继电器的内部构成、类型及驱动电路分析

小电流控制大电流，你只知道三极管？还有一个器件也可以做到！你知道是什么吗？

揭晓答案——就是它：继电器！下面就从内部构成、类型，驱动电路，一起来认识一下继电器吧。

01继电器长什么样？

继电器是一种电控制器件，通过输入回路小电流信号控制输出回路大电流电路的接通或断开，简单的说，继电器就是一个“电子开关”。

这种定义是早期对继电器的狭义定义，通常指很常见的电磁继电器或固态继电器，随着技术发展，继电器家族也衍生出了一些变种，它们的触发不依靠外部的电信号，而是依靠自身的设定参数动作，后面就会给大家介绍几种常用的继电器类型。

在电子系统中，继电器的核心功能有以下三种：

控制能力，用小电流控制大电流；

隔离作用，控制信号和负载电路之间，通过继电器隔，保护负载电路；

定时开关，安全保护，可以利用继电器实现自动控制。

继电器是如何实现这些功能的？这就要从它的内部结构说起了。

以极常见的电磁继电器为例，它主要由磁路系统、触点系统、复位系统以及支架组成。磁路系统由线圈、铁芯、和衔铁构成；触点系统由动触头和静触头构成；复位系统通常是弹簧或者弹片；支架将各个机构固定在确定位置。

虽然继电器的种类不同，内部结构可能也略有不同，但基本原理都是类似的：

当线圈通电后，会产生磁场，铁芯上就会产生磁力吸引衔铁，当电磁力大于弹簧反力时，衔铁带动动触头向着静触头闭合，此时，常开触头闭合，常闭触头断开。当线圈失电后，铁芯磁力消失，衔铁释放，依靠复位弹簧或者弹片的弹力，触头复位，此时，常开触头断开，常闭触头闭合。

02常见的继电器类型

继电器的种类繁多，常用的有这些：

1）电磁继电器

上面提到的电磁继电器，是非常传统的继电器类型，它利用电磁体控制触电开关。这种继电器结构简单，价格比较低，应用广泛，但是它的机械触电容易磨损。

2）固态继电器

固态继电器简称SSR，是一种无触点电子开关，它是将半导体功率器件，如可控硅、MOSFET、IGBT，与隔离驱动电路设计封装到一个模块里，实现电路的导通与关断。

根据控制方式和负载类型，SSR又可以分为直流控交流、直流控直流、交流控交流这几种。

以直流控交流的固态继电器为例，控制220V/50W的小灯。按照如下接好测试电路，信号端由稳压电源提供，通过标识可以看到，它的控制信号是3V-32V的直流信号，被控端允许24V-480V的交流负载。所以稳压电源设置输出为5V，打开稳压电源，SSR导通了，灯泡发光，关断稳压电源，SSR关断，灯泡熄灭。

SSR的功率可以做的非常大，上面实验的电流可高至25A，有的SSR过电流可达几百A，所以这时候要注意，当被控负载的电流大到一定时，需要给SSR增加外部散热器。

相对于电磁继电器，固态继电器有寿命长、响应快、控制精细、通断无火花等优势。

3）时间继电器

顾名思义就是通过设置自身定时时间，延时执行动作的继电器。根据延时方式，时间继电器有通电延时型和断电延时型两种。在需要按时间启动的系统中，时间继电器应用广泛。

以通电延时型时间继电器为例，设置延时通电时间，连接好灯泡和测试电路。给它通电后，继电器并没有立即执行动作，而是计时器开始工作，当时间到达后，时间继电器才会吸合，灯泡发光。

4）热继电器

热继电器是电气控制系统中常用的过载保护电器，利用热电流热效应原理工作。

热继电器主要构成有热元件、双金属片、触点及动作机构。核心检测部件，通常由双金属片和绕在双金属片上的加热绕组组成。加热绕组与被保护设备的主电路串联，直接感受电路中的电流变化；双金属片由两种热膨胀系数不同的金属片叠压而成，一端固定，另一端与动作机构相连。

以电机为例，当电机正常运行时，热元件产生热量使双金属片缓慢弯曲，但不足以使触点动作。当设备发生过载时，电流超过额定值，加热绕组产生的热量大幅增加，导致双金属片受热膨胀弯曲，当达到一定程度后，通过推杆推动动作机构，使触点系统中的主触点断开，切断控制电路，进而切断主电路电源，实现设备的过载保护。

此外，还有压力继电器，其工作原理与热继电器相似。

03如何驱动继电器？

知道了继电器的原理和结构，该如何驱动它们呢？

首先，系统中的主控，比如单片机，是不能直接驱动继电器的。一是单片机的IO口输出电流比较小，不能产生足够的磁力。二是很多继电器的线圈额定电压是高于单片机的3.3V的。另外还有线圈的反向电动势冲击，会烧毁单片机IO口。

这个时候，就需要使用驱动电路了，常用的有这3种：

第一种是使用NPN晶体管驱动。当给晶体管基极给高电平信号，晶体管导通，继电器得电吸合，当给低电平信号后，晶体管关断，继电器失电。

第二种是使用PNP晶体管驱动。它的控制逻辑与NPN管相反，当给晶体管基极给高电平信号，晶体管关断，继电器失电断开，当给低电平信号后，晶体管导通，继电器得电吸合。

NPN晶体管与PNP晶体管驱动电路

第三种就是使用达林顿管阵列驱动。这种适合多路继电器驱动，可以简化驱动设计，例如ULN2803可以同时驱动8路继电器

达林顿管阵列驱动电路

这三种驱动电路，我们做了测试板， 具体的测试效果如下：

在驱动电路上，常常可以看到在继电器的线圈上反并联了一个二极管，这个二极管是用来做什么的呢？我们先来看下增加二极管前后的电压变化：

这个二极管是续流二极管，它是用来钳位继电器断开瞬间产生的反电动势的。当继电器的线圈失电瞬间，会产生非常高的反电动势，通常能达到几十伏至几百伏，如不处理的话，就会击穿驱动电路或其他电子元件。而在续流二极管的钳位下，就可以将它的幅值控制在0.7V左右，从而保护了电路板上的其他元件。

从传统的电磁继电器到无触点的固态继电器，从精准定时的时间继电器到守护设备安全的热继电器，继电器家族支撑着各类电路的稳定运行。

无论是工业生产中的设备控制，还是智能家居控制，继电器都在默默 “发力”。你在项目或生活中有遇到过哪些与继电器相关的场景呢？