电气产品-继电器
关于固态继电器，电磁式继电器，干簧继电器的构成及工作原理的介绍
前言
提示：本文阐述了电磁式继电器的工作原理以及构成，分析了不同负载对继电器的影响，以及如何避免反浪涌电压对继电器的损害，这些知识点并不是单一的存在，它都是由一个个元器件的特性所决定：
一、继电器的分类及其应用场景
继电器是一种电控制器件，其在工业控制领域作为一个开关的存在，当设定的条件满足时，可以开启或关闭控制电路。当然这种开关的主要应用场景为工控领域，它主要的起的作用是实现小电流对大电流回路的控制，具体如何控制下文将会根据电磁继电器的结构及工作原理给出解答。
- 根据继电器安装方式划分：①PCB板式继电器；②面板式继电器；③导轨式继电器；
- 根据继电器主流使用场景划分：①信号继电器；②功率继电器；③汽车继电器；
- 根据工作原理划分：①电磁继电器；②干簧继电器；③固态继电器；④热继电器
提示：以上划分并不唯一，主要是根据继电器厂商给的继电器产品划分方法。
二、电磁式继电器
1.电磁式继电器结构及原理
结构如下：
如上图电磁继电器的由线圈、磁路、衔铁，反力弹簧和触点，在电气控制图中用K表示（统称使用K表示，细分在K后加上相应的字母如：KA，KV，KT，KF）。
各个部分的作用：
①衔铁&线圈：线圈通电产生电流->电流在线圈中产生磁场（使线圈具有磁性）->电磁铁吸附衔铁->衔铁动作导致触点变化
小电流-磁-机械-大电流”这样一个过程。
②反力弹簧的作用是为衔铁提供动作相反的斥力，当线圈断电时能够帮助触点复位。
2.电磁式继电器选型要素
1.触点类型
触点一般分类为（动合型）常开触点（NO,H），（动断型）常闭触点（NC,D），转换触点（CO，Z）
关于触点较为关键的参数为触点容量，这就要区分在工作电路中的负载是直流负载还是交流负载。
触点容量指触点的输出量，指触点允许的电流量，这关乎如何对继电器进行选型的关键参数，它和开关电压又有比较大的关联。
- 交流负载，无需计算负载容量。其由过零电压，无需考虑开关电压。
电流过零点是相对于交流而言，交流是一个正弦信号其大小方向不停变化，周而复始，例如对灯泡而言，火线经灯泡流向零线，并且是由小变大再变小，经过一个零点。下一时刻由零线经灯泡流向火线由小到大，再由大到小（反向增大）。在使用继电器时，开启或关断瞬间产生电弧，因为存在交流过零点，电弧无法长时间维持而熄灭。
- 直流负载，需要考虑开关电压，容量计算为（开关电压x开关电流），需要考虑开关电压。如图：
其需要计算开关电压是因为，带直流负载继电器导通和关断时会产生拉弧损耗。当触点断开瞬间后产生电弧，由于外加电压会导致电弧长期存在，因而电弧被拉长，不能自主熄灭，电弧产生的热量会导致触点严重烧毁。因此负载关断或导通瞬间根据负载不同一般会产生浪涌电流也称为冲击电流
电压超过空气的耐受值使空气电离成导体也就是电弧
2.负载类型
上文谈论了触点容量及触点容量的类型，以及触点容选型的影响。接下来就会分析不同负载类型，对继电器触点容量的影响。
| 负载类型 | 影响 |
|---|---|
| 阻性负载 | 阻性负载一般具有加热功能（阻性负载波形比较稳定，选型时只要不超过继电器的额定负载就行） |
| 感性负载 | （电脑、电视）容性负载接通电源是会产生较大的浪涌电流，断开时回路会产生一个较高的反向电压，依靠继电器触点燃弧消耗能量，使触点的燃烧加剧，容易发生粘连。因此选型时建议工作稳定电流不超过继电器额定负载的30% |
| – | – |
| 电机负载 | 电机负载启动瞬间有较大的浪涌电流（一般是稳态电流的3-5倍，且浪涌电流持续的时间较长）堵转时负载电流变大，更容易发生粘连。选型时电机负载稳态电流不超过继电器额定负载的35% |
在考虑工作电路的影响，还需要考虑控制部分，继电器线圈部分感性，继电器开关关断的瞬间，继电器内部的线圈电感会产生一个自感电动势，其需要短时间内释放能量，因此需要反浪涌吸收装置，对于未安装反向浪涌吸收装置的继电器，一般建议安装压敏电阻作为反浪涌保护器件。
| 防浪涌器件 | 连接方式 |
|---|---|
| 肖特基二极管 | 在输入两端并联上肖特基二极管，释放线圈上多余的能量（低功耗、超高速、反向恢复时间极短、正向压降小，适合做整流电路） |
| 压敏电阻 | 主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。压敏电阻器称为"突波吸收器",有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器） |
压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。
3.性能要素
在使用继电器时，我们需要关注线圈产生多大的磁力才能将衔铁吸合，即需要给线圈施加多大的电压信号。在继电器动作后需要多大电压能够维持衔铁的吸合状态，以及线圈的最大工作电压，如下表：
|
| 电压类型 | 意义 |
|---|---|
| 吸合电压 | 指当给继电器施的线圈加电且逐渐增加电压，当常开触点导通时的电压。建议继电器选型时工作电压要大于吸合电压并且留有余量。 |
| 线圈保持电压 | 当继电器动作后，若降低保持电压会减小产品的抗震性，若产品发生震动时，可能会导致继电器误动作。因此保持电压应该高于继电器70%的额定电压。 |
| – | – |
| 线圈最大工作电压 | 长期加在线圈上的电压，应该小于130%的额定电压。高温条件下使用，会造成线圈温度过高，增加绝缘件的损耗（线圈绝缘层损坏，会出现匝间短路，从而使继电器失效） |
| 反峰电压（电器线圈断电时） | 由于线圈时感性元件，在回路断开时电感会产生一个感应电动势，阻止电流减小，导致开关两侧的有非常大的反向电压。其中关断速度越快，反向电压越高。 |
此外还需要注重的参数（具体以选型手册为准）：
①负载电流
②负载电压
③触点数量
④动作次数
三、继电器常见问题及判定方法
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| 失效模式 | 失效原因及解决方法 |
|---|---|
| 继电器线圈端无电压 | 原因:①线路短路；②控制端无输出；③ 接插件松动；判定方法：线圈两端电压是否达到标准电压 |
| 线圈端电压不足 | 原因：①电源输出功率不足；②电源线过长存在压降；判定方法：线圈两端电压是否达到标准电压 |
| – | – |
| 继电器有残余电压不释放 | 原因：①线圈端有其它储能元件影响；②线圈上有旁路电路或漏电流； |
| 触点粘连 | 原因：①负载过大；②浪涌电流过大；③继电器端子与连插件配合过松，造成触点与端子烧灼 |
四、扩展——磁保持式继电器
由上文提到的电磁式继电器不同，磁保持式继电器线圈缠绕的不再是铁芯而是永磁铁。
1.磁保持式继电器结构及原理
提示：从结构来说磁保持式继电器与电磁式继电器不同点在于将衔铁换成了永磁体，这是最大的不同点，下文也将会围绕永磁铁如何运动做诠释。因此结构部分不再做过多的阐述：
- 工作原理：需要切换触点导通或关断状态时，通过正反直流脉冲电压信号激励线圈，继电器瞬间完成了触点断与合的状态。需要触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变，如下图。
线圈通电产生电流，电流在线圈中产生磁场，使用右手定则可以判断磁场的方向，并且铁芯被磁化产生磁极。根据同极性相互排斥，异极性相互吸引的特点，使永磁铁上的触点发生动作，完成继电器触点状态的改变。
2.磁保持式继电器的优势：①相对于电磁式继电器来说，磁保持式继电器不需要持续的给线圈输入电压信号，这也意味着磁保持继电器的抗震动性强于电磁式继电器，继电器误动作率降低；②另外一个优点是线圈不需要持续通电，线圈自身产生的热量消去了，使有用功率提高了。
2. 关于继电器线圈磁性
提示：对继电器线圈保持电压，吸合电压以及产生触点误动作的另外一个角度理解：
- 磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制,也可改变电阻控制电流大小来控制磁性大小，线圈产生的磁场强度增强了，与衔铁的吸合能力也随之增强。
- 当在通电螺线管内部插入铁芯后,铁芯被通线圈的磁场磁化.磁化后的铁芯也变成了一个磁体,这样由于两个磁场互相叠加,从而使螺线管的磁性大大增强.为了使电磁铁的磁性更强,通常将铁芯制成蹄形。
更为详细的内部工作原理请参考
总结
所有产品应该为项目服务，只有应用到项目中的产品才能发挥其价值，这也是我们学习产品的初衷，未来将会结合实际项目背景下的产品使用去记录。