【51/STM32】详解控制系统中的继电器

本文参考资料有：
● 什么是继电器？继电器的作用、分类与符号 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1629581117800460544&wfr=spider&for=pc
● 继电器八大分类全面解读！http://www.360doc.com/content/16/0517/11/31913486_559835070.shtml
● 继电器工作原理接线图 http://m.elecfans.com/article/763963.html
● 三极管驱动继电器电路 https://blog.csdn.net/weixin_42214609/article/details/83096780?

一、继电器是什么

        继电器是一种电子控制器件，具备了控制系统（输入回路）与被控制系统（输出回路），常常被运用到自动控制电路中进行安装使用。继电器实质上是一种“自动开关”，静触点与动触点的位置会根据继电器本身的特性，在系统工作在不同状态时互相转化，从而实现开关的闭合，以达到对输出回路进行控制的目的。继电器主要在电路中起到转化电路、自动调节与安全保护方面的作用。

二、继电器的分类

        由于继电器实际的功能、安装、接线以及符号等都不一样，进而继电器也因此被分为很多的类型，按照继电器的工作原理可以分为以下几种：
1、电磁式继电器：
        电磁继电器使一种利用输入回路的电流在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器，被广泛应用在低压控制系统中，实现了小电流控制大电流，小电压控制大电压的目的。常见的电磁式继电器可以分为电流继电器、电压继电器、中间继电器以及各种小型通用继电器等。
        电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

2、热继电器：
        热继电器利用电流的热效应原理进行工作，主要用于电气设备（如电动机）的过负荷保护。
        当电动机过载时，电流通过串联在定子电路中的电阻丝，使之发热过量，双金属片受热膨胀，因膨胀系数不同，膨胀系数较大的左边一片的下端向右弯曲，通过导板推动补偿双金属片使推杆绕轴转动，带动杠杆使它绕轴转动，将常闭触头断开。接触器线圈断电，主触头释放，使电动机脱离电源得到保护。

3、速度继电器：
        速度继电器又称为反接制动继电器，主要用于三相鼠笼型异步电动机的反接制动控制。
        速度继电器主要由转子、定子和触头三部分组成，转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个鼠笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并装有鼠笼型绕组。其转子的轴与被控电动机的轴相连接，当电动机转动时，转子（圆柱形永久磁铁）随之转动产生一个旋转磁场，定子中的鼠笼型绕组切割磁力线而产生感应电流和磁场，两个磁场相互作用，使定子受力而跟随转动，当达到一定转速时，装在定子轴上的摆锤推动簧片触点运动，使常闭触点断开，常开触点闭合。当电动机转速低于某一数值时，定子产生的转矩减小，触点在簧片作用下复位。

4、按照继电器的工作原理还可以分为时间继电器、液体继电器、压力继电器等，这里就不再一一介绍。

三、单片机控制继电器的实例

        单片机是一个弱电元件，IO口的输出电压一般只有3V ~ 5V甚至更低，因此不可能用来直接驱动和控制大功率器件。为了能在自动控制系统中实现我们对大功率元器件的控制，所以我们必须引入一个中间桥梁，继电器就是一个典型的，简单的功率驱动环节。
        继电器驱动含有两层意思：
✔ ① 对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；
✔ ② 用继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，也可以直接驱动大功率负载。
　　我们常采用电磁型继电器，吸合电压一般为其额定电压的75％左右，驱动电流一般为几mA ~ 四五十mA。我们知道，单片机的拉电流一般不可能有这么大，因此我们常采用灌电流方式，且通过PNP管对IO口输出电流（基极电流）进行放大，如下图所示的电路。当P2.0口输出低电平时，PNP管导通，电流驱动继电器RTE24005RF的动触点移动，即相当于开关打开，L1点亮；当P2.0口输出高电平时，PNP管截止，此时没有电流经过继电器，继电器恢复“常开触点”，相当于断路，L1熄灭。

　
        图中的D1管为续流二极管， 当P2.0口的输出电压由低电平转变为高点平时，三极管由饱和变为截止，这样继电器电感线圈中的电流突然失去了流通通路，若无续流二极管D1，继电器的线圈两端会产生较大的反向电动势，极性为下正上负，电压值可达一百多伏，这个电压作用在三极管的集电极上足以损坏三极管。故续流二极管D的作用是将这个反向电动势通过图中箭头所指方向（二极管的导电方向）放电，对整个电路起保护作用。

● 程序源码如下（基于51单片机的实现）：

//用单片机控制220V大功率灯泡循环亮灭
#include 
sbit LAMP = P2^0;

//延时函数：延时xms
void delay_ms(unsigned int xms)
{
    unsigned int j;
    unsigned char k;
    for(j = xms; j > 0; j--)
        for(k = 120; k > 0; k--);
}

//主函数
void main()
{
    LAMP = 0;
    while(1)
    {
	LAMP = 0;
	delay_ms(3000);
	LAMP = 1;
	delay_ms(3000);
    }
}

四、555多谐振荡电路如何控制数目更多、功率更大的灯泡交替闪亮

1、问题的引入：如果将多谐振荡电路作为闪光信号去控制数目更多、功率更大的灯泡（例如220V，25W灯100支，分两组）交替闪亮，该怎么办？试给出电路示意图。
2、问题的求解：输出端获得稳定的波形后，连接如下图所示的电路即可。当555定时器的输出端为低电平时，上方的PNP管Q1导通，驱动继电器触点闭合，从而点亮上方灯泡，同时Q2管由于截止，下方的灯泡处于断路状态；当555定时器的输出端为高电平时，下方的NPN管Q2导通，驱动继电器触点闭合，从而点亮下方灯泡，同时Q1管由于截止，上方的灯泡处于断路状态。只要定时器输出频率一定且合适的波形，就能使得灯泡交替闪亮。