有趣的機電繼電器

作者 : Rick Curl

所有步進開關的老祖宗都是 Strowger開關,傳說這是因為 Strowger於1861年發明了自動電話交換機,以防止競爭對手搶生意…

本文對磁簧繼電器、水銀位移繼電器、接觸器、極性繼電器、閂鎖繼電器、T型繼電器、延遲繼電器和步進繼電器等有趣的機電繼電器進行了介紹。

磁簧繼電器

我們之前討論過的所有繼電器線圈中間都有一個鐵芯。沒有鐵芯的繼電器是磁簧繼電器(Reed Relay),它有一個或多個觸點,通常密封在真空的玻璃管中,而且可能填充著惰性氣體防止氧化。

可動觸點並不像其他類型的繼電器那樣具有一個鉸鏈;相反地,它是一整塊金屬片,上面有一個薄薄的點,使其在置於磁場中可以彎曲。在某些情況下,包含觸點的管子放置在一個線圈中,為線圈通電會導致其中一個觸點彎曲並與另一個觸點連接或斷開。在其他情況下,使用安裝在外部的固定磁鐵;例如,在一個簡單的「開/關門」檢測器應用中,磁鐵可能安裝在門上,磁簧繼電器則安裝在門框上。

磁簧繼電器。(圖片來源:Wikimedia Commons

磁簧繼電器無法承載大量電流,但它們外形很小,可以非常快速地運行,而且比傳統繼電器的接觸抖動小得多。有些磁簧繼電器在觸點中添加了少量的水銀,稱為「水銀潤濕」(mercury wetting),這幾乎完全消除了接觸抖動。

水銀繼電器

水銀(位移)繼電器(mercury displacement relay)是最不常用的繼電器類型之一,它有一個真空玻璃管,其中包含兩個固定觸點、一個水銀腔、一個可移動的小鐵「塊」(通常是一塊空心鐵片)和一個圍繞玻璃管的線圈。對於常開(NO)配置,一個觸點位於玻璃管的底部,另一個觸點則位於水銀腔上方玻璃管的側面。小鐵塊浮在接近水銀頂部的地方。當線圈被啟動時會拉動,小鐵塊便向下沉入水銀腔中。這會使水銀上移到頂部觸點上方,從而關閉電路。

水銀位移繼電器。(圖片來源:Douglas W. JonesWikimedia Commons

水銀繼電器(也稱為水銀接觸器)可以處理大量電流,幾乎沒有接觸抖動。它用交流電(AC)或直流電(DC)都可以很好地工作,但由於水銀的重量和體積,其速度很慢。水銀觸點是「自行更新的」,因此對過載和電弧的耐受力非常好。由於水銀有劇毒,因此水銀位移繼電器變得非常罕見。

接觸器

「繼電器」一詞和「接觸器」(contactor)通常可以互換。接觸器是指更大的繼電器,一般在更高的電壓下用於啟動大型馬達或開關加熱元件。

接觸器。(圖片來源:Wikimedia Commons

接觸器通常只有常開(NO)觸點。上圖中顯示有四個這樣的觸點,更常見的是兩個觸點(用於切換240V單相電路的兩個橋臂)或三個觸點(用於切換三相電路)。有時候接觸器的側面有一個小的輔助開關,通常用來檢驗接觸器是否已經在運作。相較於大多數的較小繼電器,接觸器如果發生故障,通常可以更換觸點或線圈。

極性繼電器

極性繼電器(polar relay)最初用於軍中的電傳打字機。真空管解調器電路將進入的載波頻率解碼為「標記」(mark)和「空隙」(space)訊號。

極性繼電器。(圖片來源:PRC68.com

當未檢測到載波訊號時,電樞位於中間而不接觸任何一側;而當檢測到載波訊號時,如果是「標記」訊號,電樞將接觸左觸點;如果是「空隙」訊號,則將接觸右觸點。這最終可驅動電傳打字機中的螺線管,將傳入的文本訊息列印出來。

這種繼電器的工作原理是將永磁體的磁場施加到電樞上。線圈產生的磁場會吸引或排斥電樞,而將觸點移動到一側或另一側。

閂鎖繼電器

閂鎖繼電器(latching relay;自鎖繼電器)上的觸點將保持在最後的轉換位置,即使在線圈的電壓消除後也是如此。實現閂鎖繼電器的方式有很多種。下圖顯示的閂鎖繼電器有一個機械固定電樞,用於控制建築物照明。它有一個打開觸點的線圈以及一個閉合觸點的線圈。在此特定繼電器上線圈的額定電壓為24V AC,而在277V AC時,觸點的額定電流為20安培。

閂鎖繼電器。(圖片來源:Rick Curl

有些閂鎖繼電器採用棘輪和棘爪機制,因此每次給線圈通脈衝時,觸點都會改變狀態。這些被稱為「交替式」繼電器。

閂鎖繼電器也可以設計為使用小型永磁體來保持觸點狀態(而不是用電)。這種繼電器可以有一個或兩個線圈,其中單線圈繼電器需要極性反轉來改變觸點狀態。閂鎖繼電器的優點之一是可以節省大量電力,因而常用於需要電池供電的裝置。

T型繼電器

如果一次需要進行很多切換怎麼辦?好吧,這時就需要T型繼電器(T-bar relay)了。

T型繼電器。(圖片來源:T-Bar Inc.

T型繼電器妙在其觸點。每個繼電器由一個線圈和多個稱為‘wafer’的觸點組件組成,其中每個‘wafer’都帶有12個單刀雙擲觸點。

延遲繼電器

最初的時間延遲繼電器(time delay relay)是在一個管中使用活塞,管的末端有一個小孔。活塞連接到電樞上,透過調整孔口的大小,就可以調整延遲的時間。

延遲繼電器。(圖片來源:Wikimedia Commons

如今,幾乎每個延遲繼電器都使用小型固態電路(可能是微控制器)來實現延遲。延遲繼電器具有延遲開啟(Delay-On)、延遲關閉(Delay-Off)和重複(Repeat Cycle)功能。大多數的機械延遲繼電器都安裝在底部帶有連接器的模組中,因此可以輕鬆更換。

步進繼電器

說起步進繼電器,別讓我開始——因為一旦開始講步進繼電器,我可以不停地說上好幾天。最簡單的是,步進繼電器採用了棘輪和棘爪機制,可以透過多個觸點位置「步進」旋轉開關。小的步進開關有單極和8個位置;較大的開關可能有多達8個極、24個位置。

這張圖是我厚著臉皮從David Ashton那裡偷來的。

所有步進開關的老祖宗都是Strowger開關,它可以進行2D操作,能夠垂直步進到10個位置中的1個,然後水平旋轉到10個位中的1個,這意味著總共有一百個位置。其中一些繼電器有多達6個極,乘以100個位置,表示一個繼電器連接了600多根電線!

Strowger開關用於早期的電話交換機,它還有一段有趣的歷史。Strowger開關的發明者Almon Strowger是一家殯儀館的老闆。另一家殯儀館老闆的妻子恰好是當地電話公司的接線員之一,每當有人撥打轉接電話要求與殯儀館聯繫時,據說她總是把電話轉給她丈夫。於是,Strowger於1861年發明了自動電話交換機,以防止接線員把業務電話轉給他的競爭對手。嘿—這可不是我瞎編的!

編譯:Jenny Liao,EDN China

(參考原文:Interesting Flavors of Electromechanical Relays,by Rick Curl)

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