功率繼電器 - 瞭解基礎知識

繼電器基本上的作用就是開關，可控制電路中其他開關的操作。採用低功率輸入訊號，對更高功率的電路施加命令。繼電器的低功率訊號啟動時會觸發電磁鐵通電，進而啟動電樞的運動。這個運動反而會導致電觸點閉合，進而促使電力傳輸到受控電路。

這種設計有個主要優勢在於能夠將低功率控制訊號與更高功率的電路彼此隔離。這種隔離不僅可以保護操作人員以免受傷，還可以保護設備以免受損。此外，這個配置有助於遠端控制裝置或系統，進而達到遠距離操作。

機電繼電器的起源可以追溯到 1835 年，儘管多年來在元件和多樣性上有大幅進展，但基本的功能仍堅守崗位。功率繼電器是歷史上最廣為人知的繼電器之一。雖然所有電氣繼電器在本質上都是用來控制電力，但並非所有繼電器的正確名稱都是「功率繼電器」。本文將詳細介紹功率繼電器，包括其優點、配置和關鍵的挑選條件。

功率繼電器的基礎知識

功率繼電器以其管理高位準電流切換的專業能力而聞名，範圍從幾安培到更高幅度都包括在內。採用更堅固的結構和更大的尺寸，因此功率繼電器的觸點能承受相當大的電流，非常適合用於電流需求通常會超過 10 A 的應用。

在不同產業中的採用情況逐漸增加，包括汽車系統、電梯控制、閥門致動器，以及有高初始電流突波特徵的多種裝置，例如馬達、螺線管、電源供應器和電子安定器。

繼電器與其他電氣元件非常相似，在其可安全管控的功率上皆有內建限制。每個型號都有指定的最大額定功率，可確保有效配合各種負載，從燈泡等低功率實體，到大型馬達等堅固機械。但是，超過指定的額定功率可能會讓繼電器永久受損。

此外，觸點若未對齊會引起觸點電弧，其特徵是當繼電器觸點打開但彼此靠近時，電流會流過繼電器觸點之間的氣隙。這種現象帶來的風險不僅僅是火花和發熱，還包括觸點腐蝕且會產生不必要的電氣干擾，可能對鄰近設備有害。

圖 1：機電繼電器的觸點電弧。(圖片來源：Same Sky)

功率繼電器專為處理大電流裝置 (如加熱器、馬達、照明陣列和工業設備) 的電氣負載而設計。功率繼電器的電流和電壓額定值之所以提高，主要是因為採用了與常規繼電器不同的開關觸點材料。之所以選擇這些材料，是因為能承受大功率應用的嚴酷考驗，以確保在嚴峻的工業環境中可靠運作並達到長久的使用壽命。

功率繼電器的觸點材料

當電流通過繼電器觸點時，會遇到電阻，此因素會因觸點的尺寸和材料成分而異。電阻升高不僅會放大繼電器內部的功率耗散，還會增加發熱量。有個降低接觸電阻的方法是仔細挑選觸點材料。

傳統的繼電器通常採用由銀鎳製成的觸點，這種金屬在繼電器結構中無處不在而聞名。銀鎳觸點在電阻性負載的切換上相當出色，其中的電流和電壓會彼此同相。

相比之下，專為較大負載而設計的繼電器，如功率繼電器，就選擇由銀鎘氧化物、銀錫氧化物或金合金等材料製成的觸點。這些材料非常適合處理電感式負載，其特徵是具有非同步電流和電壓，而這可能會產生大量的電流或電壓尖波。銀鎘氧化物和銀錫氧化物觸點都可降低電阻，並減輕高湧入電流引起的觸點焊接消除風險。值得注意的是，採用銀錫氧化物就可避免與鎘基合金相關的環境問題，進而符合某些國家／地區要求的法規標準。

功率繼電器與訊號繼電器的比較

功率繼電器和訊號繼電器是繼電器領域內常見的兩種款式。雖然功率繼電器會優先處理較高的電壓和電流，但通常可承受的壽命週期較短。相反地，訊號繼電器的設計可達到更高的壽命週期數，但會以較低的電壓和最小的電流運作。

功率繼電器採用的觸點材料雖然擅長管理高功率場景，但並不適合用於低功率切換。這是因為在較低的電壓下，觸點之間的物理連接至關重要，而這取決於觸點壓力和清潔度等因素，而不是觸點材料。

此外，在電力應用中採用訊號繼電器會承受固有的風險，最終可能會因為過壓或過電流而引發災難性故障。即使這個繼電器可躲過一劫，也會缺乏防電弧和觸點自清潔等關鍵功能，進而影響長期可靠性。

在決定要採用功率繼電器還是訊號繼電器的過程中，應遵守一個基本準則：要切換的功率水準務必對應繼電器的額定功率。如此才可確保最佳化性能、減輕故障風險，並可維持繼電器和相關系統的完整性。若要進一步瞭解訊號繼電器，可參閱 Same Sky 的另一篇文章：訊號繼電器 – 瞭解基礎知識。

功率繼電器的類型

功率繼電器與常規繼電器一樣，提供種主要類型：機電式和固態式。

機電式功率繼電器依靠線圈、磁場、彈簧、可移動電樞和觸點的組合來調節朝裝置傳送的電力。

另一方面，固態繼電器並未使用活動零件。反之採用可控矽整流器 (SCR)、三端雙向可控矽開關元件 (TRIAC) 或切換式電晶體等半導體裝置來切換 AC 和 DC 電流。與機電繼電器相比，固態繼電器具有更快的切換速度和更高的可靠性等優點。然而，隨著功率需求增加，成本效益會降低，因為其採用的堅固功率半導體成本會更高，並且需納入額外的熱管理元件。

圖 2：固態繼電器與散熱器的組合範例。(圖片來源：Same Sky)

通用配置和額定值

功率繼電器與非功率繼電器非常相似，皆依觸點配置進行分類，可指出其可同時控制的裝置數量。常見的分類包括：

• SPST (單軸單切)
• DPDT (雙軸雙切)
• 3PDT (三軸雙切)
• SP3T (單軸三切)

繼電器的觸點可指定為常開 (NO) 或常閉 (NC)，視其在繼電器未通電時的狀態而定。

繼電器的額定值表示繼電器可以安全有效切換的最大功率。這些額定值通常以 AC 和 DC 電流的安培數表示。繼電器的額定值必須超過要切換之裝置的額定值，並且將安全餘裕納入考量。

與非功率繼電器類似，功率繼電器也可以用術語「Form」來描述。「1 Form A」或「2 Form C」等短語有助於進一步瞭解繼電器的特性。「Form」前面的數字表示繼電器中可用的觸點數量。「Form A」表示常開繼電器，而「Form B」」表示常閉繼電器。「Form C」和「Form D」適用於 SPDT 繼電器，分別可指出常閉的位置，以及繼電器是先斷後通，還是先通後斷。雖然還有許多其他樣式，但這四種是最常用的。

• Form A – 常開
• Form B – 常閉
• Form C - 先斷後通 SPDT 開關
• Form D - 先通後斷 SPDT 開關

其他考量事項

在挑選裝置時要考量的一些其他注意事項包括：

• 輸入功率突波：某些裝置在啟動過程中可能會產生明顯的功率突波。在確定繼電器之前，務必判別這些突波，以免裝置受損。
• 線圈抑制：繼電器迴圈會產生高壓暫態。線圈抑制包括在電路中使用額外的元件，以保護設備免受這些暫態的影響。但是，這可能會縮短繼電器的使用壽命。應針對指定應用，判定是否需要特定的線圈抑制策略。
• 閂鎖：即使在啟動電源移除後，閉鎖繼電器仍會停留在最後的觸點位置。特定應用可能需要此功能。
• 雜訊：繼電器會產生電磁干擾 (EMI) 或無線射頻干擾 (RFI) 雜訊，這在高功率裝置中更為明顯。需事先判定裝置或系統對這種雜訊的敏感度。
• 觸點彈跳：繼電器循環時，其觸點可能會經歷短暫的開／關週期，這稱為觸點彈跳，且會產生電氣脈衝。根據應用的靈敏度而定，這種彈跳可能會導致不良影響，因此在決定繼電器之前，要先判定觸點彈跳是否會影響應用。

圖 3：觸點彈跳和電壓快速變化的範例。(圖片來源：Same Sky)

結論

繼電器是值得信賴、高效且可靠的裝置，可為系統和裝置提供安全的電氣控制，同時確保操作人員安全地與工作電流隔離。功率繼電器，無論是機電式還是固態式，都經過專門設計，具有增強功能，可管理更高的電壓和電流。

設計人員評估產品的電源開關需求時，可參考 Same Sky 推出的多種功率繼電器和訊號繼電器。無論是要處理低位準還是高位準電流的切換，Same Sky 都有合適的繼電器解決方案，可有效滿足各種需求。