普通继电器 vs 磁保持继电器 vs MOS管：工作原理与电路设计全解析

普通继电器 vs 磁保持继电器 vs MOS 管：工作原理与电路设计全解析

0.引言

在智能控制系统中，我们经常会遇到这样的问题：如何用一个微弱的控制信号，驱动一台高功率设备？
比如，单片机的输出口通常只有 3.3V、20 毫安的驱动能力，但我们要控制的，往往是电机、加热器，甚至电磁阀这类需要几安、甚至几十安电流的负载。
这时候，直接连接肯定不行，会导致单片机过载甚至损坏。
因此必须借助“功率开关器件”作为中间桥梁，由微控制器输出控制逻辑，功率器件负责扛起电流重任，实现“小马拉大车”的安全操控。

最常见的解决方案有三种：大功率 MOSFET、电磁继电器、以及磁保持继电器。
那么，这三种方案到底有什么不同？各自适合用在哪些场合？有没有什么容易踩的坑？本期视频，我们一起来详细分析。
1.电磁继电器

1.1 工作原理

我们先来看一下电磁继电器。它可以说是最早出现、结构最简单、也是应用最广泛的一类继电器。
从结构上看，电磁继电器主要由三个核心部分组成：线圈、衔铁和触点。

当控制电路给继电器的线圈通电时，会在周围产生磁场，吸引衔铁克服弹簧的拉力向下移动，C 端 接触的触点随之切换为常开触点，相当于开关闭合；当控制电路断电，衔铁不再受吸引，在弹簧作用下恢复原位，C 端 接触的触点也恢复为原来的常闭触点，相当于开关断开。

电磁继电器工作时主要依靠电磁力驱动触点切换。整个过程中，继电器通过对线圈是否通电来控制电枢和触点的状态，从而实现对高压或大电流电路的间接控制。

1.2 应用场景

由于电磁继电器涉及机械运动，响应速度会比较慢（通常为几毫秒）。
优点是可以直接控制 220V 交流电或几十安培的大电流，并提供良好的电气隔离能力。这使它非常适合工业设备、家电和电源管理中，需要开关高电压大电流、对速度要求不高的场合。
2.MOSFET 开关

2.1 工作原理

MOSFET（绝缘栅型场效应管）是一种常见的电压控制型器件，可用于电子信号的放大或开关控制。
主要由以下三部分组成：栅极、漏极、源极。

我们以增强型 NMOS 为例，NMOS 的漏极通过一个电阻连接到电源电压 VS，源极接地，栅极则由外部控制电压 VI 决定。

在我们不加控制信号，也就是 VI = 0V 时，NMOS 没有导通通道，处于截止状态，等效于一个断开的开关。此时没有电流流过；当 VI 超过阈值电压时，NMOS 导通，电流开始从漏极流向源极。

总结一下，也就是，增强型 NMOS 默认处于关闭状态，适合用在“默认关闭，需要控制时导通”的场合，因为它只有在栅极电压高于阈值时才会导通。
2.2 MOS 开关应用场景

MOSFET 作为一种电子开关，体积小、开关速度快，没有机械触点，不会磨损，非常适合需要快速切换的场合。比如说，开关电源、电机控制、以及单片机驱动的小功率负载。
不过，MOSFET 对静电比较敏感，而且没有输入输出隔离能力，不能直接用来切换非常高压或超大电流的负载，需要额外考虑保护和散热设计。
3.磁保持继电器

3.1 工作原理

磁保持继电器在结构上与普通电磁继电器类似，但内部增加了永久磁铁和两个线圈，可以让继电器断电后，还能保持开或关的位置，无需持续供电。

那它是怎么工作的呢？

继电器刚开始，开关是断开的，负载没通电，衔铁被左边的永磁铁吸住。
给右边的线圈通电，这时会产生磁力把衔铁推向右边。
衔铁一到右边，就被右边的永磁铁吸住，至此开关闭合，负载通电。
最后，J2 线圈的电源撤掉，但继电器由于永磁铁的作用仍然保持在闭合状态。
如果想要再次“断开”电路怎么办？
只需要给左侧 J1 线圈 一个脉冲。就会让衔铁从右侧被“拉”回左侧，重新恢复断开状态。
3.2 应用场景

磁保持继电器，它最大的特点就是：电只是用来切换状态的，而不是用来维持状态的。即使之后断电，它的状态也不会改变。虽然在结构上更复杂、成本也略高，但它能耗较低，特别适合智能断路器、电磁阀以及应急控制等需要状态保持的控制设备。

总结一下：

• 电磁继电器靠磁力驱动机械触点，本质是电磁力驱动物理开关，结构简单但机械动作慢。
  
• MOSFET 开关靠栅极电压控制电流通断，本质是半导体结区导通行为，反应快但不能完全隔离。
  
• 磁保持继电器在电磁结构中加入保持机制，本质是通过磁滞或双线圈结构来保持开关状态，适合节能但驱动逻辑复杂。
  

4. 隔离与驱动电路设计

4.1 光耦隔离

在高压交流版/低压直流 MOS 管版继电器扩展板上，我们配备了光耦隔离单元和外置续流二极管保护 MOSFET/继电器开关元件。
4.1.1 为什么

控制电路（MCU 侧）与继电器负载电路（执行侧）分属不同电源域，MCU 侧一般是低压逻辑，若直接与大电流回路相连，一旦触点抖动、浪涌或接地环路，就有可能损坏 MCU。而光耦能够实现输入和输出的电气隔离，抑制电磁干扰，对地回路也更加安全。”
4.1.2 电路设计讲解

在控制侧（GPIO5）通过小信号 NPN 三极管 Q1 对 PC817 光耦的 LED 进行驱动，将将 3.3V 的 MCU 输出电平转换为约 5mA 的隔离驱动电流。
这个电路里用的是光耦 +PNP 晶体管（SS8550）做高边开关，会导致输入逻辑是“低电平触发”。简要流程如下：
1.GPIO5 拉低 →Q1 导通 → 光耦 LED 导通
当 GPIO5 输出低电平时，Q1（S9013）饱和导通，把 U1（PC817）光耦的 LED 侧（1 脚通过 R2 拉到 +5V，2 脚在 Q1 集电极）拉到地，LED 点亮。
2.光耦输出侧导通 → 将 IN 点拉低
光耦内部的光电晶体管（4 脚-3 脚）导通后，会把 IN 节点（R3 上拉到 VCC_RELAY）拉到 AGND。
3.PNP 晶体管 Q2 导通 → 继电器线圈上电
Q2 是 PNP 型（SS8550），其发射极接 VCC_RELAY，基极 IN 被拉低约 0.7V（相对于发射极），于是 Q2 导通，把 VCC_RELAY 的电流送到继电器线圈（U5），继电器得电吸合。
4.GPI05 拉高 → 反向过程 →Q2 关断 → 继电器断电
当 GPIO5 拉高或浮空时，Q1 关断，光耦 LED 熄灭，光电晶体管关断，IN 被 R3 上拉到 VCC_RELAY；Q2 基极与发射极电位相同，则 Q2 关断，继电器断开。
4.2H 桥驱动电路

4.2.1 为什么

在磁保持低功耗版继电器扩展板上，由于需要给线圈反向脉冲来复位，所以我们使用 H 桥驱动电路双向施加脉冲电压以实现继电器的“吸合”与“释放”两种状态。
4.2.2 电路设计讲解

在基于 H 桥的单线圈磁保持继电器驱动电路中，H 桥的核心作用是可双向施加脉冲电压以实现继电器的“吸合"与“释放"两种状态，同时提供电流回路的开启与断开功能。
考虑到继电器线圈为感性负载，关断电流时会产生反向电压尖峰，因此外置肖特基二极管来吸收尖峰，保护开关元件不被过压击穿。
这部分隔离和驱动电路，可以在我的嘉立创开源工程中找到！
5.功耗测试实验（实拍）

同时，我们对三种继电器进行了功率测试，可以看到磁保持继电器吸合时功率远小于正常电磁继电器。
6.获取链接和开源链接

相关工程文件已经放到了立创开源广场：

X 宝搜索【Freak 嵌入式工作室】：

• 硬件开源链接：[硬件开源资料链接]
  

示例代码包括以下版本：

• MicroPython 版本：继电器扩展板 MicroPython 驱动程序
  

这里，需要注意，MicroPython 相关程序经过我们的优化处理，以便更好地适配硬件，提高易用性，以第三方库形式在 Github 进行发布，并附带知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际版 (CC BY-NC 4.0) 许可，侵权必纠，敢线下直接来揪你！
我们提供了相关驱动程序和详细使用介绍文件：

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