继电器核心技术指南：类型、应用、选型与历史演进

什么是继电器？

大多数电子/机械设备需要继电器将微弱电输入转换为所需的大电流输出。传统上，继电器用于长距离电报电路作信号中继——将一电路信号刷新后在另一电路传输。电话交换机和早期计算机大量使用继电器执行逻辑运算。

为满足各种应用需求，存在多种继电器类型。本文涵盖定义、功能、应用、选型考量、组成、原理图、类型、工作原理及优缺点。

继电器定义

继电器是利用电磁感应将微弱电激励转换为大电流的电动开关。电输入激励电磁铁形成或断开现有电路。利用弱输入控制强电流，继电器可作开关或电流放大器，视应用而定。

继电器也是磁动开关，电磁铁得电激活/释放。输入端电压使电磁铁得电。继电器由美国科学家约瑟夫·亨利1835年发明。

继电器功能

• 核心功能：在需要控制电路处作开关。
• 部分类型用电磁铁合/分触点。
• 保护电路免过载/故障，作保护继电器。
• 实现延时功能：系统仅运行设定时间或延时启动，称延时继电器。
• 切换电机和照明负载。
• 单继电器可连接多触点，线圈得电/失电时所有触点同动。若一触点卡滞，其余均不动。此效应类型称安全继电器。
• 射频收发共用一天线时，继电器作收发转换开关，将天线在接收机和发射机间切换。

继电器应用

• 继电器电路实现逻辑功能，在安全关键逻辑中扮演重要角色。
• 提供延时功能，控制触点延时合/分。
• 用低电压信号控制高压电路，用低电流信号控制大电流电路。
• 保护电器：检测接收信号并在发射时隔离。

热过载继电器是保护电机防断电/过载的机电装置。常用于电机防突发电流尖峰损坏。热过载继电器工作像过流保护但区别于断路器/保险丝（突发跳闸断电）。双金属片随过流温升弯曲接触接触器，使接触器失电切断电机供电从而关机。

继电器选型考量

• 保护性：考虑继电器如何保护系统防过载/浪涌。触点保护减少电感电路电弧，线圈保护降低切换浪涌电压。
• 考虑有全部法规认证的标准继电器。
• 高速切换继电器对切换时间关键应用至关重要。
• 电流/电压额定值：电流几安培至约300A，电压300VAC至600VAC，高压继电器达15,000V。
• 线圈回路与触点间绝缘。
• 知晓触点类型：常闭NC、常开NO或转换触点。
• 判断"先合后分"或"先分后合"触点哪种适合系统。

继电器系统组成

• 框架：容纳支撑各部件的重型框架/外壳。
• 线圈：金属芯绕线，产生电磁场。
• 衔铁：开合触点动部件，带复位弹簧。
• 触点：导通部分，使继电器合/分电路。

两个回路：励磁侧含线圈，触点侧含触点。线圈通电产生磁场。交流单元极性每秒变120次，直流系统极性固定。

磁线圈吸引衔铁铁板。衔铁一端固定金属框架，枢轴设计使其可摆动。另一端开合不同配置触点。配置取决于断数、极数、投数。如单极单投(SPST)、双极单投(DPST)。

断数

继电器打开/关断单一电路的独立位置/触点数。单断点(SB)一处断开，双断点(DB)两处断开。单断用于低功率如指示灯，双断用于高功率如电磁阀。

极数

继电器可通过开关承载的隔离电路数。单极(SP)一次只过一路电流，双极(DP)同时过两隔离电路。最大极数视设计可达12。

投数

每极上可用闭合触点位置数。单投控制一路，双投控制两路。

简言之，电磁继电器含绕软铁芯线圈(电磁管)、提供低磁阻路径的铁轭、可动铁衔铁、一组或多组触点。以上均已解释，望读者掌握。

继电器原理图

此处应插入原理图

继电器类型

磁保持继电器

动作后保持状态，称脉冲/保持/锁定继电器。用于限制功耗和散热。内部永磁体使线圈通电后磁保持触点位置，无需功率维持位置。故动作后即使线圈断电仍保持最后触点位置。

固态继电器(SSR)

用BJT、晶闸管、IGBT、MOSFET、TRIAC等半导体器件切换。对比机电继电器，SSR功率增益更高（控制功率更低）。适用交/直流。无机械触点故切换速度极快。含传感器响应控制信号切换负载电源。

干簧继电器

同机电继电器用机械触点动作，但动质量小、触点微小。干簧管作衔铁，玻璃管/胶囊充惰性气体，两重叠干簧/铁磁叶片密封。

差动继电器

两个或更多同类电量相量差超预设值时动作。电流差动继电器比较进出被保护系统电流幅值和相位差。正常工况进出电流幅值相位相等，继电器不动作。故障时幅值相位不再相等。

极化继电器

对激励电流方向极敏感。提供额外永磁场移动衔铁的DC电磁继电器。磁路由永磁体、电磁铁、衔铁构成。不用弹簧力而用磁力吸引/排斥衔铁。衔铁为永磁体，置于电磁铁极面间。

布霍尔兹继电器

气动/驱动继电器。广泛用于检测初期/内部故障（初期轻微但随时间恶化）。主要用变压器保护，安装在变压器油箱和储油柜间的腔室。仅用油浸式变压器，专用于电力传输/配电系统。下图展示工作原理。

此处应插入布霍尔兹继电器原理图

反时限过流继电器(IDMT)

高值故障电流呈定时特性，低值故障电流呈反时限特性。广泛用于配电线路保护，帮助设定电流/时间定值。此类继电器动作时间近似反比于接近定值的故障电流。

过载保护继电器

专为电机/电路提供过流保护。类型含固定双金属片型、电子/可换加热器双金属型等。电机过载需此类继电器防过流。故须用热动继电器等过载感测设备。热动继电器含线圈加热双金属片或焊锡罐使其熔化。

工作原理

继电器工作原理取决于类型和设计目的。但简单电磁继电器含绕软铁芯线圈、提供低磁阻路径的铁轭、可动铁衔铁、一组或多组触点。

衔铁铰链于轭上，机械连接一组或多组动触点。弹簧保持衔铁位置使失电时磁路有气隙。部分类型失电时一组触点合、另一组分。

触点组数视用途而定。导线连衔铁与轭确保动触点间电路连续。电流过线圈产生磁场激活衔铁，动触点随之动作或与静触点合/分。失电时触点合则分开断路，分则合上。线圈断电后，衔铁在约等于半磁力的力作用下复位。力通常由弹簧提供，工业电机起动器也用重力。

继电器工作原理视频

此处嵌入视频

继电器优缺点

优点

• 实现远程设备控制。
• 触点易切换。
• 隔离激励部件与执行部件。
• 高温下工作良好。
• 微电流激活可驱动大功率设备。
• 单信号可同时控制多触点。
• 可切换直/交流。

缺点

• 触点随时间损坏，磨损、氧化等。
• 切换时间长。
• 触点动作声响扰人。

总结

继电器是依据所需效应在电器上服务多种用途的优秀元件。本文深度覆盖定义、功能、应用、选型考量、类型、工作原理及优缺点。希望内容有价值，欢迎评论分享给技术学习者。