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机电继电器的“复仇”,用老式组件解决现代问题

2023-10-25 16:06:39 BILL SCHWEBER 阅读:
虽然与使用光电耦合器或固态继电器相比,机电继电器看起来像是恐龙时代的遗物,但在很多情况下,它们“旧时代”的优点却非常有益···

在系统集成过程中,现有子系统与新的或不同的子系统之间的连接是令人头疼的难题之一。但如果双方的输入/输出特性都是已知的标准特性,电平移位器/转换器IC就能轻松解决问题(图1)。EKSednc

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图1 当两个接口都是标准且明确的,现成的电平转换IC就可以快速轻松地解决问题,因为它可以在其输入和输出上适应不同的数字信号电平。EKSednc

资料来源:德州仪器EKSednc

但是,在大多数情况下,新旧系统(通常是旧系统和新系统)之间的互联问题并不容易解决。更糟糕的是,还有很多情况是,接口一方或两方的特性未知或定义不明确,因此解决方案更具挑战性且存在风险。EKSednc

本文是我在两种不同情况下遇到的问题。在每种情况下,我都能够使用具有近200年历史的机电继电器(EMR)的现代版本轻松而巧妙地解决问题。这项发明诞生于大约1835年,主要归功于美国科学家Joseph Henry。EKSednc

虽然与使用光电耦合器或固态继电器(SSR)相比,机电继电器看起来像是恐龙时代的遗物,但在很多情况下,它们“旧时代”的优点却非常有益。此类继电器每年要售出数亿个,虽然大多是用在替换的用途,但也有相当大一部分是用于新设计。EKSednc

机电继电器的类型一般分为三大类:接触电流低于2安培的小信号设备;用于更高电流的功率继电器;通常处理兆赫兹和千兆赫兹范围内的小信号的射频继电器。此外,还有用于自动测试设备(ATE)的音频继电器和簧片继电器等其他同族产品。另外,继电器还具有多种触点配置,从基本的单刀/单掷(SPST)开始,一直到具有多刀和多触点的单元。EKSednc

老实说,我真的很喜欢机电继电器。它们有许多优点,其中包括:EKSednc

  • 坚固可靠;
  • 可提供近乎完美的电气(欧姆)隔离;
  • 具有很大程度上独立的“输入”和“输出”电流/电压额定值;
  • 只要在额定值范围内,触点基本不受交流、直流、信号或功率的影响;
  • 线圈和触点的额定值范围很广;
  • 通常有兼容插座,可简化接线和调试;
  • 提供多种版本,带有多个常开/常闭(NO/NC)触点,非常方便;
  • 通过电枢位置提供视觉指示,显示它们是否已通电;
  • 最后,当它们打开或关闭时,还可以听到非常令人满意的“咔嗒”声;
  • 它们的可靠性很高,只要使用的是优质继电器(符合其规格要求),其使用寿命可达数百万次循环和数十年。

简而言之,它们是省心、灵活的问题解决工具,可用于两种互不相关的场景,其中小型、基本的EMR可提供简洁明了的解决方案。EKSednc

挑战#1

我“自告奋勇”帮助一位朋友将一个仅用于供暖的系统控制设备从一个基础但仍能正常工作的老式恒温器升级为一个更复杂、智能、支持Wi-Fi的设备,该恒温器仅有一个简单的温度驱动开/关功能(类似于图2中的设备)。我快速检查了现有的恒温器,发现它只有两根电线,所以我想“这有什么难的?”,尤其是它的输出动作只是一个简单的触点闭合。EKSednc

EKSednc

图2 经典的T87F霍尼韦尔恒温器,推出于20世纪60年代初,虽然现在已经不再销售,但由于采用了极其可靠的双金属导热条和密封的水银开关(当然,现在已经不允许使用了),已被安装了数百万台,并且许多仍在使用中。EKSednc

资料来源:纽约历史协会EKSednc

但情况根本不是这样。智能恒温器的资料显示,从两线恒温器换成新的、更智能的三线恒温器时,有许多可能的接线配置和选项。EKSednc

首先,新的恒温器需要通过一个24V AC变压器供电,因此HVAC控制器和恒温器之间需要一根额外的导线。幸运的是,已经有了第三条未使用的导线(谢谢你,无论是谁做的!),所以这部分问题就不存在了。EKSednc

有多种方法可以将新的三线系统连接到现有的两线触点闭合器上,具体取决于系统控制器的供应商(在本例中是相当新的)、是纯暖气还是暖气加AC(此处为纯暖气),以及如何将新的恒温器与现有控制器进行电气隔离,现有控制器需要有一个基本的干触点开关闭合来打开暖气。尽管这是一个24V的信号指示,但它也处于中等功率水平。EKSednc

一种选择是使用光电隔离器或SSR,但我不确定电压和电流水平,也不确定“接通”的SSR输出是否看起来足够像真正的触点闭合,因为SSR输出端有一个小压降。更简单、更省心的选择是使用机电继电器进行隔离,这是一个通用DPDT继电器,在基本的转换/隔离电路中配备了24V AC线圈和2A触点(图3)。显然,在这种情况下,其几十毫秒的开关速度并不是问题。EKSednc

EKSednc

图3 使用具有24V AC线圈的继电器解决了现代智能恒温器与新型、简单两线加热系统控制器的连接问题。EKSednc

资料来源:Bill SchweberEKSednc

好消息是一次成功!这可真不错。EKSednc

挑战#2

我的另一位朋友请我帮忙用现代化的无线蜂窝电话设备替换其家庭安全系统中现已淘汰的固定电话拨号器。由于新旧设备均由简单的两线闭合触发,我希望这是一次即插即用的替换,但事实并非如此。EKSednc

以前的拨号器需要从“开路”到“闭合”触点对的转换才能触发,而新拨号器的手册上说它需要从接地到“开路”的转换来触发。不幸的是,“开路”是一个模棱两可的术语:它是指“floating”(真正的开路),还是指断开线路但通过集电极开路输出就足够了?EKSednc

更棘手的是,有关驱动拨号器的报警控制单元的输出引脚的文档没有明确说明其电气性质:它可能是集电极开路结构,也可能不是。因此,我甚至无法确定控制单元的输出是否与拨号器的输入需求在电气上兼容。EKSednc

我想了一会儿,并将问题归纳为以下几点:我得到的是一个从高到低的输出,结构不清晰,而我想要的是它看起来像一个从接地到开路的直流信号。EKSednc

同样,带有5V DC线圈和1A触点的小型通用DPDT继电器,似乎是解决这些问题的一种灵活、无风险的方法。我将线圈连接在电源轨和控制单元的有源输出之间,然后在NC模式下使用未通电的继电器触点将拨号器的输入真实连接接地(图4)。当控制单元的输出变低(下拉)时,它会给线圈通电,从而打开NC继电器触点,为拨号器输入提供真正的开路。EKSednc

EKSednc

图4 定义不明确的报警系统触发器的输出与新的无线拨号器之间的转换和信号反转也是通过低压直流继电器完成的。EKSednc

资料来源:Bill SchweberEKSednc

问题再次迎刃而解……继电器既充当电平转换器又充当信号反相器,并且还为我提供了绝对的电气(电流)隔离。EKSednc

旧技术的“复仇”

使用经典的机电继电器来解决现代问题,例如使基于固件的Wi-Fi设备与旧式接口兼容,或解决特性不明确的接口的反转和隔离问题,是一种讽刺(或者说是旧技术“复仇”的一种形式)。EKSednc

这两种方案的原理图虽然简单,但是解决问题的方式却优雅且有效,何乐而不为呢?经验告诉我们,在考虑老式元件时不要犹豫,因为许多元件仍然非常可行,并能提供所需的功能和灵活性。EKSednc

至于我,我想我需要停止主动帮助朋友解决他们的接口问题。EKSednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Electromechanical relays: an old-fashioned component solves modern problems,由Ricardo Xie编译)EKSednc

责编:Ricardo
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