如何選擇正確的繼電器

繼電器依形狀大小、樣式以及技術的不同可以分為很多種。視您的應用而定，有時可能只有一種繼電器種類是合適的，而在其他情形下可能必須使用多種形式的繼電器。若能了解不同種類繼電器的優點和缺點，您就可以選出最適合您手頭上工作的繼電器。 注意：雖然本文的結論多數都適用於各種繼電器應用上，但這裡我們討論的應用在自動測試設備中的切換模組所需要的繼電器，我們將特別指出選擇這種應用中的繼電器應考慮的因素。我們會針對那些在典型切換模組中找得到的、具有相近額定電壓、電流以及功率的繼電器進行比較。 在自動測試設備中最常見到的繼電器有：
 *機電複合式繼電器
 *磁簧繼電器
 *固態繼電器
 *場效電晶體開關
接下來我們會分別解釋這些繼電器的操作原理，並明確指出他們的優缺點各在那裡。

機電複合式繼電器

機電複合式繼電器可能是當今自動測試設備中最常使用的繼電器種類。這種繼電器是由線圈、電樞以及觸點所構成。當施加能量在線圈上，感應生成的磁場會帶動電樞去開啟或關閉觸點。見圖一。

圖一、機電複合式繼電器：電流流經線圈而產生磁場，進而帶動電樞在觸點間轉動

機電複合式繼電器適用於各式各樣的訊號：從低電壓／電流到高電壓／電流、從直流到十億赫茲的頻率範圍。因此，您幾乎總是可以找到與您系統訊號特性相符合的機電複合式繼電器。繼電器中的驅動電路在電性上是與繼電器觸點絕緣的，而觸點本身又與其他觸點絕緣，因此機電複合式繼電器相當適合於強調絕緣的應用。

機電複合式繼電器上的觸點一般來說都比其他種類的大而耐用。較大的觸點可以承受突如其來的電流竄升，這樣的突升可能來自於您的電路、電纜等器材上的寄生電容。然而，較大的觸點也意味著需要用較大的封裝，才不會使其在切換模組上的排列過於緊密。

機電複合式繼電器的機械特性使其在切換能力上有很大的彈性，但是這樣一來也造成了一個很重要的限制：操作速度。與其他種類繼電器比較起來，機電複合式繼電器相對上是比較遲緩的裝置──典型的切換和穩定時間為5到15毫秒，這樣的操作速度對某些應用來說可能不太夠。

機電複合式繼電器的機械壽命一般來說也比其他種類的來得短。技術的改進當然延長了其機械壽命，但機電複合式繼電器仍然無法和同規格的磁簧繼電器一樣擁有那麼多的驅動點。和其他繼電器一樣，切換功率以及其他系統考量將大大影響到整個繼電器系統的壽命。事實上，一個機電複合式繼電器的機械壽命也許會比磁簧繼電器來得短，但在同樣負載下（特別是電容負載），其電氣特性會比磁簧繼電器來得衰退得慢。機電複合式繼電器那較大、較堅固的觸點也往往能比相同規格的磁簧繼電器來得長命。

機電複合式繼電器又分成閂鎖式以及非閂鎖式的。非閂鎖式的繼電器必須要有連續電流流經線圈才能維持其持續被驅動，因此常被採用在當停電時繼電器必須切回安全模式的系統上。閂鎖式繼電器採用永久磁鐵，因此在電流消失時電樞仍會固定在其最後的位置。閂鎖式繼電器在低電壓應用上頗受歡迎，因為其線圈不會有加熱的問題，因而大幅降低了可能會導致量測誤差的電動勢。

機電複合式繼電器被廣泛應用在各種不同切換模組中。其強韌度使他們適用於許多不同應用，特別是當切換速度不是重點時。而他們的多用途性意謂著您可以將他們使用在各種切換架構，包括泛用、多工器以及矩陣。採用機電複合式繼電器的切換模組包括了NI-PXI-2566、NI-PXI-2529以及NI-PXI-2593等。

磁簧繼電器

磁簧繼電器和機電複合式繼電器一樣，都有以機械方式驅動的實體觸點，然而在磁簧繼電器中觸點的尺寸要小了很多。乾式磁簧繼電器是由線圈外面圍繞著磁簧開關所構成，磁簧開關包含了兩個交疊的磁鐵刀片（稱為磁簧）密封在一個填充以惰氣的玻璃囊中。這兩片磁簧在其交疊觸有觸點，當線圈有電流流過，這兩個磁簧就會被拉在一起，而他們的觸點就會形成一個完整的迴路。當線圈的電流被移除，彈簧力就會將磁簧再度分開。見圖二。

圖二、乾式磁簧繼電器：電流流經線圈而產生磁場，進而將兩個磁簧的觸點拉在一起。

由於觸點較小以及驅動方式不同，磁簧繼電器大約可以操作在十倍於同等級機電複合式繼電器的切換頻率。磁簧繼電器的機械壽命也遠較機電複合式繼電器的來得長很多。但其缺點是由於觸點較小，所以在關閉迴路時觸點很容易因電弧作用而受到破壞：當電弧跨越觸點時，可能會融化觸點的部分表面，如果融化的部分再度硬化時觸點還沒分開，兩個觸點就會被焊接在一起；而磁簧本身的彈簧力往往不足以打破這個焊接狀態，繼電器因此失去作用。機電複合式繼電器也有可能受到電弧作用影響，但必須是更高能量的電弧作用才會受到破壞。

另外，由於磁簧繼電器的觸點很容易毀損，系統電容造成的電流湧入就很危險。電流湧入現象可透過在繼電器和電容間串聯一個阻抗（電阻或磁阻）來加以控制。特別要注意的是，系統中的任何電容──不論是待測的電抗性元件或者絕緣電纜的電容──都可能造成電流湧入。

由於構成磁簧繼電器的是鐵磁材料，因此其熱電動勢會比相同規格的機電複合式繼電器來得高。故磁簧繼電器不適合低電壓應用，因為這樣的應用中其熱電動勢所貢獻的雜訊會將你真正想量測的訊號給掩蓋掉。

由於享有體積小、高速的優勢，磁簧繼電器在許多開關應用上仍是最佳選擇。磁簧繼電器大多用在矩陣或多工器模組上而非泛用型模組上。可以客製設定為多工器或矩陣的高速切換模組NI-PXI-2530就是一個很好的例子。

固態繼電器(SSR)

固態繼電器使用一個感光性金氧半場效電晶體加上一個發光二極體去驅動裝置。見圖三。

圖三、固態繼電器：發光二極體發出的光線驅動感光性金氧半場效電晶體，使電流流經後者

固態繼電器在操作速度上比機電複合式繼電器來得快，因為其切換時間是取決於將發光二極體打開和關上所需要的時間──各約需1毫秒和0.5毫秒。由於沒有機械構造，其壽命長於機電複合式繼電器以及磁簧繼電器。

固態繼電器很適合用在高電壓應用上，此乃因為發光二極體的驅動方式自然地將控制電路和金氧半場效電晶體絕緣開來。然而，由於金氧半場效電晶體負責切換開關，其觸點間自然沒有辦法絕緣。當電晶體的閘端沒有驅動電壓時，汲極和源極間的通道會呈現高阻抗的狀態，以此來隔絕兩個觸點。

由於其連結是透過一個電晶體，而非如機電複合式繼電器和磁簧繼電器中的實體金屬接觸，固態繼電器的接觸電阻自然比較高。雖然隨著技術的進步這個規格一直在改善，現今製程中電阻超過100歐姆的繼電器仍然很普遍。

固態繼電器並不如機電複合式繼電器那樣堅固。他們比較像磁簧繼電器，很容易受到電流突升的損壞，特別是在超過其訊號水平以上的狀態操作時。雖然沒有任何會融化的金屬觸點，如果電晶體遭到破壞，那麼繼電器也就失去作用了。

固態繼電器常用在矩陣和多工器上。NI SCXI-1163R和NI-SCXI-1128都是應用在多工器和高壓多工／矩陣模組的固態繼電器開關。

場效電晶體開關

如同固態繼電器一般，場效電晶體開關並非機械裝置。場效電晶體開關採用一系列串聯的金氧半電晶體來實現開關的功能。與固態繼電器不同的地方在於，這種開關中控制電路直接驅動電晶體的閘級，而非透過發光二極體。直接推動電晶體閘級可以達成更快的切換速度，因為這樣一來就不再受發光二極體的開啟與關閉時間影響。大致上來說，場效電晶體開關是我們在此討論的開關中速度最快的一種。同時，由於其封裝內無機械結構或發光二極體，場效電晶體開關的體積可以做到非常小。然而其主要的缺點在於缺乏一個實體的絕緣屏障，因此只能用在低壓訊號上。

由於此種開關也是由場效電晶體構成，其與固態繼電器有許多類似的優點和缺點。舉例來說，他們有非常長的壽命，但電阻也較機電複合式或者磁簧式的繼電器高很多。

場效電晶體開關通常用在高速、低壓訊號的多工器組態。NI-PXI-2501就是一個場效電晶體開關模組。

結語

機電複合式繼電器提供了通用的解決方案，然而他們在封裝尺寸、切換速度和機械壽命上受到限制。磁簧繼電器在封裝尺寸、密度和切換速度有所改善，但在電流會突升的環境中較為不堅固。固態繼電器是機械繼電器以外的一個不錯的選擇，但是電阻較高，而且無法完全觸點間無法完全絕緣。場效電晶體提供了一個高速、低成本的解決方案，但其諸多限制使其只能侷限在低壓的應用上。

不論是那一種應用，在決定採用那一種繼電器前您都必須考慮所有的系統參數。參考我們在這裡為您整理好的資訊將有助於您決定適合您的應用的繼電器。

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