【導(dǎo)讀】本文介紹了機(jī)電繼電器(EMR)在信號切換中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其出色的導(dǎo)通和關(guān)斷性能、輸入/輸出隔離功能以及多極配置帶來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(yīng)用 EMR，包括繼電器類型、區(qū)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(jī)電繼電器(EMR)在信號切換中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其出色的導(dǎo)通和關(guān)斷性能、輸入/輸出隔離功能以及多極配置帶來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(yīng)用 EMR，包括繼電器類型、區(qū)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(shè)備、自動(dòng)測試設(shè)備 (ATE) 和安全設(shè)備等應(yīng)用越來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(jī)電繼電器 (EMR) 非常適合處理這項(xiàng)任務(wù)。
EMR 提供出色的導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)備中支持不同的信號類型（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(yīng)用歷史悠久，各項(xiàng)特性已一應(yīng)俱全。因此，它們是可靠的“問題解決方案”，可以穩(wěn)定使用多年。雖然 EMR 本身堅(jiān)固耐用，但設(shè)計(jì)人員必須選擇合適的繼電器（線圈和觸點(diǎn)額定值）并正確使用，這樣才能確保使用壽命達(dá)到最長。
繼電器類型和區(qū)別
EMR 是指一種具有許多應(yīng)用特定子類型的元器件。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(shè)計(jì)觸點(diǎn)電流低于該值。
信號繼電器可分為兩類：非射頻信號和射頻信號。雖然所有繼電器都有基本導(dǎo)通參數(shù)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(biāo)。具體包括：
隔離度：即使觸點(diǎn)是分開的，高頻信號也會(huì)通過觸點(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/相消干擾產(chǎn)生。該測量值是一個(gè)無單位數(shù)值，表示最大波形值與最小波形值之間的比值。
簡化物料清單
繼電器配置由其觸點(diǎn)數(shù)或極數(shù) (P) 以及常開（指無電源）/常閉觸點(diǎn)狀態(tài)定義（圖 1）。這些觸點(diǎn)可以是常開 (NO) 或者常閉 (NC) 觸點(diǎn)。最常見的是單極 (SP) 和雙極 (DP) 配置，但也有具有更多觸點(diǎn)極數(shù)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(biāo)準(zhǔn)名稱；Form 2C 繼電器中的虛線表示兩個(gè)電樞都具有非導(dǎo)通鏈路，當(dāng)繼電器線圈接收到電流時(shí)，兩個(gè)觸點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)。（圖片來源：Sealevel Systems, Inc.）
EMR 能夠支持多極和 NO/NC 擲，因而能夠簡化電路、節(jié)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、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(yàn)豐富的設(shè)計(jì)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)“以防萬一”的觸點(diǎn)對，用以解決在設(shè)計(jì)周期后期發(fā)現(xiàn)的問題或疏忽。Omron 的 G6J-2P-Y DC12（圖 2）是一款超薄型 DPDT (Form 2C) 繼電器，采用 977 Ω 線圈，設(shè)計(jì)驅(qū)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)品可提供不同的線圈電壓/電流配對，最高可達(dá) 24 VDC，幾乎可與任何驅(qū)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 線圈；屬于尺寸和觸點(diǎn)額定值相同但線圈電壓/電流組合不同的繼電器系列產(chǎn)品。（圖片來源：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表面貼裝端子，因而能夠?qū)崿F(xiàn)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。有些型號專門為 ATE 等超高頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。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(dá) 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(jī)械設(shè)計(jì)。這有助于確保達(dá)到由射頻隔離（與電氣隔離無關(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(shè)計(jì)，可緩解電路板物理布局問題，并最大限度減少布局對射頻性能的不利影響。（圖片來源：Omron）
這款繼電器采用先進(jìn)的內(nèi)部布局，不僅能夠簡化 PC 板布局，而且無需在電路板上進(jìn)行復(fù)雜的多層信號路徑布線，因此射頻性能不會(huì)降低。采用樹脂外殼，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)，探頭引腳通過金屬外殼短路并損壞電路板和部件的問題。
繼電器和功耗
在幾乎所有電路和系統(tǒng)中，功耗都是非常重要的參數(shù)。功耗決定了電源大小，影響電池供電設(shè)計(jì)的運(yùn)行時(shí)間，以及相關(guān)熱量對熱性能的影響。這對傳統(tǒng)的非閉鎖型繼電器有影響。對于這種繼電器，線圈必須在繼電器需要通電的整個(gè)過程中保持通電狀態(tài)?；鹃_/關(guān)設(shè)計(jì)（正式名稱為單側(cè)穩(wěn)定設(shè)計(jì)）的替代架構(gòu)解決了這一問題。閉鎖型繼電器（也稱保持型繼電器）設(shè)計(jì)為一旦通電，即使線圈斷電也能保持在原位置。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)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”輸入脈沖可通過鄰近的永磁體保持工作狀態(tài)?！皬?fù)位”輸入脈沖（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(rèn)為在一定次數(shù)的開/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)開合的影響是不同的，在繼電器的數(shù)據(jù)表中也有詳細(xì)標(biāo)注。如果遵守規(guī)定的條件，就不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)過早磨損的問題。同樣重要的是，數(shù)十年的使用、無數(shù)現(xiàn)場裝置的經(jīng)驗(yàn)、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，已將線圈和觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制造轉(zhuǎn)變?yōu)楸娝苤某墒炀芄に?，并且能夠生產(chǎn)出相應(yīng)的元器件。繼電器的耐用性與觸點(diǎn)和線圈的耐用性有關(guān)。線圈的耐用性以 40,000 小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值為起點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)額定電壓持續(xù)作用于線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致絕緣性能下降。如果繼電器的使用是間歇性的，線圈的耐用性就會(huì)長很多。耐用性還可以通過數(shù)據(jù)表中經(jīng)常標(biāo)注的兩個(gè)因素來評估：
機(jī)械耐用性是指考慮機(jī)械故障和特性后，在無負(fù)載情況下繼電器能夠打開和閉合觸點(diǎn)的次數(shù)。
電氣耐用性是指在額定負(fù)載（如 125 VAC，0.3 A / 30 VDC，1 A）下繼電器能夠打開和閉合觸點(diǎn)的次數(shù)。
繼電器觸點(diǎn)提供不同的配置：單觸點(diǎn)、雙觸點(diǎn)和橫桿雙觸點(diǎn)（圖 5），其長期可靠性從左到右越來越高。橫桿雙觸點(diǎn)設(shè)計(jì)可提供異常穩(wěn)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(chǔ)的單觸點(diǎn)改進(jìn)并發(fā)展成壽命更長的橫桿雙觸點(diǎn)，可提供一致的性能和穩(wěn)定的接觸電阻。（圖片來源：Omron）
這些繼電器的可靠性眾所周知，因此對于不能接受停機(jī)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(yīng)用來說，都是不錯(cuò)的選擇。
結(jié)語
EMR 是當(dāng)今眾多系統(tǒng)解決問題的關(guān)鍵元器件，能夠處理和解決許多信號路徑問題。具有獨(dú)特且不可替代的信號處理特性、定義明確的性能和長期可靠性。信號繼電器可用于直流、低頻、甚至是千兆赫范圍的射頻應(yīng)用，因此應(yīng)用范圍更寬。
(作者：Bill Schweber)
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