利用机电继电器解决现代接口问题

作者：Bill Schweber

系统集成面临诸多挑战，连接现有子系统与新的或不同子系统便是其一。有时，当两侧子系统的输入/输出特性均为已知标准特性时，电平位移器/转换器 IC（如 Texas Instruments 的 SN74AUP1T57DCKR）就能在其输入和输出端适应不同的数字信号电平，从而轻松解决该问题（图 1）。

图 1：当两个接口都是标准且定义明确的接口时，现成即用的 IC（例如 SN74AUP1T57DCKR）可以快速轻松地解决问题。（图片来源：Texas Instruments）

但在许多情况下，新旧系统互连并不容易实现。通常，接口一侧或两侧的特性并不清楚或定义不明确，因而无法使用标准元器件。

我在两种不同场合都遇到过这个问题。借助已有近 200 年历史的机电继电器 (EMR) 的现代版本，我可以轻松解决每种情况下出现的问题。EMR 发明于 1835 年左右，人们普遍认为要归功于美国科学家 Joseph Henry。

尽管与光耦合器或固态继电器 (SSR) 相比，这种继电器似乎有些过时，但很多时候，它们的“传统”优点非常有用。这类继电器每年的销售量数以亿计；虽然许多用于替换，但也有很大一部分用于新设计。

继电器大致分为三类：接触电流低于 2 A 的小信号器件、电流较大的功率继电器和射频 (RF) 继电器。射频继电器通常处理兆赫和千兆赫范围内的小信号。此外，还有其他同类产品，如音频继电器和用于自动测试设备 (ATE) 的磁簧继电器。另外，继电器还具有多种触点配置，从基础的单刀单掷 (SPST) 版本，到具有多个触点的单元。

老实说：我非常喜欢 EMR，原因有很多：

· 坚固且可靠。
· 能提供近乎完美的电（欧姆）隔离。
· 输入和输出电流/额定电压基本独立。
· 线圈和触点的额定值范围广。
· 一般具有兼容的插口引脚布局版本，简化了接线和调试。
· 通常有多个常开 (NO)/常闭 (NC) 触点，事实证明很有用。
· 通过电枢位置提供可视化指示，直观显示通电状态。
· 打开或关闭时，会发出清晰的“咔哒”声。

简而言之，这类继电器能够轻松、灵活且巧妙地解决问题。在可靠性方面，优质的继电器若按规格工作，可以持续开关数百万次和使用数十年。

我的情况相对简单，因为我处理的“信号”是触点闭合，有时也称为“干触点”，在这种情况下，驱动系统只希望实现两根电线之间的基本连通。下面来看看我的问题以及如何利用简单的继电器解决每个问题。

第一项挑战：升级供热控制系统

我“自愿”帮助一位朋友将一个仅供热系统的控制装置从基本、功能正常、老式、带有简单温度驱动开/关功能的温控器升级为更复杂、更智能、支持 Wi-Fi 的装置。旧版温度控制器类似于 Honeywell 的经典 T87F（图 2）。T87F 于 20 世纪 60 年代初推出，虽然现已停售，但已安装数百万台，而且由于具备极其可靠的双金属隔热片和密闭式水银开关，许多仍在服役中。

图 2：Honeywell 的 T87F 温控器于 20 世纪 60 年代推出，由于具备极其可靠的双金属隔热片和密闭式水银开关，已安装的数百万台温控器至今仍在服役。（图片来源：New York Historical Society）

我看了一眼现有的温控器，发现它只有两根电线，所以我想，“这能有多难？”特别是其输出动作是简单的触点闭合。事实证明，情况并非如此。根据智能温控器说明文档，从两线装置升级为新版更智能的三线装置时有很多可能的配置和接线选项。

首先，新版温控器需要通过 24 VAC 变压器供电，因此暖通空调 (HVAC) 控制器与温控器之间需要额外的引线。幸运的是，第三条未使用的引线已经有了（谢谢你，不管是谁干的！）所以，这部分不是问题。

有很多方法将新版三线系统连接到现有的两线触点闭合开关，这取决于系统控制器（在我说的例子中，还相当新）的供应商，是仅用于供热还是供热加制冷，以及想如何处理新版温控器与现有控制器的电气隔离。

有一种选择是光隔离器或 SSR，但我不确定电压和电流水平，或者“开启”的 SSR 输出端是否足够像真正的触点闭合，因为 SSR 输出端有微小的电压降。更简单、更省心的选择是使用类似于 IDEC RY2S-UAC24V 的继电器进行隔离。这款通用型双刀双掷 (DPDT) 继电器在基本转换/隔离电路中有一个 24 VAC 线圈和 3 A 触点（图 3）。显然，在这种情况下，开关速度不是问题。

图 3：我在将现代化智能温控器与新型、简单的双线供热系统控制器连接时遇到了问题，但通过带有 24 VAC 线圈的继电器得到了解决。（图片来源：Bill Schweber）

好消息是一切都很顺利，第一次！没有比这更好的了。

第二项挑战：将安防系统拨号器从固定电话升级为手机

另一位朋友请我帮忙将家庭安防系统中现已过时的固定电话拨号器更换为现代无线蜂窝设备。由于简单的两线闭合即可触发旧设备和新设备，我希望可以直接替换；但事实并非如此。

以前的拨号器触发需要从“开启”触点对转换为“闭合”触点对，而根据新拨号器说明书，触发需要从接地转换为“开路”。不幸的是，“开路”一词有时会产生歧义：是意味着“浮动”（真正开路），还是只需通过开路集电极输出断开线路？

更为棘手的是，在有关驱动拨号器的报警控制单元输出引脚的说明文档中，未明确注明引脚的电气性质：可能是开路集电极结构，也可能不是。因此，我不能确定控制单元的输出是否至少可能与拨号器的输入需求电气兼容。

经过思考，我把问题归结为：我拥有一个从高到低、结构不清晰的输出端，而我想要一个看起来像是从接地到开路的直流信号。

同样地，利用 EMR 来解决问题。在这种情况下，带有 5 VDC 线圈和 1 A 触点的类似于 KEMET UA2-5NU 的通用型 DPDT 继电器，似乎是解决这些问题的灵活、无风险的方法。我将线圈连接在供电轨和控制单元的有源输出端之间，然后在 NC 模式下使用未通电继电器触点将拨号器的输入端真正接地（图 4）。当控制单元的输出变为低电平（下拉）时，线圈通电，打开常闭继电器触点并为拨号器输入提供真正的开路。

图 4：低压直流继电器完成了报警系统触发器不明确的输出与新无线拨号器之间的转换和信号变换。（图片来源：Bill Schweber）

问题解决了！该继电器既可用作电平位移器，又可用作信号变换器，同时还可提供电流隔离。

结语

这两种 EMR 解决方案都能轻松巧妙且高效地解决问题。有什么不满意的吗？经验告诉我们，要毫不犹豫地选择久经考验的元器件，因为这些元器件简单、功能多样且灵活。至于我，我会继续自愿提供帮助；我无法预测会遇到什么问题，有时候问题会令人沮丧，但终会得到解决。