在现代电气控制和自动化系统中，保持继电器作为一种关键元件，因其独特的”记忆”功能而广受欢迎。本文将全面解析保持继电器原理，深入探讨其内部结构、工作特性以及实际应用场景。不同于普通继电器需要持续通电维持状态，保持继电器仅需瞬时脉冲即可切换并保持触点位置，这种特性使其在节能、可靠性和特殊应用场景中展现出显著优势。我们将从电磁保持继电器和磁保持继电器两大类型入手，详细分析它们的设计原理、驱动电路要求以及选型考量因素，帮助工程师和技术人员更好地理解和应用这一重要电气元件。
保持继电器概述与分类
保持继电器是一种具有”记忆”功能的特殊继电器，能够在驱动信号消失后继续保持其触点状态，无需持续通电。这种独特性能使其在众多应用场景中成为传统继电器的理想替代品，特别是在节能要求高或需要断电保持功能的场合。根据保持机制的不同，保持继电器主要分为两大类：电磁保持继电器和磁保持继电器（也称为永磁保持继电器）。
电磁保持继电器通过特殊的机械锁定结构实现状态保持。当线圈通电时，继电器动作并通过机械装置锁定在当前位置；即使断电后，这种机械锁定也能维持触点状态不变。要改变状态，需要给线圈施加反向电流或通过其他方式释放机械锁定。这类继电器常见于早期设备和一些特殊应用中，但由于机械结构的复杂性，其可靠性和寿命相对受限。
磁保持继电器（磁保持继电器）则是现代技术的主流选择，它利用永久磁铁产生的磁场来保持触点状态，无需任何机械锁定装置。这种继电器只需短暂的电流脉冲即可切换状态，之后完全依靠永磁体的磁力维持触点位置，静态时几乎不消耗电能。磁保持继电器通常由线圈、永磁体、衔铁和触点组件构成，其核心创新在于将永磁体引入磁路系统。
从应用角度看，保持继电器与传统继电器相比具有三大显著优势：超低功耗（仅切换时耗电）、高可靠性（无持续通电导致的线圈发热问题）和断电记忆功能（突然断电不影响状态）。这些特点使其特别适合智能电表、新能源系统、工业自动化等领域的应用。据行业数据显示，在智能电网中使用磁保持继电器单表年省电可达3.6kWh，工业场景中维护成本降低40%以上。
保持继电器的分类还可根据触点形式进行划分，主要包括：
- 单稳态继电器：只有一种稳定状态，断电后返回默认位置
- 双稳态继电器：有两种稳定状态，断电后保持最后位置
- 转换型继电器：具有中间动触点和两个静触点，可实现电路转换功能
在实际选型时，工程师需要根据控制电路要求（如电压、电流容量）、环境条件（温度、振动等）以及特殊功能需求（如快速响应、长寿命等）来选择合适的保持继电器类型。随着技术进步，磁保持继电器正逐渐成为市场主流，其性能参数如机械寿命可达100万次以上，电气寿命超10万次，体积比普通继电器小30%，在各种严苛环境下表现优异。
磁保持继电器原理
磁保持继电器作为保持继电器家族中最先进的类型，其工作原理与传统电磁继电器有着本质区别。这种差异主要源于其独特的磁路设计和状态保持机制。磁保持继电器的核心在于巧妙利用永磁体的磁场与电磁线圈产生的磁场相互作用，实现触点的切换和保持，整个过程无需机械锁定装置，仅依靠磁力的平衡与失衡来完成状态转换。
基本结构组成方面，磁保持继电器主要由以下几个关键部件构成：永磁体、电磁线圈、可动衔铁、触点系统以及外壳。永磁体通常采用高性能稀土材料如钕铁硼制成，能够提供强而稳定的磁场；电磁线圈则负责在通电时产生可控的附加磁场；可动衔铁作为磁路的一部分，其位置决定了触点的开闭状态；触点系统包括动触点和静触点，承担实际电路的开关功能；而外壳则提供机械保护和环境隔离。
磁保持继电器的工作过程可以分为置位（Set）和复位（Reset）两个基本操作：
- 置位过程：当线圈通入正向脉冲电流时，产生的电磁场与永磁体的磁场方向一致，两磁场叠加形成足够强的合成磁场，驱动衔铁克服反力弹簧的作用向一侧移动，使动触点与对应的静触点闭合。一旦触点闭合，即使撤除线圈电流，永磁体单独产生的磁场也足以维持衔铁的位置不变，从而实现”置位”状态的保持。
- 复位过程：需要改变继电器状态时，给线圈施加反向脉冲电流，此时线圈产生的磁场与永磁体磁场方向相反，两磁场相互抵消，当合成磁场减弱到一定程度时，衔铁在反力弹簧的作用下返回初始位置，动触点与原来闭合的静触点分离。同样，一旦完成复位，即使撤除电流，永磁体的磁场也能确保衔铁稳定保持在复位位置。
这一工作过程的物理本质是磁路中磁通的重新分配。在静态情况下，永磁体产生的磁通主要通过固定磁路闭合；当线圈通电时，额外的磁通改变了原有磁路中的磁通分布，导致作用在衔铁上的磁力发生变化。设计精妙的磁保持继电器能够确保在两种状态下都有明确的磁路路径和稳定的力平衡，这是其可靠工作的关键。
磁保持继电器的磁滞特性也是其重要工作特性之一。由于永磁材料本身具有磁滞现象，加上机械结构的摩擦等因素，继电器的动作值与释放值之间存在一定差值，这保证了在临界状态下不会出现触点抖动现象。一般而言，磁保持继电器的释放电压约为吸合电压的10%～50%，若释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则可能影响电路的稳定性。
从能量角度看，磁保持继电器的工作过程体现了能量最小化原理。在两种稳定状态下，系统的磁能都处于局部最小值，状态转换时需要外部提供能量（通过线圈电流）来克服能垒。一旦完成转换，系统又会自动落入新的能量最低点，这就是磁保持继电器能够”记住”状态的根本原因。
在实际应用中，磁保持继电器的切换速度也是一个重要参数。由于其特殊的磁路设计，大多数磁保持继电器的切换时间在10ms以内，优于机械式继电器的20-50ms。快速响应使其适合需要频繁切换的场合，如无功补偿装置中的复合开关等。
表：磁保持继电器与普通电磁继电器工作特性对比
| 特性参数 | 磁保持继电器 | 普通电磁继电器 |
|---|---|---|
| 保持功耗 | 零功耗 | 需持续通电 |
| 切换时间 | 通常<10ms | 通常20-50ms |
| 机械寿命 | 可达100万次 | 通常10-50万次 |
| 电气寿命 | 超10万次 | 通常1-10万次 |
| 温升问题 | 几乎无温升 | 持续通电导致温升 |
| 体积大小 | 比普通小30% | 相对较大 |
理解磁保持继电器的工作原理对于正确使用和设计驱动电路至关重要。这种继电器虽然性能优越，但也需要专门的驱动方式，包括适当的脉冲宽度、电流方向控制等，这些内容我们将在驱动电路部分详细探讨24。
电磁保持继电器的工作原理
电磁保持继电器作为保持继电器的另一种重要类型，采用不同于磁保持继电器的机制来实现状态保持功能。这类继电器通过电磁力与机械锁定装置的协同作用来维持触点位置，虽然基本原理看似简单，但其内部结构设计和动作过程却蕴含着精妙的工程技术13。
电磁保持继电器的核心结构包括电磁线圈、铁芯、衔铁、触点系统以及独特的机械锁定机构。当线圈通电时，产生的电磁力吸引衔铁运动，带动触点切换；与此同时，专门的机械锁定装置（如棘轮、卡扣或特殊弹簧结构）会将衔铁固定在动作后的位置。这种锁定机制使得即使线圈断电后，继电器仍能保持当前状态不变。要改变状态，必须施加反向电流或通过其他方式解除机械锁定15。
电磁保持继电器的工作过程可分为三个主要阶段：
吸合与锁定阶段：当线圈两端加上额定电压时，线圈中流过电流产生足够强的磁场，电磁力克服反力弹簧的拉力将衔铁吸向铁芯。在此过程中，衔铁的运动触发机械锁定机构（如使弹簧片弯曲超过死点位置或使棘轮转动一个齿距），从而在电磁力消失后仍能保持衔铁的位置不变。这一阶段的关键在于电磁力必须足够大，不仅要克服弹簧力，还要确保可靠锁定19。
保持阶段：线圈断电后，虽然电磁力消失，但机械锁定机构阻止了衔铁返回原位，触点状态得以保持。这一状态下继电器不消耗电能，这是其相对于普通继电器的主要优势。保持力完全由机械结构提供，因此锁定机构的可靠性和耐久性直接影响继电器的整体性能35。
释放阶段：要改变继电器状态，通常需要给线圈施加反向电流（对于双线圈型）或短暂断电后重新通电（对于特殊设计的单线圈型）。反向电流产生的磁场与原有磁场方向相反，可帮助解除机械锁定；或者新的通电脉冲提供足够能量使锁定机构越过”解锁点”。一旦锁定解除，衔铁在反力弹簧的作用下迅速返回初始位置，触点恢复原始状态59。
电磁保持继电器的机械设计尤为关键。常用的锁定机构包括：
- 过中心弹簧机构：利用弹簧在过中心点前后的力方向变化实现锁定
- 棘轮棘爪机构：通过齿形啮合保持位置，需要特定方向的力才能释放
- 磁性辅助锁定：结合小型永磁体帮助维持锁定状态
这些机构必须精确设计，确保在各种环境条件下（如振动、温度变化）都能可靠工作。
从电气特性看，电磁保持继电器与普通继电器类似，都有确定的动作电压和释放电压。但由于存在机械锁定，其释放电压通常比普通继电器更低，有时甚至只需要一个短暂的脉冲信号就能触发状态转换。值得注意的是，电磁保持继电器的线圈电阻、吸合电流等参数与同尺寸普通继电器相近，主要区别在于其机械结构和动作特性。
电磁保持继电器的触点系统设计与普通继电器类似，也有常开触点（动合型）、常闭触点（动断型）和转换触点（Z型）三种基本形式。不同的是，由于保持功能的存在，触点可能在无电流情况下长期保持闭合或断开状态，这对触点材料的选择和表面处理提出了特殊要求，尤其是需要考虑长期静止后可能出现的接触电阻增大问题。
在实际应用中，电磁保持继电器虽然不如磁保持继电器先进，但在某些场合仍有其独特价值。例如，在需要大触点压力的应用中，机械锁定机构可以提供比永磁体更大的保持力；在抗强磁干扰的环境中，纯机械保持机制可能比依赖永磁体的设计更可靠；此外，电磁保持继电器的驱动电路通常比磁保持继电器简单，不需要严格的双向电流控制。
电磁保持继电器的主要性能参数包括：
- 机械寿命：通常10万次到50万次
- 电气寿命：通常1万次到10万次
- 触点容量：从几安培到几十安培不等
- 动作时间：通常在10ms到30ms之间
- 环境适应性：工作温度范围通常在-40℃到+85℃
随着技术进步，传统的电磁保持继电器正逐渐被更先进的磁保持继电器所取代，但在一些特殊应用中，因其结构简单、成本较低且驱动方便，仍然保持着一定的市场份额。
保持继电器的驱动电路设计
保持继电器尤其是磁保持继电器的独特工作特性决定了它们需要专门的驱动电路，这与普通继电器的驱动方式有显著区别。设计合理的驱动电路是确保保持继电器可靠工作的关键环节，不当的驱动设计可能导致继电器无法正常切换、触点抖动甚至永久损坏。
磁保持继电器的驱动核心需求是提供方向可控的短时电流脉冲。由于这类继电器通过脉冲极性决定动作方向（置位或复位），且静态时不消耗电流，其驱动电路必须能够根据控制信号生成适当方向和宽度的脉冲。常见的驱动方案包括半桥电路、全桥（H桥）电路以及专用驱动芯片方案，选择哪种方案取决于电源配置、控制信号类型和成本考量等因素。
半桥驱动电路适用于有正负双电源的系统。这种电路由两个开关管（通常是MOSFET或双极型晶体管）组成，分别控制电流的正向和反向流动。当上管导通、下管关闭时，电流从正电源经继电器线圈流向地，产生正向脉冲；当下管导通、上管关闭时，电流从地经线圈流向负电源，产生反向脉冲。半桥电路结构简单，但需要对称的双电源，这在一定程度上限制了其应用范围。
全桥驱动电路（H桥）是单电源系统中的理想选择，也是实际应用最广泛的磁保持继电器驱动方案。典型的H桥由四个开关管组成，通过不同的导通组合可以实现电流双向流动。以图1a至图1c中的电路为例，它们能够驱动4V至15V电压的继电器，采用CMOS或TTL逻辑电平控制，静态电流极低（典型值40μA至50μA）。H桥工作时，当Q1和Q4导通时，电流从左至右流过线圈；当Q2和Q3导通时，电流方向相反。这种电路只需要单电源即可实现双向电流控制，但需要确保同一侧的开关管不会同时导通造成电源短路。
专用驱动芯片为磁保持继电器控制提供了更便捷的解决方案。市面上有多种专为磁保持继电器设计的驱动IC，如BH3023等。这些芯片通常集成H桥、逻辑控制和保护电路于一体，只需提供简单的控制信号和电源即可可靠工作。以ULN2003为例，虽然它本是七路达林顿阵列，但也可用于驱动磁保持继电器，通过单片机控制脉冲宽度来实现置位和复位功能。专用芯片的优点在于简化设计、提高可靠性，但成本可能高于分立元件方案。
脉冲宽度控制是磁保持继电器驱动电路设计中的关键参数。理论上，磁保持继电器只需要很短的脉冲（如20ms吸合，15ms释放）即可完成状态转换，但实际应用中建议使用更宽的脉冲（如100ms）以确保可靠动作，特别是在低温或电压波动条件下。脉冲宽度不足可能导致切换不完全，而脉冲过长则浪费能量并可能引起线圈过热。理想的设计应根据具体继电器型号的参数并通过实验确定最佳脉冲宽度。
驱动电路的保护设计同样不可忽视。由于继电器线圈是感性负载，在电流突然中断时会产生很高的反电动势，可能损坏驱动元件。常见的保护措施包括：
- 在继电器线圈两端并联续流二极管，为反电动势提供泄放回路
- 使用TVS二极管钳制电压尖峰
- 在H桥电路中设计死区时间防止上下管直通
- 加入过流检测和限流电路保护开关管
对于电磁保持继电器，驱动电路相对简单，因为它不需要双向电流控制。单线圈型电磁保持继电器通常只需要一个短时脉冲即可改变状态，之后由机械结构保持位置；双线圈型则类似普通继电器，只是通电时间可以更短。需要注意的是，某些电磁保持继电器对脉冲极性有要求，或者需要特定的时序控制来确保可靠锁定和解锁。
集成电路驱动方案在需要控制多个保持继电器时特别有优势。如TD62003AP等多通道驱动IC可以简化PCB布局，减少元件数量。这类IC通常集成了必要的逻辑接口、电平转换和保护电路，可直接与微控制器连接。在工业控制系统中，采用这种集成方案可以提高系统可靠性和一致性。
低功耗设计是保持继电器驱动电路的重要考量，尤其是在电池供电设备中。虽然保持继电器本身静态不耗电，但驱动电路的静态电流可能成为系统待机功耗的主要来源。选择低静态电流的元件（如CMOS逻辑器件）、优化偏置电路设计、采用电源管理策略（如不工作时切断驱动电路供电）等措施可以显著降低整体功耗。
表：保持继电器驱动电路方案比较
| 驱动方案 | 适用电源 | 复杂度 | 成本 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 半桥电路 | 双电源 | 中等 | 中等 | 有正负电源的系统 |
| 全桥电路 | 单电源 | 较高 | 较高 | 大多数应用 |
| 专用驱动IC | 单/双电源 | 低 | 中到高 | 批量生产、高可靠性要求 |
| 分立元件H桥 | 单电源 | 高 | 低到中 | 成本敏感型应用 |
| 达林顿阵列 | 单电源 | 中等 | 低 | 多路控制、简单应用 |
在实际工程设计中，选择保持继电器驱动电路需要综合考虑电源条件、控制信号类型、空间限制、成本预算和可靠性要求等多方面因素。对于关键应用，建议进行充分的测试验证，特别是极端温度条件下的性能验证，确保在各种工况下都能可靠工作。
保持继电器的应用领域
保持继电器凭借其独特的零保持功耗和双稳态特性，在现代电气电子系统中找到了广泛的应用空间。从智能电网到家用电器，从工业自动化到新能源系统，这种能够”记忆”状态的继电器正在越来越多地替代传统继电器，为各类设备带来更高的能效和可靠性。
智能电网与电能计量是磁保持继电器最早也是最重要的应用领域之一。在IC卡预付费电表和集中抄表系统中，磁保持继电器作为远程费控开关发挥着关键作用。通过接收主站信号，电表内的磁保持继电器可以瞬时通断用户电路。
深圳市明你科技有限公司 | 专业电磁继电器供应商，专注继电器研发与制造 · 覆盖工业、汽车、家电等多个领域。
