功率继电器 － 了解基础知识

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

继电器的主要功能是作为开关，控制电路中其他开关的运行。它们采用低功率输入信号，对高功率电路进行控制。激活继电器的低功率信号可触发电磁铁通电，从而启动衔铁移动。这种移动依次又会促使电气触点闭合，从而促使电力向受控电路的传输。

这种设计的最大优势之一在于能够将低功耗控制信号与高功率电路隔离开来。这种隔离不仅能保护操作人员免受潜在危险，还能保护设备免受潜在损坏。此外，这种布置还便于远程控制设备或系统，实现远距离操作。

机电继电器的起源可追溯到 1835 年，尽管多年来其组件和多样性有了很大的进步，但其基本功能却一直没有改变。历史上最广为人知的继电器之一就是功率继电器。虽然所有电气继电器本质上都能控制电源，但将所有继电器都称作“功率继电器”并不适合。本文将详细介绍功率继电器，包括其优点、配置和主要选择标准。

功率继电器基础知识

功率继电器因其能够管理高电平电流开关的专业能力而出名，电流覆盖几安培到更高的量级。由于功率继电器结构更坚固，尺寸更大，因此其触点能够承受较大的电流，这是通常需要电流超过 10 安培的应用的理想选择。

它们在各行各业的应用日益广泛，具体包括汽车系统、电梯控制器、阀门执行器以及各种以高初始电流浪涌为特征的设备，如电机、电磁阀、电源和电子镇流器。

与其他电气元件一样，继电器在安全管理功率方面也有其固有限制。每个型号都有一个最大额定功率，确保与各种负载有效匹配，从灯泡等低功率实体到大型电机等重型机械。不过，超过规定的额定功率会对继电器造成永久性损坏。

此外，触点不对齐会引起触点电弧，其特征是，当继电器触点打开但彼此靠近时，电流会通过触点之间的气隙放电。这种现象带来的风险不仅仅是产生火花和热量，还包括侵蚀触点和产生不必要的电气干扰，并可能会损害附近的设备。

图 1：机电继电器触点起弧。（图片来源：CUI Devices）

功率继电器专为解决加热器、电机、照明阵列和工业设备等大电流设备的电力负载而设计。功率继电器的额定电流和电压之所以更高，主要是因为它使用了与普通继电器不同的开关触点材料。之所以选择这些材料，是因为它们能够经受大功率应用的严格考验，确保在要求苛刻的工业环境中可靠运行并经久耐用。

功率继电器触点材料

电流流经继电器触点时会遇到电阻，这一因素取决于触点的尺寸和材料成分。电阻升高不仅会放大继电器内部的功率耗散，还会增加发热量。减少触头电阻的一种方法是仔细选择接触材料。

传统继电器的触点通常由银镍制成，这种金属因其在继电器结构中的普遍应用而出名。银镍触点在切换阻性负载时表现出色，此时电流和电压同相。

相比之下，为更高负载而设计的继电器（如功率继电器）会选择使用氧化银镉、氧化银锡或金合金等材料制成的触点。这些材料是处理感性负载的理想选择，感性负载的特点是电流和电压不同步，可能会产生巨大的电流或电压尖峰。银氧化镉和银氧化锡触点都能减小电阻，降低高浪涌电流造成触点焊接的风险。值得注意的是，银氧化锡的采用避免了与镉基合金相关的环境问题，从而符合某些国家坚持的监管标准。

功率继电器与信号继电器的比较

功率继电器和信号继电器是继电器领域中两种常见的变体。虽然功率继电器优先处理较高的电压和电流，但它们的寿命周期通常较短。相反，信号继电器的设计寿命周期较长，但工作电压较低，电流最小。

功率继电器中使用的触点材料虽然擅长管理高功率情况，但并不非常适合低功率开关。这是因为在较低的电压下，触点之间的物理连接至关重要，这是由触点压力和清洁度等因素决定的，而不是由触点材料决定的。

此外，在电力应用中使用信号继电器存在固有风险，可能会因过压或过流而导致灾难性故障。即使这样的继电器能够幸存下来，也会缺少防电弧和触点自洁等关键功能，从而影响长期可靠性。

因此在决定使用功率继电器还是信号继电器，要遵守一项重要的基本准则：始终将切换的功率级别与继电器的额定功率相匹配。这样就可以确保最佳性能，降低故障风险，维持继电器和相关系统的完整性。有关信号继电器的更多信息，请参阅 CUI Devices 另一篇题为《信号继电器 - 了解基础知识》的文章。

功率继电器类型

功率继电器和普通继电器一样，主要有两种类型：机电式和固态式。

机电式功率继电器依靠线圈、磁场、弹簧、活动衔铁和触点的组合来调节设备的功率输出。

另一方面，固态继电器不使用移动部件。相反，它们利用硅控整流器 (SCR)、TRIAC（交流三极管）或开关晶体管等半导体器件来切换交流和直流电流。与机电继电器相比，固态继电器具有开关速度更快、可靠性更强等优点。然而，随着功率需求的增加，其成本效益也随之降低，原因是坚固型功率半导体的相关成本较高，且还需要加入额外的热管理元件。

图 2：固态继电器与散热器组合示例。（图片来源：CUI Devices）

常见配置和额定值

功率继电器与非功率继电器一样，也是根据触点配置进行分类的，触点配置表示继电器可同时控制的设备数量。常见的分类包括：

· SPST（单刀单掷）
· DPDT（双刀双掷）
· 3PDT（三刀双掷）
· SP3T（单刀三掷）

继电器触点分为常开 (NO) 或常闭 (NC)，取决于其在继电器无电源时的状态。

继电器额定值表示继电器可安全有效地切换的最大功率。这些额定值通常以交流和直流电流的安培数表示。继电器的额定值必须超过被切换设备的额定值，同时要考虑安全系数。

与非功率继电器类似，功率继电器也可以用“Form”一词来描述。"1 Form A" 或 "2 Form C" 等短语可以让人了解继电器的特性。"Form" 前面的数字表示继电器中可用的触点数量。"Form A" 表示常开继电器，"Form B" 表示常闭继电器。"Form C" 和 "Form D" 适用于 SPDT 继电器，表示哪个位置视为常闭，以及分别表示继电器是先开后合还是先合后开。虽然还有许多其他形式，但这四种是最常用的。

· Form A - 常开
· Form B - 常闭
· Form C - 先开后合 SPDT 开关
· Form D - 先合后开 SPDT 开关

其他考虑因素

在选择器件时需要考虑的其他因素包括：

· 输入电力浪涌：某些设备在启动时可能会产生明显的电力浪涌。在指定继电器之前，必须找出这些浪涌，以防损坏设备。
· 线圈抑制：继电器循环会产生高压瞬态。线圈抑制包括在电路中使用额外的元件来保护设备免受这些瞬态干扰。不过，这可能会缩短继电器的使用寿命。确定是否有必要针对特定应用使用特定线圈抑制策略。
· 闭锁：闭锁继电器在断开启动电源后仍能保持上次的触点位置。某些应用可能需要此功能。
· 噪声：继电器会产生电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI) 噪声，在大功率设备中更为明显。事先要确定设备或系统对这种噪音的敏感度。
· 触点颤动：继电器工作时，其触点可能会经历短暂的打开/关闭周期，即触点颤动，从而产生电脉冲。根据应用的灵敏度，这种反弹可能会造成不良影响，因此在指定继电器之前，必须确定触点颤动是否会影响应用。

图 3：触点颤动和快速变化的电压示例。（图片来源：CUI Devices）

结语

继电器是值得信赖、高效、可靠的设备，可为系统和设备提供安全的电气控制，同时保持操作员与工作电流的安全隔离。无论是机电式还是固态式功率继电器，都经过了专门的设计，具有增强的功能，可管理更高的电压和电流。

在设计人员评估其产品的电源开关需求时，CUI Devices 可提供各种功率继电器和信号继电器。无论是处理低电平还是高电平电流开关，CUI Devices 都能提供合适的继电器解决方案，有效满足各种需求。