测试测量（2）-继电器基础介绍

继电器种类比较多，这里只介绍测试测量中常用到的几种继电器：

1 舌簧继电器(reed relays)

1.1 舌簧继电器原理

舌簧继电器的原理看起来非常简单，舌簧继电器的核心动作器件由两片铁磁材料的簧片和密封玻璃管构成的干簧管，一般情况下簧片的构成成分是镍：铁=50：50。金属密封管内通常会充入惰性气体，隔绝了外界环境的污染物和氧气，可以有效的延长触点的使用寿命。一般来说干簧管是处于常开的状态，但是也有常闭的版本。
如下图，如果沿着簧片的轴线方向施加一个磁场，当磁场增大到一定的强度的时候，簧片由于铁磁效应，会带有磁性，两个触点会吸在一起，使两端导通。

1.2 磁场的构建

要想使干簧管闭合，需要建立一个外部的磁场，有的干簧管会跟永磁体结合使用，用作接近开关，或者用来检测而门窗的开闭等位置信息。但是对于舌簧继电器来说，闭合触点所需要的磁场是由线圈产生的，这样就实现了通过控制县全力的电流来控制触点闭合或者断开的功能。如图所示，线圈缠绕在干簧管玻璃管外侧，提供轴向的磁场。
不同的干簧管需要的磁场强度是不同的，这个指标一般用“磁势”来表示，其单位是AT（ampere-turn，安培匝数），简单理解就是流过线圈的电流和线圈匝数的乘积。这就引出了舌簧继电器的特性，一般来说干簧管的承载功率或者电压越大，那么久意味着簧片更硬而且簧片的间距更大，这也就意味着需要更高的磁势，所以继电器线圈的功率也就越大。
磁场屏蔽
由于舌簧继电器是采用磁场驱动的，这就会带来一些隐患。首先我们需要明白一个概念，线圈形成的磁场是一个闭环，，即磁场通过干簧管的簧片，由外部返回，即在线圈以外的空间内也会存在磁场，并且磁场是可以叠加的。当舌簧继电器需要在PCB上密集的排列的时候，由于不同的磁场会相互叠加，在一部分区域是增强的状态，而在另一部分是削弱的状态，这样就会导致有一部分我们不想让闭合的舌簧继电器自己闭合了，而另一部分我们想要其闭合的继电器由于磁场因为叠加而削弱导致未能成功闭合，这就造成了严重的干扰现象，导致设备无法正常工作。一些继电器的制造商建议通过将继电器按照不同的极性排列来尽量避免出现这种状况，但是这就意味着用户必须要考虑磁场的干扰情况，而且对于大规模密集使用继电器的场景来说增加了不少机械结构的设计的麻烦。另一种方法就是在继电器外壳增加磁屏蔽，这样就隔绝了磁场外泄，那么用户就可以自由的布局，不需要考虑继电器之间相互的干扰。

1.3 材料和机械寿命

舌簧继电器最可靠的结构是单刀单掷（SPST）开关即（FormA）。单刀双掷（SPDT）开关（FormC）因为制造的技术难度和产品公差问题，通常情况下会比SPST的寿命更短。如果想要更长寿命的SPDT，需要考虑将两个SPST继电器组合成一个SPDT的继电器。舌簧继电器的寿命通常来说很长，Pickering公司生产的应用于中小电流的继电器可以达到10的9次方次。舌簧继电器的触点使用玻璃管做了密封，其中充入了惰性气体或者抽成了真空，因此不会跟外界的污染物接触，并且在触点上采用了贵金属材料，整个器件中唯一的活动部件就是簧片的偏转，没有转轴或者滑动部件，这就使得它具有很长的寿命，并且不会造成与外界直接接触的电弧火花等现象，因此可以在一些安全等级要求较高的场合使用。
触点上的贵金属镀层对于继电器的性能来说有着至关重要的作用。一些性能优良的镀层可以减少继电器在热切换的时候发生的侵蚀现象。最常用的触点材料是钌，铑和铱-这些都是相对稀有的铂族贵金属，钨通常用于高功率或者高电压的舌簧继电器触点，因为钨的熔点极高。不同用途的继电器会依照需求在触点上镀不同的图层，图层对继电器的性能影响是巨大的，同时其也影响着继电器的制造成本。舌簧继电器根据其成本和性能分为不同的等级。低质量的商用继电器一般采用铑触点，事实上铑触点由于其触点上会生成一层聚合物薄膜，导致不太适合用于切换较小的信号。一般情况下更适合切换低电平信号的是溅射钌触点，这种触点不会出现像采用铑触点的继电器一样的聚合物薄膜的问题。如果在应用中要求切换低电平的信号且对质量有一定要求，采用仪器级的钌触点舌簧继电器无疑是更好的选择。

2 电磁继电器

电磁继电器（Electro-Mechanical Relays (EMRs)）是一种在工业中广泛使用的继电器。这种继电器通常是用户可以找到的最低成本的开关解决方案。电磁继电器通常是使用磁力来驱动衔铁或其他的执行机构，用来控制触点的导通或者断开，电磁线圈在物理上与触点电路隔离，做到了以小电流控制大电流。这是最常用的继电器结构，使用范围较广，可用于大功率或者大电压的切换。

大多数的电磁继电器的触点都不是密封的，这使得这种继电器不太适合长时间切换低电平型号。此外，由于不密封，在一些存在易燃气体的场合，例如航线上的飞机测试，由于其开放式的结构，会导致一些风险。另外由于触点不密封，在包装和运输的过程中不可避免的会在触点之间产生一些绝缘的薄膜，即使触点有自清洁设计，也会导致接触电阻的增加，在切换大电流或者高电压的时候这个问题几乎没有影响，因为大的电流会清洁触点，击穿氧化层，但是切换小信号的话干扰就会比较大。

一些继电器会专门标注切换低电压信号时的电触电阻的规格，参数会比切换较大电压的时候更差。所以如果是想要切换较小的电信号的话，还是要选择带密封的舌簧继电器。

电磁继电器会在继电器闭合的时候设置自清洁的动作，一般来说是通过机械式的滑动来把氧化层磨掉来实现的，这样确实会有效，但是会造成接触电阻过大，而且会损坏触点的涂层。

由于电磁继电器的触点可以做得更大，所以与舌簧继电器相比，电磁继电器具有更高的额定值和更低的接触电阻。舌簧继电器的额定电流一般是2-3安培，电磁继电器可以轻松的超过这个数值。而且电磁继电器由于更大的触点，可以更好的兼容电流浪涌。

以下是一些电磁继电器和舌簧继电器的对比：

舌簧继电器的动作速度比电磁继电器更快，一般是5-10倍。产生速度差异的原因是同电磁继电器相比，舌簧继电器的动作部件更简单，重量也更轻。
舌簧继电器的触点密封，所以开关的参数可以在低电平和较高电平的使用条件下均保持相对更好的一致性，同时在开关断开状态下的开路电阻，即绝缘性也会更高。电磁继电器一般外部也会有塑料的遮罩，可以提供一定程度上的保护，但是随着时间的推移，空气中的污染物，包括一些含硫的物质和氧气，都会进入到触点空间内，对触点产生侵蚀。
舌簧继电器的寿命通常比电磁继电器更长，通常为电磁继电器的10-100倍。造成这个现象的主要原因还是由于舌簧继电器的活动部件更少，所以机械损伤更少，寿命更长。
与电磁继电器相比，舌簧继电器操作触点所需要的功率更小。较高的线圈功率会限制一个模块上同时闭合的继电器的数量。一般用户不太会考虑因素，但是在做设计的时候也要确认功率是否满足需求。
舌簧继电器和电磁继电器都是表现很优秀的开关，电磁继电器因为成熟的量产方法使其价格较为便宜，但是在额定范围内，舌簧继电器具有更好的性能。

3 水银湿簧继电器

这也是簧片继电器的一种，其触点上往往镀有水银，因为水银的特性，所以开关在闭合后不会有抖动，而且具有很长的机械和电气寿命，这种继电器往往在使用和运输中都必须保持规定的方向，而且汞的存在导致其污染较大，所以在有可替代方案的前提下，强烈不建议使用这种继电器，很多国家的法律已经不允许使用这种开关。

4 Edgeline继电器

Edgeline继电器主要用于高频信号或者微波信号的场合，这些场合的通道阻抗往往是50Ω。这就往往要求继电器的动静触点和RF地或者外壳之间的阻抗为50Ω。通过严格控制继电器触点边缘和RF地之间的间隙，就可以调节出50Ω的阻抗，所涉及的间隙都特别小，所以在制作过程中需要高精度的加工。
（如果有人知道这种继电器的准确中文名称请留言，万分感激）

5 PIN二极管

普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在，PIN 二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF 开关和RF保护电路，也有用作光电二极管(PhotoDiode)。PIN 二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。
微波开关利用PIN管在直流正-反偏压下呈现近似导通或断开的阻抗特性,实现了控制微波信号通道转换作用. PIN 二极管的直流伏安特性和PN结二极管是一样的，但是在微波频段却有根本的差别。由于PIN 二极I层的总电荷主要由偏置电流产生。而不是由微波电流瞬时值产生，所以其对微波信号只呈现一个线性电阻。此阻值由直流偏置决定，正偏时阻值小，接近于短路，反偏时阻值大，接近于开路。因此PIN 二极对微波信号不产生非线性整流作用，这是和一般二极管的根本区别，所以它很适合于做微波控制器件。

6 固态继电器

固态继电器主要是指一类基于半导体器件的开关。这一类开关种类非常多，例如有些使用DIN二极管进行高频信号的切换。但是最常用的与舌簧继电器相似性能的一般是基于FET开关。一个固态FAT开关使用两个串联的MOSFET（NMOSFET与PMOSFET），将其栅极连在一起作为驱动来控制继电器开合，与舌簧继电器的差异如下：

所有的固态继电器都会存在漏电流，这是由于器件的本身特性决定的，因此固态继电器的绝缘特性不如舌簧继电器和电磁继电器，而且绝缘电阻和导通电阻也是非线性的，随着负载电流的变化而变化。
路径电阻和陆静电容之间存在一个妥协关系。在路径电阻较低时电容较大，（有事甚至可以到nF级别），这样就限制了继电器的带宽，并且通道碘溶液随之增大；如果试着减小通道的电容，开关的尺寸会增加，同时通道电阻也会变大。固态继电器的电容远大于舌簧继电器。
舌簧继电器的控制电路与通道是完全隔离的，物理上来说线圈缠绕在玻璃管外侧，与信号通道完全不接触；但是固态继电器的驱动端和线路是联通的，不隔离的。
固态继电器比舌簧继电器的切换速度更快，切换频率更高，这是由于其没有机械装置，完全是靠半导体的特性执开关行动作的特性决定的。
固态继电器具有更高的额定功率。
一般来说，舌簧继电器比固态继电器更像完美的继电器，因为其有机械触点。

7 MEMs（微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System））

MEMS全称Micro Electromechanical System，微机电系统。是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器（执行器）和微能源三大部分组成。
MEMs继电器是在半导体上雕刻出具有三维结构的开关触点，然后该触点可以使用电场或者磁场来驱动使其闭合。对于光学MEM来说，使用反射镜来代替开关的触点。
关于MEMs开关的文章有许多，特别是RF开关方面，大家都寄予了很多期望，但是截至发文时间为止，其在商业上的应用还十分有限，因为涉及到的技术比较困难，所以很多厂商已经放弃了对其继续研发的商业计划。但是MEMs开关在光开关领域已经获得了成功。
同舌簧继电器一样，MEMs开关的动作部件也可以做到密封（不论是陶瓷封装还是硅片级封装），因此其开关参数的一致性会好很多。但是因为MEMs开关的触点过小，且触点操作力很低，所以会导致一些粘连以及智能通过较小功率的信号。
MEMs继电器最大的优势在于在稳定的前提下的低操作功耗和快速响应。例如：移动电话的接收/发送开关等，一直是MEMs开关开发者的目标。
然而，就目前来看，MEMs似乎不太可能与舌簧继电器在一般市场上产生竞争，MEMs开关的开发者将他们的目标定位在一些高价值的和军事上的应用场合。

8 磁保持继电器

磁保持继电器其触点开、合状态平时由永久磁铁所产生的磁力所保持。当继电器的触点需要开或合状态时，只需要用正（反）直流脉冲电压激励线圈，其开关状态的转换是靠一定宽度的脉冲电信号触发而完成的。继电器在瞬间就完成了开与合的状态转换。通常触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁铁的磁力就能维持继电器的状态不变。磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型继电器，也是一种自动开关。具有省电、性能稳定、体积小、承载能力大，比一般电磁继电器性能优越的特点。

9 安全继电器

安全继电器是由数个继电器与电路组合而成，为的是要能互补彼此的异常缺陷，达到正确且低误动作的继电器完整功能，使其失误和失效值愈低，安全因素则愈高，因此需设计出多种安全继电器以保护不同等级机械，主要目标在保护暴露於不同等级之危险性的机械操作人员。
安全继电器是一个安全回路中所必须的控制部分，它接受安全输入，通过内部回路的判断，确定性的输出开关信号到设备的控制回路里。简单地说，安全继电器都是双通道信号型，只有两个通道信号都正常时，安全继电器才能正常工作；在工作过程中，只要其中任一通道信号断开，安全继电器都会停止输出，直到两个通道信号都正常且复位后才能正常工作。