【導讀】隨著自動化的發(fā)展，機械功能越來越依賴于電子控制。螺線管(Solenoid)為許多這類應用提供了機電接口。另外，許多電子負載通常需要不斷地被導通和切斷。繼電器就是一種可以切換電子負載的螺線管。本文向初學者介紹了繼電器和螺線管的基礎，還有作者經歷的幾個有趣故事。
螺線管基本上就是塊電磁鐵，它是通過對線圈接通電流而形成的。在物理學上我們學過“右手定律”，它決定了電流在線圈中流動時磁場的方向。通過以手掌裹繞柱狀線圈的形式彎曲手指，當電流流出包裹的指尖時，磁場將流出伸出的拇指尖。
圖1：右手定律。
在線圈內插入電樞，當線圈通電時，磁力會將電樞往外推向拇指。力的大小取決于線圈繞組的匝數(shù)以及流經線圈的電流量。這種力被用于驅動各種負載，包括發(fā)動機啟動馬達、電動門鎖，以及各種運動閥(比如在自動販賣機中看到的那種運動閥)。你所聽到的“咔嗒”聲實際上是施加磁力時電樞撞擊閥門的聲音。
在螺線管動作中實際上有兩個力：第一個是移動電樞所需的力，第二個是將電樞保持在設定位置的力。由于大多數(shù)電磁鐵都有一個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，從而使電樞移動或保持在設置位置。在這些力中，保持力小于用于啟動電樞運動的初始啟動力。
最近，我就經歷了一次柴油發(fā)動機中引擎停止的事件，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。后一種故障實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。啟動車輛時，螺線管啟動以打開燃油閥，這需要更大的動力來保持閥門打開，以維持發(fā)動機持續(xù)運轉。額外的啟動動力由繼電器接入。繼電器觸點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致電壓下降，并且“虛搭（hokey）”的接地系統(tǒng)已經將螺線管上的電壓降低到不能將燃油閥拉出足夠遠以啟動發(fā)動機的程度。結果是啟動時燃料不足。帶藍色標記的連接器照片（圖2頂部）顯示了連接器電磁線圈一側的三根導線：
紅色保持線
白色電樞啟動線
黑色地線
圖2：頂部照片顯示帶藍色標記的連接器，其螺線管側有三根導線。
但請注意，底部照片中線束側的綠色保持線要細得多。與12V時的啟動電流相比，10.7V時的保持電流設計得較低。但是，每個電流路徑都有太大壓降，從而導致啟動和運轉時出現(xiàn)問題。更換螺線管和繼電器可能會解決問題，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。
繼電器是移動一組觸點以便切換電路開關的螺線管。在汽車控制中大量使用繼電器。隨著負載的增加，電流路徑保持在本地，而不是一直連接到儀表盤下的開關和控制信號。因此，繼電器可以利用低電平信號來為更高的電流負載供電。
與半導體開關和相關的支持組件相比，繼電器通常成本更低。繼電器也是隔離的，這意味著開關電路可以單獨的接地為參考，或者開關觸點可以執(zhí)行電壓的高壓側切換。對于汽車應用，繼電器為刀片式端子提供一個通常帶有安裝位置的密封外殼。這就很容易做到即插即用，而半導體電子電路則要求隔離、保護和安裝電路板的措施，以及半導體封裝或電路板跡線的端接等。
圖3：包含觸點和線圈的繼電器內部視圖（來源：Explainthatstuff.com）
除電壓隔離外，繼電器還可以切換大電流，包括驅動電機和其它負載的大電流。因此，可能會出現(xiàn)開關電弧現(xiàn)象，特別是那些對于具有較大初始電流尖峰的容性負載。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，以避免對面的司機花了眼或者烤焦我前面車輛司機的頭皮。
另一種形式的繼電器是干簧繼電器。干簧繼電器為軸向設計，其觸點也提供彈簧張力以創(chuàng)建一個開路。線圈通電后會產生一個關閉觸點的磁場。干簧繼電器的電流比標準機電繼電器小，但開關速度更快。
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。觸點打開和閉合的次數(shù)越多，產生電弧的可能性就越大，這會降低繼電器的使用壽命。表1比較了繼電器開關速度、預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）
開關繼電器曾經在汽車穩(wěn)壓器應用中占有重要地位。繼電器觸點脈沖開啟和關閉以均衡來自交流發(fā)電機的電壓。因此，許多老式汽車的車主將其交流發(fā)電機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，而且還需要費力的調整流程。此外，許多穩(wěn)壓器外殼都是導電的金屬，必須使用橡膠密封圈將其與金屬安裝位置隔離。當墊圈變干、破裂和老化時，穩(wěn)壓器會發(fā)生短路，帶來許多麻煩。
繼電器，作為負載切換的一種選擇，即便在現(xiàn)今的集成半導體時代也仍然有用武之地。對許多應用來說，它們仍然是可行的選擇。隨著世界的電子化，螺線管將會出現(xiàn)在越來越多的應用中。
本文轉載自電子技術設計。
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