Wprowadzenie do przekaźników

Przekaźniki odgrywają istotną rolę w niezliczonych zastosowaniach i systemach konsumenckich, komercyjnych i przemysłowych. Są one często stosowane w używanych na co dzień systemach w sposób niezauważalny. Na przykład, przekaźniki są używane podczas regulacji domowego pieca, klikania pilotem telewizora lub obsługi windy. Pierwsze z nich powstały w 1835 roku i służyły do wykonywania połączeń telegraficznych na duże odległości. Przekaźniki zostały następnie zaadaptowane do użytku w centralach telefonicznych i nadal działają niezawodnie, dyskretnie i z wysoką sprawnością.

Z pragmatycznego punktu widzenia, przekaźniki działają jak przełączniki elektryczne. Wykorzystują one sygnał niskiej mocy do sterowania obwodem wysokiej mocy, zarówno w pobliżu, jak i na odległość. Ich konstrukcja w naturalny sposób pozwala na skuteczną izolację między sygnałem niskiej mocy a obwodem wysokiej mocy, często określaną jako izolacja galwaniczna. Izolacja ta zapewnia działanie systemów elektrycznych w sposób niezawodny i bezpieczny dla użytkowników. Przekaźniki charakteryzują się wszechstronnością, ponieważ mogą być stosowane do regulacji pojedynczego obwodu lub wielu obwodów, a także mogą służyć jako wzmacniacze lub wyłączniki automatyczne.

Możliwość zdalnego sterowania zasilaniem urządzeń przekłada się również na zwiększone bezpieczeństwo, zwłaszcza w procesach przemysłowych, które mogą stanowić fizyczne zagrożenie dla operatorów. Te wszechstronne urządzenia są dostępne w szerokiej gamie obudów, oferując różne obciążalności prądowe, opcje montażu i zajmowaną powierzchnię, dzięki czemu są tak powszechne, jak wszechobecne i stosowane na co dzień przełączniki.

Przekaźniki - jak działają

Dla lepszego zrozumienia tematu, przekaźniki można podzielić na dwa podstawowe typy: elektromechaniczne (EMR) i półprzewodnikowe (SSR). Kluczowe rozróżnienie polega na występowaniu lub braku ruchomych komponentów.

Starszym jest typ elektromechaniczny, który składa się ze styków, twornika, sprężyny i elektromagnesu. W najbardziej podstawowej wersji sprężyna utrzymuje pozycję twornika. Po podaniu prądu, elektromagnes przyciąga twornik, powodując jego ruch i zamknięcie styków, umożliwiając w ten sposób przepływ prądu przez obwód.

Ilustracja 1: podstawowa struktura wewnętrzna przekaźnika elektromechanicznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Z kolei przekaźniki półprzewodnikowe, które pojawiły się pod koniec lat 50. ubiegłego wieku, służą temu samemu podstawowemu celowi, co przekaźniki elektromechaniczne, ale są całkowicie elektroniczne i pozbawione ruchomych części. Zawierają one obwód wejściowy, obwód sterowania i obwód wyjściowy do regulacji prądu. Po przyłożeniu napięcia przekraczającego określoną wartość aktywacji, obwód sterowania uruchamia przekaźnik. Gdy napięcie spadnie poniżej wartości dezaktywacji, przekaźnik wyłącza się.

Przekaźniki elektromechaniczne i półprzewodnikowe - ciąg dalszy

Jak w przypadku każdej technologii komponentów elektronicznych, przekaźniki elektromechaniczne i półprzewodnikowe mają swoje zalety i wady, które należy wziąć pod uwagę.

Ze względu na swoją dwustuletnią konstrukcję, przekaźniki elektromechaniczne są solidnymi urządzeniami o prostym działaniu, wykazującymi się niezawodnością w szeregu zastosowań, na przykład takich, które wymagają wysokiego natężenia prądu i działania w niebezpiecznych środowiskach. Oferują one całkowitą izolację elektryczną , są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI), a także wytrzymują wysokie natężenia i udary napięciowe.

Niemniej jednak, przekaźniki elektromechaniczne zawierają ruchome elementy, dlatego z czasem dochodzi do pogorszenia ich stanu fizycznego, a styki mogą ulec degradacji z powodu korozji i utleniania. Mogą być podatne na wyładowania łukowe styków, które powodują wżery i zwarcia. Ich mechaniczna zasada działania sprawia, że są podatne na odbijanie styków powodowane przez wstrząsy i wibracje, a także mogą generować własne zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Ponadto na ich działanie mogą wpływać zewnętrzne pola magnetyczne.

Z kolei przekaźniki półprzewodnikowe oferują dłuższy okres użytkowania i działają przy znacznie niższej mocy sterowania dzięki konstrukcji pozbawionej ruchomych części. Zapewniają szybsze włączanie i wyłączanie, eliminują wyładowania łukowe i odbijanie styków, a także pozostają niewrażliwe na zewnętrzne wstrząsy mechaniczne, drgania oraz pola magnetyczne. Przekaźniki półprzewodnikowe działają w niższym zakresie napięć roboczych niż przekaźniki elektromechaniczne, dzięki czemu dobrze sprawdzają się w urządzeniach elektronicznych, jednak są mniej przydatne do zastosowań dużej mocy.

Jednak ze względu na swoją specyficzną konstrukcję, przekaźniki półprzewodnikowe mogą być podatne na stany nieustalone napięcia lub prądu oraz zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Mają one tendencję do generowania większej ilości ciepła niż ich mechaniczne odpowiedniki i mogą być wrażliwe na temperaturę otoczenia. Warto zauważyć, że osiągnięcie pełnej izolacji elektrycznej między sygnałem sterującym a obciążeniem nie jest z natury możliwe w przypadku standardowych przełączników półprzewodnikowych, ale można to osiągnąć za pomocą elementów optoelektronicznych w urządzeniach ze sprzężeniem fotoelektrycznym, które odizolowują sygnały wejściowe od wyjściowych.

Ilustracja 2: podstawowy schemat wewnętrzny przekaźników półprzewodnikowych. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Popularne typy przekaźników

Dostępna jest szeroka gama typów przekaźników, dostosowanych do wyspecjalizowanych zastosowań. Warto zauważyć, że producenci mogą stosować nieco inną terminologię dla swoich produktów, ale poniżej przedstawiono uogólnione podsumowanie głównych typów przekaźników:

• Ogólnego przeznaczenia: są to powszechnie stosowane przekaźniki elektromechaniczne, które działają przy prądzie zmiennym lub stałym w zakresie od 12 do 230V i mogą sterować prądami o natężeniu od 2 do 30A.
• Sygnałowe: przekaźniki sygnałowe są używane do sterowania obciążeniami niskiej mocy, zazwyczaj poniżej 2A. Więcej informacji można znaleźć w artykule firmy Same Sky pt. „Przekaźniki sygnałowe - podstawowe informacje”.
• Mocowe: przekaźniki mocy są specjalnie zaprojektowane do obsługi obciążeń dużej mocy, minimalizując wytwarzanie ciepła i redukując wyładowania łukowe. Więcej informacji można znaleźć w artykule firmy Same Sky „Wprowadzenie do przekaźników mocy”.
• Sterowanie maszynami: wysokowytrzymałe i solidne przekaźniki używane w dużych zastosowaniach przemysłowych.
• Zatrzaskowe: przekaźniki zatrzaskowe utrzymują swój ustawiony lub zresetowany stan (włączony lub wyłączony), dopóki nie otrzymają sygnału napięciowego odwracającego stan.
• Kontaktronowe: przekaźniki kontaktronowe są kompaktowe i działają szybko. Wykorzystują one elektromagnes do sterowania jednym lub większą liczbą hermetycznie zamkniętych przełączników kontaktronowych, co zapewnia odporność na zanieczyszczenia zewnętrzne lub wilgoć.
• Przełączające przy zerowym napięciu: przekaźniki te aktywują obciążenie, gdy przyłożone jest napięcie sterujące, a napięcie obciążenia jest bliskie zeru. Dezaktywują one obciążenie po zniknięciu napięcia sterującego.

Ilustracja 3: podstawowa zasada działania przekaźnika przełączającego przy zerowym napięciu. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączające przy napięciu szczytowym: przekaźniki przełączające przy napięciu szczytowym aktywują obciążenie, gdy przyłożone jest napięcie sterujące, a napięcie obciążenia ma wartość szczytową. Dezaktywują one obciążenie, gdy napięcie sterujące zniknie, a prąd obciążenia zbliży się do zera.
• Załączające natychmiastowo: przekaźniki załączające natychmiastowo aktywują obciążenie po przyłożeniu napięcia aktywacji.
• Zwłoczne: przekaźniki zwłoczne zawierają wbudowany zegar do sterowania zdarzeniami w oparciu o czas.
• Z przełączaniem analogowym: analogowe przekaźniki przełączające zarządzają napięciem wyjściowym w funkcji napięcia wejściowego, pozwalając na nieograniczone zmiany napięcia wyjściowego w zakresie wartości znamionowych przekaźnika.
• Sprzężone optycznie: są to przekaźniki półprzewodnikowe, które zapewniają izolację pomiędzy obwodem sterowania i obwodem zasilania poprzez przełączanie w odpowiedzi na wewnętrzne źródło światła.
• Wojskowe oraz wysokiej niezawodności: przekaźniki te są specjalnie zaprojektowane do pracy w wymagających i trudnych warunkach środowiskowych.

Przekaźniki można podzielić na zwierne (NO), w których styki są otwarte, gdy obwód nie jest zasilany, lub rozwierne (NC), w których styki są zamknięte, gdy obwód nie jest zasilany. Podsumowując, przekaźniki są zwykle definiowane jako zwierne (NO) lub rozwierne (NC) w sytuacji gdy nie jest podawane zasilanie.

Parametry znamionowe i konfiguracje

Przekaźniki są klasyfikowane na podstawie ich zdolności do bezpiecznego przełączania mocy elektrycznej przez urządzenie. Te wartości znamionowe są klasyfikowane dla prądu zmiennego lub stałego i są zwykle wyrażane w amperach. Bardzo ważne jest, aby parametry przekaźnika były równe lub wyższe od parametrów kontrolowanego urządzenia.

Przekaźniki mają możliwość sterowania wieloma obwodami jednocześnie, a ich oznaczenia określają specyficzne cechy. Dla użytkowników znających pojęcia biegunów i pozycji oznaczenia te obejmują: SPST, DPDT, 3PDT i SP3T.

Oprócz liczby biegunów i pozycji, oznaczenia przekaźników mogą opisywać ważne cechy za pomocą terminu „Form”. Zawroty takie jak „1 Form A” or „2 Form C” wskazują na dwie ważne informacje. Typ formy wskazuje, czy przełącznik jest zwierny czy rozwierny, a w przypadku przekaźników jednobiegunowych ze stykiem przełączanym (SPDT), czy wykorzystują one „zestyk przełączany przerwowy” czy „zestyk przełączany bezprzerwowy”. Liczba (1 lub 2) przed słowem Form oznacza, ile styków danego rodzaju jest dostępnych w przekaźniku. Niektóre popularne style to:

• Form A - zwierny
• Form B - rozwierny
• Form C - przełączniki jednobiegunowe z zestykiem przełączanym przerwowym
• Form D - przełączniki jednobiegunowe z zestykiem przełączanym bezprzerwowym

Podsumowanie

Ze względu na prostotę konstrukcji i niezawodność działania, przekaźniki są stosowane w urządzeniach i systemach w wielu branżach przemysłowych i na różnych rynkach. Przekaźniki, które powstały jako podstawowe komponenty systemów telegraficznych, a nawet odegrały rolę we wczesnym etapie rozwoju komputerów, nadal mają ważne zastosowania w dzisiejszych czasach, zapewniając bezpieczne i sprawne sterowanie z odległej lokalizacji urządzeniami zasilanymi elektrycznie.

Aby spełnić wymagania inżynierów w zakresie przełączania prądu niskiego lub wysokiego poziomu, firma Same Sky oferuje szeroki wybór przekaźników mocy i sygnałowych o różnych parametrach znamionowych i konfiguracjach.