Przekaźniki mocy - zrozumienie podstaw

Przekaźniki zasadniczo działają jako przełączniki, które zarządzają działaniem innych przełączników w obwodach elektrycznych. Wykorzystując sygnał wejściowy niskiej mocy, sprawują one kontrolę nad obwodami większej mocy. Uaktywnienie przekaźnikowego sygnału niskiej mocy powoduje zasilenie elektromagnesu, inicjując ruch twornika. Ten ruch z kolei powoduje zamknięcie styków elektrycznych, umożliwiając w ten sposób przekazywanie zasilania do sterowanego obwodu.

Jedną z największych zalet tej konstrukcji jest możliwość odizolowania sygnału sterującego niskiej mocy od obwodu większej mocy. Izolacja ta nie tylko zabezpiecza operatorów przed potencjalnymi zagrożeniami, ale także chroni sprzęt przed potencjalnymi uszkodzeniami. Ponadto taki układ umożliwia zdalne sterowanie urządzeniami lub systemami, pozwalając na obsługę na odległość.

Historia przekaźników elektromechanicznych sięga roku 1835 i pomimo znacznego postępu w zakresie ich komponentów oraz zróżnicowania na przestrzeni lat, ich podstawowa funkcja przetrwała. Jednym z najbardziej rozpoznawalnych typów przekaźników w historii jest przekaźnik mocy. Chociaż wszystkie przekaźniki elektryczne z natury sterują zasilaniem, nie wszystkie przekaźniki są prawidłowo nazywane „przekaźnikami mocy”. W niniejszym artykule przyjrzymy się bliżej przekaźnikom mocy, w tym ich zaletom, konfiguracji i kluczowym kryteriom doboru.

Podstawy przekaźników mocy

Przekaźniki mocy znane są ze specjalistycznych możliwości zarządzania przełączaniem prądu o wysokim natężeniu, od kilku amperów do znacznie wyższych wartości. Bardziej wytrzymała konstrukcja i większe wymiary pozwalają stykom przekaźników mocy wytrzymywać znaczne prądy, co czyni je idealnymi kandydatami do zastosowań wymagających prądów zwykle przekraczających 10A.

Są one coraz częściej stosowane w różnych branżach, takich jak systemy motoryzacyjne, sterowanie wind, aktuatory zaworów i różne urządzenia charakteryzujące się wysokimi początkowymi udarami prądowymi, takie jak silniki, elektromagnesy, zasilacze i stateczniki elektroniczne.

Podobnie jak inne komponenty elektryczne, przekaźniki mają specyficzne ograniczenia dotyczące mocy, którą mogą bezpiecznie zarządzać. Każdy model ma przypisaną maksymalną moc znamionową, dzięki czemu można je skutecznie dopasować do różnorodnego zakresu obciążeń, od elementów niskiej mocy, takich jak żarówki, po mocne maszyny, takie jak duże silniki. Jednak przekroczenie określonej mocy znamionowej może spowodować trwałe uszkodzenie przekaźnika.

Ponadto nieprawidłowe wyrównanie styków może wywołać na nich wyładowania łukowe charakteryzujące się przepływem prądu przez szczelinę powietrzną między stykami przekaźnika, gdy są one otwarte, ale znajdują się blisko siebie. Zjawisko to stwarza nie tylko takie zagrożenia jak iskry i generowanie ciepła, ale także m.in. erozję styków i generowanie niepożądanych zakłóceń elektrycznych, potencjalnie szkodliwych dla pobliskich urządzeń.

Ilustracja 1: wyładowanie łukowe na stykach przekaźnika elektromechanicznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Na rynku pojawiają się przekaźniki mocy zaprojektowane specjalnie z myślą o obciążeniach elektrycznych urządzeń wysokoprądowych, takich jak grzejniki, silniki, układy oświetleniowe i urządzenia przemysłowe. Podwyższone wartości znamionowe prądu i napięcia w przekaźnikach mocy zawdzięczamy w dużej mierze wykorzystaniu do styków przełączników materiałów innych od materiałów stosowanych w zwykłych przekaźnikach. Materiały te wybiera się ze względu na ich odporność na warunki towarzyszące zastosowaniom o dużej mocy, zapewniając niezawodność działania i trwałość w wymagających warunkach przemysłowych.

Materiały styków przekaźników mocy

Gdy przez styki przekaźnika przepływa prąd, napotyka on rezystancję, która jest czynnikiem zależnym od rozmiarów i składu materiałowego styków. Podwyższona rezystancja nie tylko podwyższa straty mocy w przekaźniku, ale także zwiększa wytwarzanie ciepła. Jednym ze sposobów obniżenia rezystancji zestykowej jest staranny dobór materiałów styków.

Konwencjonalne przekaźniki zwykle posiadają styki wykonane ze srebra niklowego - metalu od dawna powszechnie stosowanego w konstrukcjach przekaźników. Styki ze srebra niklowego doskonale sprawdzają się w przełączaniu obciążeń rezystancyjnych, w których prąd i napięcie są ze sobą w fazie.

Natomiast w przekaźnikach projektowanych do wyższych obciążeń, takich jak przekaźniki mocy, lepsze będą styki wykonane z materiałów takich jak srebro-tlenek kadmu, srebro-tlenek cyny lub stopy złota. Materiały te są idealne do obsługi obciążeń indukcyjnych, charakteryzujących się asynchronicznymi prądami i napięciami, które mogą generować znaczne skoki prądu lub napięcia. Zarówno styki ze srebro-tlenku kadmu, jak i ze srebro-tlenku cyny oferują obniżoną rezystancję elektryczną i ograniczają ryzyko zespawania styków spowodowane wysokimi początkowymi prądami rozruchowymi. Warto zauważyć, że wprowadzenie srebro-tlenku cyny pozwala uniknąć problemów środowiskowych kojarzonych ze stopami na bazie kadmu, co zapewnia spełnienie norm prawnych obowiązujących w niektórych krajach.

Porównanie przekaźników mocy z przekaźnikami sygnałowymi

Przekaźniki mocy oraz przekaźniki sygnałowe to dwa popularne warianty przekaźników. Chociaż charakterystyka przekaźników mocy sprawia, że nadają się one do obsługi wyższych napięć i prądów, zwykle wytrzymują one mniejszą liczbę cykli roboczych w swoim okresie użytkowania. Z kolei przekaźniki sygnałowe zaprojektowano z myślą o większej liczbie cykli roboczych w okresie użytkowania, ale pracują one przy niższych napięciach i minimalnym natężeniu prądu.

Pomimo że materiały styków stosowane w przekaźnikach mocy są idealne do sytuacji wymagających dużej mocy, nie są one najlepiej przystosowane do przełączania niskich mocy. Wynika to z faktu, że przy niższych napięciach ogromnego znaczenia nabiera fizyczne połączenie między stykami, które z kolei zależy od takich czynników, jak docisk styków i czystość, a nie materiał styku.

Ponadto użycie przekaźnika sygnałowego w zastosowaniach zasilania niesie ze sobą nieodłączne ryzyko, które może doprowadzić do katastrofalnej w skutkach awarii z powodu przepięcia lub przetężenia. Nawet gdyby taki przekaźnik wytrzymał, nie posiadałby kluczowych funkcji, takich jak zapobieganie powstawaniu łuku elektrycznego i samooczyszczanie styków, co mogłoby zagrozić długoterminowej niezawodności.

W procesie wyboru między przekaźnikami mocy i sygnałowymi kluczowe znaczenie ma przestrzeganie podstawowej wytycznej: poziom przełączanej mocy należy zawsze dostosowywać do mocy znamionowej przekaźnika. Zapewnia to optymalne działanie, zmniejsza ryzyko awarii oraz utrzymuje integralność przekaźnika i powiązanych systemów. Więcej na temat przekaźników sygnałowych można znaleźć w innym artykule firmy Same Sky zatytułowanym Przekaźniki sygnałowe - zrozumienie podstaw.

Typy przekaźników mocy

Przekaźniki mocy, podobnie jak zwykłe przekaźniki, są dostępne w dwóch podstawowych typach: elektromechanicznym i półprzewodnikowym.

Elektromechaniczne przekaźniki mocy wykorzystują połączenie cewek elektrycznych, pól magnetycznych, sprężyn, ruchomych tworników i styków, które sterują dostarczaniem energii do urządzenia.

Z drugiej strony przekaźniki półprzewodnikowe nie zawierają ruchomych części. Zamiast tego, do przełączania zarówno prądu zmiennego, jak i stałego wykorzystują one urządzenia półprzewodnikowe, takie jak krzemowe prostowniki sterowane (SCR), triaki prądu zmiennego lub tranzystory przełączające. W porównaniu z przekaźnikami elektromechanicznymi przekaźniki półprzewodnikowe posiadają pewne zalety, takie jak szybsze przełączanie i zwiększona niezawodność. Jednak ich opłacalność maleje wraz ze wzrostem zapotrzebowania na moc, ze względu na wyższe koszty związane z wytrzymałymi półprzewodnikami mocy i uwzględnieniem dodatkowych komponentów do odprowadzania ciepła.

Ilustracja 2: przykładowy przekaźnik półprzewodnikowy w połączeniu z radiatorem. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Popularne konfiguracje i parametry znamionowe

Przekaźniki mocy, podobnie jak ich niezasilające odpowiedniki, są kategoryzowane na podstawie konfiguracji styków, co wskazuje liczbę urządzeń, którymi mogą sterować jednocześnie. Typowe klasyfikacje:

• Jednobiegunowe ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST)
• Dwubiegunowe ze stykami przełączanymi (DPDT)
• Trójbiegunowe ze stykami przełączanymi (3PDT)
• Jednobiegunowe ze stykami przełączanymi w trzech położeniach (3PDT)

Styki przekaźników są oznaczone jako zwierne (NO) lub rozwierne (NC), w zależności od ich stanu, gdy do przekaźnika nie jest dostarczane zasilanie.

Parametry znamionowe przekaźnika określają maksymalną moc, która może być przez niego bezpiecznie i skutecznie przełączana. Te wartości znamionowe są zwykle wyrażane w amperach dla prądu zmiennego i stałego. Istotne jest, aby parametry znamionowe przekaźnika przewyższały parametry znamionowe przełączanego urządzenia, z zachowaniem marginesu bezpieczeństwa.

Podobnie jak w przypadku przekaźników niezasilających, przekaźniki mocy mogą być również opisywane oznaczeniem „Form”. Oznaczenia takie jak „1 Form A” lub „2 Form C” definiują charakterystykę przekaźnika. Cyfra przed słowem „Form” oznacza liczbę styków dostępnych w przekaźniku. „Form A” oznacza przekaźnik zwierny, podczas gdy „Form B” oznacza przekaźnik rozwierny. „Form C” i „Form D” odnoszą się do przekaźników jednobiegunowych ze stykiem przełączanym (SPDT), wskazując, które położenie odpowiada położeniu rozwiernemu i czy przekaźnik ma odpowiednio styk przełączany przerwowy czy przełączany bezprzerwowy. Chociaż istnieje wiele innych form, te cztery są najczęściej używane.

• Form A - zwierne
• Form B - rozwierne
• Form C - przełączniki jednobiegunowe ze stykiem przełączanym (SPDT) przerwowym
• Form D - przełączniki jednobiegunowe ze stykiem przełączanym (SPDT) bezprzerwowym

Dodatkowe zagadnienia

Niektóre dodatkowe zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę przy doborze urządzenia:

• Udary mocy wejściowej: niektóre urządzenia mogą generować znaczne skoki mocy podczas uruchamiania. Ważne jest, aby zidentyfikować te udary przed określeniem specyfikacji przekaźnika, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia.
• Tłumienie cewki: cykliczne przełączanie przekaźnika może generować stany nieustalone wysokiego napięcia. Tłumienie cewki polega na zastosowaniu dodatkowych komponentów w obwodzie w celu ochrony sprzętu przed tymi stanami nieustalonymi. Może to jednak skrócić okres użytkowania przekaźnika. Należy określić, czy dana strategia tłumienia cewek jest konieczna dla określonego zastosowania.
• Funkcja zatrzaskowa: przekaźnik zatrzaskowy zachowuje swoją ostatnią pozycję styku nawet po odcięciu zasilania aktywacyjnego. Ta funkcja może być wymagana w niektórych zastosowaniach.
• Zakłócenia: przekaźniki mogą wytwarzać zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) lub zakłócenia o częstotliwościach radiowych (RFI), które mogą być bardziej wyraźne w urządzeniach dużej mocy. Wcześniej należy określić wrażliwość urządzenia lub systemu na te zakłócenia.
• Odbijanie styków: cykliczny charakter działania przekaźnika może powodować krótkie cykle rozwierania-zwierania styków, znane jako odbijanie styków, które generują impulsy elektryczne. W zależności od czułości danego zastosowania, odbijanie styków może powodować niepożądane skutki, dlatego przed określeniem specyfikacji przekaźnika ważne jest ustalenie, czy odbijanie styków będzie miało wpływ w danej sytuacji.

Ilustracja 3: przykład odbijania styków i szybko zmieniających się napięć. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Przekaźniki są niezawodnymi, wydajnymi i solidnymi urządzeniami, które zapewniają bezpieczne sterowanie elektryczne systemów i urządzeń, a jednocześnie zapewniają bezpieczną izolację operatora od prądu roboczego. Przekaźniki mocy, zarówno elektromechaniczne, jak i półprzewodnikowe, są projektowane z myślą o zaawansowanych funkcjach obsługujących wyższe napięcia i prądy.

Naprzeciw potrzebom projektantów poszukujących rozwiązań do przełączania mocy wychodzi firma Same Sky, oferując zróżnicowaną gamę przekaźników mocy i przekaźników sygnałowych. Niezależnie od tego, czy chodzi o przełączanie nisko-, czy wysokoprądowe, firma Same Sky posiada w swojej ofercie odpowiednie rozwiązania przekaźnikowe pozwalające skutecznie i efektywnie zaspokoić różnorodne potrzeby.