使用機電繼電器解決現代介接問題

整合系統時面臨的挑戰之一，就是將現有的子系統與新的子系統或其他子系統進行介接。有時，當兩個系統的輸入／輸出皆採用已知的標準特性時，就可使用位準移位器／轉換器 IC (如 Texas Instruments 的 SN74AUP1T57DCKR) 來適應輸入和輸出的不同數位訊號位準，就可輕鬆解決問題 (圖 1)。

圖 1：若兩個介面都採用標準規格且定義完備，就可使用現成的 IC (如 SN74AUP1T57DCKR) 輕鬆快速地解決問題。(圖片來源：Texas Instruments)

難處在於，許多情況下，要在新舊系統之間實作互連並不容易。常見的情況是，其中一端或是兩端的介面特性未知或定義不夠清晰，導致無法使用標準元件。

這兩種情況我都遇過。但無論哪種情況，我都能使用擁有近 200 年悠久歷史的現代版機電繼電器 (EMR) 輕鬆解決這個問題。EMR 是由美國科學家 Joseph Henry 於 1835 年左右發明。

相較於光耦合器或固態繼電器 (SSR)，機電繼電器或許顯得過時，但在許多情況下，其傳統特性仍極具優勢。這類繼電器每年銷售上億件；其中固然有很多是汰舊換新，但仍有很大一部分是運用在新型設計中。

繼電器可分為以下三大類：用於 2 A 以下觸點電流的小訊號裝置、用於更高電流的功率繼電器，以及無線射頻 (RF) 繼電器。RF 繼電器通常可處理 MHz 與 GHz 範圍的小訊號。除了這些，繼電器還有其他類型，例如音訊繼電器和適用於自動化測試設備 (ATE) 的磁簧繼電器。此外，繼電器還有多種觸點配置，從基本的單極單擲 (SPST) 到複雜的多觸點單元等。

坦白說，我真的很喜歡 EMR，原因有很多：

• 可靠耐用。
• 提供近乎完美的電流 (歐姆) 隔離。
• 輸入與輸出的額定電流／電壓通常個別獨立。
• 提供多種線圈與觸點額定值。
• 通常具有相容的插槽引腳配置款式，可簡化佈線與除錯。
• 通常配備多個常開 (NO)／常關 (NC) 觸點，實用性深獲認可。
• 透過電樞位置提供視覺化指示，可指出通電狀態。
• 開啟或閉合時會發出極為悅耳的「咔嗒」聲。

簡而言之，EMR 是簡便、靈活且巧妙的解決方案。在可靠度方面，優質的繼電器只要在規格範圍內使用，使用壽命可多達數百萬次循環，且耐用數十年。

我遇到的情況相對簡單，因為我要處理的「訊號」類型為觸點閉合 (有時亦稱「乾式觸點」)，而在此情況下，驅動系統的兩條電線之間必須保持基本且連續的連接。接著一起看看我遇到的難題，以及如何使用簡單的繼電器一一破解。

挑戰 1：升級暖氣控制系統

我「自告奮勇」協助朋友升級一套純暖氣控制系統，將原本只有簡易溫度式開關功能的可運作、老舊基本型恆溫器，升級成更加精密、智慧且支援 Wi-Fi 的系統。這套老舊恆溫器控制系統與 Honeywell 的經典 T87F 相似(圖 2)。T87F 於 1960 年代初期問世，雖然現已停售，但安裝數量高達數百萬台；其採用極為可靠的雙金屬加熱棒以及氣密式水銀開關，因此許多裝置至今仍在使用。

圖 2：Honeywell T87F 恆溫器於 1960 年代問世，安裝數量高達數百萬台，採用極為可靠的雙金屬加熱棒以及氣密式水銀開關，因此許多裝置至今仍在使用。(圖片來源： New York Historical Society)

我瞄了一下既有的恆溫器，發現只有兩條電線，所以我想「這能有多難？」尤其是看到其輸出動作只是簡單的觸點閉合而已。但事實證明一切沒那麼簡單。智慧恆溫器的說明文件指出，要從雙線裝置升級到更智慧的三線裝置時，有多種可能的接線配置和選擇。

首先，新的恆溫器需由 24 VAC 變壓器供電，因此在暖通空調 (HVAC) 控制器與恆溫器之間需要添加一條引線。幸好，裡面有一條沒用到的引線 (感謝善心人士！)好了，這部分的問題解決了。

有多種方法可以將新的三線系統連接至現有的雙線觸點閉合系統，具體取決於系統控制器 (本例為非常新的控制器) 的廠商、系統類型 (純暖氣還是暖氣加空調)，以及如何處理新恆溫器與現有控制器的電氣隔離。

有個作法是使用光隔離器或 SSR，但我無法確定電壓與電流位準為何，也因為 SSR 輸出有輕微的壓降，無法確定處於「開啟」狀態的 SSR 輸出，是否真的足以代表觸點閉合。最簡單且較保險的作法是使用繼電器進行隔離，例如 IDEC 的 RY2S-UAC24V。這款通用型雙極雙擲 (DPDT) 繼電器採用基本的轉換／隔離電路，並具有 24 VAC 線圈與 3 A 觸點 (圖 3)。很顯然，在此情況下，切換速度並不構成問題。

圖 3：我用一個配有 24 VAC 線圈的繼電器，解決了將現代智慧恆溫器介接至新的簡易型雙線暖氣系統控制器的問題。(圖片來源：Bill Schweber)

好消息是，第一次就大功告成！無懈可擊。

挑戰 2：將保全系統撥號器從室內電話更新成行動電話

另一位朋友請我幫他將居家保全系統目前使用的過時室內電話撥號器，汰換成現代的無線行動裝置。由於簡單的雙線閉合即可觸發新舊裝置，我原本以為可直接替換成功，殊不知並非如此。

原先撥號器的觸點需要從「開」變成「閉」，才可觸發操作，而新撥號器的手冊卻指出，其觸發條件是從接地狀態變成「開路」狀態。遺憾的是，「開路」一詞有時模稜兩可：我不確定是指「浮動」(完全斷開)，還是指透過開集極電路輸出斷開線路便已足夠？

更棘手的是，在說明文件中，驅動撥號器之警報控制單元的輸出引腳，並未清楚說明其電氣性質：可能是開集極電路結構，也可能不是。因此，我無法確認控制單元的輸出與撥號器的輸入需求，是否在電氣方面有任何潛在的相容性。

經過一番思考，我得到一個結論：我目前有的是一個由高至低的輸出，其結構不確定；而我想要的是一個從接地至開路的 DC 訊號。

此時，EMR 再次派上用場。在這個例子中，選擇配有 5 VDC 和 1 A 觸點的 KEMET UA2-5NU 通用型 DPDT 繼電器或類似產品，似乎是個靈活和無風險的解決方法。我將電軌與控制單元作用中的輸出之間的線圈相連，然後在 NC 模式下使用未通電的繼電器觸點將撥號器輸入接至真正接地 (圖 4)。當控制單元的輸出為低電位 (拉低) 時，線圈將會通電，進而開啟 NC 繼電器觸點，為撥號器的輸入提供真正開路。

圖 4：低電壓 DC 繼電器，在警報系統觸發器定義不明確的輸出與新的無線撥號器之間，達到轉換與訊號反轉。(圖片來源：Bill Schweber)

問題解決了！這款繼電器不僅發揮了位準移位器和訊號反轉器的作用，還額外提供電流隔離。

結論

這兩個 EMR 解決方案既簡單又巧妙，且有效地解決問題。還有什麼不喜歡的理由呢？根據我的經驗，我們應毫不猶豫地考慮那些經過時間驗證的元件，因為其簡單、可靠且靈活。對我而言，我依舊樂於助人：雖然過程中可能會發生不可預測的狀況，有時甚至令人挫折，但最終還是有所回報。