第4章电接触件和保护元件

1、u定义：利用机械力或电信号的作用，使电路产生接通，定义：利用机械力或电信号的作用，使电路产生接通， 断开或转接等功能的元件，称为机电元件。断开或转接等功能的元件，称为机电元件。n特点：电子产品中的开关，接插件及继电器都属于机特点：电子产品中的开关，接插件及继电器都属于机 电元件，机电元件工作原理及结构较为直观简电元件，机电元件工作原理及结构较为直观简 明，容易为设计及整机制造者所轻视。实际上，明，容易为设计及整机制造者所轻视。实际上， 机电类元件对电子产品的安全性、可靠性及整机电类元件对电子产品的安全性、可靠性及整 机水平关系很大，而且是故障多发点。这类元机水平关系很大，而且是故障多发点。这类

2、元 件一般是串联在电路中，是通过金属触点的闭件一般是串联在电路中，是通过金属触点的闭 合、开启而工作的，其最突出的问题是接触不合、开启而工作的，其最突出的问题是接触不 良，而且还易引起噪声。统计结果表明，由于良，而且还易引起噪声。统计结果表明，由于 插接件的存在，机器一半以上的故障均出自插插接件的存在，机器一半以上的故障均出自插 接件之类。接件之类。 原因：造成故障的主要原因是温度、潮湿、盐雾、工业气原因：造成故障的主要原因是温度、潮湿、盐雾、工业气 体及机械振动等。体及机械振动等。 高温可影响弹性材料的机械性能，使应力松弛、氧化，使高温可影响弹性材料的机械性能，使应力松弛、氧化，使 电阻增大

3、，也会使绝缘性能变差。电阻增大，也会使绝缘性能变差。 潮湿、盐雾及工业废气都使金属触点加速被腐蚀。潮湿、盐雾及工业废气都使金属触点加速被腐蚀。 动作过多，电流过大，会损坏镀层，造成接触不良。动作过多，电流过大，会损坏镀层，造成接触不良。 开关的主要功能就是接通、断开和电路转换，其种类繁开关的主要功能就是接通、断开和电路转换，其种类繁多，其常见分类方法如下：多，其常见分类方法如下：一、开关分类一、开关分类 1. 按结构分按结构分 可分为：旋转开关、按钮开关、钮子开关、双列直插可分为：旋转开关、按钮开关、钮子开关、双列直插 开关和滑动开关。开关和滑动开关。 2. 按用途分按用途分 可分为：键盘开关

4、、微动开关、电子开关、电源开关、可分为：键盘开关、微动开关、电子开关、电源开关、 波段开关、多位开关、转换开关、拨码开关波段开关、多位开关、转换开关、拨码开关 及控制开关。及控制开关。 3. 按驱动方式按驱动方式 可分为手动、机械控制、声、光、磁等控制。可分为手动、机械控制、声、光、磁等控制。二、二、 开关的基本概念开关的基本概念 我们所说的开关，已不再是习惯中手动开关。像压力我们所说的开关，已不再是习惯中手动开关。像压力控制，光电控制，超声控制等具有控制作用的开关，实控制，光电控制，超声控制等具有控制作用的开关，实际已不再是一个简单的开关，而是包括较复杂的电子控际已不再是一个简单的开关，而是

5、包括较复杂的电子控制单元，对于我们常说的电子开关，则主要是指利用晶制单元，对于我们常说的电子开关，则主要是指利用晶体管，可控硅等器件的开关特性构成的控制电路单元，体管，可控硅等器件的开关特性构成的控制电路单元，从范围划分上，它们不属于机电元件的范畴，但由于功从范围划分上，它们不属于机电元件的范畴，但由于功能上与开关相同，所以也常将它们列入开关行列，我们能上与开关相同，所以也常将它们列入开关行列，我们本节主要介绍的是机械开关。本节主要介绍的是机械开关。 常用的各种开关的电路符号及外形常用的各种开关的电路符号及外形 线圈线圈玻璃管玻璃管舌簧片舌簧片充惰性气体充惰性气体NS线圈线圈舌簧片舌簧片玻璃管

6、玻璃管舌簧片舌簧片充惰性气体充惰性气体NS舌簧片舌簧片永久磁鉄永久磁鉄 固态继电器（固态继电器（SSR）依靠半导体器件和电子元件的电磁）依靠半导体器件和电子元件的电磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。和光特性来完成其隔离和继电切换功能。 目前固态继电器已被广泛应用于工业自动化控制，如电目前固态继电器已被广泛应用于工业自动化控制，如电炉加热系统，遥控机械，电机，电磁阀以及信号灯，闪烁炉加热系统，遥控机械，电机，电磁阀以及信号灯，闪烁器，舞台灯光控制系统，医疗器械，消防保安系统等都有器，舞台灯光控制系统，医疗器械，消防保安系统等都有大量应用。大量应用。单相固态继电器单相固态继电器 单相固态继电器

7、单相固态继电器 三相固态继电器三相固态继电器 三相固态继电器三相固态继电器 固态继电器固态继电器uSSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关；按工作功能分直流别在交流或直流电源上做负载的开关；按工作功能分直流输入输入-交流输出型、直流输入交流输出型、直流输入-直流输出型、交流输入直流输出型、交流输入-交流交流输出型、交流输入输出型、交流输入-直流输出型；按安装方式有装置式（面直流输出型；按安装方式有装置式（面板安装），线路板安装式；按元件分普通型和增强型。板安装），线路板安装式；按元件分普通型和增强型。uS

8、SR由于是全固态电子元件组成，与由于是全固态电子元件组成，与“线圈线圈簧片触点式簧片触点式” 继电器（简称继电器（简称MER）相比，它没有任何可动的机械部件，）相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；工作中也没有任何机械动作；SSR由电路的工作状态变换由电路的工作状态变换实现实现“通通”和和“断断”的开关功能，没有电接触点，因而它的开关功能，没有电接触点，因而它有一系列有一系列MER所不具备的优点：所不具备的优点：（1）工作可靠性高、寿命长，开关次数多；）工作可靠性高、寿命长，开关次数多；（2）无动作噪声；）无动作噪声；（3）耐振、耐机械冲击；）耐振、耐机械冲击；（4）安装位

9、置灵活无限制；）安装位置灵活无限制；（5）体积小，很容易用绝缘、防水材料灌封做成全密封形）体积小，很容易用绝缘、防水材料灌封做成全密封形 式，而且具有良好的防潮、防霉、防腐性能；式，而且具有良好的防潮、防霉、防腐性能；（6）在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳；）在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳； 此外，此外，SSR还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右还有能承受在数值上可达额定电流十倍左右 的浪涌电流的特点。的浪涌电流的特点。n 下面以交流型的下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理，下图是它为例来说明它的工作原理，下图是它的工作原理框图。的工作原理框图。 图中部件图中部件-构成交流构

10、成交流SSR的主体，从整体结构上看，的主体，从整体结构上看，SSR只有两个输入端只有两个输入端(A和和B)及两个输出端及两个输出端(C和和D)，是一种，是一种四端器件。工作时只要在四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就上加上一定的控制信号，就可以控制可以控制C、D两端之间的两端之间的“通通”和和“断断”，实现，实现“开关开关”的功能。的功能。n SSR中各个组成部分的功能如下：中各个组成部分的功能如下：u 耦合电路：其功能是为耦合电路：其功能是为A、B端输入的控制信号提供一个端输入的控制信号提供一个输入输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开输出端之间的通道，但又在电气上断开SS

11、R中输入中输入端和输出端之间的电联系，端和输出端之间的电联系， 以防止输出端对输入端的影以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是响，耦合电路用的元件是“光耦合器光耦合器”，它动作灵敏、响，它动作灵敏、响应速度高、输入应速度高、输入/输出端间的绝缘输出端间的绝缘(耐压耐压)等级高；由于输入等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使得端的负载是发光二极管，这使得SSR的输入端很容易做到的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，从而可直接与计算机输出接口相与输入信号电平相匹配，从而可直接与计算机输出接口相接，即受接，即受“1”与与“0”的逻辑电平控制。的逻辑电平控制。 u触发电路：其功能是产生合

12、乎要求的触发信号，驱动开触发电路：其功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰脉冲等污染电网，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰脉冲等污染电网，为此特设为此特设“过零控制电路过零控制电路”。所谓。所谓“过零过零”是指，当加是指，当加入控制信号（交流电压）过零时，入控制信号（交流电压）过零时，SSRSSR即为通态；而当即为通态；而当断开控制信号后，断开控制信号后，SSRSSR要等待交流电的正半周与负半周要等待交流电的正半周与负半周的交界点的交界点( (零电位零电位) )时，时，

13、SSRSSR才为断态。这种设计能防止才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。高次谐波的干扰和对电网的污染。u吸收电路：其功能是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌电吸收电路：其功能是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌电压等纹波成分对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰压等纹波成分对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至甚至误动作误动作)而设计的，一般是用而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性串联吸收电路或非线性电阻电阻(压敏电阻器压敏电阻器)。u直流型的直流型的SSR与交流型的与交流型的SSR相比，无过零控制电路，也相比，无过零控制电路，也不必设置吸收电路，开关器件一般用大功率开关三

14、极管。不必设置吸收电路，开关器件一般用大功率开关三极管。直流型直流型SSR在使用时应注意：在使用时应注意：负载为感性负载（如直流电磁阀负载为感性负载（如直流电磁阀 或电磁铁）时，应在负载两端并或电磁铁）时，应在负载两端并 联一只二极管，极性如图所示。联一只二极管，极性如图所示。SSR工作时应尽量把它靠近负载，工作时应尽量把它靠近负载， 其输出引线应满足负荷电流的需要。其输出引线应满足负荷电流的需要。当电源是交流降压整流所得时，其滤波电解电容应足够大。当电源是交流降压整流所得时，其滤波电解电容应足够大。直流型的直流型的SSR 如图如图4A和和4B分别为三相异步电动机的开关控制电路和正反分别为三相

15、异步电动机的开关控制电路和正反转控制电路。图转控制电路。图4A中，当控制电源电路接通时，即给中，当控制电源电路接通时，即给SSR的端施加直流电压时，的端施加直流电压时，SSR的、端便犹如一根导线的、端便犹如一根导线导通了，从而把三相电源引入到电动机的定子电路中；图导通了，从而把三相电源引入到电动机的定子电路中；图4B中，电动机定子绕组的一相是直接加以火线中，电动机定子绕组的一相是直接加以火线S的，若要改的，若要改变电动机的转向，只要改变其相序即可，图中，通过两个变电动机的转向，只要改变其相序即可，图中，通过两个SSR(for reverse rotation)将将R、T换接加到电动机的不同换接

16、加到电动机的不同定子接入端进而实现电动机反转的目的。定子接入端进而实现电动机反转的目的。图图4A 三相异步电动机的开关控制电路三相异步电动机的开关控制电路图图4B 三相异步电动机的正反转控制电路三相异步电动机的正反转控制电路 图图4C为计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路，为计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路，图中采用了图中采用了4个与非门（与非门的逻辑作用是当输入端只要出个与非门（与非门的逻辑作用是当输入端只要出现低电平信号，输出端便呈现高电平；电平的跳变是从低到高现低电平信号，输出端便呈现高电平；电平的跳变是从低到高时为上升沿，从高到低为下降沿），用二个信号通道分别控制时

17、为上升沿，从高到低为下降沿），用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转电动机的起动、停止和正转、反转 。图图4C 计算机控制三相交流电机计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路正反转的接口及驱动电路u固态继电器的特性参数包括输入和输出参数，根据输入电压固态继电器的特性参数包括输入和输出参数，根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用参数值大小，可确定工作电压大小。如采用TTL或或CMOS等逻等逻辑电平控制时，最好采用有足够带载能力的低电平驱动，并辑电平控制时，最好采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使尽可能使“0”电平低于电平低于0.8 Vu如在噪声很强的环境下工作

18、，不能选用通、断电压值相差小如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断电压值相差大的产品的产品，必需选用通、断电压值相差大的产品 (如选接通电压如选接通电压为为8 V或或12 V的产品的产品)，这样不会因噪声干扰而造成控制失灵，这样不会因噪声干扰而造成控制失灵 。 1. 额定输出电压额定输出电压 它是指在特定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压它是指在特定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值。如果受控负载是非稳态或非阻性的，必需考虑所选有效值。如果受控负载是非稳态或非阻性的，必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时产品是否能承受工作状态或条件

19、变化时(冷热转换、静动转换、冷热转换、静动转换、感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等) 所产生的最大合成电所产生的最大合成电压压 。2. 额定输出电流额定输出电流 额定输出电流是指在给定条件下额定输出电流是指在给定条件下(环境温度、额定电压、功率环境温度、额定电压、功率因素、有无散热器等因素、有无散热器等)所能承受的电流最大的有效值。一般生所能承受的电流最大的有效值。一般生产厂家都提供热降额曲线。如周围温度上升，应按曲线作降产厂家都提供热降额曲线。如周围温度上升，应按曲线作降额使用。额使用。3. 浪涌电流浪涌电流 浪涌电流是指在给定条件下浪涌电流是指在给定条件下

20、(室温、额定电压、额定电流和室温、额定电压、额定电流和持续的时间等持续的时间等)不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰值电流。交流继电器的浪涌电流为额定电流的值电流。交流继电器的浪涌电流为额定电流的5-10倍倍(一个周一个周期期)，直流产品为额定电流的，直流产品为额定电流的1.5-5倍倍(一秒一秒)。在选用时，如负。在选用时，如负载为稳态阻性，载为稳态阻性，SSR可全额或降额可全额或降额10%使用。使用。单相线路板式固态继电器单相线路板式固态继电器单相线路板式固态继电器单相线路板式固态继电器单相交流固态继电器单相直流固态继电器二组输入输出固态继电器一开一闭固态继电器单相电压型交流固态调压器E12SE13E14SE15E16SE17SE18SE23E24光电开关光电开关光电耦合元件广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、光电耦合元件广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数位仪表、远距离、脉冲放大电路、数位仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器信号传输、脉冲放大、固态继电器(SS