【導讀】本文介紹了機電繼電器(EMR)在信號切換中的應用，強調了其出色的導通和關(guān)斷性能、輸入/輸出隔離功能以及多極配置帶來(lái)的靈活性和多功能性。文章以 Omron Electronic Components 的產(chǎn)品為例，介紹了如何選擇和應用 EMR，包括繼電器類(lèi)型、區別、配置、射頻性能、功耗以及可靠性等方面的考慮。
文章概述
本文介紹了機電繼電器(EMR)在信號切換中的應用，強調了其出色的導通和關(guān)斷性能、輸入/輸出隔離功能以及多極配置帶來(lái)的靈活性和多功能性。文章以 Omron Electronic Components 的產(chǎn)品為例，介紹了如何選擇和應用 EMR，包括繼電器類(lèi)型、區別、配置、射頻性能、功耗以及可靠性等方面的考慮。
電信和網(wǎng)絡(luò )設備、自動(dòng)測試設備 (ATE) 和安全設備等應用越來(lái)越需要可靠地切換和路由單個(gè)或多個(gè)中低電平直流、交流（模擬）和射頻 (RF) 信號。機電繼電器 (EMR) 非常適合處理這項任務(wù)。
EMR 提供出色的導通和關(guān)斷性能以及輸入/輸出隔離功能，并具有多極配置，為設計人員提供靈活性和多功能性。此外，單個(gè)繼電器可在同一設備中支持不同的信號類(lèi)型（交流、直流、低頻、射頻），從而提升其價(jià)值。
雖然 EMR 具有活動(dòng)部件和物理觸點(diǎn)，但由于其應用歷史悠久，各項特性已一應俱全。因此，它們是可靠的“問(wèn)題解決方案”，可以穩定使用多年。雖然 EMR 本身堅固耐用，但設計人員必須選擇合適的繼電器（線(xiàn)圈和觸點(diǎn)額定值）并正確使用，這樣才能確保使用壽命達到最長(cháng)。
繼電器類(lèi)型和區別
EMR 是指一種具有許多應用特定子類(lèi)型的元器件。例如，功率繼電器的觸點(diǎn)額定電流為 2 A 或更高，而信號繼電器的設計觸點(diǎn)電流低于該值。
信號繼電器可分為兩類(lèi)：非射頻信號和射頻信號。雖然所有繼電器都有基本導通參數以及電流和電壓處理最大值，但射頻繼電器還有其他性能指標。具體包括：
隔離度：即使觸點(diǎn)是分開(kāi)的，高頻信號也會(huì )通過(guò)觸點(diǎn)間的雜散電容泄漏。隔離度的測量單位是分貝(dB)。
插入損耗：在高頻率下，自感、電阻、介質(zhì)損耗以及因阻抗不匹配而引起的反射都會(huì )產(chǎn)生信號干擾。插入損耗的測量單位也是 dB。
電壓駐波比 (VSWR)：由輸入信號波和任何反射信號之間的相長(cháng)/相消干擾產(chǎn)生。該測量值是一個(gè)無(wú)單位數值，表示最大波形值與最小波形值之間的比值。
簡(jiǎn)化物料清單
繼電器配置由其觸點(diǎn)數或極數 (P) 以及常開(kāi)（指無(wú)電源）/常閉觸點(diǎn)狀態(tài)定義（圖 1）。這些觸點(diǎn)可以是常開(kāi) (NO) 或者常閉 (NC) 觸點(diǎn)。最常見(jiàn)的是單極 (SP) 和雙極 (DP) 配置，但也有具有更多觸點(diǎn)極數的裝置。擲 (T) 是指致動(dòng)器的極限位置。
圖 1：所示為幾種 EMR 的觸點(diǎn)排列和行業(yè)標準名稱(chēng)；Form 2C 繼電器中的虛線(xiàn)表示兩個(gè)電樞都具有非導通鏈路，當繼電器線(xiàn)圈接收到電流時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)。（圖片來(lái)源：Sealevel Systems, Inc.）
EMR 能夠支持多極和 NO/NC 擲，因而能夠簡(jiǎn)化電路、節省電路板空間、削減物料清單 (BOM) 并降低成本。原因在于，一個(gè)繼電器就可以將多條電路切換為全開(kāi)、全閉或兩者的組合，具體取決于極和擲的配置。同一繼電器還可以切換交流和直流信號，在多條電路上同時(shí)工作。在某些情況下，可以使用額外有一對極點(diǎn)的 EMR 為輔助電路供電，比如給 LED 電路供電，以向用戶(hù)指示繼電器已通電并已產(chǎn)生所需的觸點(diǎn)狀態(tài)。此外，一些經(jīng)驗豐富的設計人員會(huì )在只需要單刀雙擲 (SPDT) 裝置時(shí)采用雙刀雙擲 (DPDT) 繼電器（SPDT 和 DPDT 繼電器在許多情況下具有相同的占用空間），從而為其提供一個(gè)“以防萬(wàn)一”的觸點(diǎn)對，用以解決在設計周期后期發(fā)現的問(wèn)題或疏忽。Omron 的 G6J-2P-Y DC12（圖 2）是一款超薄型 DPDT (Form 2C) 繼電器，采用 977 Ω 線(xiàn)圈，設計驅動(dòng)電壓和電流分別為 12 V 和 12.3 mA。請注意，該系列的其他產(chǎn)品可提供不同的線(xiàn)圈電壓/電流配對，最高可達 24 VDC，幾乎可與任何驅動(dòng)電路或情況兼容。
圖 2：G6J-2P-Y DC12 是一款超薄型 DPDT 繼電器，采用 12 V 12.3 mA 線(xiàn)圈；屬于尺寸和觸點(diǎn)額定值相同但線(xiàn)圈電壓/電流組合不同的繼電器系列產(chǎn)品。（圖片來(lái)源：Omron）
這款小型繼電器的尺寸僅為 5.7 × 10.6 × 9 mm，因此適合用于高密度印刷電路 (pc) 板。G6J-2P-Y DC12 具有通孔端子，但相同款型也提供短表面貼裝端子和長(cháng)表面貼裝端子，因而能夠實(shí)現最大的靈活性。這款繼電器及該系列中的所有其他繼電器的觸點(diǎn)額定電流均為 125 VAC 下 0.3 A 以及 30 VDC 下 1 A。
繼電器和射頻
繼電器的用途并不局限于提供簡(jiǎn)單的“干”觸點(diǎn)閉合或處理直流電壓/電流和低頻交流信號。有些型號專(zhuān)門(mén)為 ATE 等超高頻應用而設計。Omron 的 G6K-2F-RF-V DC4.5 是一款微型表面貼裝 DPDT 繼電器，支持差分傳輸信號切換。這款 11.7 × 7.9 × 7.1 mm 繼電器在 8 GHz 頻率下的插入損耗為 3 dB 或更低。該繼電器還在更高的頻率下使用，如其眼圖所示，可用于上升時(shí)間為 25 ps 的 200 mV 差分信號（圖 3）。
圖 3：G6K-2F-RF-V DC 微型表面貼裝 DPDT 繼電器采用差分傳輸信號切換，其指定頻率可達 8 GHz 及以上，如這些具有 8.1、10 和 12.5 Gbit/s 信號的眼圖所示。（圖片來(lái)源：Omron）
這種千兆赫范圍的性能部分歸功于本身就會(huì )為差分信號提供支持的電氣和機械設計。這有助于確保達到由射頻隔離（與電氣隔離無(wú)關(guān)）、插入損耗和 VSWR 定義的理想性能（圖 4）。
圖 4：G6K-2F-RF-V 千兆赫繼電器采用固有的差分設計，可緩解電路板物理布局問(wèn)題，并最大限度減少布局對射頻性能的不利影響。（圖片來(lái)源：Omron）
這款繼電器采用先進(jìn)的內部布局，不僅能夠簡(jiǎn)化 PC 板布局，而且無(wú)需在電路板上進(jìn)行復雜的多層信號路徑布線(xiàn)，因此射頻性能不會(huì )降低。采用樹(shù)脂外殼，而不是金屬外殼，從而能夠避免在檢查繼電器安裝情況時(shí)，探頭引腳通過(guò)金屬外殼短路并損壞電路板和部件的問(wèn)題。
繼電器和功耗
在幾乎所有電路和系統中，功耗都是非常重要的參數。功耗決定了電源大小，影響電池供電設計的運行時(shí)間，以及相關(guān)熱量對熱性能的影響。這對傳統的非閉鎖型繼電器有影響。對于這種繼電器，線(xiàn)圈必須在繼電器需要通電的整個(gè)過(guò)程中保持通電狀態(tài)?；鹃_(kāi)/關(guān)設計（正式名稱(chēng)為單側穩定設計）的替代架構解決了這一問(wèn)題。閉鎖型繼電器（也稱(chēng)保持型繼電器）設計為一旦通電，即使線(xiàn)圈斷電也能保持在原位置。有幾種方法可以實(shí)現閉鎖功能。G6JU-2P-Y DC3 以及該系列中的其他產(chǎn)品采用單繞組閉鎖技術(shù)，即“置位”輸入脈沖可通過(guò)鄰近的永磁體保持工作狀態(tài)?！皬臀弧陛斎朊}沖（極性與置位輸入相反的輸入）可使繼電器進(jìn)入非閉鎖狀態(tài)。
繼電器和可靠性
繼電器有活動(dòng)部件和物理電氣觸點(diǎn)，因此正常情況下，可以認為在一定次數的開(kāi)/關(guān)循環(huán)后，繼電器就會(huì )變得不可靠。但是，事實(shí)并非如此。首先，眾所周知，在傳輸不同電平的交流和直流信號時(shí)，觸點(diǎn)開(kāi)合的影響是不同的，在繼電器的數據表中也有詳細標注。如果遵守規定的條件，就不會(huì )出現觸點(diǎn)過(guò)早磨損的問(wèn)題。同樣重要的是，數十年的使用、無(wú)數現場(chǎng)裝置的經(jīng)驗、冶金研究與發(fā)展、建模與分析、受控壽命測試、生產(chǎn)與制造改進(jìn)以及其他技術(shù)因素，已將線(xiàn)圈和觸點(diǎn)的設計與制造轉變?yōu)楸娝苤某墒炀芄に?，并且能夠生產(chǎn)出相應的元器件。繼電器的耐用性與觸點(diǎn)和線(xiàn)圈的耐用性有關(guān)。線(xiàn)圈的耐用性以 40,000 小時(shí)的標準值為起點(diǎn)，因為當額定電壓持續作用于線(xiàn)圈時(shí)會(huì )產(chǎn)生熱量，導致絕緣性能下降。如果繼電器的使用是間歇性的，線(xiàn)圈的耐用性就會(huì )長(cháng)很多。耐用性還可以通過(guò)數據表中經(jīng)常標注的兩個(gè)因素來(lái)評估：
機械耐用性是指考慮機械故障和特性后，在無(wú)負載情況下繼電器能夠打開(kāi)和閉合觸點(diǎn)的次數。
電氣耐用性是指在額定負載（如 125 VAC，0.3 A / 30 VDC，1 A）下繼電器能夠打開(kāi)和閉合觸點(diǎn)的次數。
繼電器觸點(diǎn)提供不同的配置：?jiǎn)斡|點(diǎn)、雙觸點(diǎn)和橫桿雙觸點(diǎn)（圖 5），其長(cháng)期可靠性從左到右越來(lái)越高。橫桿雙觸點(diǎn)設計可提供異常穩定的接觸電阻，最大限度減少接觸故障。G6J-2P-Y 系列產(chǎn)品采用分叉橫桿（類(lèi)似于橫桿雙觸點(diǎn)），其銀觸點(diǎn)鍍有黃金合金。
圖 5：繼電器觸點(diǎn)已從基礎的單觸點(diǎn)改進(jìn)并發(fā)展成壽命更長(cháng)的橫桿雙觸點(diǎn)，可提供一致的性能和穩定的接觸電阻。（圖片來(lái)源：Omron）
這些繼電器的可靠性眾所周知，因此對于不能接受停機時(shí)間或服務(wù)中斷，或繼電器性能是任務(wù)關(guān)鍵因素的任何應用來(lái)說(shuō)，都是不錯的選擇。
結語(yǔ)
EMR 是當今眾多系統解決問(wèn)題的關(guān)鍵元器件，能夠處理和解決許多信號路徑問(wèn)題。具有獨特且不可替代的信號處理特性、定義明確的性能和長(cháng)期可靠性。信號繼電器可用于直流、低頻、甚至是千兆赫范圍的射頻應用，因此應用范圍更寬。
(作者：Bill Schweber)
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