Przekaźniki sygnałowe ‑ podstawowe informacje

Przekaźniki są powszechnie stosowanymi i cenionymi urządzeniami elektronicznymi istniejącymi od 1835 roku. Mimo swojego wieku nadal odgrywają ważną rolę w wielu branżach. Pozwalają na zdalne sterowanie obwodami, co sprawia, że zakres ich zastosowania jest szeroki. Nawet w pierwszych komputerach używano wielu przekaźników do obsługi funkcji logiki boole'owskiej. Jednym z głównych podtypów przekaźników są przekaźniki sygnałowe o określonych zastosowaniach, które często pełnią ważną rolę w komunikacji. Niniejszy artykuł stanowi wprowadzenie do tematyki przekaźników sygnałowych i opisuje między innymi czym są, czym się różnią od innych przekaźników oraz kluczowe kryteria ich doboru.

Podstawy przekaźników sygnałowych

Przekaźniki sygnałowe to zasadniczo elektrycznie sterowane przełączniki elektromechaniczne służące do kontroli przepływu prądu w obwodzie. Ich działanie bazuje na wykorzystaniu siły magnetycznej wytwarzanej przez prąd sterujący płynący przez cewkę w pobliżu styków, w celu przemieszczania wewnętrznych części ruchomych lub styków pomiędzy pozycjami otwartymi i zamkniętymi. Dzięki temu mały sygnał może sterować większym. Przypominają one przekaźniki mocy, jednak są zaprojektowane do obsługi niskiego napięcia i prądu, zwykle poniżej 2A, oraz przełączania sygnałów niskiej mocy przy napięciu znamionowym zwykle w zakresie od 5V₌ do 30V₌. Dlatego są one również nazywane „przekaźnikami niskosygnałowymi”.

Jak już wspomniano, przekaźniki sygnałowe zawierające styki zaprojektowane pod kątem niskiej mocy są typem przekaźnika elektromechanicznego nadającego się przede wszystkim do zastosowań wymagających niskiego napięcia i prądu. W pewnych zastosowaniach przekaźniki mocy obsługujące wyższe prądy i napięcia mogą być bardziej ekonomiczne, jednak mogą również zniekształcać sygnały niskiej mocy w obwodach audio lub wideo, czyniąc przekaźniki sygnałowe lepszym wyborem. Przekaźniki sygnałowe są zamknięte w małych obudowach, idealnych do montażu na płytce i zapewniają krótsze czasy przełączania. Ich cena jest zwykle niższa niż przekaźników półprzewodnikowych, a ponadto są odporne na stany nieustalone napięcia lub prądu oraz zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Ze względu na małą moc generują również mniej ciepła niż przekaźniki półprzewodnikowe, a zatem zwykle nie wymagają stosowania rozwiązań odprowadzania ciepła w obwodzie.

Ilustracja 1: podstawowe porównanie przekaźników nisko- i wysokoprądowych. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Zalety przekaźników sygnałowych

Zastosowanie przekaźników sygnałowych w projektach, podobnie jak innych przekaźników elektromechanicznych, oznacza wiele korzyści, takich jak:

• Prostota projektowania
• Izolacja elektryczna
• Niezawodność działania
• Oszczędność kosztów oprzewodowania na dużych odległościach
• Wiele rodzajów obudowy i funkcji
• Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i radiowe (EMI/RFI)

Odpowiedni dobór przekaźników sygnałowych do wymagań zasilania obwodu zapewnia również dodatkowe korzyści, takie jak:

• Łatwość obsługi
• Niewielkie rozmiary
• Przystępny koszt
• Odporność na wstrząsy mechaniczne
• Wysoka izolacja pomiędzy wewnętrzną cewką a stykami

Główne specyfikacje i dobór przekaźników sygnałowych

Przy doborze modelu przekaźnika sygnałowego do projektu należy wziąć pod uwagę kilka czynników, w tym:

• Napięcie znamionowe: maksymalne napięcie, jakie przekaźnik może przełączać, mierzone zwykle w V₌ lub V_~.
• Prąd znamionowy: maksymalny prąd, jaki przekaźnik może przełączać, mierzony w A.
• Rezystancja zestykowa: rezystancja mierzona w ohmach, dodana do obwodu obciążenia.
• Napięcie cewki: znamionowe napięcie sterujące cewką przekaźnika.
• Prąd cewki: prąd znamionowy, który cewka pobiera przy znamionowym napięciu cewki.
• Konfiguracja styków: konfiguracja przełączania przekaźnika (liczba biegunów i konfiguracja zwierna lub rozwierna). Na przykład jednobiegunowa ze stykiem przełączanym (SPDT) (1 Form C) i dwubiegunowa ze stykami przełączanymi (DPDT) (2 Form C).
• Parametry znamionowe styku: wartości prądu i napięcia zapewniające gwarantowane działanie przekaźnika. Dla przykładu jest to zwykle wyrażone jako 1A przy 30V₌.
• Czas przełączania: szybkość działania przekaźnika od momentu podania prądu sterującego do momentu zamknięcia styków lub odwrotnie.
• Typ montażu: sposób montażu w danym zastosowaniu. Zazwyczaj jest to montaż przewlekany lub powierzchniowy na płytce drukowanej.
• Wytrzymałość dielektryczna: maksymalne napięcie wytrzymywane przez przekaźnik, które nie powoduje jego uszkodzenia przez określony czas.
• Temperatura robocza: określony specyfikacją zakres temperatur, w których przekaźnik może bezpiecznie i skutecznie pracować bez degradacji.

Mając na uwadze powyższą listę, inżynier może rozpocząć proces doboru przekaźnika sygnałowego dla danego projektu. Na początek powinien określić wymagane wartości znamionowe napięcia i prądu w oparciu o maksymalne przełączane obciążenie obwodu. Warto pamiętać, że przekaźniki sygnałowe zwykle przełączają najwyżej 2A.

Następnie należy określić wymagane napięcie i rodzaj sterowania - prądem zmiennym lub stałym - oraz liczbę biegunów lub obwodów, które mają być przełączane. Ponadto należy ustalić, czy obwód lub układ przełączający ma być zwierny (NO) czy rozwierny (NC).

Na koniec należy rozważyć metodę montażu urządzenia w obwodzie, np. montaż tablicowy, na szynie DIN, montaż powierzchniowy lub przewlekany. Określenie wymaganych parametrów umożliwia identyfikację przekaźnika spełniającego wymagania układu unikając zbyt wysokich specyfikacji.

Ilustracja 2: podstawowe etapy doboru przekaźnika sygnałowego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Zastosowania przekaźników sygnałowych

Ze względu na niską moc przełączaną, przekaźniki sygnałowe są wdrażane w szerokim zakresie zastosowań, zarówno konsumenckich, jak i komercyjnych. Stanowią one skuteczne rozwiązanie w przypadku urządzeń sieciowych wymagających przesyłania na duże odległości sygnałów o wyższym napięciu i natężeniu prądu niż większość elektroniki może natywnie obsłużyć. Przekaźniki sygnałowe są również przydatne w zastosowaniach szybkiego reagowania, które nie wymagają tak dużej mocy jak przekaźnik mocy. Ponadto, w codziennych sytuacjach w domach i biurach termostat działa przy niskim napięciu i prądzie, ale musi wysłać sygnał do pieca lub klimatyzatora. Przekaźnik sygnałowy może przyjąć mały sygnał sterujący niskiej mocy i wykorzystać go do przekazania komunikatu do pieca lub klimatyzatora, umożliwiając im podjęcie odpowiednich działań.

Podsumowanie

Układy elektroniczne stają się coraz bardziej zaawansowane, dlatego często zachodzi potrzeba całkowitej izolacji elektrycznej sygnału przełączającego od sygnału przełączanego. Przekaźniki sygnałowe stanowią rozwiązanie umożliwiające bezpieczne zdalne sterowanie prądem i napięciem.

Urządzenia te są szeroko stosowane w wielu produktach oraz systemach konsumenckich i przemysłowych do przełączania zasilania w różnych typach obwodów. Po określeniu wymagań projektu firma Same Sky oferuje wybór przekaźników sygnałowych zaspokajających potrzeby określone przez inżyniera w zakresie przełączania prądu o niskiej wartości.