如何挑選繼電器：機電、簧片、SSR 或 FET

目前 ATE 應用中，機電繼電器或許是最廣泛使用的繼電器。它們是由線圈、電樞機構與電氣接觸點構成。當線圈通電時，感應磁場會移動電樞以開啟或關閉接觸點。請見圖 1。

^{圖 1：機電繼電器:線圈中的電流會產生磁場，進而使電樞在接觸點之間移動}

機電繼電器支援多種訊號特性，從低電壓/電流到高電壓/電流，以及從 DC 到 GHz 的頻率。因此，您幾乎總能找到信號特性符合特定系統需求的機電繼電器。機電繼電器的驅動電路與繼電器接觸點之間有電氣隔離，接觸點本身也彼此隔離。這種隔離特性使機電繼電器非常適合需要電氣隔離的場合。

相較於其他類型繼電器，機電繼電器的接觸點通常更大且更堅固。較大的接觸點使其能夠承受電路、纜線等中寄生電容所造成的非預期突波電流。然而，較大的接觸點需要更大的組合尺寸，因此無法在切換器模組上高密度放置。

機電繼電器的機械結構提供高度切換彈性，但其一項主要限制是速度。相較於其他繼電器，機電繼電器的速度相對較慢，典型型號可在 5 至 15 毫秒內切換與穩定。對某些應用來說，此操作速度可能過慢。

相較於其他類型，機電繼電器的機械壽命通常較短。隨著技術進步，機電繼電器的機械壽命有所提升，但其致動次數仍不及同等的簧片繼電器。如同任何繼電器，切換功率及其他系統考量都會對繼電器的整體壽命產生重大影響。事實上，機電繼電器的機械壽命可能比簧片繼電器短，但在類似負載 (特別是電容負載) 下，其電氣壽命可能下降得比簧片繼電器慢許多。機電繼電器較大且更堅固的接觸點，通常比同等簧片繼電器更耐用。

機電繼電器有鎖存型與非鎖存型兩種。非鎖存繼電器需要持續有電流流經線圈，以維持繼電器致動。這類繼電器常用於需在電源故障時自動切換回安全狀態的應用。鎖存繼電器使用永久磁鐵，即使移除線圈的驅動電流，也能將電樞保持在當前位置。對於極低電壓應用，鎖存繼電器較為理想，因為線圈不發熱可將熱電動勢 (EMF) 降至最低，減少對量測的影響。

機電繼電器可用於多種切換器模組。其堅固性使其非常適合多種應用，特別是在切換速度非首要考量時，而其多功能性則意味著可用於所有類型的切換設定，包括通用、多工器與矩陣。

Reed 繼電器如同機電繼電器,所具備的實體接觸會以機械方式致動以開啟/關閉路徑。不過,就橡皮繼電器而言,其接觸器的體積遠低於機電繼電器所用的體積。乾皮繼電器是以包覆著皮皮切換器的線圈製作而成。簧片切換器由兩個重疊的鐵磁刀片 (所謂的桿片) 組成,在以惰性氣體填充的玻璃電池囊內密封。引線的重疊端會有接觸點。在啟動線圈時,會將兩個引線連接在一起,讓其接觸點完成通過繼電器的路徑。線圈去功時,桿片中的彈簧力會拉開接觸點。請見圖 2。

^{圖 2：乾皮繼電器:通過線圈的電流會產生磁場,並將兩個簧片接觸點合而為一。}

由於接觸量較小、接觸量較少、致動機制也不同,因此,比等級電磁式機械繼電器快上約 10 倍。翡翠繼電器的機械使用壽命也遠高於機電繼電器。不過,取捨的部分,在於簧片繼電器的接觸較小,因此在關閉電路時更容易受到電弧損壞。當電弧跳過接觸點時,可能會熔化接觸表面的一小部分。如果熔化區段重新固化時接觸條件仍然關閉,接觸條件可能會相互焊接。在斷開驅動電流後,彈簧力在引線中往往不足以機械中斷焊接,導致繼電器無法使用。機電繼電器也可能因為電弧損壞,但所需的能量會更高。

基頻繼電器非常容易受到接觸損壞,因此,系統電容造成的浪湧電流可能特別有害。在繼電器與電容之間,可透過如電阻器或鐵氧磁體等串聯阻抗控制浪湧電流。不論是受測無功裝置或包覆式連接線,系統中的任何電容都有可能造成浪湧電流。

根基於鐵磁性材質的製成,簧片繼電器的熱能 EMF 會比同等機電繼電器高。因此,Reed 繼電器不適合用於極低電壓的應用,因為其熱能 EMF 可能會產生足夠的雜訊,以在量測作業中造成錯誤。

簧片繼電器體積輕巧又高速,因此非常適合應用於許多切換用途。相較於一般用途模組,矩陣與多工器模組所使用的 Reed 繼電器較為常見。

SSR 是使用具備 LED 的感光式 MOSFET 裝置來構成,以致動裝置。請見圖 3。

^{圖 3：固態繼電器 (SSR):封裝 LED 發出的光線會啟動感光性 MOSFET，讓電流能夠通過。}

由於 SSR 的切換時間必須視開關 LED 電源的時間長短而定 (一般約為 1 ms 與 0.5 ms),因此其切換速度可高於電機繼電器的速度。由於沒有機械零件,因此其使用壽命會高於機電或簧片繼電器。

LED 致動功能會在控制電路與 MOSFET 之間發揮相當高的電氣隔離作用,因此適合用於高壓用途。不過，由於 MOSFET 會進行切換，因此其接觸點之間並不會發生電氣隔離。若 MOSFET 未配備多極驅動器,MOSFET 的汲極-源極通道就會出現極高的電阻,在接觸點之間形成斷路。

由於連接會透過電晶體進行,而非實體金屬 (如電磁式與簧片繼電器),所以 SSR 的接觸電阻會更大。儘管技術改良持續改善 SSR 的接觸電阻,但現今生產中電阻達到 100 Ohm 以上的 SSR 仍不罕見。

SSR 不像機電繼電器那樣健全。如同簧片繼電器一樣,在高於額定值的訊號位準時,它們容易受到脈衝電流和損壞。雖然沒有金屬接觸器可焊接,但 MOSFET 的損壞可能會使繼電器變得無法使用。SSR 常見於矩陣與多工器上。 

FET 切換器就像 SSR 一樣,並非機械裝置。FET 切換器使用 CMOS 電晶體系列來執行切換。不同於 SSR 之處在於，其控制電路會直接驅動電晶體閘極，而不驅動 LED。開啟/關閉 LED 的時間不成問題,因此,直接驅動電晶體的切換速度會快上許多。一般而言,FET 切換器是本文所討論的最快速的切換器。此外，由於封裝不含機械零件或 LED，因此 FET 切換器的尺寸可以做到非常小巧。不過,FET 切換器的其中一個主要限制在於少了實體隔離屏障,因此只適用於低電壓訊號。

由於 FET 切換器採 FET 架構,因此 FET 切換器有 SSR 的許多優缺點。舉例來說,這類裝置的切換使用壽命較長,但路徑電阻也遠高於機電或簧片繼電器。

FET 切換器常見於多工器,以及高速、低壓用途的矩陣配置。

機電繼電器提供出色的全方位解決方案,雖然封裝尺寸、切換速度與機械使用壽命都有其限制。Reed 繼電器在封裝尺寸、密度與速度方面有所提升,但在可能出現波動電流的情況下卻較不穩定。SSR 是機械繼電器的絕佳替代方案,但路徑電阻較高,接觸器之間並未完全隔離。FET 切換器提供了快速、平價的解決方案,但只能在低電壓下運作。

針對任何應用,選擇特定繼電器類型之前,請先考慮所有系統參數。使用這項資訊可讓您針對自身應用進行合適的取捨。