继电器是一种电控制开关器件,其本质是利用小电流去控制大电流的一种“自动开关”,或者说利用弱电去控制强电的一种控制方式。继电器可分为传统的电磁继电器和固态继电器。
电磁继电器的工作原理传统的电磁继电器基本结构如图1所示,通常由电磁铁、衔铁、弹簧、触点(其中触点又分为静触点和动触点)四部分组成。当控制电路通电时,即给线圈两端加上一定的电压,线圈会产生一定的电流,因电磁效应电磁铁会产生一定的吸力从而使衔铁在克服弹簧的拉力作用下工作,触点吸合,工作电路导通;当线圈两端的电压消失时,弹簧因形变产生的恢复应力使触点断开,工作电路关断。因此,电磁继电器通过控制触点的吸合和释放来控制工作回路的开通和关断。
需要注意的是,这个关断过程是在物理层面上的关断,在关断过后,因工作回路中在“物理”上不导通,即无法形成闭合的电源回路,不会产生漏电流。另外在触点吸合的过程中,动触点和静触点之间的内阻几乎可以忽略不计,工作回路不会因为继电器导通而产生压降,同时继电器也不会因为自身导通产生较大的热量。
图1.电磁继电器结构图
固态继电器的工作原理固态继电器(Solid State Relay,因此又称为SSR)是一种由固态电子元器件组成的新型无触点式继电器。固态继电器的开关功能通常依靠光耦、MOS管、IGBT、晶体三极管等开关元器件实现。固态继电器的本质其实就是一种具有开关性质的集成电路。固态继电器的结构如图2所示。外界给定的输入信号(高电平或者低电平)经触发电路后,控制开关元器件的通断来实现工作回路的开通与关断。
图2.固态继电器结构图
开关元器件以常见的MOS管为例。固态继电器在通过MOS管关断工作电路时,并不是物理层面上的关断,MOS管在关断时依旧会产生微小的漏电流。并且MOS管在导通过程中会产生一定的正向导通压降,这部分损耗的电能会转化成热量,通常固态继电器需要考虑更好的散热方式。这也就是市面上的固态继电器产品外壳会考虑金属材质的原因。
因为市场上很多智能MOS管的出现,固态继电器通常带有过压保护、过流保护、过温保护等更多自我检测和自我保护功能。这便是固态继电器相对于电磁继电器的优势之一。另外开关元器件的通断明显比触点吸合和释放这种物理形式的开通与关断速度快,快速转换、灵敏性高也是固态继电器一大特点。
总结电磁继电器:
- 驱动方式简单,能实现工作回路完全断开,隔离性好;
- 切换速度慢,触点在闭合时容易产生电火花,触点闭合时有声音;
- 触点容易氧化,(与固态继电器相比)使用寿命短;
- 继电器功能容易受到外界电磁干扰。
- 电磁继电器的吸合时间基本上都在5ms至30ms的范围内,大部分都在10ms左右。响应速度慢于固态继电器。
固态继电器:
- 固态继电器的切换速度小于500微秒(0.5ms),响应速度远快于电磁继电器。切换速度快,响应速度快,不存在传统继电器有噪音、会产生电火花、容易受电磁干扰等缺点;
- 部分固态继电器会集成检测和保护功能,可靠性高,使用寿命长;
- 隔离性差,工作回路会产生漏电流,存在正向压差,需要考虑器件散热。