桿雙觸點(diǎn)），其銀觸點(diǎn)鍍有黃金合金。
圖 5：繼電器觸點(diǎn)已從基礎(chǔ)的單觸點(diǎn)改進(jìn)并發(fā)展成壽命更長的橫桿雙觸點(diǎn)，可提供一致的性能和穩(wěn)定的接觸電阻。（圖片來源：Omron）
這些繼電器的可靠性眾所周知，因此對于不能接受停機(jī)時間或服務(wù)中斷，或繼電器性能是任務(wù)關(guān)鍵因素的任何應(yīng)用來說，都是不錯的選擇。
結(jié)語
EMR 是當(dāng)今眾多系統(tǒng)解決問題的關(guān)鍵元器件，能夠處理和解決許多信號路徑問題。具有獨(dú)特且不可替代的信號處理特性、定義明確的性能和長期可靠性。信號繼電器可用于直流、低頻、甚至是千兆赫范圍的射頻應(yīng)用，因此應(yīng)用范圍更寬。
(作者：Bill Schweber)
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