第 1 章 9：繼電器與開關

繼電器和開關是「機械式」元件，雖然有半導體替代品，仍在許多場合不可或缺。

一、開關（Switch）的基本概念

觸點配置（Contact Configuration）

開關依觸點數量與切換能力分類：

縮寫	全名	描述
SPST	Single Pole, Single Throw	單刀單擲（簡單 ON/OFF）
SPDT	Single Pole, Double Throw	單刀雙擲（A/B 切換）
DPST	Double Pole, Single Throw	雙刀單擲
DPDT	Double Pole, Double Throw	雙刀雙擲
4PDT	Four Pole, Double Throw	四刀雙擲

SPST:           SPDT:
  o─/ o          o
                  /
                 o─── 

                 o

動作方式

Toggle（切換式）：切過去就保持，再切回
Push-button（按鈕式）：按壓動作，分常開（NO）/ 常閉（NC）
即時型（momentary）：放開回復
鎖定型（latching）：按一下開、再按一下關
Slide（滑動式）：左右滑動切換
Rotary（旋轉式）：多檔位選擇
Rocker（搖頭式）：常見於電源開關
DIP Switch：印刷電路板上的微型撥碼開關
Tact Switch：觸控按鍵（最常用於 PCB）

開關的關鍵規格

1. 額定電壓 / 電流

標稱可承受的電氣量：DC 與 AC 通常規格不同。

2. 接觸電阻

理想為 0，實際 mΩ–數百 mΩ。

3. 機械壽命

總操作次數，常見 1萬–10萬次。

4. 電氣壽命

帶負載操作次數，通常少於機械壽命。

5. 接觸彈跳（Contact Bounce）

按下時觸點彈跳，造成多次連通-斷開（< 10 ms）：

Vin
 │
 │     ┌─┐ ┌─┐ ┌──────
 │     │ │ │ │ │
 │_____┘ └─┘ └─┘  └─── 穩定

數位電路必須做「消抖」（debounce），方法： - 軟體：延遲 10–20 ms 後再讀 - 硬體：RC 濾波、Schmitt trigger - 專用 IC：MAX6816、MC14490

二、繼電器（Relay）

什麼是繼電器？

「用小訊號控制大電力的電磁開關」

結構與原理

       ┌──── 控制端 + ────┐
       │                    │
      [線圈]              [鐵芯]
       │                    │
       └──── 控制端 - ────┘ │
                            ↓ 磁吸引
       ┌─── 主接點 NO ───┐
       │                  │
   ────┤   ↘共用 COM     ├──── 負載
       │                  │
       └─── 主接點 NC ───┘

動作：
- 線圈無電 → 電樞被彈簧拉開 → COM 接 NC（常閉）
- 線圈通電 → 電磁吸引 → COM 接 NO（常開）

繼電器的特性

優點

完全電氣隔離：控制端與負載端隔離
大電流耐受：可達數十 A
低接觸電阻（mΩ 級）
零導通損耗（接通後）
直觀：機械可見開關狀態

缺點

慢：切換時間 ms 級
壽命有限：機械磨損
大、重：相比 MOSFET
線圈耗能（持續通電才保持）
產生 EMI（線圈感應、觸點電弧）
觸點氧化（時間久了接觸電阻增加）

主要種類

1. 電磁繼電器（EMR, Electromechanical Relay）

最傳統，本章主要討論的。

2. 簧片繼電器（Reed Relay）

玻璃管內密封簧片，速度較快、壽命長。用於：自動測試設備、儀器矩陣切換。

3. 鎖存繼電器（Latching Relay）

切換後不需持續通電，靠永久磁鐵保持。用於：低功耗應用（電池供電）。

4. 固態繼電器（SSR, Solid State Relay）

用半導體（TRIAC、MOSFET、光耦）代替機械接點。特點： - ✅ 無機械磨損、長壽命 - ✅ 切換快（µs 級） - ✅ 無噪音、抗振 - ❌ 較貴 - ❌ 漏電（off 時有 µA 級漏電流） - ❌ 接通損耗較大（V_DROP 1–2V）

5. 高頻 / 射頻繼電器

用於微波頻率切換（GHz 級）。

接點規格

形式	描述
Form A（NO）	常開觸點
Form B（NC）	常閉觸點
Form C	切換式（SPDT，含 NO + NC + COM）

線圈規格

線圈電壓（V_DC）：5V, 12V, 24V, 48V 為主流
線圈電流 / 阻抗
動作電壓（pickup voltage）：開始吸合所需的最低電壓（通常 ≈ 75% 額定）
釋放電壓（dropout voltage）：完全釋放的最高電壓（通常 ≈ 10–25% 額定）

三、繼電器驅動電路

繼電器線圈是「電感」，直接接 MCU 會： 1. 電流不夠（線圈幾十 mA，超過 GPIO 限制） 2. 斷電時感應反電動勢損壞 MCU

標準驅動電路（NPN BJT）

   +12V
    │
   [繼電器線圈]
    │
    ├──→│── (D1 飛輪二極體, 反向)
    │
    C
    │
B──[1k]── MCU GPIO
    │
    E
    │
   GND

關鍵： 1. 飛輪二極體 D1：反向接於線圈兩端，吸收反電動勢 - 一般選 1N4148（小電流）或 1N4007（大電流） 2. 基極電阻：依 BJT β 與線圈電流計算 3. 下拉電阻（10kΩ）：可選，避免 MCU 重啟時誤動作

MOSFET 驅動

更高效，無 V_BE 損耗：

   +12V
    │
   [繼電器線圈]
    │
    ├──→│── (D1)
    │
    D
    │
G──[100Ω]── MCU GPIO
    │ │
    │ ├─[10kΩ]── GND
    S │
    │ │
   GND└── GND

選 Logic Level NMOS，如 2N7000、AO3400

雙線圈鎖存繼電器驅動

需要兩組驅動電路（一組 set，一組 reset），脈衝控制：

動作：set 線圈通電脈衝 → 接點切換 → 釋放
復位：reset 線圈通電脈衝 → 接點切換回 → 釋放

優點：靜態無電流（節能）。

四、繼電器選用考量

1. 負載類型

不同負載對繼電器要求不同：

負載	特性	注意
電阻性	容易切換	一般
電感性（馬達、電磁閥）	啟動電流大 + 反電動勢	選大電流容量、加 snubber
電容性（LED 燈、電源）	啟動衝擊大	注意 inrush current
燈泡	冷時電阻低（10 倍 inrush）	選 inrush 規格
直流負載	不過零，容易產生電弧	選 DC 額定的繼電器

2. 觸點材料

材料	特性	用途
銀（Ag）	接觸電阻低	一般
金（Au）	抗氧化	小信號、低電流
銀合金	抗熔接	大電流
鎢（W）	抗電弧	大電流

3. 切換方式

零過零切換（Zero-crossing）：減少電弧、EMI（多用於 SSR）
隨機切換：即時切換

4. 安規認證

UL（美規）
TUV（歐規）
CCC（中國）
安全距離（爬電距離、空氣間隙）

五、其他機電元件

接觸器（Contactor）

大型繼電器，工業用，可控制 kA 級電流。

微動開關（Micro Switch）

小行程觸發開關，常用於限位、安全保護。

干簧管（Reed Switch）

磁鐵接近時導通，無接觸式偵測（門磁感應）。

熱保護開關（Thermal Switch）

溫度超過閾值自動切斷（保護電路）。

限位開關（Limit Switch）

機械位置觸發。

六、機電 vs 半導體選擇

應用	機電（繼電器/接觸器）	半導體（MOSFET/SSR）
大電流 AC	✓ 經濟	SSR 可，較貴
大電流 DC	✓ 但需注意電弧	✓ MOSFET
高頻切換	✗ 慢	✓
完全隔離	✓	需光耦
長壽命	機械限制	✓
低待機功耗	鎖存 OK	✓
抗振動	較弱	✓
故障安全	接點熔接也有可能	短路失效
成本（小批量）	✓	較貴
體積	大	小

七、實務應用範例

例 1：智慧家電：MCU 控制 110V 燈泡

選 SRD-05VDC-SL-C（5V 線圈，10A AC 觸點）：

MCU → BJT 驅動 → 5V 繼電器 → 110V AC 燈泡

注意： - 繼電器初次級之間一定要有 隔離距離（PCB 布線） - 110V AC 接點區域 PCB 銅箔加厚（爬電距離） - 安規認證版本

例 2：H 橋驅動小馬達

簡易 H 橋用 4 個繼電器（1 個 SPDT × 2 + 控制邏輯）：

但通常不這樣做，現代多用 MOSFET H 橋（如 L298、DRV8833 IC）。

例 3：緊急停止電路（E-Stop）

工業安全設計： - 用機械式按鈕（鎖定型） - 接點直接斷開主電源接觸器 - 不依賴半導體（防止軟體 bug 或 SCR latch up）

安全相關電路必須用機械式繼電器或接觸器，半導體不被允許作為唯一保護。

八、本章總結

✅ 您應該掌握：

[x] 開關的觸點配置（SPST/DPDT 等）與動作方式
[x] 接觸彈跳與消抖
[x] 繼電器的工作原理與種類
[x] 機械繼電器 vs 固態繼電器（SSR）
[x] 繼電器的標準驅動電路（飛輪二極體必加）
[x] 不同負載對繼電器的要求
[x] 機電 vs 半導體開關的選擇

自我檢測

SPDT 開關有幾個觸點？
為什麼按鍵需要消抖（debounce）？
為什麼繼電器線圈兩端要加飛輪二極體？
SSR 與機械繼電器的優缺點對比？
鎖存繼電器（Latching Relay）的優勢是什麼？

解答

3 個（COM, NO, NC）
機械接觸時會彈跳（10 ms 內可能多次連通-斷開），讓數位電路誤判為多次按鍵
線圈是電感，斷電時會感應反電動勢（可達 100V+），會擊穿驅動電晶體。飛輪二極體提供電流續流路徑
SSR 優：無磨損、長壽命、快速、安靜；缺：貴、漏電、接通損耗大
切換後不需持續通電（永久磁鐵保持），低功耗，適合電池應用

10-電池與電源.md — 電池與各種供電方式。