Something about Relay
1.继电器是个啥
本文全篇从电子的角度观察,不考虑电力领域高压高流的应用,也就是说其涉及的功率远小于1kW,对于极大功率的问题,他显然不是我一个电路方向的微电子人应该考虑的问题
继电器是个啥,最基本的继电器是使用电磁铁作为动作元件,对杠杆进行控制的一种电磁器件.关于这一点呢,就Electroboom的视频说的蛮好的[1].然而实际上来说吧,个人认为,任何能够使用低压/低电流设备控制高压/高电流回路,并能够实现低压电路与高压电路隔离的器件均能称作继电器.
这个定义呢,就代表了其动作原理,无论是光隔离还是磁隔离,都可以称之为继电器.
那么这个继电器经常用在哪呢,可以说几乎所有的弱点控制强电的部分都能用到,也就是我们说的,四两拨千斤,讲究一个化劲.
2.继电器的常见分类
继电器按照动作原理分为磁继电器与光继电器,按照端子的数量与开关方式,可以分为单刀双掷,双刀双掷等多种类型,常见的一版为双刀双掷(DPDT,Dual Pole Dual Throw).
2.1 磁继电器
2.1.1 传统磁继电器
磁继电器一般来说需要较高的功耗,因为为了能够在较大的电压和电流下开关,其需要的恢复弹簧和保持线圈的功率也就越大,那么传统的继电器这个保持的功耗只要启动就会一直存在,而这个功耗应该来说相对还是较大的,以最常见的松乐继电器的SRD系列为例(大多数淘宝标的单片机模块啊,Arduino模块啊都是采用这个系列的继电器.)
图1 SRD系列继电器线圈参数表
可以看到,这种继电器他的动作功耗极大,360mW差不多是n多个MCU的功耗了.所以在手持设备当中,或者对功耗较为敏感的设备当中,少见这种继电器.
2.1.2 磁保持继电器
磁保持继电器呢,是另外一种较为常见的继电器,其特点是内部有两片永磁体,存在两种稳定状态,其状态的改变,需要给线圈提供方向相反电流,使其动作.因此呢,对于磁保持继电器的驱动往往会采用H桥的方式进行,提供双向的电流.需要注意的是,磁保持继电器的好处,就是其只在动作的时候需要电流,完成切换之后电流就不在需要来维持了.所以呢,磁保持继电器经常用在手持设备或功耗敏感设备当中,最常见的例如,GMC METRA Hit 30M这款号称手持表王的玩意,里面就采用了大量的磁保持继电器.
2.1.3 干簧继电器
干簧继电器是一种相对来说比较少见的继电器.这种继电器呢,体积较小,本质和干簧管类似,相对来说机械部件会少很多(全靠簧片的弹性),这种继电器的寿命高,功率小,寿命长,但是相对来说功率不大,用在电压采样的环境下简直完美,后面考虑买些回来试下(多半要鸽)
2.2 光耦继电器
光耦继电器,或者固态继电器是一种利用现代的半导体器件作为开关,利用光耦作为信号隔离的继电器,这种东西的功耗不大,但是种类较多,用起来需要关注的可能稍微复杂些,下面会尽可能详细的说明.
2.2.1 晶闸管输出光继电器
晶闸管输出的光继电器,其输出的开关器件是晶闸管,众所周知啊,这种器件与三极管类似,他导通不是阻性而是一个二极管类似的性质,也就是有着不小的压降,在较宽的电流范围内压降保持恒定,因此对于低压应用场景来说,我们不会很想使用晶闸管开关.
同时呢由于晶闸管本身的正反馈导通特性,我们为了关断他必须提供足够小的负载电流,使其正反馈不能维持,对于交流应用场景而言,电流一定会存在过零点,也就能够实现自动的关断,这样我们只要在某个周期不提供导通脉冲,那么其就可以自然关断.但是对于直流特性下,负载电流保持,那么即使不施加脉冲他也不能关断.
所以说呢,对于晶闸管输出级的光继电器,其实际的应用场景是直流控制纯交流的应用场景下.当然啊,一种比较特殊的应用场景,就是直流负载电流远小于晶闸管的导通维持电流的情况下,也不是不能用,但是何苦呢.
图2 晶闸管输出继电器
2.2.1 MOS管输出/三极管输出光继电器
这两种继电器都较为常见,这两种电路的特点是只能用于直流的开关,其中,MOS管输出继电器采用MOS管作为开关器件,其导通特性类似电阻,三极管输出的继电器采用三极管作为开关,其输出特性类似一个恒定压降.
这种器件只能用在直流的开关上,而且为了使用的方便,MOS型本身带有输出的反向体二极管,而三极管器件也会直接带有一个并联的反向体二极管.这东西的其实挺好的,面对大多数纯直流的应用,还是不错的器件.
图3 三极管输出继电器
2.2.2 背靠背MOS管输出继电器
这种继电器啊,他就挺好的,他好就好在他可以双向耐压,双向电流控制,国内的厂商把他叫做交直流光继电器,这个看咋想了.其实个人认为,这种继电器是代替传统磁继电器最合理的器件,但是也有些许的问题,后面会讲.
图4 背靠背二极管输出继电器
3.继电器的常见厂商
目前来说对于继电器而言,一般应用场景,可靠性要求不高的环境下,国产的继电器做的不差了已经.比如宁波松乐,宁波汇科,常用的型号除去上面的SRD系列之外,还有个人比较喜欢的HK19F系列,这种继电器体积不大,电压和功率也较低和较小,挺不错的还.对于纯信号继电器的话,宏发的HFD系列也挺不错的,体积非常的小,同时可以玩到较高的频率,顺便宏发还有导通频率能到3GHz的高频继电器,也不错的.当然要是你说你家里有矿,就是想造,想奢华一波的话,欧姆龙是绝对的首选,剩下的施耐德电气(不是电梯的那个施耐德也不是钢笔的那个施耐德),松下,西门子之类的都可以的,但是个人感觉,国产的继电器对于大多数的应用场景下来说已经完全足够了.
对于固态继电器而言,做半导体的厂子都有些类似的产品,比如松下的PhotoMOS系列,Littelfuse的OptoMOS系列,松下的涵盖功率型号,貌似OptoMOS更多的用在信号领域,功率不大的样子.再就是一些国内厂商实际类似SiP模块感觉的光隔离继电器,这种的淘宝一搜一大把.
4.继电器的关键参数
关于继电器的关键参数上,对于低压领域我们一般关注的是线圈电压,动作电流,最大负载电流,最大关断电压,动作时间这几个参数.
线圈电压与动作电流都挺好理解的,在此不解释了.关键我们来看下负载的问题.首先是最大的关断电压,我们来想下,为啥继电器不能够关断很高的电压呢?是其两端的耐压值不够,会直接发生击穿么?我们来看图5的触点图片,HK19F的电压等级是30VDC 2A,125VAC 1A.而空气的击穿电压是1mm 3kV,所以我们能够看到的是,这个间距的耐压绝对不止125VAC,那么为什么耐压如此之低呢?
图5 HK19F继电器触点图片
其实核心问题是拉弧的问题.对于大电流的两个金属,当我们分开他们的时候,会产生不可避免的电弧,而这种电弧是等离子体的低阻线路,仿佛就是没有断开.为了避免这种情况,高电流的继电器往往会想要拉开较远的距离来降低其拉弧的可能.同样的,对于高电压的闭合或断开即使很小的电流也会产生电弧的问题(这里的很小一般来说指几个mA的样子).同样的,这也可以解释为啥对于交流电能够开关更高的电压,因为其本身就有电流过零点,一定程度上能解决电弧的问题.
欸那就是说,如果我的电流很小(uA级别),是不是说,就能用在较高的电压下呢?那么实测下,HK19F在120VDC下还能够正常的开关,这个情况下负载电流是120uA,但是对于寿命之类的会有啥影响暂时还不得而知.
但是对于电流来说,情况则没有这么快乐,如果想要用在高电流下的话,该选高容量的继电器还是选高容量的继电器,30V 1A DC其实可以说是继电器的最大容量.
但是需要注意的是,对于固态继电器来说,没有拉弧的问题,过流的话其实只是发热的问题,对于这种情况的话,可以说适当的很短的时间内用在高电流的场景下.但是对于固态继电器,其雪崩击穿的特性,使得其电压几乎只能严格的用在电压小于最大电压的情况下,这个是必须注意的点.
对于动作时间的问题,电磁继电器较为特殊,他会有一定的弹性振荡,这个东西不可避免,所以其动作时间与各种因素有关,稍微复杂些.
5.应用上的一些考虑与思考
5.1 传统继电器的应用电路
下面我们来说下继电器的驱动电路,首先先是驱动电压的选择,个人认为啊,选择适当的能接受的高压就挺合适的,例如12V或15V,在这个电压下驱动电流不会太大,同时对于TTL电平的小功率MOSFET例如2N7002(60V),AO3400(30V)耐压压力不会很大,曾经年少的时候啊,贼喜欢选5V或者3.3VDC的线圈电压的继电器.然后就出现了贼完蛋的问题,电流贼大,热压力全在LDO上,发热贼猛,后面就把他改到了12V的电压,整体的热压力就小了很多.
图6 继电器驱动电路
然后是这个应用的电路的问题,R14下拉GS,抗噪声,对于Q6如果用BJT的话,就是下拉BE的,这个电阻不要太大,给个10k蛮合理的就.R22是抑制振荡的电阻,当然了,这个电阻一般来说可有可无,有还是会好点.JK6A自然是继电器的线圈了,D6是感性负载的续流二极管,串联的电阻别给10k,给个几欧姆或者用一个稳压二极管就行,这个是加速关断的耗能器件.
其中,D6是推荐一定要加的,当然不加啊,也不是就不能开关,只是可爱的Q6可能要耐受上百伏甚至几百伏特的电压,死的可能会更快就是了.其余的推荐GS的下拉电阻保留,不然这个ESD还挺容易打坏MOS的.
然后没得啥了,这么给挺好的,很多同学啊不太知道驱动这种感性负载的关键,就经常意外的打坏管子.
5.2 继电器的选择
继电器的选择蛮有讲究的.简单的总结下.比如如果负载电流小,那么电磁继电器电压可以略超一点,如果负载电流大的话,用固态继电器可以稍微的过一下子载.对于需要高隔离度,高关断阻抗的场景,电磁继电器是唯一的选择,对于电压采样的场景,可以用干簧继电器,这东西真是个好东西,回来一定买点回来做采集卡这种.但是对于需要快速扫描的场景下,只能选择光耦继电器了,这种东西的开关速度可开关的质量远高于电磁的继电器.
5.3 容性负载
如果我们的输出有贼大的电容,一定一定要注意这一点,因为大电容在充电的瞬间是短路,电压一旦较高会带来极大的电流,可能会直接将触点焊上,然后就没有然后了,就断不开了,就完蛋了.
6.总计
这篇AN写的有点草率,就做了UltraMux之后整理下学到的小东西,继电器这个东西挺好玩的,他绝对的隔离效果在很多场景下是很好用的.个人很喜欢隔离的这种特性,但是往往高压高流的开关还比较麻烦,在想办法如何解决这个问题(比如一个集成隔离电源的全隔离两通道驱动器,我们来驱动贼好的MOS来实现高压高电流的开关这种)