关于继电器加装LED的设计方案探讨

有位朋友想在双刀单掷机电式继电器上增加一个LED，用来指示继电器线圈的通电状态。我先后想到两种解决方案：直接将LED与继电器线圈串联；或者将它与一个限流电阻串联，然后并联到线圈的两端。前一种方案更加简单，但简单的就是最好吗？

除了技术专长外，工程技术的真正核心是能够阐明不可避免的折衷以及设计方案的优缺点，然后在应用的背景中对它们进行权衡。这些折衷有些明显有些不太明显，包含了许多因素，例如基本性能、尺寸、功耗、对整体设计的影响、设计信心、可靠性、重量和成本等。

有次当我被问及一个简单的技术问题时，我遇到了上述情况的另一个基本示例。有位朋友想在双刀单掷（DPST）机电式继电器上增加一个LED——这个继电器以行业标准命名法命名为“2 Form A”（请参阅参考资料1）——用来指示继电器线圈的通电状态。电气参数非常清楚：继电器电源为24Vrms/1A交流电源，线圈阻值为600Ω，因此根据欧姆定律，继电器电流为40mA（图1）。

图1：基本拓扑非常简单——24VAC电源，为600Ω DPST继电器供电。

我的第一个想法就是保持简单：只需插入一个40mA的LED，而与继电器线圈形成串联即可。这个继电器线圈用作限流电阻器：只有一个元件，既快速又便宜（图2）。但是由于多种原因，这个解决方案在我看来并不理想。首先，我不确定在线圈上串联一个二极管（LED是二极管）是否会影响线圈工作——经过半波整流的电流会导致线圈以60Hz的频率发生“震颤”。其次，继电器在断电时通常会产生一个电感“反冲”，这可能对LED的寿命不利。众所周知，电气应力、机械应力和热应力是导致元器件过早失效的最常见的原因。

图2：第一个想法是将LED与继电器线圈串联，这个解决方案只用到一个元件，看上去很简单。

由于这个装置已工作了“一段时间”，因此要解决这些故障就可能令人沮丧。可以在线圈上增加一个钳位二极管来解决，但这意味着要增加一个元件。再者，我通常不喜欢把原本正常工作的电路打断而串联加入别的元件，因为这样做通常会在机械上造成难以清洁和正确固定的问题。

因此我转而采用B计划：在线圈两端增加这个LED以及一个限流电阻（图3）。这个1A变压器具有足够的容量来处理额外的20~30mA负载，因此这样做没有问题。我还认为，可能不需要对整流器的交流输出进行滤波而减少可见纹波，因为眼睛的视觉暂留现象很可能会解决这一问题。但是电感反冲的问题仍然存在。

图3：替代方案是将LED和电阻器与线圈并联，而不是将LED串联进去，这比第一种方案只多使用了一个电阻器。

此外，有些人的眼睛对60Hz纹波特别敏感。如果要解决这个问题，那么就必须在外部添加一个半波或全波整流器来为LED供电，然后用一个10μF至100μF的小电容对其进行滤波。由于这种附加版的指示器电路是与线圈并联，因此实际安装会更容易（如有必要，也更容易将其取出）。

但是退后一步，我意识到这些方法中存在很多的不确定性，这通常会令人担忧，会让人花费大量时间进行微调，甚至会影响长期可靠性。因此，我花了一些时间思考一个基本问题：“这里还有哪些其他资源可以使用？”答案显而易见：未使用的那个继电器刀触点——这个触点与工作触点在电气上独立而在机械上耦合。请注意，虽然单刀继电器（SPST——1 Form A）很常见，但许多设计人员为方便起见和“以防万一”会选择双刀版本，甚至会选择DPDT（2 Form C）继电器而不使用那些多余的触点，因为它们未来提供的额外的灵活性通常可以抵消成本差异。

因此，我建议他将LED及其电阻器通过那个未使用的继电器刀开关从24VAC电源进行接线（图4），这样他所得到的指示器电路就完全独立于继电器线圈电路本身，从而有助于最大程度地减少电气影响与实际安装这两个困难。而且，除了表明线圈通电以外，独立电路还能表明继电器衔铁实际上处于吸合状态，因此就可以对继电器的工作情况更加有信心。如果从交流线路驱动LED产生了不可接受的视觉闪烁，那么有很简单的方法可以解决这个问题，并且无需担心会影响到线圈驱动回路。

图4：使用继电器未使用的那个刀开关是一种更好、更高明的、灵活、无风险的解决方案，它不仅验证了线圈已通电，而且还验证了继电器衔铁的实际吸合。

您是否曾经考虑过一个简单的设计问题，但在深思熟虑后却发现，尽管采用了KISS（保持简单）原则，但这个显而易见的解决方案确实不是明智之举？更好的是，您是否发现了额外的未使用的继电器触点而可以予以利用，或者只要将BOM表从SPST继电器升级到SPDT甚至DPDT继电器，就可以解决问题？
编辑：hfy