如何挑選和套用機電繼電器，以達到多功能且可靠的訊號切換

電信和網路裝置、自動化測試設備 (ATE) 及安全裝置等應用，越來越需要可靠地對單一或多個低度至中度的 DC、AC (類比) 與無線射頻 (RF) 訊號進行切換並設定路由。機電繼電器 (EMR) 就非常適合處理這項任務。

EMR 提供傑出的開關效能並具有輸入／輸出隔離能力，並且提供多極配置，能為設計人員提供靈活性與多功能性。不僅如此，只要單一繼電器，就能在同一個裝置中支援不同的訊號類型 (AC、DC、低頻、RF)，進而增添價值。

EMR 雖有活動零件及實體觸點，但其應用歷史悠久，各項特性已一應俱全。因此，EMR 能可靠地「解決問題」，提供多年一致的表現。雖然 EMR 本身也很耐用，但設計人員必須選擇適當的繼電器 (線圈和觸點額定值)，並正確使用，以確保達到最長使命壽命。

本文將概述訊號繼電器的類型與應用。然後以 Omron Electronic Components 的產品為例，說明如何挑選和應用 EMR。

繼電器的類型與區別

EMR 是一種涵蓋多種應用專屬子類型的元件。例如，功率繼電器的觸點額定電流為 2 A 或更高，訊號繼電器則針對低於 2 A 的觸點電流而設計。

訊號繼電器可分為兩類：非 RF 訊號和 RF 訊號。雖然繼電器都有基本的連續性參數、電流和電壓處理的最大值等特性，但 RF 繼電器還有其他效能指標。其中包括：

• 隔離：即使各觸點彼此獨立，此高頻訊號仍會經由觸點間的雜散電容量洩漏。隔離的測量單位為 dB。
• 插入損耗：在高頻下，無論是因為自感、電阻和介電質損耗，還是因阻抗值不匹配而產生的反射，都會造成訊號干擾。插入損耗的測量單位也是 dB。
• 電壓駐波比 (VSWR)：當輸入訊號波和任何反射訊號之間出現結構性／破壞性干擾時，就會產生電壓駐波比。此量測值是個無單位數值，可表示最大和最小波形值的比率。

簡化物料清單

繼電器配置取決於觸點或極 (P) 的數量，以及常開 (指未通電)／常關的觸點情況 (圖 1)。觸點可常開 (NO) 或常關 (NC)。有些繼電器具有較多觸點極數，但目前最常見的是單極 (SP) 和雙極 (DP) 配置。擲 (T) 是致動器的極限位置。

圖 1：在此顯示幾種 EMR 類型的觸點配置和業界標準名稱；Form 2C 繼電器中的虛線代表兩個電樞具有不導電鏈路，當繼電器線圈接收到電流時，此鏈路會同時間移動兩個觸點。(圖片來源：Sealevel Systems, Inc.)

EMR 能支援多個極和 NO/NC 擲，因此可簡化電路、節省電路板空間、縮減物料清單 (BOM) 及降低成本。原因在於，單一繼電器就能將多條電路路徑切換至全開、全關或開關組合，具體取決於極和擲的配置。該繼電器還能切換 AC 和 DC 訊號，因此可在多條電路路徑上達到同時運作。

在某些情況下，為了替 LED 電路等輔助電路供電，EMR 還具有額外對極，以便向使用者指出，繼電器已通電並已達到理想的觸點狀態。此外，某些經驗豐富的設計人員會在僅需要單極雙擲 (SPDT) 裝置的情況下使用雙極雙擲 (DPDT) 繼電器 (在許多情況下，SPDT 和 DPDT 繼電器的覆蓋區相同)，如此一來就能多一對觸點，以便「以防萬一」，有助於解決後續設計時發現的任何問題或疏失。

Omron 的 G6J-2P-Y DC12 (圖 2) 是一款超薄 DPDT (Form 2C) 繼電器，採用 977 Ω 線圈，並以 12 V 電壓與 12.3 mA 電流驅動。請注意，此系列中的其他成員提供不同的線圈電壓／電流配對，電流最高達 24 V_DC，幾乎能與各種驅動電路或情況相容。

圖 2：G6J-2P-Y DC12 是一款超薄 DPDT 繼電器，採用 12 V、12.3 mA 線圈；其所屬系列皆採用相同的尺寸和觸點額定值，但線圈電壓／電流組合各不相同。(圖片來源：Omron)

這款迷你繼電器的尺寸僅有 5.7 × 10.6 × 9 mm，適用於高密度印刷電路板 (PCB)。G6J-2P-Y DC12 隨附通孔式端子，但同版繼電器則提供短型和長型表面黏著端子，可供最大的靈活性。此繼電器與該系列中其他所有繼電器的觸點，可額定處理高達 0.3 A (125 V_AC) 和 1 A (30 V_DC) 的電流。

繼電器與 RF

繼電器的用途不僅限於提供簡單的「乾式」觸點閉合，或處理 DC 電壓／電流和頻率較低的 AC 訊號。某些型號專為自動化測試設備 (ATE) 等超高頻應用而設計。

Omron 的 G6K-2F-RF-V DC4.5 是一款小型的表面黏著 DPDT 繼電器，可支援差動傳輸訊號切換。此繼電器尺寸為 11.7 × 7.9 × 7.1 mm，插入損耗在 8 GHz 時為 3 dB 或更低。這款繼電器還可在較高頻率下使用，如其眼圖所示，上升時間為 25 ps 時，差動訊號可達 200 mV (圖 3)。

圖 3：G6K-2F-RF-V DC 小型表面黏著 DPDT 繼電器，採用差動傳輸訊號切換技術，指定的頻率為 8 GHz 及以上，如這些訊號 (8.1、10 和 12.5 Gbit/s 訊號) 的眼圖所示。(圖片來源：Omron)

GHz 範圍的效能可歸功於本身便支援差動訊號的電氣和機械設計。如此便有助於確保達到 RF 隔離 (與電流隔離無關)、插入損耗與 VSWR 定義的理想效能 (圖 4)。

圖 4：G6K-2F-RF-V GHz 繼電器採用本質差動型設計，可緩解電路板實體佈局問題，並可將佈局對 RF 效能的有害影響降至最低。(圖片來源：Omron)

此繼電器採用進階內部佈局，不僅可簡化電路板佈局，而且無需在電路板上進行複雜的多層訊號路徑路由，進而避免 RF 效能衰退。外殼以樹脂而非金屬製成，能在檢查繼電器安裝時，避免探針引腳穿過金屬外殼時造成短路，以及電路板和零件受損的問題。

繼電器和功耗

功耗在幾乎所有電路和系統中，都是相當重要的參數。功耗定義了電源尺寸，會影響電池供電式設計的運作時間，而且相關熱量也會對散熱效能產生影響。傳統非閂鎖型繼電器可能會因此受累，因為線圈必須在繼電器需通電時全程保持通電。

基本開／關設計 (過去稱為單邊穩態) 的替代架構便能解決此問題。閂鎖型繼電器又稱為保持繼電器，一旦通電後，即使線圈電源斷開，繼電器仍會保持於原位。

閂鎖功能有幾種實作方式。G6JU-2P-Y DC3 與該系列的其他成員均採用單繞組閂鎖技術，「設定」輸入脈衝會透過附近的永久磁鐵維持工作狀態。「重置」輸入脈衝 (此輸入與上述的設定輸入極性相反) 則會讓繼電器進入非閂鎖狀態。

繼電器和可靠性

由於繼電器具有活動零件和實體電氣觸點，因此通常認為在開關幾次後，繼電器就會變得不可靠。不過，事實並非如此。

首先，在承載不同位準的 AC 與 DC 時，開啟和關閉觸點會產生不同的影響，這些影響現在已眾所周知，且繼電器規格書中也已詳細說明。只要遵守規定的條件，觸點提前磨損不應成為問題。

同樣重要的是，數十年的使用、對現場無數裝置的實際經驗、冶金研發、塑模與分析、受控式壽命測試、生產與製造的改進及其他技術因素，已將線圈和觸點的設計與製造，轉化成廣為人知、成熟精細的製程，並產生出許多元件。

繼電器耐用性與觸點及線圈的耐用性有關。線圈耐用性從標準值 40,000 小時起跳，因為當額定電壓持續施加於線圈時會產生熱量，進而導致隔離屬性下降。如果間歇使用繼電器，線圈的耐用性就會延長許多。

耐用性還有兩個衡量因素，規格書都會列出：

• 機械耐用性，即在考量到機械故障和特性後，繼電器能在空載情況下開啟和關閉觸點的次數。
• 電氣耐用性，即繼電器能在額定負載下 (例如 125 V_AC、0.3 A/30 V_DC，1 A) 開啟和關閉觸點的次數。

繼電器觸點具有不同的配置，且長期可靠性不斷提高：單觸點、雙觸點和橫桿雙觸點 (圖 5)。橫桿雙觸點的設計，可提供十分穩定的接觸電阻，並可將觸點故障的機率降至最低。G6J-2P-Y 系列成員具有雙叉式橫桿 (類似於橫桿雙觸點) 及鍍金合金的銀觸點。

圖 5：繼電器觸點經過改良和進化，從基本單一觸點演進成壽命更長的橫桿雙觸點，可提供一致的效能和穩定的接觸電阻。(圖片來源：Omron)

這些繼電器的可靠性已然眾所周知，因此適合用於任何不容停機或服務中斷的應用，或繼電器效能對該任務十分重要的應用。

結論

EMR 是現今許多系統解決問題的關鍵元件，能用來應對並解決許多訊號路徑問題。EMR 具有獨特且不可取代的訊號處理特性、完備的效能和長期可靠性。訊號繼電器可用於 DC、低頻甚至是 GHz 範圍的 RF 應用，適用性因此變得更寬廣。