雖然繼電器(relay)運作時耗電量大,但仍然是設計工程師百寶箱中最有用的元件之一,此弱點可以透過一些非靜態驅動器和專用IC來克服。

老實說,我對繼電器是又愛又恨,這類機電元件(你可以認為它們是主動或被動元件)是電子工程工具套件中最早問世的元件之一;儘管現在已有替代元件如固態繼電器(SSR)和光耦合器(光隔離器),能在某些情況下取代繼電器,但在許多情況下,繼電器仍然是最佳或唯一的解決方案。

為什麼不是呢?沒錯,繼電器是「老古董」了,或許並沒有很多菜鳥工程師給予它應有的尊重或考量,但市場上具有規格極其廣泛、數不清的繼電器型號,這足以證明其價值。我相信繼電器每年的銷售量都有數百萬顆(而且我們還沒考慮RF繼電器)。

讓我們面對現實:繼電器容易使用,尺寸也容易調整,輸入線圈和輸出觸點可以有完全不同的額定值(包括電流、電壓、AC和DC);觸點在很大程度上是不挑訊號的;觸點很容易「浮動」(未接地);觸點配置可以針對具體情況而變化,包括常開(NO)、常閉(NC),同時NO和NC;還有多個獨立的極點(pole)以及各種安裝方式,以上只是幾個例子。

它的另一個主要優點是線圈驅動側電路和觸點閉合側之間是絕對隔離的。簡而言之,繼電器可以做很多事情,但不會出現令人頭痛或意外的情況。此外,如果在規格範圍內使用,一顆高品質繼電器具有超過百萬次的使用壽命,還有什麼不好的?

實際上,繼電器的確有一個缺點,就是其固有的物理缺陷:耗電量大──它的「近親」螺線管(solenoid)也有這種缺陷。作為一種基於磁場能量的元件,它需要電流激勵線圈,而電流就意味著耗散功率(這顯然是一種浪費)和發熱(這會產生嚴重的後果)。

幸運的是,有一些方法可以解決這個難題。首先,我們要知道繼電器的「保持」(hold)電流通常約為其吸合(pull-in)電流的一半,有鑑於此,有不少聰明人想出將電容應用於例如RC計時電路、古老的555計時器等其他電路中,將繼電器電流從其較高的吸合值切換到較低的保持值。雖然這些解決方案得付出一些代價,但還是值得的,這樣就可以擺脫過去那種簡單的「通電後就放任不管」的做法,從而減少不必要的耗電。

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圖1:驅動繼電器的直接而明顯的方法是施加開/關電壓(Case 1),但這會浪費電;較好的方法是使用處理器驅動的PWM訊號(Case 2),甚至可以藉由專用IC完全控管繼電器的運作(Case 3)。
(圖片來源:TI)

例如,可以採用具有可變佔空比的PWM設計方案,這是降低功耗的常用技巧,如圖1 (Case 2);隨著佔空比減小,平均功耗也會降低。其中的「撇步」是不管佔空比如何,要保持脈衝速率足夠高,以便繼電器的時間常數可以平均電流和合力。有鑑於繼電器是一種機電元件,產生如此高重複率的PWM訊號原則上不是問題,但實際上它會給微控制器帶來負擔。

IC供應商知道這一點,也知道繼電器是一個很好的機會。這就是為什麼有專門針對這一應用的IC,例如德州儀器(TI)的DRV110 PWM電流控制器,可以減輕微控制器的負載(圖1的Case 3),還允許使用者設置初始啟動電流、達到峰值電流的時間、保持電流和其他參數。

由於電路設計中不可避免的高溫問題,對啟動和保持電流進行單獨控制非常重要。當繼電器線圈由於施加電流溫度升高時,其銅繞組(copper winding)的電阻會顯著增加,如圖2所示。

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圖2:繼電器有一個鮮為人知的特性:像大多數情況一樣,線圈電阻隨著線圈溫度的升高而不斷增加,這會導致電流和磁力減小,從而引起不穩定且意想不到的操作。
(圖片來源:TE Connectivity)

這反過來降低了線圈的電流,以及減少產生磁場的安培匝數(ampere-turns)。結果則可能是繼電器線圈接收不到足夠的吸合電流,只是「輕輕」吸合或是根本沒有吸合;也有可能在較高溫度期間保持電流太低,會無預警斷線。需要小心研究產品規格表並分析驅動情況。

因此,不要害怕繼電器,它會是可行的解決方案──很多時候還是最好、甚至是唯一的解決方案,特別是在控制訊號和負載非常不同或需要隔離的情況下...

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本文同步刊登於EDN電子技術設計2018年10月平面雜誌;責編:Judith Cheng