螺線管基本上就是塊電磁鐵,它是利用對線圈接通電流而形成。在物理學,我們學過「右手定律」,它可決定電流在線圈中流動時磁場的方向,透過以手掌握住柱狀線圈的形式彎曲手指,當電流流出包覆的指尖時,磁場流向將流往伸出的拇指尖。

20180525TA01P1 圖1 右手定律。

在線圈內插入電樞,當線圈通電時,磁力會將電樞往外推向拇指。力的大小取決於線圈繞組的匝數,以及流經線圈的電流量。這種力被用於驅動各種負載,包括發動機啟動馬達、電動門鎖,以及移動閥門(比如在自動販賣機中看到的那種),而你所聽到的「噠(click)」聲實際上是施加磁力時電樞撞擊閥門的聲音。

實際上在螺線管動作中有兩個力:第一個是移動電樞所需的力,第二個是將電樞保持在設定位置的力。由於大多數電磁鐵都有一個彈簧一直在將電樞回拉,所以電力必須夠大以克服彈簧力,從而使電樞移動或保持在設置位置。在這些力中,保持力小於用於啟動電樞運動的初始啟動力。

最近,我就經歷了一次柴油發動機中引擎停止的事件,其原因就是由於電樞保持電流不足。用於控制燃油閥的螺線管失效,不能保持燃油閥處於打開狀態,因為沒法將閥門打開得夠大,螺線管也禁止引擎啟動。後一種故障實際上是由於螺線管和繼電器都失效的緣故,查看線束才能瞭解到失效的原因。啟動車輛時,螺線管啟動以打開燃油閥,這需要更大的動力來保持閥門打開,以維持發動機持續運轉。額外的啟動動力由繼電器接入,繼電器觸點跳火,以及與連接器一起變得更具阻性,這兩種情況的組合還導致電壓下降,並且「虛搭(hokey)」的接地系統已將螺線管上的電壓降低到不能將燃油閥拉出夠遠以啟動發動機的度,結果是啟動時燃料不足。帶藍色標記的連接器圖片(圖2頂端)顯示了連接器電磁線圈一側的三根導線:

  1. 紅色保持線;

  2. 白色電樞啟動線;

  3. 黑色地線。

20180525TA01P2 圖2 頂部照片顯示帶藍色標記的連接器,其螺線管側有三根導線。

但請注意,下方圖片中線束側的綠色保持線要細小得多。與12V時的啟動電流相比,10.7V時的保持電流設計得較低,但是,每個電流路徑都有太大壓降,從而導致啟動和運轉時出現問題,更換螺線管和繼電器可能會解決問題,減少線束中的電壓損耗可能也是解決之道。最後,地線穿過線束,這增加了額外壓降,最終解決辦法可能是採用更直接的連接路徑。

繼電器是移動一組觸點以便切換電路開關的螺線管。在汽車控制中大量使用繼電器,隨著負載的增加,電流路徑保持在本地,而不是一直連接到儀錶板下的開關和控制訊號。因此,繼電器可以利用低電平訊號來為更高的電流負載供電。

與半導體開關和相關支援元件相比,繼電器通常成本更低。繼電器也是隔離的,這意味著開關電路可以單獨的接地為參考,或者開關觸點可以執行電壓的高壓側切換。對於汽車應用,繼電器為刀片式端子提供一個通常帶有安裝位置的密封外殼,這就很容易做到隨插即用,而半導體電子電路則要求隔離、保護和安裝電路板的措施,以及半導體封裝或電路板跡線的端接等。

20180525TA01P3 圖3 包含觸點和線圈的繼電器內部。(圖片來源:Explainthatstuff.com)

除電壓隔離外,繼電器還可以切換大電流,包括驅動馬達和其他負載的大電流。因此,可能會出現開關電弧現象,特別是那些對於具有較大初始電流尖峰的容性負載,接觸不良是繼電器常見的問題,在極端情況下甚至出現觸點焊接在一起的情況。我安裝在自己卡車上的一組越野燈,有一次就發生了這種情況,我不得不開下高速公路,斷開燈泡,以避免使對面的司機花了眼或者烤焦我前面車輛司機的頭皮。

另一種形式的繼電器是磁簧繼電器(reed relay)。磁簧繼電器為軸向設計,其觸點也提供彈簧張力以創建一個開路,線圈通電後會產生一個關閉觸點的磁場。磁簧繼電器的電流比標準機電繼電器小,但開關速度更快。

20180525TA01P4 圖4 磁簧繼電器圖。(圖片來源:NI)

繼電器壽命與繼電器開合的週期數有關。觸點打開和閉合的次數越多,產生電弧的可能性就越大,這會降低繼電器的使用壽命。表1比較繼電器開關速度、預期壽命和電流承載能力。

20180525TA01P4-1 表1 繼電器類型和特性比較。(資料來源:NI)

開關繼電器曾經在汽車穩壓器應用中佔有重要地位。繼電器觸點脈衝開啟和關閉以均衡來自交流發電機的電壓,因此,許多老式汽車的車主將其交流發電機替換為更可靠的固態版本。基於繼電器的電壓穩壓器不僅不可靠,而且還需要費力的調整流程,此外,許多穩壓器外殼都是導電的金屬,必須使用橡膠密封圈將其與金屬安裝位置隔離,當墊圈變乾、破裂和老化時,穩壓器會發生短路,帶來許多麻煩。

繼電器作為負載切換的一種選擇,即便在現今的整合半導體時代也仍然有用武之地,對許多應用來說,它們仍然是可行的選擇。隨著世界的電子化,螺線管將會出現在越來越多的應用中。

(參考原文: Relays and Solenoids: Electromechanical Devices,by Scott Deuty)