機電繼電器與接觸器之比較:如何依照應用選擇適當的元件類型

作者:Steve Leibson

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

許多應用都需要在高隔離度下切換電路,或必須能夠利用低功率控制訊號來切換高電壓與高電流。有時候,基於半導體的解決方案不能滿足需求。在這種情況下,設計人員必須在機電繼電器與接觸器之間做出選擇,並懂得如何正確加以運用。

機電繼電器僅使用幾伏特的控制訊號即可切換相對較高的電流,並在控制訊號與切換電源之間實現有效的電壓隔離。然而,太高的電流負載與切換電壓則需要使用接觸器,接觸器可說是機電繼電器的超級版。從磁簧繼電器到重負荷型繼電器,大多數設計工程師對市面上的許多繼電器都很熟悉。除工業用電產業外,鮮少有人知道接觸器,此類元件廣泛應用於高電壓電路與極高負載的切換。

本文將會探討繼電器與接觸器之間的差異,以及分別最適用於何種應用。文中會介紹一系列繼電器與接觸器解決方案,並提供有關使用這兩類元件的實用設計要訣。

繼電器與接觸器之比較

繼電器與接觸器都是使用電磁螺線管致動一對或多對觸點的機電元件。一個單極繼電器或接觸器具有一對觸點。另外也有雙極繼電器與接觸器,觸點的數量可以非常多。觸點可常開或常關。有些繼電器與接觸器還有雙擲觸點,結合常開與常關觸點。

在相對較低的電壓下,繼電器可切換中低度電流負載。繼電器具有多種尺寸,包括插入式及用於焊接到 PCB 上的板式安裝。接觸器是為高電流與高電壓負載設計的。

選擇使用何種繼電器或接觸器類型,很大程度上取決於切換的負載類型。以下總結不同類型的負載和處理這些負載的要訣:

  • 電阻式負載在剛通電時不會產生電流突波。電阻式負載最常見的例子是簡易加熱器。如果指定的電流消耗量為 10 A,則可使用 10 A 繼電器安全地切換。實際應用中很少出現純粹電阻式的負載。大部分的負載都由兩種以上的負載類型組合而成。
  • 電燈負載在一通電時會消耗大量電流。白熾燈燈絲的溫度係數很高。燈絲處於冷卻狀態時,電阻通常只有熱狀態時的 5%,因此所消耗的電流為燈泡升溫後的 20 倍。一個 75 W 的白熾燈泡在一般運作時只會消耗略高於 0.5 A 的電流,但剛開啟的時候,冷燈絲會消耗 13 A 的湧入電流。雖然這樣的電流突波僅持續約十分之一秒,但任何驅動白熾燈泡負載的繼電器觸點都必須將此高湧入電流納入考量。
  • 馬達負載在一通電時也會消耗大量電流。一個 110 VAC、1/3 馬力的單相同步馬達,一般只會消耗比 4 A 多一點的電流。在啟動時或轉子鎖緊時,此馬達可能消耗超過 24 A。如果馬達釋放機械負載而在空載狀態下運作,則會消耗 6 A。
  • 電容負載在啟動時會呈現高電流突波,因為電容會試圖整體保持恆定電壓。將電壓切換到未充電的電容,就好比瞬間短路。啟動時,這種高電流可能會熔接繼電器觸點,使其閉合。一般的電容負載包含直流電源供應器輸出及其他濾波電源。
  • 電感式負載啟動溫和,通電時,負載電流會緩慢提高。然而,當關閉負載時,繼電器觸點間會形成電感式電壓尖波,因為電感會嘗試讓通過自身的電流維持恆定。電感式電壓尖波可能非常大,造成繼電器觸點間產生電弧,在每次電源關閉時使觸點表面熔化與點蝕,影響觸點的品質。這就是為什麼某些繼電器會在線圈上內建緩衝器二極體,以避免產生電弧。高電感值負載的例子包括螺線管致動器、電動閥與繼電器。

繼電器詳細解說

繼電器的重要規格包括線圈電壓、交流電或直流電線圈運作、觸點電流額定值與配置 (常開、常關、多極)、觸點數量與致動/釋放次數。必需避免切換太小的電流,以免繼電器無法可靠地運作。繼電器觸點要適當運作,在一定程度上取決於指定最低電流 (通常稱為消磁電流) 的切換,因為此電流會燒掉繼電器觸點上可能累積的微量污染物質。

繼電器能可靠切換的電流下限取決於幾個因素,例如觸點的材質、觸點的幾何構造和觸點表面的機械性滑動。一個繼電器的最低切換電流規格,需將這些因素都納入考量。具有鍍金觸點的繼電器和具有雙叉式 (分岔) 觸點的繼電器,能可靠地切換低至 10 mA 的電流。

磁簧繼電器與水銀濕簧繼電器適合低電壓位準切換應用。舉例來說,TE Connectivity Potter and Brumfield RelaysJWDJWS 磁簧繼電器提供一系列 5 V 到 24 V 直流線圈電壓,並且具有多種單極與雙極配置。

例如,TE Connectivity 的 JWD-171-10 磁簧繼電器具有內建緩衝器二極體的 24 V 線圈,以及一個常開觸點,此觸點在 20 V 下的額定切換電流上限為 500 mV。JWD 系列磁簧繼電器需安裝於電路板上,與 14 引腳 DIP 積體電路具有相同的覆蓋區,不過這種繼電器只有 8 個引腳 (圖 1)。

TE Connectivity Potter and Brumfield Relays 的 JWD 系列磁簧繼電器圖片

圖 1:TE Connectivity Potter and Brumfield Relays 的 JWD 系列磁簧繼電器具有與 14 引腳 DIP IC 相同的覆蓋區,可提供多種線圈電壓與觸點配置。(圖片來源:TE Connectivity Potter and Brumfield Relays)

磁簧繼電器通常不適用於切換高負載,高負載需要體積較大的封裝以容納更大的高電流觸點。舉例而言,Omron Electronic ComponentsG2R-1-DC24 一般用途繼電器在 24 V 下之額定切換電流為 10 A。此產品具有 24 V 直流線圈與單極雙擲觸點配置。此繼電器比 TE Connectivity 的 JWD 系列磁簧繼電器大一些,不過同樣是安裝在印刷電路板上 (圖 2)。

Omron Electronics 的 PC 板式安裝 G2R-1-DC24 一般用途繼電器圖片

圖 2:Omron Electronics 的 PC 板式安裝 G2R-1-DC24 一般用途繼電器,在 24 V 下之額定切換電流為 10 A。(圖片來源:Omron Electronics)

Omron 還提供另一款類似繼電器,即 G2R-1-SND-DC24(S),此產品適用於可置入插槽的插入式應用。這類繼電器有對應的多種附屬插槽,分別相容於 DIN 軌道、面板安裝與通孔式電路板安裝。

接觸器深探

接觸器是繼電器在重負荷型工業應用中的對應產品,為工廠與工業應用的標準零件。接觸器比繼電器更耐用一些,通常能輕易安裝到標準 DIN 軌道上。有些還附有安裝孔,以便透過螺栓直接將接觸器固定到平面上。接觸器用於切換高負載,例如分數馬力與多馬力多相馬達、大型加熱負載以及工業/商業照明。因此,接觸器專為容納大型高電流電線而設計。

如同繼電器線圈,接觸器線圈也具有交流電與直流電規格。以可編程邏輯控制器 (PLC) 驅動的接觸器通常具有 24 V 直流螺線管線圈,但是針對交流電線電壓 (包括 110、220、240 V 交流電) 的線圈驅動額定值也相當普遍。

如同繼電器一樣,接觸器的電磁螺線管線圈會以磁力吸引致動器或柱塞,使接觸器的一組或多組重負荷型電氣觸點之間建立實體連接。和繼電器不同的是,接觸器是以模組化的方式組裝的,因此能輕易更換螺線管線圈以改變電壓。繼電器通常並非以模組化的方式建構,因此更換繼電器的配置通常需連帶更換整個繼電器。接觸器的模組化結構亦能讓使用者修改致動觸點的陣列。

接觸器通常有許多組觸點。雖然接觸器有時僅採用高電流觸點,但有時亦可混用高低電流觸點,以同時分別切換電力與訊號電路。低電流觸點亦稱作輔助觸點。兩種觸點的差異在於高電流觸點的體積比低電流觸點大,以承載高負載電流。驅動三相馬達的接觸器可能會有三個高電流觸點,以承載馬達之電力,另有一個輔助觸點,用以透過訊號指示馬達的致動狀態。

例如,Omron Automation & SafetyJ7KNA-AR-31 24VS 接觸器具有 24 V 直流螺線管線圈與四極、單擲觸點配置 (圖 3)。觸點的額定電流為 10 A,最大切換電壓則為 600 V 交流電。Omron 的 J7KNA-AR 系列是模組化產品,並可指定許多選項,包括線圈電壓、觸點配置 (提供 4、6、8 極類型) 和安裝方法。

Omron Automation and Safety 的 J7KNA-AR-31 24VS 接觸器圖片

圖 3:Omron Automation and Safety 的 J7KNA-AR-31 24VS 接觸器具有 24 V 直流螺線管線圈與四極、單擲接觸配置。(圖片來源:Omron Automation and Safety)

隨著接觸器的機械設計不斷發展,如今接觸器能進行機械聯合,達到多重同步致動,也可進行機械鎖定,避免某個接觸器隨著附近的接觸器一同致動。

由於接觸器要處理高電流及高電壓,因此接觸器的額定載流能力若能高於必要載流能力,則可延長其運作壽命。觸點越大,其結構越紮實、鍍層越厚,致動時不會產生明顯的點蝕。

TE Connectivity Aerospace Defense and MarineEV200AAANA 就是高電流接觸器的一個例子。這款接觸器能切換 900 V 的負載並承載 500 A 的電流,或透過主電源觸點在 320 V 直流電下切斷 2000 A 負載電流。而一組輔助觸點能在 30 V 直流電下承載 2 A 電流,或在 125 V 交流電下承載 3 A 的電流。EV200AAANA 接觸器具有 12 V 直流螺線管線圈。如圖 4 所示,這款接觸器採用密封式非模組化設計。其典型應用包括電池切換和備用電池、直流電控制和電路保護。

TE Connectivity 的 EV200AAANA 密封式非模組化接觸器圖片

圖 4:TE Connectivity 的 EV200AAANA 密封式非模組化接觸器,能以 12 V 控制輸入來切換 500 A 的電流。(圖片來源:TE Connectivity)

市場上亦有適用於特定應用的特殊接觸器。舉例來說,許多工業和商業接觸器應用都需要切換具有極高湧入電流 (能將一般接觸器的觸點熔接在一起) 的照明負載。金屬鹵素照明就屬於這種負載,具有高湧入電流要求。切換式電源供應器也會產生類似的高電容負載,消耗大量的初始湧入電流。目前有結合 NTC 抗湧入型熱敏電阻的專用接觸器,此熱敏電阻會在最初限制負載所接收的電流量,避免因電流湧入而將觸點熔接在一起。在接觸器外部為電源電路增添多個高電流 NTC 抗湧入型熱敏電阻,也能達到相同的結果。

結論

只要規格正確,亦即採用適當的線圈電壓 (包括直流電與交流電) 並正確選擇觸點尺寸,繼電器與接觸器是高效率的電源切換元件。繼電器有許多種尺寸,而接觸器屬於較標準化的工業元件,尺寸較一致。要選擇使用繼電器還是接觸器需取決於要切換的負載,並需將負載的類型 (電阻式、電容式或電感式) 納入考量。

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關於作者

Steve Leibson

Steve Leibson 曾任 HP 和 Cadnetix 的系統工程師、EDN 和 Microprocessor Report 的總編輯,以及 Xilinx 和 Cadence 等的科技部落客,也曾在兩集《The Next Wave with Leonard Nimoy》電視節目中擔任技術專家。33 年來,他協助設計工程師開發更優良、更快速且更可靠的系統。

關於出版者

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