1. 继电器的作用
继电器是具有隔离功能的自动开关元件,广泛应用于遥控、遥测、通信、自动控制、机电一体化及电力电子设备中,是最重要的控制元件之一。
继电器一般都有能反映一定输入变量 (如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等) 的感应机构 (输入部分); 有对被控电路实现“通”、“断” 控制的执行机构 (输出部分); 在继电器的输入部分和输出部分之间,还有对输入量进行耦合隔离、功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构 (驱动部分)。
作为控制元件,概括起来,继电器有如下几种作用:
(1) 扩大控制范围。例如,多触点继电器控制信号达到某一定值时,可以按触点组的不同形式,同时换接、开断、接通多路电路。
(2) 放大。例如,灵敏型继电器、中间继电器等,用一个很微小的控制量,可以控制很大功率的电路。
(3) 综合信号。例如,当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时,经过比较综合,达到预定的控制效果。
(5) 自动、遥控、监测。例如,自动装置上的继电器与其他电器一起,可以组成程序控制线路,从而实现自动化运行。
2. 继电器的分类
继电器的分类方法较多,可以按作用原理、外形尺寸、保护特征、触点负载、产品用途等来分类。
(1) 按作用原理分:
①电磁继电器: 在输入电路内电流的作用下,由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器,节能功率继电器。
a.直流电磁继电器: 输入电路中的控制电流为直流的电磁继电器。
b.交流电磁继电器: 输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器。
c.磁保持继电器: 将磁钢引入磁回路,继电器线圈断电后,继电器的衔铁仍能保持在线圈通电时的状态,具有两个稳定状态。
d.极化继电器: 状态改变取决于输入激励量极性的一种直流继电器。
e.舌簧继电器: 利用密封在管内,具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来开、闭或转换线路的继电器。
f.节能功率继电器:输入电路中的控制电流为交流的电磁继电器,但它的电流大(一般30～100A),体积小,节电功能好。
②固态继电器: 输入、输出功能由电子元件完成而无机械运动部件的一种继电器。
③时间继电器: 当加上或除去输入信号时,输出部分需延时或限时到规定的时间才闭合或断开其被控线路的继电器。
④温度继电器: 当外界温度达到规定值时而动作的继电器。
⑤热继电器: 利用热效应而动作的继电器。
⑥风速继电器: 当风的速度达到一定值时,被控电路将接通或断开。
⑦加速度继电器: 当运动物体的加速度达到规定值时,被控电路将接通或断开。
⑧其他类型的继电器: 如光继电器、声继电器等。
(2) 按外形尺寸分:
①微型继电器: 最长边尺寸不大于10mm的继电器。
②超小型继电器: 最长边尺寸大于10mm,但不大于25mm的继电器。
③小型继电器: 最长边尺寸大于25mm,但不大于50mm的继电器。
(3) 按触点负载分:
①微功率继电器: 小于0.2A的继电器。
②弱功率继电器:0.2～2A的继电器。
③中功率继电器:2～10A的继电器。
④大功率继电器: 10A以上继电器。
⑤节能功率继电器:20～100A的继电器。
(4) 按防护特征分:
①密封继电器: 采用焊接或其他方法,将触点和线圈等密封在金属罩内,是泄漏率较低的继电器。
②塑封继电器: 采用封胶的方法,将触点和线圈等密封在塑料罩内,是泄漏率较高的继电器。
③防尘罩继电器: 用罩壳将触点和线圈等封闭加以防护的继电器。
④敞开继电器: 不用防护罩来保护触点和线圈等的继电器。
3. 继电器的选用
(1) 按使用环境选用: 使用环境条件主要指温度 (最大与最小)、湿度(一般指40℃下的最大相对湿度)、低气压 (使用高度1 000m以下可不考虑)、振动和冲击。此外,尚有封装方式、安装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同,继电器承受的环境力学条件各异,超过产品标准规定条件下使用时,有可能损坏继电器,应按整机的环境力学条件或高一级的条件选用。对电磁干扰或射频干扰比较敏感的装置周围,最好不要选用交流电激励的继电器。选用直流继电器要选用带线圈瞬态抑制电路的产品。那些用固态器件或电路提供激励及对尖峰信号比较敏感的地方,也要选择有瞬态抑制电路的产品。
(2) 按输入信号不同选用继电器种类: 按输入信号电、温度、时间、光信号确定选用电磁、温度、时间、光电继电器。整机供给继电器线圈是恒定的电流应选用电流继电器。若是恒定电压值则选用电压继电器。
(3) 按输入参量选用: 与用户密切相关的输入量是线圈工作电压 (或电流),而吸合电压(或电流) 则是继电器制造厂控制继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数。对用户来讲,它只是一个工作下极限参数值。控制安全系数是工作电压 (电流) /吸合电压 (电流),如果在吸合值下使用继电器,是不可靠不安全的,环境温度升高或处于振动、冲击条件下,将使继电器工作不可靠。整机设计时,不能以空载电压作为继电器工作电压依据,而应将线圈接入作为负载来计算实际电压,特别是电源内阻大时更是如此。当用三极管作为开关元件控制线圈通断时,三极管必须处于开关状态,对DC6V以下工作电压的继电器来讲,还应扣除三极管饱和压降。当然,并非工作值加得愈高愈好,超过额定工作值太高会增加衔铁的冲击磨损,增加触点回跳次数,缩短电气寿命,一般,工作值为吸合值的1.5倍,工作值的误差一般为±10%。
(4) 按负载情况选择继电器触点的种类和容量: 触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际情况确定。动合触点组和转换触点组中的动合触点对,由于接通时触点回跳次数少和触点烧蚀后补偿量大,其负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换触点组中的动断触点对要高,整机线路可对触点位置适当调整,尽量多用动合触点。
根据负载容量大小和负载性质 (阻性、感性、容性、灯载及电动机负载) 确定参数十分重要。一般说,继电器切换负荷在额定电压下,电流大于100mA、小于额定电流的75%最好。电流小于100mA会使触点积炭增加,可靠性下降,故100mA称作试验电流,是国内外专业标准对继电器生产厂工艺条件和水平的考核内容。由于一般继电器不具备低负载切换能力,用于切换50mV、50μA以下负荷的继电器,用户须注明,必要时应请继电器生产厂协助选型。
继电器的触点额定负载与寿命是指在额定电压、电流下,负载为阻性的动作次数,当超出额定电压时,可参照触点负载曲线选用。当负载性质改变时,其触点负载能力将发生变化。在切换不同步的单相交流负载时,会存在相位差,所以触点额定值应为负载电流的4倍,额定电压为负载电压的2倍。
(5) 常用热继电器的选用: 选用热继电器时,安秒特性应位于电动机过载特性之下,并尽可能接近。
①保护长期工作或间断长期工作的电动机:
a.保证电动机能起动: 选取6Ie下具有相应可返回时间的热继电器; 动作时间通常应>5s。
b.选热继电器整定值为 (0.95～1.05)Ie
c.选用带断相保护的热继电器,即型号后面有D、T系列或3UA系列。
②保护反复短时工作制的电动机时热继电器的选用: 使用热继电器时仅有一定范围的适应性。当电动机启动电流倍数为6Ie,启动时间为1s、满载工作、通电持续率为60%时,每小时允许操作数不能超过40次。如操作频率过高,可选用带速饱和电流互感器的热继电器,或者不用热继电器保护而选用电流继电器。
③特殊工作制电动机保护: 正反转及频繁通断工作的电动机不宜采用热继电器来保护。较理想的方法是用埋入绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。
(6) 常用电磁式继电器的选用: 电磁式继电器的选择主要考虑触点负载切换能力、环境应力条件和物理性能参数等方面。
①选择线圈电源电压: 首先应注意线圈电源电压是交流还是直流,继电器的额定工作电压一般应小于或等于其控制电路的工作电压。
②选择线圈的额定工作电流: 用晶体管或集成电路驱动的直流电磁继电器,其线圈额定工作电流 (一般为吸合电流的2倍) 应在驱动电路的输出电流范围之内。
③选择接点类型及接点负荷: 同一种型号的继电器通常有多种接点的形式可供选用 (电磁继电器有单组接点、双组接点、多组接点及常开式接点、常闭式接点等),应选用适合应用电路的接点类型。所选继电器的接点负荷应高于其接点所控制电路的最高电压和最大电流,否则会烧毁继电器接点。
④选择合适的体积: 继电器体积的大小通常与继电器接点负荷的大小有关,选用多大体积的继电器,还应根据应用电路的要求而定。
(7) 常用电动机保护继电器的选用:
①选择规格: 根据所需保护电动机的额定电流选择相应规格的电动机保护器。在特殊情况下,大规格电动机保护器可用增加穿过保护器匝数的方法,应用在小功率电动机上; 小规格电动机保护器可通过安装于电流互感器二次侧的方法,应用于大功率电动机。
②选择起动时间: 对一些大惯量、重负荷起动的设备(如风机),宜选用起动时间20s的电动机保护器; 对一些小惯量、轻负荷起动及允许过载时间短。
4. 继电器的安装
(1) 引出端保护:将继电器焊接在印制电路板上使用时,印制板的孔距要正确,孔径不能太小。当必须扳动引出端时,应首先将引出端靠底板3mm处固定再扳动和扭转。直径≥0.8mm的引出端不允许扳动和扭转。继电器底板与印制板之间应有大于0.3mm的间隙,这可保护引出端根部不受外力损伤,也便于焊后清洗时清洗液的流出和挥发。焊孔式和焊钩式引出端在焊接引线和焊下引线过程中都不能使劲绞导线、拉导线,以免造成引出端松动。对螺孔和螺栓引出端,安装时其扭矩应小于表1-81的值。如安装时继电器不慎掉落在地,由于受强冲击,内部可能受损,应隔离、检验确认合格后才能使用。
表1-81 螺孔和螺栓引出端的扭矩/N·m
| 螺栓规格 | M2. 5 | M3.0 | M3. 5 | M4. 0 | M5. 0 | M6. 0 | |
| 接线用 | 有头 | 0. 40 | 0. 50 | 0. 80 | 1.20 | 2. 00 | 2. 5 |
| 沉头 | 0. 20 | 0. 25 | 0. 40 | 0. 70 | 0. 8 | — | |
| 作引出端用 | 0. 40 | 0. 50 | 1.14 | 2. 28 | 4. 00 | 8. 00 | |
| 作安装件用 | — | 1.00 | 2. 00 | 4. 20 | — | — | |
焊接与清洗: 继电器引出端的焊接应使用中性松香焊剂,不应使用酸性焊剂,焊接后应及时清洗、烘干。焊接用电路铁以30 ～60W为宜,烙铁顶端温度280 ～330℃为好,焊接时间应不大于3s。自动焊接时,焊料温度260℃,焊接时间不大于5s。非密封继电器在焊接和清洗过程中,切勿让焊剂、清洗液污染继电器内部结构,而密封继电器和可清洗式塑封继电器可进行整体浸洗。
(3) 防止振动放大: 对有抗振要求的继电器,合理选择安装方式可避免或减少振动放大,最好是将继电器安装成使继电器受到的冲击和振动的方向,与继电器衔铁的运动方向相垂直,尽量避免选用顶部螺钉安装或顶部支架安装的继电器。
(4) 多只继电器集中安装方法: 多只继电器密集安装于同一印制板或同一机架,它们可以产生反常的高热,无磁屏蔽罩子的继电器还可能因受磁干扰而动作失误,这可以通过合理设计各继电器之间的安装间隙,或把其他元器件安装到各只继电器中间 (但不得是强发热和产生强磁场的元件以及怕热和磁干扰的元器件) 来解决。