什么是继电器?

[拼音]：jidianqi

[外文]：relay

当输入的物理量(电量或非电量)达到规定值时，其电气输出电路被接通（导通）或分断（阻断、关断）的一种自动电器。广泛应用于生产过程自动化装置、电力系统保护装置、各类远动、遥控和通信装置中，是现代自动控制系统中最基础的电器元件之一。

19世纪30年代初，俄国人希林格制成了第一只电磁继电器；同一时期，美国人莫尔斯也制成了同类继电器。1837年，莫尔斯用他的电磁继电器制成了世界上第一套实用的电报装置，在这个装置中继电器起弱信号放大的作用以中继电报线路上的微弱脉冲，故而得名继电器，并一直沿用至今。1863年，俄国人斯特毕斯基制成了极化继电器，用以反应输入电量极性的变化。1883年，伏利金制成了第一只短路电流保护继电器。1878年，美国用继电器组装成第一台电话开关板。为适应步进交换电话系统的开发，1890年美国又研制成拍合式（U型）继电器结构，这种电磁式电话继电器的基本结构形式至今仍广泛应用。

20世纪后，继电器在种类上和性能上有了很大的发展，用于电力系统继电保护和自动控制系统的继电器品种繁多。40～50年代曾发展过磁性（磁放大器式）无触点继电器。60年代后由于半导体技术的发展，出现用半导体分立元件制成的无触点继电器。70年代后，特别是大规模集成电路的应用，又逐步取代了分立元件的半导体继电器。例如，专用集成电路式电子时间继电器的延时范围的宽度与精度是其他型式的时间继电器无法实现的。70年代初，美国首先研制成功固态继电器，它也是一种由半导体器件做成的电器，并运用光耦技术减小了无线电高频干扰和电磁干扰，动作功率小，寿命长，同时可有多极式的多输入端和多输出端，输入端与输出端间的隔离耐压高达几千伏，因而发展迅速并得到广泛应用。80年代后出现功率输出集成电路，输出电压可达数百伏，输出电流数十安，提高了固态继电器的输出功率。由于自动控制装置的小型化与电子化，控制继电器趋向小型化、扁平化及高可靠性化，发展了印刷电路板安装式(双列直插式)继电器。随着微处理器技术的发展，出现带微处理器的保护继电器与为电动机保护的智能化继电器，其主要特点是能对检测的输入信号进行存贮、分析、判断和处理，工作特性可通过程序设定，能进行工作状态显示等，因此这种继电器是90年代继电器发展方向之一。

继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成。前者用于反映输入量的变化。后者对有触点的继电器来说是触点分合动作；对无触点继电器来说是半导体元件的导通、阻断（关断）。继电器具有跳跃的输入-输出特性（图1）。

当继电器得到一个输入信号X时，如果它小于动作值Xd，继电器不动作；当输入信号达到动作值Xd时，继电器动作，输出立即从零变至一个大小为Y


的输出信号。当输入信号继续增大时，输出信号仍为Y


不变。在继电器动作之后，如果减小输入信号，工作特性并不沿原来的特性返回，即在输入信号减小到Xf时，继电器才能返回至起始位置，输出信号立即减至零。继电器的这一特性被称做“继电特性”。

继电器基本技术参数既表征其工作过程的性能，同时又是选择和应用继电器的依据。其主要技术参数有：

（1）动作值:使继电器开始动作的输入量值。例如，电磁式过电流继电器的动作值是指流过继电器线圈的电流达到电磁机构动作的电流值；对于温度继电器是指能使继电器达到动作的被控温度值。

（2）返回值：使继电器能恢复到原有工作状态的输入最大量值。例如，过电流继电器的返回值是指电流从动作电流值减小到某一定值后，其触点能恢复到原来工作位置时的电流值。

（3）触点额定容量：指触点的工作额定电压与电流。

（4）动作时间：继电器由一种工作状态转变至另一种工作状态所需的时间间隔。

继电器种类很多。按感测机构输入物理量性质分为电气量继电器，其输入量可为电流、电压、频率、功率等，并相应称为电流、电压、频率、功率继电器等；非电量继电器，其输入量可为温度、压力、速度等，并相应称为温度、压力、速度继电器等。按用途分为控制继电器，用于自动控制电路中；保护继电器，用于电路保护。按执行机构的特征分为有触点继电器，其执行机构为触点，靠机械运动方式来分断和接通输出电路；无触点继电器，用半导体器件的载流导通与阻断或其他非线性器件的饱和与截止的开关特性实现输出电路的控制。按外形尺寸分为一般继电器、小型继电器和微型继电器。按防护特征分为敞开式，继电器主体元件无任何防护措施，又称开启式；封闭式，继电器主体用外壳加以保护，但外壳内外的气体仍能自由交换；密封式，继电器主体用外壳完全密封起来，外壳内外几乎没有气体交换。按工作原理又分为机电式继电器，主要有电磁式、磁电式、电动式、感应式、极化式、舌簧式、热继电器等；半导体式继电器，如利用半导体元件制成的时间继电器、半导体温度继电器等。常用的是电磁式、极化式、舌簧式、热继电器和时间继电器。

使用数量最多、应用范围最广的一种继电器。主要由铁心、线圈、衔铁、返回d簧、动触点和静触点等组成（图2）。

线圈未通电时，衔铁在返回d簧的拉力作用下，使动触点与上静触点接通。线圈通电后，铁心中产生磁通，衔铁与铁心间产生电磁吸力，衔铁克服d簧的拉力吸向铁心，带动动触点与下静触点接通。线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁及动触点又返回到原来位置。

一种能反应输入信号的方向，具有极性的继电器。一般的直流电磁式继电器不能反应输入信号的方向。极化继电器的原理结构见图3。对称的磁路中间放置一永久磁铁，永久磁铁上面装置一个可动的衔铁，衔铁的上端为动触点，衔铁可左右转动，图中所示衔铁处于左侧位置，动触点与左侧静触点接通。串联的两个线圈分别绕在两侧铁心上，线圈通电后，磁路内不仅有线圈电流产生的磁通Φ0，而且还有永久磁铁产生的磁通Φm。当输入信号为零时，磁路内只存在磁通Φm，它分两路经过两个气隙 (分别为Φm1和Φm2)对衔铁产生向左和向右的吸力Fm1和Fm2。当衔铁处于对称的中间位置时，由于两侧的气隙相等，即δ1=δ2，故两侧流过的磁通相等，Φm1=Φm2；吸力相等Fm1=Fm2。但这种平衡的位置是不稳定的，在某种偶然因素的作用下，衔铁就会偏向某一侧。当工作线圈输入一定极性的信号后，磁路内即产生一定方向的磁通Φ0，它串联穿过气隙δ1和δ2。假设衔铁最初倒向左侧，线圈通电后磁路中产生的磁通方向如图所示， 气隙δ1中的合成磁通Φ1=Φm1-Φ0，气隙δ2中的合成磁通Φ2=Φm2+Φ0，它们将分别对衔铁产生两个方向相反的吸力F1与F2。当输入信号电流I较小时，因Φm1比Φm2大得多，故仍有Φ1＞Φ2和F1＞F2，衔铁仍将停留在左侧位置。但当输入信号电流I增加到一定值后，就会使Φ1≤Φ2，以及F1≤F2，于是衔铁开始向右偏转。衔铁一经动作，就使δ1增大而δ2减小，从而使Φm2增加而Φm1减少。随着衔铁偏移，这种差值越来越大，从而使衔铁迅速地倒向右侧。此时即使输入信号切除，衔铁也将稳定地保持在这个位置。若要再使衔铁倒向左侧，就必须将输入信号电流反向。极化继电器除可反应输入信号的极性外，还具有高灵敏度、高稳定性和非常小的动作时间特点。

一种具有密封接点的继电器。按不同的密封接点分为干簧和湿簧继电器。干簧继电器由干簧管、线圈、屏蔽罩和引线等组成（图4）。

干簧管中的簧片用磁性材料做成，接点端部镀金，所以它既是导磁体又是导电体。玻璃管与簧片相封结，管内充以惰性气体（一般为氮气）。当线圈通电后，簧片被磁化，两簧片自由端部分别呈现出N、S极性而相互吸引，使两簧片自由端部的接点接通，从而接通被控电路。线圈断电后，簧片在本身d力作用下分开，被控电路分断。

湿簧继电器的结构见图5。其动静触点由一小段铂丝或铂铑丝分别焊在导磁片上制成，彼此交叉垂直，形成十字形点接触。动簧片上刻有细槽，下部水银通过毛细管作用，沿细槽上升至动静触点接触面。整个触点为水银所润湿，触点表面附有一层水银膜，故称湿簧管。湿簧管内还充以氢气。当线圈未通电时，动簧片在d力作用下偏于右侧；当线圈通电后，沿下极靴、动簧片和上极靴路径产生磁通，动簧片与上极靴相吸并使动触点左移而转换电路。动静触点的接通或断开均通过水银来完成，因此消除了触点的d跳和烧损。图中的湿簧继电器需直立安装，此外，也有结构不同的可任意位置安装的湿簧继电器。

舌簧继电器将感测与执行机构高度集中在很少的零件上，其结构简单，动作迅速，灵敏度和工作可靠性高，寿命长。已广泛应用于通信、检测、计算技术、自动远动控制及军事工程等领域中。

用于交流异步电动机过载保护的继电器。主要由电阻发热元件、热双金属片、动触点、静触点以及动作机构等组成。热继电器的发热元件串联于负载电路中，电路的电流使电阻发热元件产生热量，从而将双金属片加热。双金属片通常用两种热膨胀系数相差很大的金属制成，并牢固地结合在一起。双金属片受热后，由于两种材料的伸长不同，并互相约束，因而双金属片发生弯曲。温度越高，弯曲越大，当达到一定程度时，它推动导板带动触点动作。图6为一交流三相电路用的三极式热继电器的原理图。三个热元件分别串联在三相负载电路中。

加热后，三片双金属片的自由端都向右弯曲，对绝缘材料制成的导板产生作用力。导板受力后向右移动，并推动杠杆的下端，杠杆受力后向反时针方向转动，杠杆的上端推动簧片1向左转动。簧片1与簧片2间有一拉伸d簧。当流过热继电器的电流为相应被保护电动机的过载电流并超过一定的允许工作时间后，双金属片的弯曲力增大，杠杆转动角度增大到某一大小，簧片1向左转动到一定位置后，拉伸d簧作用力的方向突然改变，使簧片2迅速动作，簧片2下端的动触点与静触点1分断而与静触点2接通（如图中虚线所示位置）。于是，热继电器输出信号，用接触器切断负载的电源，保护电动机安全运行。

当接通或切断继电器的输入电压信号后，还需经过一定的延时时间，其输出的触点才能动作的继电器。获得延时动作的方法很多，例如可利用钟表机构的摆轮原理、利用微型电动机减速传动原理、利用电磁电路的延缓作用原理、利用电子计数器计数的原理、利用电阻与电容电路的充放电原理等。以晶体管时间继电器为例，其工作原理见图7。

电阻R、电容C与电源、开关构成充电电路。开关K未闭合前，电容器C两端的电压Uc为零。开关K闭合后，直流电源电压U 对电容器C充电，电容器两端的电压Uc逐渐升高。电容器两端充电电压Uc的大小与充电时间td的关系式为

由公式可见，电阻值R 和电容值C 越大，则充电所需的时间td也越长。

晶体管阻容式时间继电器的原理框图见图8。

当接通交流电源后，交流电经过降压整流变换成直流电，再经稳压输出一稳定的直流电压。此时，RC充放电电路立即进行充电，当电压鉴别电路鉴别到所规定的电压后，执行机构（用小型电磁继电器）动作。晶体管时间继电器自接上电源至执行机构的触点动作之间的一段时间即为延时时间。可利用改变充放电电路的电阻值 R的大小来调节延时时间的长短。

参考书目

上海无线电八厂、哈尔滨工业大学编：《继电器及其应用》，上海科学技术出版社，上海，1978。上海电器科学研究所编：《低压电器》，机械工业出版社，北京，1987。

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