如何选择和应用机电继电器实现多功能且可靠的信号切换

来源：Digikey
作者：Bill Schweber

电信和网络设备、自动测试设备 (ATE) 和安全设备等应用越来越需要可靠地切换和路由单个或多个中低电平直流、交流（模拟）和射频 (RF) 信号。机电继电器 (EMR) 非常适合处理这项任务。

EMR 提供出色的导通和关断性能以及输入/输出隔离功能，并具有多极配置，为设计人员提供灵活性和多功能性。此外，单个继电器可在同一设备中支持不同的信号类型（交流、直流、低频、射频），从而提升其价值。

虽然 EMR 具有活动部件和物理触点，但由于其应用历史悠久，各项特性已一应俱全。因此，它们是可靠的“问题解决方案”，可以稳定使用多年。虽然 EMR 本身坚固耐用，但设计人员必须选择合适的继电器（线圈和触点额定值）并正确使用，这样才能确保使用寿命达到最长。

本文简要讨论了信号继电器的类型和应用。然后以 Omron Electronic Components 的产品为例，介绍了如何选择和应用 EMR。

继电器类型和区别

EMR 是指一种具有许多应用特定子类型的元器件。例如，功率继电器的触点额定电流为 2 A 或更高，而信号继电器的设计触点电流低于该值。

信号继电器可分为两类：非射频信号和射频信号。虽然所有继电器都有基本导通参数以及电流和电压处理最大值，但射频继电器还有其他性能指标。具体包括：

· 隔离度：即使触点是分开的，高频信号也会通过触点间的杂散电容泄漏。隔离度的测量单位是分贝 (dB)。
· 插入损耗：在高频率下，自感、电阻、介质损耗以及因阻抗不匹配而引起的反射都会产生信号干扰。插入损耗的测量单位也是 dB。
· 电压驻波比 (VSWR)：由输入信号波和任何反射信号之间的相长/相消干扰产生。该测量值是一个无单位数值，表示最大波形值与最小波形值之间的比值。

简化物料清单

继电器配置由其触点数或极数 (P) 以及常开（指无电源）/常闭触点状态定义（图 1）。这些触点可以是常开 (NO) 或者常闭 (NC) 触点。最常见的是单极 (SP) 和双极 (DP) 配置，但也有具有更多触点极数的装置。掷 (T) 是指致动器的极限位置。


图 1：所示为几种 EMR 的触点排列和行业标准名称；Form 2C 继电器中的虚线表示两个电枢都具有非导通链路，当继电器线圈接收到电流时，两个触点同时移动。（图片来源：Sealevel Systems, Inc.）

EMR 能够支持多极和 NO/NC 掷，因而能够简化电路、节省电路板空间、削减物料清单 (BOM) 并降低成本。原因在于，一个继电器就可以将多条电路切换为全开、全闭或两者的组合，具体取决于极和掷的配置。同一继电器还可以切换交流和直流信号，在多条电路上同时工作。

在某些情况下，可以使用额外有一对极点的 EMR 为辅助电路供电，比如给 LED 电路供电，以向用户指示继电器已通电并已产生所需的触点状态。此外，一些经验丰富的设计人员会在只需要单刀双掷 (SPDT) 装置时采用双刀双掷 (DPDT) 继电器（SPDT 和 DPDT 继电器在许多情况下具有相同的占用空间），从而为其提供一个“以防万一”的触点对，用以解决在设计周期后期发现的问题或疏忽。

Omron 的 G6J-2P-Y DC12（图 2）是一款超薄型 DPDT (Form 2C) 继电器，采用 977 Ω 线圈，设计驱动电压和电流分别为 12 V 和 12.3 mA。请注意，该系列的其他产品可提供不同的线圈电压/电流配对，最高可达 24 VDC，几乎可与任何驱动电路或情况兼容。


图 2：G6J-2P-Y DC12 是一款超薄型 DPDT 继电器，采用 12 V 12.3 mA 线圈；属于尺寸和触点额定值相同但线圈电压/电流组合不同的继电器系列产品。（图片来源：Omron）

这款小型继电器的尺寸仅为 5.7 × 10.6 × 9 mm，因此适合用于高密度印刷电路 (pc) 板。G6J-2P-Y DC12 具有通孔端子，但相同款型也提供短表面贴装端子和长表面贴装端子，因而能够实现最大的灵活性。这款继电器及该系列中的所有其他继电器的触点额定电流均为 125 VAC 下 0.3 A 以及 30 VDC 下 1 A。

继电器和射频

继电器的用途并不局限于提供简单的“干”触点闭合或处理直流电压/电流和低频交流信号。有些型号专门为 ATE 等超高频应用而设计。

Omron 的 G6K-2F-RF-V DC4.5 是一款微型表面贴装 DPDT 继电器，支持差分传输信号切换。这款 11.7 × 7.9 × 7.1 mm 继电器在 8 GHz 频率下的插入损耗为 3 dB 或更低。该继电器还在更高的频率下使用，如其眼图所示，可用于上升时间为 25 ps 的 200 mV 差分信号（图 3）。


图 3：G6K-2F-RF-V DC 微型表面贴装 DPDT 继电器采用差分传输信号切换，其指定频率可达 8 GHz 及以上，如这些具有 8.1、10 和 12.5 Gbit/s 信号的眼图所示。（图片来源：Omron）

这种千兆赫范围的性能部分归功于本身就会为差分信号提供支持的电气和机械设计。这有助于确保达到由射频隔离（与电气隔离无关）、插入损耗和 VSWR 定义的理想性能（图 4）。


图 4：G6K-2F-RF-V 千兆赫继电器采用固有的差分设计，可缓解电路板物理布局问题，并最大限度减少布局对射频性能的不利影响。（图片来源：Omron）

这款继电器采用先进的内部布局，不仅能够简化 PC 板布局，而且无需在电路板上进行复杂的多层信号路径布线，因此射频性能不会降低。采用树脂外壳，而不是金属外壳，从而能够避免在检查继电器安装情况时，探头引脚通过金属外壳短路并损坏电路板和部件的问题。

继电器和功耗

在几乎所有电路和系统中，功耗都是非常重要的参数。功耗决定了电源大小，影响电池供电设计的运行时间，以及相关热量对热性能的影响。这对传统的非闭锁型继电器有影响。对于这种继电器，线圈必须在继电器需要通电的整个过程中保持通电状态。

基本开/关设计（正式名称为单侧稳定设计）的替代架构解决了这一问题。闭锁型继电器（也称保持型继电器）设计为一旦通电，即使线圈断电也能保持在原位置。

有几种方法可以实现闭锁功能。G6JU-2P-Y DC3 以及该系列中的其他产品采用单绕组闭锁技术，即“置位”输入脉冲可通过邻近的永磁体保持工作状态。“复位”输入脉冲（极性与置位输入相反的输入）可使继电器进入非闭锁状态。

继电器和可靠性

继电器有活动部件和物理电气触点，因此正常情况下，可以认为在一定次数的开/关循环后，继电器就会变得不可靠。但是，事实并非如此。

首先，众所周知，在传输不同电平的交流和直流信号时，触点开合的影响是不同的，在继电器的数据表中也有详细标注。如果遵守规定的条件，就不会出现触点过早磨损的问题。

同样重要的是，数十年的使用、无数现场装置的经验、冶金研究与发展、建模与分析、受控寿命测试、生产与制造改进以及其他技术因素，已将线圈和触点的设计与制造转变为众所周知的成熟精密工艺，并且能够生产出相应的元器件。

继电器的耐用性与触点和线圈的耐用性有关。线圈的耐用性以 40,000 小时的标准值为起点，因为当额定电压持续作用于线圈时会产生热量，导致绝缘性能下降。如果继电器的使用是间歇性的，线圈的耐用性就会长很多。

耐用性还可以通过数据表中经常标注的两个因素来评估：

· 机械耐用性是指考虑机械故障和特性后，在无负载情况下继电器能够打开和闭合触点的次数。
· 电气耐用性是指在额定负载（如 125 VAC，0.3 A / 30 VDC，1 A）下继电器能够打开和闭合触点的次数。

继电器触点提供不同的配置：单触点、双触点和横杆双触点（图 5），其长期可靠性从左到右越来越高。横杆双触点设计可提供异常稳定的接触电阻，最大限度减少接触故障。G6J-2P-Y 系列产品采用分叉横杆（类似于横杆双触点），其银触点镀有黄金合金。


图 5：继电器触点已从基础的单触点改进并发展成寿命更长的横杆双触点，可提供一致的性能和稳定的接触电阻。（图片来源：Omron）

这些继电器的可靠性众所周知，因此对于不能接受停机时间或服务中断，或继电器性能是任务关键因素的任何应用来说，都是不错的选择。

结语

EMR 是当今众多系统解决问题的关键元器件，能够处理和解决许多信号路径问题。具有独特且不可替代的信号处理特性、定义明确的性能和长期可靠性。信号继电器可用于直流、低频、甚至是千兆赫范围的射频应用，因此应用范围更宽。