螺線(xiàn)管基本上就是塊電磁鐵，它是通過(guò)對線(xiàn)圈接通電流而形成的。在物理學(xué)上我們學(xué)過(guò)“右手定律”，它決定了電流在線(xiàn)圈中流動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)的方向。通過(guò)以手掌裹繞柱狀線(xiàn)圈的形式彎曲手指，當電流流出包裹的指尖時(shí)，磁場(chǎng)將流出伸出的拇指尖。

 

圖1：右手定律。

 

在線(xiàn)圈內插入電樞，當線(xiàn)圈通電時(shí)，磁力會(huì )將電樞往外推向拇指。力的大小取決于線(xiàn)圈繞組的匝數以及流經(jīng)線(xiàn)圈的電流量。這種力被用于驅動(dòng)各種負載，包括發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)馬達、電動(dòng)門(mén)鎖，以及各種運動(dòng)閥(比如在自動(dòng)販賣(mài)機中看到的那種運動(dòng)閥)。你所聽(tīng)到的“咔嗒”聲實(shí)際上是施加磁力時(shí)電樞撞擊閥門(mén)的聲音。

 

在螺線(xiàn)管動(dòng)作中實(shí)際上有兩個(gè)力：第一個(gè)是移動(dòng)電樞所需的力，第二個(gè)是將電樞保持在設定位置的力。由于大多數電磁鐵都有一個(gè)彈簧一直在將電樞回拉，所以電力必須足夠大以克服彈簧力，從而使電樞移動(dòng)或保持在設置位置。在這些力中，保持力小于用于啟動(dòng)電樞運動(dòng)的初始啟動(dòng)力。

 

最近，我就經(jīng)歷了一次柴油發(fā)動(dòng)機中引擎停止的事件，其原因就是由于電樞保持電流不足。用于控制燃油閥的螺線(xiàn)管失效，沒(méi)能保持燃油閥處于打開(kāi)狀態(tài)。因沒(méi)能將閥門(mén)打開(kāi)得足夠大，螺線(xiàn)管也禁止引擎啟動(dòng)。后一種故障實(shí)際上是由于螺線(xiàn)管和繼電器都失效的緣故。查看線(xiàn)束才了解到失效的原因。啟動(dòng)車(chē)輛時(shí)，螺線(xiàn)管啟動(dòng)以打開(kāi)燃油閥，這需要更大的動(dòng)力來(lái)保持閥門(mén)打開(kāi)，以維持發(fā)動(dòng)機持續運轉。額外的啟動(dòng)動(dòng)力由繼電器接入。繼電器觸點(diǎn)跳火以及與連接器一起變得更具阻性，這兩種情況的組合還導致電壓下降，并且“虛搭（hokey）”的接地系統已經(jīng)將螺線(xiàn)管上的電壓降低到不能將燃油閥拉出足夠遠以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機的程度。結果是啟動(dòng)時(shí)燃料不足。帶藍色標記的連接器照片（圖2頂部）顯示了連接器電磁線(xiàn)圈一側的三根導線(xiàn)：

 

紅色保持線(xiàn)

 

白色電樞啟動(dòng)線(xiàn)

 

黑色地線(xiàn)

 

圖2：頂部照片顯示帶藍色標記的連接器，其螺線(xiàn)管側有三根導線(xiàn)。

 

但請注意，底部照片中線(xiàn)束側的綠色保持線(xiàn)要細得多。與12V時(shí)的啟動(dòng)電流相比，10.7V時(shí)的保持電流設計得較低。但是，每個(gè)電流路徑都有太大壓降，從而導致啟動(dòng)和運轉時(shí)出現問(wèn)題。更換螺線(xiàn)管和繼電器可能會(huì )解決問(wèn)題，減少線(xiàn)束中的電壓損耗可能也是解決之道。最后，地線(xiàn)穿過(guò)線(xiàn)束，這增加了額外壓降。最終解決辦法可能是采用更直接的連接路徑。

 

繼電器是移動(dòng)一組觸點(diǎn)以便切換電路開(kāi)關(guān)的螺線(xiàn)管。在汽車(chē)控制中大量使用繼電器。隨著(zhù)負載的增加，電流路徑保持在本地，而不是一直連接到儀表盤(pán)下的開(kāi)關(guān)和控制信號。因此，繼電器可以利用低電平信號來(lái)為更高的電流負載供電。

 

與半導體開(kāi)關(guān)和相關(guān)的支持組件相比，繼電器通常成本更低。繼電器也是隔離的，這意味著(zhù)開(kāi)關(guān)電路可以單獨的接地為參考，或者開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)可以執行電壓的高壓側切換。對于汽車(chē)應用，繼電器為刀片式端子提供一個(gè)通常帶有安裝位置的密封外殼。這就很容易做到即插即用，而半導體電子電路則要求隔離、保護和安裝電路板的措施，以及半導體封裝或電路板跡線(xiàn)的端接等。

 

圖3：包含觸點(diǎn)和線(xiàn)圈的繼電器內部視圖（來(lái)源：Explainthatstuff.com）

 

除電壓隔離外，繼電器還可以切換大電流，包括驅動(dòng)電機和其它負載的大電流。因此，可能會(huì )出現開(kāi)關(guān)電弧現象，特別是那些對于具有較大初始電流尖峰的容性負載。接觸不良是繼電器常見(jiàn)的問(wèn)題，在極端情況下甚至出現觸點(diǎn)焊接在一起的情況。我安裝在自己卡車(chē)上的一組越野燈，有一次就發(fā)生了這種情況。我不得不駛下高速公路，斷開(kāi)燈泡，以避免對面的司機花了眼或者烤焦我前面車(chē)輛司機的頭皮。

 

另一種形式的繼電器是干簧繼電器。干簧繼電器為軸向設計，其觸點(diǎn)也提供彈簧張力以創(chuàng )建一個(gè)開(kāi)路。線(xiàn)圈通電后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)關(guān)閉觸點(diǎn)的磁場(chǎng)。干簧繼電器的電流比標準機電繼電器小，但開(kāi)關(guān)速度更快。

 

圖4：干簧繼電器圖（圖片來(lái)源：NI白皮書(shū)）

 

繼電器的壽命與繼電器開(kāi)合的周期數有關(guān)。觸點(diǎn)打開(kāi)和閉合的次數越多，產(chǎn)生電弧的可能性就越大，這會(huì )降低繼電器的使用壽命。表1比較了繼電器開(kāi)關(guān)速度、預期壽命和電流承載能力。

 

表1：繼電器類(lèi)型和特性比較。（來(lái)源：《如何選擇正確的繼電器》，NI）

 

開(kāi)關(guān)繼電器曾經(jīng)在汽車(chē)穩壓器應用中占有重要地位。繼電器觸點(diǎn)脈沖開(kāi)啟和關(guān)閉以均衡來(lái)自交流發(fā)電機的電壓。因此，許多老式汽車(chē)的車(chē)主將其交流發(fā)電機替換為更可靠的固態(tài)版本?；诶^電器的電壓穩壓器不僅不可靠，而且還需要費力的調整流程。此外，許多穩壓器外殼都是導電的金屬，必須使用橡膠密封圈將其與金屬安裝位置隔離。當墊圈變干、破裂和老化時(shí)，穩壓器會(huì )發(fā)生短路，帶來(lái)許多麻煩。

 

繼電器，作為負載切換的一種選擇，即便在現今的集成半導體時(shí)代也仍然有用武之地。對許多應用來(lái)說(shuō)，它們仍然是可行的選擇。隨著(zhù)世界的電子化，螺線(xiàn)管將會(huì )出現在越來(lái)越多的應用中。

 

本文轉載自電子技術(shù)設計。

 

 

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