SSR 相當實用,但也請參考一下現代化的機電繼電器

是否準備設計最新專案的系統區塊?你面對許多要求,其中一個就是讓低位準 DC 電壓開啟並關閉一些電軌。沒問題。先記下控制訊號的電壓與電流驅動,還有待切換負載的規格 (一樣是電壓跟電流),然後開始挑選適合的固態繼電器 (SSR)。

但是,情況很快變得複雜。同樣的低位準 DC 訊號必須要關閉一條 AC 線路,同時又開啟另一條線路,而且還需要切換一條 48 VDC 線路。物料清單上的 SSR 數量不斷增加,而要確保可靠地驅動所有 SSR,已經成為艱鉅的任務。

此時一位老前輩走過來說:「你可能從來都沒想過,但說不定單一機電繼電器 (EMR) 就能一次解決所有問題?」這位老前輩說得對,你的確從來沒有考慮過這種方法。不過,EMR 聽起來似乎有點...過時,雖然還不到擺進博物館的地步。

奉勸你再想想。雖然 SSR 有很多眾所周知且令人欣賞的特質 (這裡不再贅述),但市面上每年還是會賣出數千萬個 EMR。雖然有些是作為更換的備用零件,但仍有很大一部份由全新設計採用。

明知背後有如此多的「包袱」,而且還有成本相當的固態產品可用時,為何設計人員還是要挑選機電裝置?原因如下:雖然從廣義來看,EMR 的功能類似 SSR,但前者具有許多獨特的特性與優點。

如同 SSR 一樣,這種繼電器的線圈及其觸點之間有數百萬歐姆的電阻路徑,可使彼此之間達到電氣隔離 (電流隔離),但 EMR 可以做到許多 SSR 做不到的事。EMR 的一些特性包括:

  • 繼電器觸點形成基本的開關閉合,且流經的電流可以是 AC 電流或 DC 電流,與線圈驅動無關;觸點電阻落在毫歐姆範圍內,因此觸點間的壓降幾乎接近零,而開路觸點電阻代表氣隙,因此達到數百萬歐姆之多。
  • EMR 完全是被動型元件,不含 LED 或光電電晶體等主動元件。這會對耐用性與可靠性有影響。這類元件具有良好的電氣與機械特性 (部份是因為其機械與熱質量),可耐受尖波、暫態及 EMI,這些狀況可能會讓 SSR 瞬間跳脫甚至損壞。大部份 EMR 的額定工作週期為數百萬次,而密封式磁簧繼電器 (EMR 的一種) 的額定週期則為數千萬次。
  • 儘管這類繼電器大多使用金屬外框,但線圈或觸點閉合都沒有接地或連接至電路公共端,因此能放在電路任何一處;但是對於具有某些電路拓撲的 SSR 而言,由於其含有主動元件,則難以做到這點。
  • 雖然基本繼電器觸點在未通電時會常開 (NO),但仍有部分標準繼電器觸點在未通電時會常關 (NC);還有許多繼電器則兩者兼具,使用 NO/NC 觸點對。
  • 這類繼電器可以是擁有多個 NO 或 NC 觸點對的多極元件;可以有三個、四個、甚至更多個獨立的 NO 與 NC 觸點,DPDT 為最常見的類型 (圖 1)。更為靈活的是,這些多重觸點不必承受相同類型及額定值的負載,這是另一項優點;有些觸點可用於低位準訊號,有些則可用於傳輸功率。

圖 1:此圖以業界標準的表示法顯示多種可用的 EMR 觸點配置 (某些配置也適用於 SSR)。(圖片來源:Wikipedia)

例如,Panasonic Electric WorksAGQ200A4HX 便是一款 PC 板表面黏著式 EMR。雖然是針對電信應用而設計,但這款元件仍可以用於其他應用。其 DPDT 觸點 (在業界術語中,表示為 2 Form C 配置) 的獨立額定值為 2 A 及 125 V (AC) 或 110 V (DC),而其線圈在 31 mA 下僅需 4.5 V (DC) (圖 2)。

圖 2:Panasonic 的 AGQ200A4HX SMT 繼電器是典型的低電壓 DC 輸入繼電器,其每一個 DPDT 觸點都可在 2 A 下切換 125 V (AC) 或 110 V (DC);同一單元可同時處理 AC 與 DC 負載。(圖片來源:Panasonic Electric Works)

  • 這類繼電器的線圈電流最低可為 10 mA 或 20 mA,最高可達數十安培,而觸點額定值最少可處理數十毫安與數伏特,最多可超出這兩個參數幾個數量級。
  • EMR 觸點與訊號無關;只要保持在電壓與電流最大額定值內,無論多個觸點間的訊號是功率訊號、數據訊號,還是兩種都有,皆無關緊要。此外,也不必完全清楚瞭解或定義負載,負載只需要在設計限制範圍內即可;當負載可能具有不確定或難以控制的特性時,這種特點特別實用。
  • 目前,最常見的 EMR 故障模式就是線圈不通電,導致 NO 觸點無法「開啟」,NC 觸點無法「關閉」;而哪一個觸點是首選或必需的,則隸屬於應用的安全性考量。相比之下,SSR 容易在輸出端發生短路故障,但這可能是無法接受的結果。
  • 市面上有稱為「閂鎖式」繼電器的標準型 EMR,即便在線圈電源斷電或故障時,這類繼電器也能維持在其通電時的觸點位置 (單獨的線圈及訊號會解除繼電器的閂鎖);在某些情況下這是很好的功能,在某些涉及安全的狀況下更為關鍵。
  • 這類繼電器的故障排除相當容易進行;只需要準備歐姆計來測量未通電線圈的連通性及 DC 電阻,然後準備一個簡單的 AC 或 DC 電源對線圈通電即可。
  • 最後一點與設計人員個人感受有關,當繼電器吸附或釋放時,EMR 會發出令人感到滿意的「喀嗒」聲。有些工程師 (包含我在內) 很喜歡聽到「喀嗒-喀嗒-喀嗒」聲響,甚至會透過這些聲音監控系統活動。

所以,下次碰到 SSR 方面的難題時,別再以為你需要使用更多或不同的 SSR 了。機電繼電器歷史悠久,問世已有 150 年左右,如今已經相當成熟且精確,因此現代化的機電繼電器,或許就是可在最佳權衡下解決難題的元件。

關於作者

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Bill Schweber 是電子產品工程師,至今已撰寫三本有關電子通訊系統的教科書,以及數百篇技術文章、評論專欄,及產品特色介紹。他曾擔任 EE Times 的多個特定主題網站的技術網站管理人,以及 EDN 的執行編輯和類比技術編輯。

在類比和混合式訊號 IC 領導廠商 Analog Devices, Inc. 任職期間,Bill 從事行銷溝通 (即公關) 職務,因此他在技術及公關職能兩個方面皆有實務經驗,能與媒體雙向交流公司產品、業務事例及傳遞訊息。

Bill 在加入 Analog 從事行銷溝通職務前,原在業界舉足輕重的技術期刊擔任副主編,也曾任職於該公司的產品行銷和應用工程團隊。在此之前,Bill 於 Instron Corp. 從事材料測試用機器控制的類比電路和電源電路設計以及系統整合。

他擁有麻薩諸塞大學電機工程碩士學位和哥倫比亞大學電機工程學士學位,為註冊專業工程師,並持有進階級業餘無線電執照。Bill 也曾就各類工程主題進行線上課程的規劃、撰寫及講授,包括 MOSFET 概論、ADC 的選擇以及驅動 LED。

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