三. 電－氣動元件
氣缸磁性開關
原理
氣缸磁性開關主要分兩大類型："簧片觸點" 及"靜態式"。因為後一種開關沒有移動零件，所以壽命較長。它們通常適合予開關頻率較高的場合。機械接觸式開關的最大壽命為幾千萬次，隨其電流大小而定。圖3.1 給出了繼電器觸點的典型特性曲線。
對于 24V直流，負載用 W 來表示。在交流電磁鐵情況下，所考慮的負載是用 VA 表示的保持功率。靜態開關組件中包括一個磁敏電阻。像光敏電阻的電阻值受光線影響而降低一樣，這種電阻器則受磁場的影響。阻值的變化通過電路轉換成開／關動作。其輸出不是像電阻本身那樣漸變的，而是從很高值到很低值階躍變化的，近似于觸點的情況。
安裝方法
除了用于某些執行元件的特殊類型外，(小型元件，擺動式執行元件，滑動單元等)，主要有三種安裝成式 (見圖3.2)
第一種方法明顯是最安全的。圍繞氣缸鋼帶有一層橡膠的抗滑移塗層，它用一帶架及螺釘的隔膜來緊固。
一些小型氣缸及其它各種元件需要一個導軌，對于這種方式安裝的開關殼體，是用一帶孔的夾片､用螺栓來固定，螺母在導軌中，以方便調節。第三種方法是用一支架，它用一至兩套螺釘固定在氣缸拉杆上。這不是一種安全的方法，因為存在撞擊而移動開關的危險，開關不能緊緊地壓在氣缸體上。
開關組件
除上述的安裝方法外，更有部份磁性開關備有：內裝指示燈功能；且根據應用所需而增設的電子保護電路等。首先在簧片型的開關中需要有接觸保護。當一感性負載 (如電磁鐵)，被關掉時，存貯在其中的電荷將會通過打開的觸點進行放電，產生一系列的火花。每一個這樣的火花都會在接觸表面上產生一點放電痕，影響它良好的接觸性能，開關太小而不能內裝保護裝置時，應該通過如圖3.3a的交流及圖3.3b 的直流保護電路來連接。
這兩個電路的差別是：直流型在兩個連接點之間有一電容與一電阻串聯，而交流型是用一衝擊抑制器。兩者在輸入端都有一扼流線圈，為理解其作用，我們來看看在直流型的內部會出現什麼情況。在圖3.4 中，電路終端接有一負載 (通常是到控制器的輸入電路)，電池作為電源。
a. 如果觸點是閉合的，兩個接觸簧片 (+) 和 (-) 是直接連通的，這樣兩簧片之間便無電壓，電容器是完全處於放電狀態。隨這開關的閉合，電流流入電容器，電流的大小隨該負載的阻抗而定。
b. 當開關打開時，正常的電流不再流入，兩接點之間會突然出現 24V的電壓，如果負載中含有一定的電荷，將會引起一個反方向的大電流，這種反向電流將流入到 CD-P12 中的電容，而不是通過觸點處的電火花來放電。
快速的電流變化使扼流線圈產生一個非常高的阻抗。它在短時間內有一大大高于電阻器阻值的阻抗 (圖3.4 中有劃線的箭頭)。由負載放電所引起的電流，很容易地注入電容器，如彎箭頭所示。但沿圖3.4a所示路徑卻會受扼流線圈的阻礙。因此，在開關中的氣隙中不會產生電火花。
帶衝擊抑制器的交流型開關的工作原理基本相同，但深入探討這種元件差別的所有細節，將會與本文的內容相差太遠。
選擇
選擇開關的依據
•開關控制的類型
•電壓
•電流
不帶任何電子電路的開關已被廣泛應用。它們只有規定的最大電壓，最大電流及最大功率。例如，規定功率為 1W，最大電壓 50V，最大電流1A的開關，能夠通、斷 20mA，50V，或者 100mA，10V。但是不能通、斷如 1mA、10V，雖然此時功率只有 0.1W。帶內置 LED (發光二極管) 的開關組件，需要電子電路來給 LED 提供正確的電壓。這類組件通常都冇額定的電流範圍。不僅與開關一樣的最大電流限制，而且還有最小電流要求。低于此最小值時，開關可能仍可以工作，但 LED 郤不會亮。可編程控制器的直流開關具有帶電路保護的電子電路。斷電器組件具有吸收感性負載反向電流的電路等。這些例子僅僅表明，組件所通、斷的控制裝置類型是首先要考慮的問題；有用于 IC、繼電器及 PLC 控制裝置的類型。使用一種不合適的類型有時也能工作，但開關的可靠性及壽命卻會減少。
電磁閥
直接操作型
SKINNER原理
圖3.5a 給出了直接操作的二位二通電磁閥的原理，它是由 Skinner 二十也紀 30年代在美國發明的。在非磁性材料套中移動的銜鐵被彈簧壓在進氣閥座上。鑲入其底面一橡膠使該進氣閥座處于關閉狀態。線圈通電後，銜鐵因電磁力作用，壓縮彈簧而被提升，壓縮空氣將流向出口。如果將橡膠墊鑲入到銜鐵的兩端，並在頂開一排氣口孔，如圖3.5b 所示，圖結構就能具有3/2 功能。為了更好地理解這種原理的優缺點，我們進一步討論有關細節。在吸入的正常位置，銜鐵所受的力為：
向下：彈簧力
銜鐵的重力
向上：在噴咀截面內輸入氣壓的作用力。
電磁力必須克服這兩個初始力。附著套管上的線圈的電磁場，不僅要克服這些初始力，而且還要大于它，因為彈簧力是隨著銜鐵的位移而增加的。對于給定的線圈，該最大彈簧力是確定的，進氣壓力及氣流截面的最大乘積也是確定的。相同的線圈可以用于壓力大流量小或流量大壓力小的情況。
舊式 Skinner 原理最大的缺點就是銜鐵密封的壽命相對較短，它會被閥座的激烈沖撞所損壞。作為了克服上述問題，俱有彈簧力的密封，如圖3.6 所示，現已被逐漸採用。
密封件不是直接鑲在銜鐵中，而是裝在腔中可移動的圓盤上。另外，銜鐵是懸在銜鐵彈簧與截止彈簧之間，如圖3.6b 所示。這也使其有吸振作用，從而顯著地改善了密封的壽命。當線圈通電時，密封盤 (錐閥) 被擋在小腔的凸緣上 (圖3.6c)
另外，密封彈簧還有助于起動。這在圖3.7 中給出了解釋。在行程 "X" 上 (它是圖3.6b 中錐閥到凸緣之間的自由空間)。密封彈簧將擴展(伸長)，並提供一附加的抵抗主彈簧的力。
當錐閥到達截止凸緣時，這種幫助起動就不存在了，總的彈簧力突然階躍上升為銜鐵彈簧力。這是其特性曲線的臨界點：如果電磁力與彈簧力之間的安全係數太小，銜鐵將不能提升。在交流情況下，線圈可能會燒毀。這種情況在電壓瞬時過低或者線圈過度發熱時會發生。安全係數太小引起的延遲提升使起動電流持續太長時間，會使交流線圈的溫度迅速升高，這將導致 "滾雪球效應"。
功率閥
唯一一類能用電磁力直接通、斷的功率閥就是金屬密封型滑閥。錐閥因上述原因而不在討論之列。橡膠密封型滑閥摩擦力很大，由電磁鐵操縱的行程長度也增加。
圖3.8 給出了第 1 章第二節所述的典型的直接控制的電磁功率閥。
雙穩態型需要一個定位裝置，在既沒有摩擦力，也沒有氣動力的情況下，閥芯能保持在末端位置上。避免在最大供氣壓力及水平安裝位置情況下，閥芯可能因振動或衝擊而移動。
先導操作型
原理
制造如圖3.8 所示類型的閥要求有高技術及相對復雜的加工過程，這會導致成本的提高。對于其它閥類，像截止閥及橡膠密封型滑閥；通、斷是用氣動來實現的，與電磁閥成一整體的先導閥提供了先導壓力。原理見圖3.9 所示。
可靠性
正如先前所述，由於電磁閥接口介面的可靠性較低，因此推動了歐洲的氣動控發展到達較高的水平。
可編程控制器的問世，使龐大系統能用一標準裝置來進行控制。也使可靠性高的電磁控制閥成為應用主流。傳統的控制閥採用附著在套上的通用線圈，由于效率不高已漸被淘汰。另外因為磁損被轉換成熱量，損壞線圈，亦增加了維護時間。
圖3.10 說明了磁損的根源：
部分電磁力通過鐵心磁路及套管周圍的氣隙損失掉了，這意味著它轉換成了熱量，除了氣隙之外，在圖3.10 中下面的圓圈中所盡出的部分，對銜鐵產生一徑向的吸引力。它將吸引銜鐵至缸體的內壁上，而不是提升銜鐵，從而增加了摩擦力。結論就是，為了獲得最高效率 (也就是最高的可靠性)，必須拋離磁性材料的缸體。這意味著通用線圈的這種原理必須拋離，閥所用的電磁鐵結構必須是 "專用的"。
解決辦法見圖3.11。
銜鐵套用 "半磁性" 套管代替。在鐵心磁路中沒有氣隙，該套管使磁力線遍布至其整個內表面，以傳遞到銜鐵上，這樣效率增加了一倍。這種類型的電磁控制器可以執行上億個通､斷周期而不會失效，並且它的功率損耗較低，以至可以直接使用 24V、100mA 直流電流的電子控制器來驅動。
控制元件
繼電器
原理
理論上，繼電器是一種控制開關元件。它由帶鐵心的線圈和一個或多個觸點組成，通過線圈組件的電磁場來實現通、斷。圖3.12 給出了它的原理圖。
在正常位置 (圖a)，一個彈簧通過擺動鐵板，將銜鐵的頂端拉至右邊。在銜鐵上固定有一塊絕緣材料，其上固定有一片簧，片簧下端帶一透鏡狀觸點，該片簧的上端起開關 "共通" 接點(C) 的作用。另外兩個觸點固定在殼體的對立端。片簧的觸點被拉至這兩個觸點中的一個之上；這就是常閉觸點 (NC)。
當線圈通電時，第二觸點將與公共接點接觸 (圖b)；這就是常開觸點 (NO)。
觸點特性
繼電器通常有兩個或以上的轉換觸點，如圖3.12 所示。有三個或四個觸點的情況也是非常普遍的。在一些應用中，了解觸點是否能提供 "先閉後開" 或 "先開後閉" 的功能是十分重要的。當線圈通電時，"C" 和 "NO" 之間的連接是在 "C" 和 "NC" 斷開之前進行，則觸點是先閉後開的。因此，在短時間內，所有三個觸點是相互連通的。對有些應用場合而言，這樣做可能是不允許的，從而必須選擇帶 "先開後閉" 觸點的繼電器。這樣，在轉換過程中，在非常短時間內沒有任何連接。用戶可以對繼電器進行任意組合，實現任意數目的觸點，使其具有不同的性能，也可以只是單閉、單斷觸點。對於一般的電-氣動控制系統來說實在不需要對特殊繼電器有更深的了解，標準類型即能滿足應用上的要求。
繼電器的作用
繼電器的主要作用是：
•從常閉到常開接觸的轉換 (或相反)
•使觸點數從一個 (使線圈通電) 到任何合理的觸點數
•功率放大
•電壓變換
•記憶功能
記憶功能可說是構成基本繼電器回路的重環節，或稱為 "自保持電路"。我們將在第 4 章基本繼電器回路中對它進行解釋。
插入式繼電器
繼電器有很多種類型。根據安裝方法可對其進行區分：插入式或印板式。圖3.13 給出了兩種型式：a. 圓形的八管腳型和b. 方形的特殊管腳型。
印板繼電器
印板繼電器設計為便於焊在線路板上，其端口以條狀或針狀形式插在印板的孔中，或以同樣方法與電子元件相焊，它們的外形尺寸約為1 x 1 x 1.5 -> 2cm，但也有切換容量達幾安培的形式。
圖3.14 即為一個例子。在典型應用中，一系列印板繼電器焊在一板上，並常常通過一個復合連接器與電子同路相連，此技術用于電子步進器和其他可編程控制器的輸出。
特殊功能
鎖存繼電器
可根據其功能產生另一種特性。圖3.15 為一鎖存繼電器，其為一雙穩態裝置，由圖3.13b 中的兩個繼電器組成且在移動銜鐵上有一鎖存功能。當某一繼電器加上電壓後，它使另一繼電器解鎖在從而反過來保護其加電壓的繼電器不至于在線圈失電重置其靜止位置。此種形式的鎖存繼電器用在失電時回路防止斷路的場合。它們與雙穩態氣動閥具有相同的性能和選擇準則。
時間繼電器
在圖3.16 中，繼電器與電子定時回路一起插在一基板上。繼電器通過兩個電位自由轉換接觸器 (點) 實現功率放大，時間繼電器通過基件上所含的選擇裝置進行調整。
