【基础电子元件】继电器
看到古代巨大的城门时，是否想过这门到底怎么关上的？将军传令关门，千斤重的城池铁门就开始缓缓紧闭。一句轻口令，掌控千斤门。在电子世界中，继电器的作用就和这个过程很相似。
一块单片机 IO 口只能输出几 mA 微弱信号，根本带不动灯泡、电机、220V 插座这类大功率负载；继电器完美解决这个痛点 —— 用 5V 低压小电流，隔空控制高压、大电流电路，同时强弱电完全隔离，保护芯片不被高压击穿。小到智能插座、空调主板、汽车车灯，大到工业控制柜、充电桩，只要存在【弱电控制强电】的地方，就一定能看到继电器。
文章目录
- 【基础电子元件】继电器
- 一、什么是继电器？
- 二、继电器分类
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- 2.1 继电器触点符号含义
- 2.2 机械继电器
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- 2.2.1 线圈分类
- 2.2.2 机械继电器分类
- 2.3 固态继电器
- 三、如何选一款合适的机械继电器？
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- 3.1 线圈参数
- 3.2 触点参数
- 四、如何正确驱动机械继电器？
- 五、PCB注意事项
一、什么是继电器？
继电器主要可分为 机械继电器 ， 固态继电器 这两大类。固态继电器属于半导体类型。
首先以机械继电器为例介绍工作原理： 内部核心由 电磁线圈 和 机械触点 组成，当电磁线圈通电时，产生吸合力，从而改变触点的位置。以此来改变负载端的导通状态，就可以轻松实现小电压小电流，控制大功率的负载。
细线绕铁芯，通电变磁铁。
一吸拉触点，千斤电路开。
断电磁消散，弹簧复位来。
强弱分两边，隔离更安全。
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二、继电器分类
2.1 继电器触点符号含义
- NO(Normally OPen)，称常开型，复位状态下两个负载金属触点不接触，通电后接触。
- NC(Normally Closed)，称常闭型，复位状态下两个负载触点接触，通电后断开。
- 还有一种，转换型，有3个触点，必须二选一。
关于这个符号，刚学的同学很容易把NO当作 ON或OFF里面的ON，以为是通常连接的意思，这样就完全相反了！！
2.2 机械继电器
2.2.1 线圈分类
- 单稳态型：最常见类型。线圈通电 和 不通电下 各一种状态。而这种线圈有 两种类，无极性线圈 和 有极性线圈。
顾名思义啊，无极性就不管通电方向了，都能完成吸合动作。而有极性就要注意一下接入控制电源的极性了，否则有损坏继电器的风险。
- 闩(shuan)锁型：结构上类似触发器结构，只需要施加一个短暂的电流(一般十几ms)，就能改变触点的状态。
这么一听第一个反应是什么？省电啊是吧。不需要像单稳态型需要持续的输入来控制触点状态。
2.2.2 机械继电器分类
- 信号继电器：通常用来切换微弱的模拟信号、通讯信号，负载通过电流小(100mA左右)，尺寸小。
- 功率继电器：负载电流可以覆盖5A~30A，可以直接通电220V市电，尺寸较大。
- 磁保持继电器：自带永磁结构，只需要一瞬间通电，切换触点状态，断电后触点自动保持当前状态，不需要持续给线圈供电。(闩锁型)
- 汽车继电器：在结构设计上增加强抗震、抗冲击电压，温区更宽，电流也有更大范围。
- 簧片继电器：结构相对特殊一点，触点是一个金属簧片，密封在一个玻璃管内，内部充满惰性气体。外部绕上一圈线圈，通电后可以使内部簧片吸合。由于结构特殊性，造就其具备超高的绝缘电阻、漏电流极低。常用于高压、医疗等场景。
2.3 固态继电器
我对它的第一印象就是，安静。完全没有机械继电器 “啪嗒” 的一声。因为它内部没有机械触点，用MOS管等半导体器件替代了原始的机械结构。其实就是升级版光耦，那么它相比之下的优势有哪些？
寿命更长了，因为没有机械结构了嘛。安静刚才提到了。开关速度可以非常快us级别，一般机械的都是ms级别。不易产生误动作、无电弧火花。
三、如何选一款合适的机械继电器？
3.1 线圈参数
- 额定电压：通常5V、12V、24V，用于驱动线圈的推荐电压。
- 线圈电阻：在一定测试条件下的直流电阻，不同电压下具有不同的值。
- 额定电流：额定电压与线圈电阻的比值。
- 额定消耗功耗：额定电压与额定电流的乘积。消耗功耗越小，说明继电器灵敏度越高，反之亦然。
- 动作电压：实际工作时，为了让线圈产生吸合力的最小电压，比如5V额定电压，当电压上升到3.6V时，线圈就开始有吸合力，但是每次吸合的情况不一样，所以要确保电压＞动作电压。
- 恢复电压：让线圈失去吸合力的电压，一般最大0.5V。
3.2 触点参数
- 额定负载：分为直流容量和交流容量，比如AC220V，1A。DC24V，2A。
- 额定最大触点电压：顺利通断负载两侧电压最大值，如果实际电压超出这个值，可能出现触电拉弧等击穿现象。
- 额定最大触点电流：超出可能损坏。
- 综合曲线描述：如下图，横线是最大电流，纵线是最大电压，斜线是功率。与交流或者直流有关。
- 接触电阻：一般是小于100mΩ。
- 绝缘电阻：断开下测试阻抗，一般1GΩ以上。
- 最小可控负载：负载通断性能下，最小的电压和电流。（使用在小信号的场景尤其关注这点）
- 高频特性：一般普通继电器不用在高频信号通断上，如果需要使用，就要找特定的高频继电器。
- 寿命：机械继电器动作时间都是ms级别的，动作次数是有限，不适合用于高频的开关动作。通常是1亿次就寿终正寝了。
四、如何正确驱动机械继电器？
驱动方式还是比较简单的，具体如下图，让三极管饱和，就可以了。当然也可以用mos管替代。
具体计算：比如额定电压5V的继电器，标称线圈电阻70Ω，那么工作电流约71.5mA
假设三极管放大倍率100倍，那么IB最小需要0.71mA电流，比如Ucon = 3.3V。
那么RB1 = (3.3V-0.7V)/0.71mA = 3662Ω。那么基极电阻选取≤3.6KΩ即可，同时结合功耗、温度影响综合选取，通常留有1.5~2倍裕量，此处建议选1KΩ~2.2KΩ。
而此处的下拉电阻RB2 用于强制把基极拉低，防止继电器误吸合。
关于续流二极管：继电器线圈属于感性电感，工作电流突然断开时，电感电流无法突变，会产生反向电压，二极管在此处就可以吸收短暂的反向电流，如果没有二极管，就会产生极高的Di/Dt，产生电磁干扰。
五、PCB注意事项
- 续流二极管需紧贴继电器线圈，走线越短越好。
- 驱动三极管 / MOS 管就近摆放，减少控制环路面积。
- 线圈区域下方可以完整铺数字 GND，起到屏蔽外部电磁干扰的作用；但铺铜不能跨过强弱电隔离分界线，不能和触点功率地相连。
- 强弱电分割：线圈弱电走线 和 触点强电(220VAC)走线、焊盘：最小间隙≥3.2mm
也可以通过开槽来增加间隙，且220V走线距离板边＞1mm。
电气间隙 Clearance：两导体之空气最短直线距离，防止瞬时高压电弧击穿空气；
爬电距离 Creepage：沿 PCB 绝缘板材表面的最短路径，防止长期漏电起痕；
- 负载走线宽度：根据实际电流设计线宽，如果超过10A建议开窗加锡，降低放热。
那么我们今天就聊到这儿~ 如有发现问题或更好的建议欢迎留言~
