继电器基本原理.docx
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继电器基本原理
第一节继电器的定义及分类
一.继电器定义
1.继电器的定义
继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。
2.继电器的继电特性
输入量x从零连续增加达到动作值xx,输出量立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。
一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出量y将不再起变化。
当输入量x从某一大于xx值下降到xf,输出量立刻从y=ym跳跃到y=0,继电器常开触点断开（如图1）。
我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。
二.继电器分类
继电器的分类方法较多，可以按作用原理、外形尺寸、触点负载、防护特征、触点形式、产品用途等分类。
1．按作用原理分类
分类号
名称
定义
电磁继电器
由控制电流通过线圈所产生的电磁吸力驱动磁路中的可动部分而实现触点开、闭或转换功能的继电器
1
电磁继电器
直流电磁继电器
控制电流为直流的电磁继电器。
按触点负载大小分为微功率、弱功率、中功率和大功率四种。
2
交流电磁继电器
控制电流为交流的电磁继电器。
按线圈电源频率高低分50Hz和400Hz二种。
3
磁保持继电器
利用永久磁铁或具有很高剩磁特性的零件，使电磁继电器的衔铁在其线圈断电后仍能保持在线圈通电时的位置上的继电器。
4
固态继电器
固态继电器是一种能够象电磁继电器那样执行开、闭线路的功能，且其输入和输出的绝缘程度与电磁继电器相当的全固态器件。
5
混合式继电器
由电子元件和电磁继电器组合而成的继电器。
一般，输入部分由电子线路组成，起放大、整流等作用，输出部分则采用电磁继电器。
6
高频继电器
用于切换频率大于10kHz的交流线路的继电器。
7
同轴继电器
配用同轴电缆，用来切换高频、射频线路而具有最小损耗的继电器。
8
真空继电器
触点部分被密封在高真空的容器中，用来快速开、闭或转换高压、高频、射频线路用的继电器。
热继电器
利用热效应而动作的继电器。
9
热继电器
温度继电器
当外界温度达到规定要求时而动作的继电器。
10
电热式继电器
利用控制电路内的电能转变成热能，当达到规定要求时而动作的继电器。
11
光电继电器
利用光电效应而动作的继电器。
12
极化继电器
由极化磁场与控制电流通过控制线圈，所产生的磁场综合作用而动作的继电器。
继电器的动作方向取决于控制线圈中的电流方向。
13
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。
14
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。
2．按外形尺寸分类
名称
代号
定义
微型继电器
W
最长边尺寸不大于10mm的继电器
超小型继电器
C
最长边尺寸大于10mm，但不大于25mm的继电器
小型继电器
X
最长边尺寸大于25mm，但不大于50mm的继电器
3．按触点负载分类
名称
代号
定义
微功率继电器
W
小于0.2A的继电器。
弱功率继电器
R
0.2~2A的继电器。
中功率继电器
Z
2~10A的继电器。
大功率继电器
Q
10A以上继电器。
4．按防护特征分类
名称
代号
定义
密封继电器
M
采用焊接或其它方法，将触点和线圈等密封在金属罩内，其泄漏率较低的继电器
塑封继电器
F
采用封胶的方法，将触点和线圈等密封在塑料罩内，其泄漏率较高的继电器
防尘罩继电器
F
用罩壳将触点和线圈等封闭加以防护的继电器
敞开继电器
不用防护罩来保护触点和线圈等的继电器
5．按触点形式分类
名称
代号
定义
常开继电器
H
只有常开触点形式的继电器
常闭继电器
D
只有常闭触点形式的继电器
转换继电器
Z
具有转换触点形式的继电器
6．按用途分类
名称
定义
通讯继电器（包括高频继电器）
通讯设备中使用的继电器，该类继电器触点负载范围从低电平到中等电流，环境使用条件要求不高。
机床继电器
机床中使用的继电器，触点负载功率大，寿命长。
家电用继电器
家用电器中使用的继电器，要求安全性能好。
汽车继电器
汽车中使用的继电器，该类继电器切换负载功率大，抗冲击、抗振性高。
7.各类继电器的型号和规格号组成如表5所示。
分类号
名称
型号
斜线
规格
第一部分
第二部分
第三部分
第四部分
第五部分
序号
主称
外形符号
短划线
序号
防护特征
1
直流电磁继电器
W（微型）
C（超小型）
X（小型）
M（密封）
F（封闭）
/
微功率
JW
弱功率
JR
中功率
JZ
大功率
JQ
2
交流电磁继电器
JL
3
磁保持继电器
JM
4
混合式继电器
见注
5
固态继电器
JG
6
高频继电器
JP
7
同轴继电器
JPT
8
真空继电器
JPK
9
温度继电器
JU
10
电热式继电器
JE
11
光电继电器
JF
12
特种继电器
JT
13
极化继电器
JH
14
电子时间继电器
JSB
注：
混合式继电器的型号为被组合的电磁继电器型号中的外型符合之后加标字母H（混）。
8.继电器常用触点组合形式
名称
符号
字母代号
中国
美国
动合（常开）触点SPSTNO
或
H
A
动断（常闭）触点SPSTNC
D
B
先断后合转换触点SPDT（B-M）
Z
C
第二节电磁继电器工作原理、主要技术参数及试验方法
一.电磁继电器工作原理
1．通用电磁继电器工作原理
以图2所示结构为例进行说明，当线圈引出脚两端
加上电压或电流，线圈的激磁电流产生磁通，磁通
通过铁心、轭铁、衔铁和工作气隙组成的磁路，并
在工作气隙产生电磁吸力。
当激磁电流上升达到某
一值时，电磁吸力矩将克服动簧的反力矩使衔铁转
动，带动推动卡推动动簧，实现触点闭合；当激磁
电流减小到一定值时，动簧反力矩大于电磁吸力矩，
衔铁回到初始状态，触点断开。
2．磁保持继电器工作原理
如图3所示，继电器触点状态保持力是由衔铁部分中的两件磁钢产生的，磁钢产生的磁通通过右衔铁--轭铁磁极—铁心---轭铁磁极---左衔铁---磁钢形成闭合回路，在衔铁和轭铁磁极间产生吸力，如图所示，左衔铁的延伸臂通过推动块对动簧片施加推力，使动、静触点间产生足够的压力，使其能可靠载流。
图3
图4
当需要使继电器触点断开时，只需对线圈施加一个足够宽度脉冲电压,该脉冲电压产生的磁通与磁钢产生的磁通方向相反，在磁极上就会产生与磁钢相同的极性,根据磁场同性相斥原理，在衔铁和轭铁磁极间会产生推力，当磁路产生的合成力矩小于簧片的反力矩，动簧朝后运动，衔铁部分绕转轴转动，继电器会呈图4的断开状态。
如果要返回闭合状态,必须在线圈上施加一相反的脉冲,否则,继电器触点状态会永远保持下去。
二.电磁继电器技术参数的含义
1．环境温度范围
工作环境温度范围是指继电器经历的最低环境温度至最高环境温度的作用后，继电器不发生功能失效。
按照IEC标准指气候系列试验的最低、最高温度。
2．标准试验条件
塑封继电器的标准试验为：
温度：
15~35℃
相对湿度：
25%~75%
大气压力：
86~106Kpa
继电器标称电寿命等技术指标是在标准试验条件下的测试数据。
当继电器处于超出标准试验测试时，继电器的技术指标将可能会发生变化，甚至于可靠性会发生降低。
因此，继电器的使用环境条件对继电器的性能有着重大的影响。
3．振动稳定性（正弦振动）
振动稳定性是指经一种重复周期的正弦运动后，产品能维持正常工作的能力。
振动加速度值是位移与频率的函数。
对继电器在承受产品标准所规定的频率范围和加速度的作用下，继电器任何一对闭合触点的断开和断开触点的闭合的时间进行考核，一般要求触点抖动时间小于10μS或100μS。
典型试验条件为10~55Hz、1.5mm双振幅。
4．冲击强度
冲击强度是指经给定大小、波形和持续时间的连续单向力脉冲作用后，产品能维持正常工作的能力。
继电器在经受产品标准规定的加速度和次数的冲击作用后，继电器应无零件松动和机械损坏，电气参数应符合要求。
5．冲击稳定性
冲击稳定性是指经给定大小，波形和持续时间的单向力脉冲作用下，产品维持正常工作的能力。
继电器在产品标准规定的加速度和次数的冲击下，继电器的任何一对触点的抖动（即闭合触点的断开和断开触点的闭合）时间应符合规定。
触点抖动的时间的最大允许值分：
10μs、100μs、1ms。
6.绝缘电阻
继电器的绝缘电阻是指各不相连导电部分间的绝缘部分在外加一定直流电压时所呈现的电阻值。
（一般情况下，常开触点间、触点组间、触点线圈间绝缘电阻值为同一值）
7．介质耐压
继电器的介质耐压指互不相连导电部分间的绝缘部分承受规定电压而无击穿和规定漏电流的能力。
（一般情况下，常开触点间、触点组间、触点线圈间介质耐压为不同值）
8．接触电阻
在规定的测量条件下测量得到一对闭合触点间的电阻值。
无特殊要求时，使用厂家可采用24VDC（6VDC）、1A条件检测接触点电阻或用LED检测通断。
9．动作电压
继电器的所有触点从释放状态到达工作状态时所需线圈电压的最小值。
通用继电器一般规定为75%～80%额定电压。
10．释放电压
继电器的所有触点从吸合状态恢复至释放状态时所残留的线圈电压的最大值。
一般规定为5%～10%额定电压。
11．动作时间
处于释放状态（初始状态）的继电器，在规定的条件下，从施加输入激励量规定值的瞬间起到继电器切换的瞬间止的时间间隔（不含吸合回跳时间）。
一般厂家不要求检测。
12．释放时间
处于动作状态（终止状态）的继电器，在规定的条件下，从断开输入激励量规定值的瞬间起到继电器切换的瞬间止的时间间隔（不含释放回跳时间）。
一般厂家不要求检测。
13．线圈功耗
在额定电压作用下，继电器线圈所消耗的功率。
14．最大负载
（1）最大负载电流：
指继电器触点能可靠切换的最大电流。
（2）最大负载电压：
指继电器触点能可靠切换的最大电压。
（3）最大切换功率：
指继电器触点能可靠切换的最大功率。
（4）触点额定负载：
指继电器进行电寿命试验时采用的负载电压、电流值。
三.电磁继电器主要参数检测
1.吸合值、释放值
继电器的不吸动值、吸合值、保持值、释放值测试按图1所示的测试程序图进行。
该测试程序为生产单位和使用单位共同遵守的统一方法，其最大优点是测试的参数重复性好，它并不表示实际使用中继电器要先磁化，后工作。
按一般要求，交流继电器的吸合电压不大于其额定电压的85%，直流继电器的吸合电压不大于其额定电压的75%（有的为80%）。
保持电压，直流继电器通常为30%-40%额定电压，交流继电器保持电压要大些。
直流继电器的释放电压通常不小于10%额定电压，极限低温下不小于5%额定电压。
交流继电器的释放电压通常为30%左右额定电压极限低温下不小于10%的额定电压。
2.线圈电阻
线圈电阻的测量可用电压、电流法和电桥法。
用电压、电流法测量时，应尽量避免或减小电压表、电流表内阻的影响，测试过程要尽量短，以避免线圈温升。
线圈电阻对测量时的环境温度比较敏感，所以测试前1-2小时内产品要置于要测试的环境下并（最好）不对线圈施加激励。
测试数值Ra应换算成基准温度（一般为20℃）下的值，换算公式为：
Ra=R0[1+（Ta-20）]
式中：
Ta为环境温度（℃）
为电阻温度系数（铜导线的温度系数是0.004/℃）
3.接触电阻
测量动断触点接触电阻时继电器处于不激励状态；测量动合触点接触电阻时继电器处于额定激励状态。
接触电阻的测量采用电压电流表法。
测量时，加到触点上的负载（阻性）应符合表7规定。
测试部位在引出端离其根部4mm之内。
负载应在触点达稳定闭合之后施加，触点断开之前切除。
表7继电器国标规定测量接触电阻（或压降）的负载大小
应用类别
测试负载（阻性）
CA0
≤30mV，≤10mA
10mA×30mV
CA1
30mV~60V，0.01~0.1A
10mA×100mV
CA2
5~250V，0.1~1.0A
100mA×24V
CA3
5~600V，0.1~100A
1A×24V
注：
含多种应用类别时，应以最低的应用类别的要求为准。
4.绝缘性能
继电器绝缘电阻的测试一般都使用兆欧表，被测继电器应置于优质绝缘板上，测试电压应符合各产品技术要求规定，一般加电压2s之后的最小值即为被测值。
介质耐压测试时在最高电压（110%额定电压）下保持1~5s，有争议时应以额定电压保持1min为准。
5.时间参数
时间参数的测量电路如图2示所示，也可以用其他合适的电子仪器、仪表代替，但触点负载应为阻性，测动作、释放及回跳时间用10mA×6v（阻性负载），测稳定时间负载为50μA×50mV（阻性负载）。
仪器的分辩率为1μS。
测量动作时间应以额定工作电压的下限激励，测量释放时间应从额定工作电压的上限切除。
图2.测量动作和释放时间及触点回跳时间的典型电路和典型波形图
6.外形尺寸
外形尺寸检查的依据是外形图，测量引出端位置尺寸时，应在距底板3毫米范围内测量，测量时所施外力不得造成继电器的任何损伤。
若无特殊规定，第6.1~6.5条测量均在正常气候条件下进行：
温度15~35摄氏度，相对温度45%-75%，大气压力86.7~106.7Kpa.
四.电磁继电器试验简介
电磁继电器试验包括环境试验、功能试验，试验项目有40多项。
大部分项目与其它电子产品相类似，下面仅就一些重要的功能试验进行说明（参照GB/T10232-94有或无机电继电器测试程序）。
Ø温升试验
试验目的：
测定继电器线圈温升是否超过极限值。
试验方法：
在规定的温度下，将继电器放置在20×20×20cm的封闭箱体内，触点加额定负载电流，线圈加规定的激励值，当线圈达到热平衡时，测得线圈电阻，求出线圈温升。
说明：
一般情况下，环境温度为室温，线圈加额定电压。
有些厂家采用环境最高温度为测试温度，得出线圈温升较低。
有些厂家采用线圈加110%额定电压测试，得出线圈温升较高。
继电器线圈达到稳定温升时间约2小时。
Ø电寿命
试验目的：
检验继电器在规定的条件下和循环次数中的性能。
试验方法：
在标准试验条件下，触点加规定负载，线圈激励值为额定电压，以规定的负载比和通断频率进行触点开断循环，在完成10%、50%、75%、100%的规定循环次数时，检查触点的工作情况，按规定失效判据判断继电器是否达到规定的电寿命要求。
说明：
①负载比一般为50%，也可为15%、25%、40%、60%。
②通断频率一般选用600次/小时、1200次/小时、1800次/小时，国外也选用360次/小时。
③失效判据：
触点永久粘接、触点不通、吸合电压高于最大吸合电压、释放电压低于最小释放电压、绝缘电阻不良等。
Ø机械寿命
试验目的：
评定继电器在额定激励条件下，在全部扩展的循环次数内的机械性能。
试验方法：
在常温状态下，触点不加负载，线圈激励值为额定电压，以规定的通断频率进行触点开断循环，在完成10%、50%、75%、100%的规定循环次数时，检查触点的工作情况，按规定失效判据判断继电器是否达到规定的机械寿命要求。
说明：
①通断频率一般选用18000次/小时。
②失效判据：
触点不通、吸合电压高于最大吸合电压、释放电
压低于最小吸合电压、绝缘电阻不良等。
③循环次数：
一般为106次或107次。
第三节继电器选用原则
选型时可以按下述要点逐项开展分析和研究：
①外形及安装方式、安装脚位；②输入参量；③输出参量；④时间参量；⑤环境条件；⑥安全要求；⑦电磁兼容；⑧安装使用要求。
下面按上述要求分别阐述:
一.外形、安装方式、安装脚位
继电器的外形、安装方式、安装脚位形式很多，选用时必须按整机的具体要求，考虑继电器高度和安装面积、安装方式、安装脚位等。
这是选择继电器首先要考虑的问题。
一般采用以下原则：
1．满足同样负载要求的产品具有不同的外形尺寸，根据所允许的安装空间，可选用低高度或小安装面积的产品。
但体积小的产品有时在触点负载能力、灵敏度方面会受到一定限制。
2．继电器的安装方式有PC板式、快速连接式、法兰安装式、插座安装式等，其中快速连接式继电器的连接片可以是187#或250#。
对体积小、不经常更换的继电器，一般选用PC板式。
对经常更换的继电器，选用插座安装式。
对主回路电流超过20A的继电器，选用快速连接式，防止大电流通过线路板，造成线路板发热损坏。
对体积大的继电器，可选用法兰安装式，防止在冲击、振动条件下，安装脚损坏。
3．安装脚位：
一般考虑线路板布线的方便，强弱电之间的隔离。
特别应考虑安装脚位的通用性。
有些公司的产品在设计风格上较为独特，所以脚位很特别，这样的产品大部分是为特定用户设计，其它生产厂因考虑市场问题不愿开发，选用后供货较难。
三.输入参量
不同类型的电磁继电器的输入参量分为：
交流输入参量、直流输入参量、脉冲输入参量。
在选用时考虑以下参数：
1．线圈功耗
2．吸合电压、释放电压
3．不吸合电压、不释放电压（一般不要求保证，特殊情况可特殊订货）
4．线圈的最大连续通电电压。
5．线圈电阻
6．交流继电器的线圈阻抗
7．线圈温升
8．交流输入参量的频率
9．脉冲输入参量的脉宽
对各种输入参量的通用选用注意事项：
（1）线圈电阻随环境温度的变化而变化，对继电器吸动、释放电压有一定的影响，不同继电器的影响程度不同。
不考虑结构影响，70℃下的吸合电压一般比20℃下的吸合电压高20%左右。
（2）在继电器常开触点闭合后，一般要求线圈上应施加最低动作电压以上电压，不推荐使用低保持
电压，因为这样会减弱产品抗振性。
（3）长期施加在线圈上的电压值，一般应小于120%额定电压，若需达到130%额定电压及以上值时，
应与生产厂协商。
特别在高温下使用，会造成线圈温度过高，老化加速。
（4）采用开关控制继电器线圈通断时，应考虑开关触点回跳的影响。
（5）用可控硅控制交流负载继电器的线圈时，可能造成每次在负载的同一相位开断，若正好为负载
电压的峰值，继电器寿命将大大缩短。
还应避免可控硅误触发。
（6）直流继电器释放电压一般为5%～10%额定电压，交流继电器释放电压一般为10%~30%额定电压。
当线路上剩余电压过大，会造成继电器不释放。
（7）电压规格的选用应尽量采用通用规格，直流为12Vd.c.、24Vd.c.，交流为110Va.c.、220Va.c.。
（8）当继电器线圈通电一段时间后，线圈发热。
这时进行继电器触点切换动作，其吸合电压高于
态吸合电压，可能造成继电器不动作。
对各种输入参量的特殊要求说明如下：
1．交流输入参量
（1）交流频率：
交流继电器输入电压（电流）的频率一般为50HZ或60HZ。
由于二者线圈的感抗不同，吸动电压、线圈温升有明显差异。
国内厂家一般按50HZ生产，若需要使用60HZ电源，应给予声明。
（2）电流波形：
交流电压波形应尽量为正弦波，严重的波形畸变可能引起继电器线圈过热、动作电压变化及产生交流噪声。
（3）环境温度：
交流继电器由于存在涡流损耗和磁滞损耗，温升较高，一般为50℃到80℃。
工作环境温度不宜过高。
当提高环境温度时，要求漆包线及绝缘材料的耐温等级相应提高，继电器成本将大幅度上升。
（4）交流噪声：
继电器工作时，会发出交流噪声。
初始要求小于45dB（分贝），实际使用中，由于
磁极间出现砂尘等污物以及随着机械参数的变化，交流噪声会有所增大。
因定量检测较为困难，一般要求在正常环境条件下，放置距耳朵50cm处，听不到交流声。
测试的电压范围从吸合电压到110%额定电压之间。
（5）吸动电压：
交流继电器的吸动电压一般小于80%VH（额定工作电压以下同）；允许最高吸动电压＜
90%VH。
用供电电压直接激励的继电器，当供电电压波动幅度大于±10%时，将可能导致继电器的失效，国内的农村电网电压很低，应特别注意。
电压过低，吸动不可靠，会出现似吸非吸而失效；电压过高，温升上升，继电器绝缘受损而失效，以上两种情况均可能造成继电器烧毁。
（6）交流继电器吸合时的线圈阻抗小于稳定时的线圈阻抗，吸合时会产生冲击电流，在线路设计时
应给以考虑。
（7）可靠性：
一般情况下，交流继电器可靠性低于直流继电器。
2．直流输入参量
（1）选择直流继电器，突出问题是灵敏度L（线圈额定功耗）问题，L与输出功率大小、外形尺寸、
环境条件（环境温度，振动、冲击……）有关，确定继电器灵敏度应十分谨慎，不可片面强调灵敏度，而牺牲其他性能。
当对灵敏度要求不高时，可采用一般灵敏度的直流继电器；
当灵敏度要求较高，输出功率为强电，环境条件苛刻，可用固态继电器、中等灵敏度的继电器；
当要求高灵敏度（如0.2W以下）时，可选用标称灵敏度较高的继电器，或者采用混合继电器、极化继电器。
但混合继电器的价格较高，体积较大；极化继电器环境适应性较差，负载能力不高。
（2）当要求有很低的电力损耗时，可采用磁保持继电器。
它不需要连续供电，只需提供一个足够大的脉冲电压，就可以保证产品吸合，但线路设计较为麻烦，需提供正反向电压。
（3）直流线圈两端可并联续流二极管，防止过高的反向电压。
但应考虑电源极性。
（4）施加在继电器线圈上的动作电压应超过规定的吸合电压值，且为阶越电压。
低斜率的爬升电压，会造成继电器动作时间延长，甚至触点熔焊。
3．脉冲输入参量
1磁保持继电器出厂时，处于复位状态（常开触点断开，常闭触点闭合）。
由于运输等过程受到冲击作用，继电器触点可能处于置位状态（常开触点闭合，常闭触点断开）。
为避免使用时出现故障，建议在装配前进行触点状态检测，或在主回路通电前对线圈施加复位电压，保证触点状态正确。
对于便携式产品应特别注意。
2磁保持继电器的线圈驱动脉冲应足够宽。
建议取5倍动作时间以上，保证可靠动作。
3在使用双线圈磁保持继电器时，双线圈不可同时施加电压，以避免误动作。
4对单线圈磁保持继电器，其线圈不应串联续流二极管，以免续流引起继电器反向动作，驱动线路应选择有足够耐压的元件。
三、输出参量
继电器输入参量选用时应考虑以下参数：
（1）.触点组数
（2）.触点形式
（3）.触点负载
（4）.触点材料
（5）.电气寿命、机械寿命
1．触点负载
大多数继电器负载能力，只标出最大纯阻性负载，但用户实用的往往不是纯阻性负载，而是感性的、灯的、电机的或容性的负载，则触点负载大小应降额使用。
应该强调，触点故障是继电器失效的主要原因。
触点在不同负载类型、不同负载大小条件的电接触特性、失效现象及失效机理是有差别的。
下面分别进行说明：
（1）．白炽灯
由于白炽灯钨丝冷态电阻很小，接通瞬间的浪涌电流高达稳态电流15倍。
如此大的浪涌电流会使触点迅速烧蚀，甚至产生熔焊失效。
一般可串入限流电阻来减少浪涌电流。
（2）．电机负载
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