干簧繼電器已從其音頻根源發(fā)展到處理 GHz 信號;MEMS 技術(shù)可能會將它們推到一邊。

機電繼電器就像恐龍一樣，沒有得到它們應(yīng)該滅絕的消息。相反，它們催生了新一代，被設(shè)計成新的應(yīng)用，甚至占領(lǐng)了新的領(lǐng)域。數(shù)以百萬計的此類繼電器被用于新設(shè)計中，以解決從直流到射頻、切換低電平信號和電源等通常難以解決的問題，同時解決相互沖突的目標。

對于熟悉固態(tài)、無移動部件半導體世界的設(shè)計人員來說，機電繼電器 （EMR） 似乎是一個早已過去的時代的遺留物。事實并非如此，因為在許多應(yīng)用中，EMR 比固態(tài)繼電器 （SSR） 具有明顯的優(yōu)勢。然而，EMR 確實面臨著一種新形式的固態(tài)競爭，盡管在某些應(yīng)用中以基于 MEMS 的器件的形式存在微觀的移動部件。

從基礎(chǔ)開始

經(jīng)典的 EMR 歸功于邁克爾·法拉第爵士，是最古老的“電氣”組件（以及基本的開關(guān)）。它的工作原理是給初級側(cè)線圈通電，該線圈拉入電樞，然后導致觸點閉合（或打開，具體取決于設(shè)計，如圖 1 所示）。這是大多數(shù)對繼電器有所了解的人所設(shè)想的表示，并在基礎(chǔ)電力培訓課程中用作非常有形的電路元件。第一臺基于電力的數(shù)字計算機在 20 年上半年使用了數(shù)千臺th世紀形成邏輯門和計算元素。

圖 1.（左）在EMR中，當電磁鐵線圈中沒有電流流動時，電樞被彈簧拉起，其公共（COM）觸點連接到常閉（NC）觸點;（右）;當電磁線圈施加電壓時，線圈中流動的電流會在鐵芯中產(chǎn)生磁能，從而將電樞向下拉，COM觸點從NC切換到常開（NO）。（圖片來源：Glolab Corporation)

EMR 有很多優(yōu)點，包括：

• 繼電器觸點形成一個基本的開關(guān)閉合，通過它的電流可以是交流或直流，獨立于線圈驅(qū)動;接觸電阻在亞毫歐范圍內(nèi)，因此觸點兩端的壓降非常接近于零;觸點開路電阻是一個氣隙，因此在數(shù)兆歐姆范圍內(nèi)，漏電流接近于零。

• EMR 是一種完全無源的設(shè)備，這對堅固性和可靠性具有影響。它在電氣和機械上都堅固耐用，可抵抗尖峰、瞬變和 EMI。

• 繼電器可以是多極、多觸點的器件，具有多個常開或常閉觸點對;提供三個、四個甚至更多獨立的常開和常閉觸點，其中最常見的是雙刀/雙擲 （DPDT）。

• 多個觸點不必承載相同類型和額定負載，這是另一個好處;一些觸點可以用于低電平信號，而另一些觸點可以用于電源。

• 繼電器可以設(shè)計用于低至 10 或 20 mA 或高至數(shù)十安培的線圈電流，觸點的額定電流僅為幾十 mA 和幾伏，直到兩個參數(shù)的幾個數(shù)量級。

• EMR 觸點在很大程度上與信號“無關(guān)”，只要正在處理的信號在電壓和電流最大額定值范圍內(nèi)即可;此外，無論是電源信號、數(shù)據(jù)信號還是多個觸點的混合，都無關(guān)緊要。此外，負載不必是眾所周知或定義的;它只需要在設(shè)計限制范圍內(nèi)。

• 繼電器非常容易排除故障;所需要的只是一個歐姆表來測量未通電線圈的連續(xù)性和接觸電阻，以及一個簡單的交流或直流電源來為線圈通電。

經(jīng)典的機電繼電器已經(jīng)很好地服務(wù)于該行業(yè)，并將繼續(xù)如此，每年銷售數(shù)百萬臺。然而，它不適合一類應(yīng)用：在中心局 （CO） 中交換音頻頻段電話信號。在這種情況下，兩個通話方的銅環(huán)需要相互連接。這是通過X-Y矩陣實現(xiàn)的，如果一個呼叫者都在同一個CO中，則一個呼叫者直接連接到另一個呼叫者，或者一個呼叫者連接到另一個CO的“中繼線”，以呼叫該CO。

經(jīng)典的 EMR 太大、成本高、耗電，并且會暴露在 CO 的污垢、灰塵和其他環(huán)境條件下。由此產(chǎn)生的長期可靠性不足將帶來維護問題，這與貝爾電話系統(tǒng) 40 年使用壽命的目標背道而馳——您現(xiàn)在能想象這個目標嗎？由于環(huán)境條件，即使多年來觸點性能適度下降，也會影響信號質(zhì)量和可靠性。

即使最初基于繼電器的電話交換矩陣發(fā)展到高度復雜的橫桿開關(guān)設(shè)計，該布置的裸露觸點也缺乏所需的長期可靠性。

下一節(jié)將探討干簧繼電器及其在 ATE 應(yīng)用中的應(yīng)用。