雖然繼電器(relay)運(yùn)作時(shí)耗電量大，但仍然是設(shè)計(jì)工程師百寶箱中最有用的元件之一，此弱點(diǎn)可以透過(guò)一些非靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器和專用IC來(lái)克服。fyxesmc
老實(shí)說(shuō)，我對(duì)繼電器是又愛(ài)又恨，這類機(jī)電元件(你可以認(rèn)為它們是主動(dòng)或被動(dòng)元件)是電子工程工具套件中最早問(wèn)世的元件之一；盡管現(xiàn)在已有替代元件如固態(tài)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。fyxesmc
為什么不是呢？沒(méi)錯(cuò)，繼電器是「老古董」了，或許并沒(méi)有很多菜鳥(niǎo)工程師給予它應(yīng)有的尊重或考量，但市場(chǎng)上具有規(guī)格極其廣泛、數(shù)不清的繼電器型號(hào)，這足以證明其價(jià)值。我相信繼電器每年的銷(xiāo)售量都有數(shù)百萬(wàn)顆(而且我們還沒(méi)考慮RF繼電器)。fyxesmc
讓我們面對(duì)現(xiàn)實(shí)：繼電器容易使用，尺寸也容易調(diào)整，輸入線圈和輸出觸點(diǎn)可以有完全不同的額定值(包括電流、電壓、AC和DC)；觸點(diǎn)在很大程度上是不挑訊號(hào)的；觸點(diǎn)很容易「浮動(dòng)」(未接地)；觸點(diǎn)配置可以針對(duì)具體情況而變化，包括常開(kāi)(NO)、常閉(NC)，同時(shí)NO和NC；還有多個(gè)獨(dú)立的極點(diǎn)(pole)以及各種安裝方式，以上只是幾個(gè)例子。fyxesmc
它的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是線圈驅(qū)動(dòng)側(cè)電路和觸點(diǎn)閉合側(cè)之間是絕對(duì)隔離的。簡(jiǎn)而言之，繼電器可以做很多事情，但不會(huì)出現(xiàn)令人頭痛或意外的情況。此外，如果在規(guī)格范圍內(nèi)使用，一顆高品質(zhì)繼電器具有超過(guò)百萬(wàn)次的使用壽命，還有什么不好的？fyxesmc
實(shí)際上，繼電器的確有一個(gè)缺點(diǎn)，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。作為一種基于磁場(chǎng)能量的元件，它需要電流激勵(lì)線圈，而電流就意味著耗散功率(這顯然是一種浪費(fèi))和發(fā)熱(這會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果)。fyxesmc
幸運(yùn)的是，有一些方法可以解決這個(gè)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，有鑒于此，有不少聰明人想出將電容應(yīng)用于例如RC計(jì)時(shí)電路、古老的555計(jì)時(shí)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(jià)，但還是值得的，這樣就可以擺脫過(guò)去那種簡(jiǎn)單的「通電后就放任不管」的做法，從而減少不必要的耗電。fyxesmc
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圖1：驅(qū)動(dòng)繼電器的直接而明顯的方法是施加開(kāi)/關(guān)電壓(Case 1)，但這會(huì)浪費(fèi)電；較好的方法是使用處理器驅(qū)動(dòng)的PWM訊號(hào)(Case 2)，甚至可以藉由專用IC完全控管繼電器的運(yùn)作(Case 3)。
（圖片來(lái)源：TI）fyxesmc
例如，可以采用具有可變占空比的PWM設(shè)計(jì)方案，這是降低功耗的常用技巧，如圖1 (Case 2)；隨著占空比減小，平均功耗也會(huì)降低。其中的「撇步」是不管占空比如何，要保持脈沖速率足夠高，以便繼電器的時(shí)間常數(shù)可以平均電流和合力。有鑒于繼電器是一種機(jī)電元件，產(chǎn)生如此高重復(fù)率的PWM訊號(hào)原則上不是問(wèn)題，但實(shí)際上它會(huì)給微控制器帶來(lái)負(fù)擔(dān)。fyxesmc
IC供應(yīng)商知道這一點(diǎn)，也知道繼電器是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。這就是為什么有專門(mén)針對(duì)這一應(yīng)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(fù)載(圖1的Case 3)，還允許使用者設(shè)??置初始啟動(dòng)電流、達(dá)到峰值電流的時(shí)間、保持電流和其他參數(shù)。fyxesmc
由于電路設(shè)計(jì)中不可避免的高溫問(wèn)題，對(duì)啟動(dòng)和保持電流進(jìn)行單獨(dú)控制非常重要。當(dāng)繼電器線圈由于施加電流溫度升高時(shí)，其銅繞組(copper winding)的電阻會(huì)顯著增加，如圖2所示。fyxesmc
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圖2：繼電器有一個(gè)鮮為人知的特性：像大多數(shù)情況一樣，線圈電阻隨著線圈溫度的升高而不斷增加，這會(huì)導(dǎo)致電流和磁力減小，從而引起不穩(wěn)定且意想不到的操作。
（圖片來(lái)源：TE Connectivity）fyxesmc
這反過(guò)來(lái)降低了線圈的電流，以及減少產(chǎn)生磁場(chǎng)的安培匝數(shù)(ampere-turns)。結(jié)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(méi)有吸合；也有可能在較高溫度期間保持電流太低，會(huì)無(wú)預(yù)警斷線。需要小心研究產(chǎn)品規(guī)格表并分析驅(qū)動(dòng)情況。fyxesmc
因此，不要害怕繼電器，它會(huì)是可行的解決方案──很多時(shí)候還是最好、甚至是唯一的解決方案，特別是在控制訊號(hào)和負(fù)載非常不同或需要隔離的情況下。請(qǐng)記住，既然有如此多使用中的繼電器，一定有很好的方法可以克服繼電器的最大缺點(diǎn)，也就是在吸合后需要過(guò)大且不必要的功耗來(lái)保持狀態(tài)。fyxesmc
你是否曾經(jīng)用過(guò)繼電器來(lái)解決問(wèn)題？是標(biāo)準(zhǔn)、常規(guī)的用途，還是那種「我們遇到某個(gè)問(wèn)題，而繼電器也許可以解決」的情況？fyxesmc
(參考原文：Relays Are Great, But There's No Need to Let Them Waste Power，by Bill Schweber；本文同步刊登于EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)2018年10月平面雜志)fyxesmc
