电磁继电器的工作原理

电磁继电器（electromagnetic relay）是一种电子控制器件，它具有控制系统（输入回路）和被控制系统（输出回路），通常应用于自动控制电路中，它是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种开关控制方式，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁继电器的原理图符号有很多，各种EDA设计软件自带的符号也不一样，标准原理图符号如下图所示：

电磁继电器主要由触点簧片、衔铁、线圈、铁芯等部件组成，其基本结构如下图所示：

通常，我们把继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”，处于接通状态的静触点称为“常闭触点”，以上两者共用的动触点称为“公共触点”。

当线圈两端没有施加电压时，线圈没有产生磁力，弹簧的拉力使公共触点与常闭触点接触，此时被控电源与用电器没有连通，用电器负载不工作，如下图所示：

当线圈两端施加一定的电压时，线圈电流使铁芯产生磁力将衔铁吸下来，从而使公共触点与常开触点接触，从而使被控电源与用电设备连通，用电器负载开始工作，如下图所示：

这样的开关控制方式可以获得两个好处，其一是控制电路与被控电路是相互绝缘隔离的，因此，被控电路即使有高压大电流也不会影响控制系统，正如同光电耦合器隔离前后级电路的效果一致，如下图所示：

其次，控制线圈的信号可以是弱信号（如5V），而被控制电源可以是强信号（如220VAC@10A），这就是我们常说的“四两拔千斤”的道理。

电磁继电器在实际应用中，通常都会使用三极管或MOS管代替开关，以达到用电器负载的自动化控制（如通过单片机），其最基本的应用电路如下图所示：

当输入电压VI为高电平“H”时，三极管饱和导通相当于闭合的开关，继电器开始动作，其等效电路如下图所示：

当输入电压为低电平“L”时，三极管截止相当于断开的开关，线圈中没有电流而导致继电器回复初始状态，如下图所示：

那为什么要在继电器线圈上并联一个二极管呢？我们可以看看没有并联二极管时电路会出现什么情况，我们使用下图所示的电路参数仿真一下：

其中，L1相当于电磁继电器中的线圈，当开关进行闭合与断开动作时，其波形如下图所示：

当开关闭合时，电压波形还是正常的，但是当开关断开的一瞬间，电感将产生很高的电压，远远超过了电源电压值（上图中的峰值未完全显示），普通的电磁继电器使用3904或8050之类的通用三极管就完全可以驱动了，其集电极-发射极最高耐压值也就几十伏，如下图所示（来自DIODES三极管MMBT3094数据手册）：

当控制开关断开的瞬间，由于电感中的电流不能突变，将会产生上负下正极性的反向电动势，如下图所示：

这个反向电动势的峰值就非常高，三极管的集电极将承受电源电压VCC与电感反向电动势串联的高压VL（相当于升压电路），此时电路如下图所示：

这时三极管Q1集电极的承受的电压为VCC+VL，很有可能超过三极管的集电极-发射极极限电压VCEO而击穿三极管，因此，我们可以在线圈两端并联一个二极管再仿真一下，如下图所示：

其电压波形如下图所示：

开关管断开瞬间的反向电动势有了一些改善，但反向电动势还是非常高，虾米情况？其实二极管并联是没有错的，只不过型号不是很适合。普通二极管的单向导电特性取决于P型半导体与N型半导体接触形成的PN结，由于结电容的存在，反应时间并不太短，开关断开的瞬间，二极管还来不及导通，相当于没有接二极管一样。

肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，Schottky Barrier Diode，SBD）的单向导电性是由金属与半导体接触形成的，它的特点是开关速度快，我们用肖特基二极管替换后再重新仿真一下，如下图所示：

其波形如下图所示：

其实瞬间还是有一点点的反向电压，但已经控制在可以接受的范围内了。

从电磁继电器的控制原理可以看出，继电器线圈电压是没有正负之分的，因为无论是正向反向电流，产生的都是对铁的吸力（这里没有同极相斥异极相吸的说法，那是对两块磁铁而言的），当然，有些继电器可能内部加了些功能部件，比如续流二极管、指示灯之类的，这时候应该严格参考规格书进行电压极性的施加，否则将烧毁辅助元件，如下图所示：

继电器的触点相当于一个开关，因此不得不提及触点结构，我们常常说常闭、常开就是开关的类型，再结合开关的数量，可以衍生出很多继电器触点结构。

我们来看看数据手册中是怎么表达触点结构的，如下图所示：（来自Panasonic继电器AGN2004H数据手册）

其中，Arrangement即表示触点的结构，这里“2 Form C”表示该继电器内部包含有两个“C类开关”（它们由一个线圈来控制）。

继电器的触点结构通常有3种，即

◆ 常开触点（normally open）：Form A或NO（中国代号：H）

◆ 常闭触点（normally closed）：Form B或NC（中国代号：D）

◆ 转换型触点（changeover）：Form C或CO（中国代号：Z）

相应的符号如下图所示：

实际的继电器可能有多种组合方式，比如1a、1b、1c、1a1b等等，有些规格书直接也是这样来表示的，其含义与上面是完全一样的，如下图所示：（下图来自欧姆龙继电器G5V-1数据手册）

电磁继电器的触点是一个非常关键部位，也是很多工程师容易忽略的地方，在很多场合也需要添加相应的保护电路，我们下一节再详细谈谈触点的应用。