Elektrické relé a stýkače používajú nízkoúrovňový riadiaci signál na prepínanie oveľa vyššieho napätia alebo prúdu pomocou množstva rôznych usporiadaní kontaktov.

Doteraz ste sa mohli stretnúť v každodennej praxi z množstvom vstupných zariadení, ktoré možno použiť na detekciu alebo "snímanie" rôznych fyzikálnych premenných a signálov, a preto sa nazývajú snímače. Existuje však aj celý rad elektrických a elektronických zariadení, ktoré sa klasifikujú ako výstupné zariadenia používané na riadenie alebo obsluhu externého fyzického procesu. Tieto výstupné zariadenia sa bežne nazývajú Aktuátory.

Aktuátory prevádzajú elektrický signál na zodpovedajúcu fyzickú veličinu, ako je pohyb, sila, zvuk atď. Aktuátor sa tiež klasifikuje ako prevodník, pretože mení jeden typ fyzikálnej veličiny na iný a zvyčajne sa aktivuje alebo ovláda príkazovým signálom nízkeho napätia. Aktuátory možno klasifikovať ako binárne alebo spojité zariadenia na základe počtu stabilných stavov, ktoré má ich výstup.

Napríklad relé je binárny akčný člen, pretože má dva stabilné stavy, buď pod napätím a blokované alebo bez napätia a bez blokovania, zatiaľ čo motor je nepretržitý akčný člen, pretože sa môže otáčať celých 360 °. Najbežnejším typom akčných členov alebo výstupných zariadení sú elektrické relé, svetlá, motory a reproduktory.

Elektrické relé možno tiež rozdeliť na mechanicky činné relé nazývané "elektromechanické relé" a relé, ktoré ako spojovacie zariadenie nazývajú "polovodičové relé" alebo SSR používajú polovodičové tranzistory, tyristory, triaky atď.

Elektromechanické relé

Pojem relé sa všeobecne vzťahuje na zariadenie, ktoré poskytuje elektrické spojenie medzi dvoma alebo viacerými bodmi v reakcii na aplikáciu riadiaceho signálu. Najbežnejším a najbežnejšie používaným typom elektrického relé je elektromechanické relé alebo EMR.

Bežné elektromechanické relé.

Elektrické relé

Najzásadnejším ovládacím prvkom každého zariadenia je schopnosť ho zapnúť a vypnúť. Najjednoduchší spôsob, ako to dosiahnuť, je použitie vypínačov na prerušenie elektrického napájania. Aj keď je možné pomocou spínačov niečo ovládať, majú svoje nevýhody. Tou najväčšou je, že musia byť ručne (fyzicky) zapnuté alebo vypnuté. Tiež sú pomerne veľké, pomalé a prepínajú iba malé elektrické prúdy.

Elektrické relé sú však v podstate elektricky ovládané spínače, ktoré majú mnoho tvarov, veľkostí a výkonových charakteristík vhodných pre všetky typy aplikácií. Relé môžu mať tiež jeden alebo viac kontaktov v jednom balení, pričom väčšie výkonové relé, ktoré sa používajú na spínanie v sieťach alebo na aplikácie vysokého prúdu, sa nazývajú "stýkače".

V tomto článku o elektrických relé sa budeme zaoberať iba základnými princípmi fungovania elektromechanických relé, ktoré môžeme použiť v riadení motorov alebo v automatizačných obvodoch. Takéto relé sa používajú všeobecne na elektrické a elektronické riadiace alebo spínacie obvody buď priamo namontované na doskách PCB, alebo pripojené samostatne stojace a v ktorých sú záťažové prúdy zvyčajne zlomkami ampéra až do 20 a viac ampérov. Reléové obvody sú preto bežne používaná v rôznych aplikáciách elektroniky.

Ako už z ich názvu vyplýva, elektromechanické relé sú vo svojej podstate elektromagnetické prístroje, ktoré premieňajú magnetický tok generovaný použitím nízkonapäťového elektrického riadiaceho signálu striedavého alebo jednosmerného prúdu na svorkách relé na ťažnú mechanickú silu, ktorá ovláda elektrické kontakty v relé. Najbežnejšir časti elektromechanického relé tvoria budiaca cievka navinutá okolo priepustného železného jadra a sada spínacích, či rozpínacích kontaktov.

Toto železné jadro má pevnú časť nazývanú strmeň, tak aj pohyblivú pružinou zaťaženú časť nazývanú kotva, ktorá dotvára obvod magnetického poľa uzatváraním vzduchovej medzery medzi pevnou elektrickou cievkou a pohyblivou kotvou. Kotva je sklopná alebo otočná, čo umožňuje jej voľný pohyb v rámci generovaného magnetického poľa a uzatváranie elektrických kontaktov, ktoré sú k nej pripevnené. Medzi strmeň a kotvu je obvykle pripojená pružina (alebo pružiny) pre spätný zdvih na "resetovanie" kontaktov späť do ich pôvodnej pokojovej polohy, keď je cievka relé v "bezprúdovom" stave, t. j. je vypnutá.

Konštrukcia elektromechanického relé

V našom jednoduchom relé na obrázku vyššie máme dve sady elektricky vodivých kontaktov. Relé môžu mať kontakty "normálne otvorené" alebo "normálne zatvorené". Jeden pár kontaktov je klasifikovaný ako normálne rozpínací (NO) alebo spínací a ďalšia sada kontaktov je klasifikovaná ako normálne rozpínací (NC) alebo rozpínací kontakt. V normálne otvorenej polohe sú kontakty zatvorené, iba ak je privedený prúd do cievky a spínacie kontakty sú pritiahnuté smerom k cievke.

V normálne zatvorenej polohe sú kontakty trvalo zatvorené, keď je privedený prúd do cievky, keď sa spínacie kontakty vrátia do svojej normálnej polohy. Tieto pojmy normálne otvorené, normálne zatvorené alebo spínacie a rozpínacie kontakty označujú stav elektrických kontaktov, keď je cievka relé "bez napätia", tj. na cievku relé nie je pripojené napájacie napätie. Kontaktné prvky môžu byť vyhotovené s jednoduchým alebo dvojitým vyhotovením alebo s prerušením. Príklad tohto usporiadania kontaktov je uvedený nižšie.

Kontakty relé sú elektricky vodivé kovové diely, ktoré sa navzájom dotýkajú a vytvárajú tak vodivý obvod. Nechávajú tak prúdiť prúd obvodu rovnako ako spínač. Keď sú kontakty otvorené, odpor medzi kontaktmi je v megaohmoch, čiže je veľmi vysoký, čo vedie k stavu otvoreného obvodu a tým pádom neprúdi žiadny prúd obvodom.

Keď sú kontakty zatvorené, odpor kontaktov by mal byť nulový, ale nie je to tak vždy. Všetky reléové kontakty majú určitý stupeň "kontaktného odporu", keď sú zatvorené, a tento údaj sa nazýva "On-Resistance", podobne ako v prípade FET tranzistora.

S novým relé a kontaktmi bude tento odpor v stave ON veľmi malý, zvyčajne menší ako 0,2 Ω, pretože styčné plochy sú nové a čisté, ale časom sa odpor plôch zvýši.

Napríklad. Ak sú kontakty vystavené prechádzajúcim záťažovým prúdom povedzme 10A, potom pokles napätia na kontaktoch pomocou Ohmovho zákona je 0,2 x 10 = 2 volty, čo znamená, že ak je napájacie napätie povedzme 12 voltov, potom záťažové napätie bude iba 10 voltov (12 - 2). Keď sa kontaktné plochy začnú opotrebovávať a ak nie sú správne chránené pred vysokými indukčnými alebo kapacitnými zaťaženiami, začnú vykazovať známky poškodenia oblúkom, pretože prúd obvodu má tendenciu stále prúdiť, keď sa kontakty začnú otvárať, keď je cievka relé bez napätia.

Tento elektrický oblúk alebo iskrenie na kontaktoch spôsobí to, že sa kontaktný odpor plôch bude ďalej zvyšovať, a časom sa kontakty poškodia. Ak bude tento stav pokračovať, kontaktné plochy sa môžu spáliť a poškodiť až do tej miery, že sú fyzicky uzavreté, ale neprechádza nimi žiaden alebo veľmi malý prúd.

Ak dôjde k silnému poškodeniu elektrickým oblúkom, kontakty sa nakoniec "zvaria" a tým môže dôjsť ku skratu, alebo preťaženiu a možnému poškodeniu obvodu, ktorý ovládajú. Ak sa teraz odpor kontaktu zvýšil v dôsledku oblúka, povedzme 1 Ω, pokles napätia na kontaktoch pre rovnaký záťažový prúd sa zvýšil na 1 x 10 = 10 V_SS. Tento vysoký pokles napätia na kontaktoch môže byť pre záťažový obvod neprijateľný, najmä ak pracuje pri napätí 12 alebo dokonca 24 voltov, potom bude potrebné chybné relé vymeniť.

Na zníženie účinkov kontaktného oblúka a vysokých "odporov" sú moderné kontaktné plochy vyrobené z rôznych zliatin na báze striebra alebo sú nimi potiahnuté, aby sa predĺžila ich životnosť, ako je uvedené nižšie.

Materiály kontaktných špičiek elektrických relé

Ag (striebro)

1. Elektrická a tepelná vodivosť je najvyššia zo všetkých kovov.
2. Vykazuje nízky kontaktný odpor, je lacný a široko používaný.
3. Kontakty sa ľahko poškodia pôsobením síry.

AgCu (zliatina medi a striebra)

1.  Známe ako kontakty z tvrdeného striebra majú lepšiu odolnosť voči opotrebeniu a menšiu tendenciu k oblúkom a pripaľovaniu, ale mierne vyšší merný odpor.

AgCdO (oxid kademnato strieborný)

1. Veľmi malá tendencia k vzniku oblúka, dobrá odolnosť proti opotrebeniu a vlastnosti pri zhášaní oblúka.

AgW (zliatina striebra a wolfrámu)

1. Tvrdosť a teplota topenia sú vysoké, odolnosť proti oblúku je vynikajúca.
2. Cenová dostupnosť.
3. Na zníženie odporu je potrebný vysoký kontaktný prítlak.
4. Odpor kontaktu je pomerne vysoký a odolnosť proti korózii nízka.

AgNi (zliatina niklu a striebra)

1. Rovná sa elektrickej vodivosti striebra, vynikajúca odolnosť voči oblúku.

AgPd (zliatina paládia a striebra)

1. Nízke opotrebenie kontaktov, väčšia tvrdosť.
2. Pomerne vysoká cena.

Zliatiny platiny, zlata a striebra

1. Vynikajúca odolnosť proti korózii, používaná hlavne pre slaboprúdové obvody.

Údajové listy výrobcov relé poskytujú údaje o maximálnpm kontaktnom zaťažení iba pre odporové jednosmerné zaťaženia. Toto zaťaženie je výrazne znížené buď pre striedavé zaťaženia, alebo pre vysoko indukčné alebo kapacitné záťaže. Aby sa dosiahla dlhá životnosť a vysoká spoľahlivosť pri prepínaní striedavých prúdov s indukčnými alebo kapacitnými zaťaženiami, je potrebná určitá forma potlačenia oblúka alebo filtrovania cez kontakty relé.

Predĺženie životnosti kontaktných plôch relé znížením množstva elektrického oblúka generovaného pri ich otvorení sa dosahuje pripojením siete rezistor-kondenzátor nazývanej "RC Snubber Network" elektricky paralelne s kontaktnými špičkami elektrického relé. Špička napätia, ku ktorej dôjde v okamihu, keď sa kontakty otvoria, bude bezpečne skratovaná RC sieťou, čím sa potlačí akýkoľvek oblúk generovaný na špičkách kontaktov.

Obvod tlmenia elektrického relé

Rovnako ako štandardné popisy normálne otvorených, (NO) a normálne zatvorených, (NC) používaných na opis toho, ako sú kontakty relé spojené, je možné usporiadanie kontaktov relé tiež klasifikovať podľa ich činnosti. Elektrické relé môžu byť tvorené jedným alebo viacerými samostatnými spínacími kontaktmi, pričom každý "kontakt" sa označuje ako "pól". Každý z týchto kontaktov alebo pólov je možné spojiť alebo spojiť dohromady napájaním cievky relé, čo vedie k opisu typov kontaktov ako:

• SPST - Single Pole Single Throw
• SPDT - jednopólový dvojitý hod
• DPST - Double Pole Single Throw
• DPDT - Double Pole Double Throw

s kontaktom, ktorý je opísaný ako "Make" (M) alebo "Break" (B). Jednoduché relé s jednou sadou kontaktov, ako je uvedené vyššie, môže mať potom kontaktný popis:

"Single Pole Double Throw - (Break before Make)" alebo SPDT - (B-M)

Nižšie sú uvedené príklady iba niekoľkých z bežných zapojení používaných pre typy kontaktov elektrických relé na identifikáciu relé v obvodoch alebo v schematických diagramoch, ale existuje oveľa viac možných konfigurácií.

Konfigurácie kontaktov elektrického relé

Typy kontaktov elektrického relé.

Kde:
    C je spoločný terminál
    NO je normálne otvorený kontakt
    NC je normálne zatvorený kontakt

Elektromechanické relé sú tiež označené kombináciami ich kontaktov alebo spínacích prvkov a počtom kontaktov kombinovaných v jednom relé. Napríklad kontakt, ktorý je normálne otvorený v beznapäťovej polohe relé, sa nazýva "kontakt A" alebo "spínací kontakt". Zatiaľ čo kontakt, ktorý je normálne zopnutý v beznapäťovej polohe relé, sa nazýva kontakt "B" alebo rozpínací kontakt.

Ak sú súčasne kontaktné prvky zapínacia aj vypínacia sada kontaktných prvkov, takže dva kontakty sú elektricky spojené, aby vytvorili spoločný bod (identifikovaný tromi spojmi), súprava kontaktov sa označuje ako "kontakty C". alebo prepínacie kontakty. Ak medzi spínacím a rozpínacím kontaktom neexistuje elektrické spojenie, označuje sa to ako dvojitý prepínací kontakt.

Na záver je treba pamätať na používanie elektrických relé. Vôbec sa neodporúča paralelne pripájať kontakty relé, aby sa zvládli vyššie záťažové prúdy. Napríklad sa nikdy nepokúšajte napájať záťaž 10 A dvoma paralelnými kontaktmi relé, ktoré majú každý z nich kontakt 5A, pretože mechanicky ovládané kontakty relé sa nikdy nezatvárajú ani neotvárajú v presne rovnakom okamihu. Výsledkom je, že jeden z kontaktov bude vždy preťažený aj na krátky okamih, čo má za následok predčasné zlyhanie relé v priebehu času.

Aj keď môžu byť použité elektrické relé, ktoré umožňujú nízkoenergetickým elektronickým alebo počítačovým obvodom prepínať relatívne vysoké prúdy alebo napätia do stavov "ZAPNUTÉ" alebo "VYPNUTÉ", nikdy nemiešajte rôzne zaťažovacie napätia cez susedné kontakty v rámci toho istého relé, ako napríklad vysokonapäťové striedavé napätie (240 V) a nízke jednosmerné napätie DC (12 V), vždy používajte kvôli bezpečnosti samostatné relé.

Jednou z dôležitejších častí každého elektrického relé je jeho cievka. Toto prevádza elektrický prúd na elektromagnetický tok, ktorý sa používa na mechanické ovládanie kontaktov relé. Hlavným problémom reléových cievok je to, že sú to "vysoko indukčné záťaže", pretože sú vyrobené z navinut=ho vodiča. Akákoľvek cievka drôtu má hodnotu impedancie tvorenú odporom (R) a indukčnosťou (L) v sérii (obvod série LR).

Keď prúd preteká cievkou, vytvára sa okolo nej samočinné magnetické pole. Keď je prúd v cievke vypnutý (OFF), vytvára sa veľké spätné emf (elektromotorické napätie) napätie, keď sa magnetický tok v cievke zrúti (teória transformátora). Táto indukovaná hodnota spätného napätia môže byť v porovnaní so spínacím napätím veľmi vysoká a môže poškodiť akékoľvek polovodičové zariadenie, ako je tranzistor, FET alebo mikrokontrolér používaný na prevádzku cievky relé.

Jedným zo spôsobov, ako zabrániť poškodeniu tranzistora alebo ľubovoľného spínacieho polovodičového zariadenia, je pripojenie diódy s reverzným predpätím cez cievku relé.

Keď je prúd pretekajúci cievkou vypnutý, generuje sa indukovaný spätný emf, keď sa magnetický tok v cievke zrúti. Toto spätné napätie vpred predpína diódu, ktorá vedie a rozptyľuje uloženú energiu, čím zabraňuje poškodeniu polovodičového tranzistora. Pri použití v tomto type aplikácie je dióda všeobecne známa ako zotrvačníková dióda, voľnobežná dióda alebo dokonca Fly-back dióda, ale všetky znamenajú to isté. Ďalšími typmi indukčných záťaží, ktoré na ochranu vyžadujú diódu, sú solenoidy, motory a indukčné cievky.

Polovodičové relé.

Zatiaľ čo elektromechanické relé (EMR) je lacné, ľahko použiteľné a umožňuje prepínanie záťažového obvodu riadeného elektricky izolovaným vstupným signálom s nízkym výkonom, jednou z hlavných nevýhod elektromechanického relé je, že ide o "mechanické zariadenie". To znamená, že má pohyblivé časti, takže ich spínacia rýchlosť (doba odozvy) v dôsledku fyzického pohybu kovových kontaktov pomocou magnetického poľa je pomerne nízka.

Za určitú dobu sa tieto pohyblivé časti opotrebujú a zlyhajú, alebo  kontaktný odpor pri konštantnom oblúku a erózii môže spôsobiť, že relé nebude použiteľné a skráti sa jeho životnosť. Tiež sú elektricky hlučné pri spínaní kontaktov o kontakty, ktoré môžu odskočiť, čo môže mať vplyv na všetky elektronické obvody, ku ktorým sú pripojené.

Na prekonanie týchto nevýhod elektrického relé bol vyvinutý iný typ relé, nazývaný skrátene polovodičové relé alebo (SSR), čo je polovodičové bezkontaktné čisto elektronické relé.

Polovodičové relé, ktoré je čisto elektronickým zariadením, nemá vo svojej konštrukcii žiadne pohyblivé časti, pretože mechanické kontakty boli nahradené výkonovými tranzistormi, tyristormi alebo triakmi. Elektrické oddelenie medzi vstupným riadiacim signálom a výstupným napätím záťaže sa dosahuje pomocougalvanicky oddeleného optočlenu.

Polovodičové relé poskytuje vysoký stupeň spoľahlivosti, dlhú životnosť a znížené elektromagnetické rušenie (EMI) (bez oblúkových kontaktov alebo magnetických polí) spolu s oveľa rýchlejšou takmer okamžitou dobou odozvy v porovnaní s konvenčnými elektromechanickými relé.

Tiež požiadavky na vstupný riadiaci výkon polovodičového relé sú všeobecne dosť nízke na to, aby boli kompatibilné s väčšinou logických skupín IC bez potreby ďalších vyrovnávacích pamätí, ovládačov alebo zosilňovačov. Pretože sú však polovodičovým zariadením, musia byť namontované na vhodných chladičoch, aby sa zabránilo prehriatiu polovodičového zariadenia spínajúceho výstup.

Polovodičové relé - SSR

Polovodičové relé typu AC sa zapne v bode prechodu nulového priebehu sínusového priebehu AC, zabráni vysokým nárazovým prúdom pri prepínaní indukčných alebo kapacitných záťaží, zatiaľ čo vlastná funkcia vypínania tyristorov a triakov poskytuje zlepšenie kontaktov oblúkom elektromechanických relé.

Rovnako ako elektromechanické relé je na výstupných svorkách SSR všeobecne požadovaná tlmiaca sieť rezistora-kondenzátora (RC), ktorá chráni prepínacie zariadenie polovodičového výstupu pred prechodnými špičkami napätia, keď sa používa na spínanie vysoko indukčných alebo kapacitných záťaží. Vo väčšine moderných SSR je táto RC tlmiaca sieť zabudovaná štandardne do samotného relé, čo znižuje potrebu ďalších externých komponentov.

Prepínanie detekcie nenulového prechodu SSR sú tiež k dispozícii pre fázovo riadené aplikácie, ako je stmievanie  svetiel na koncertoch, predstaveniach, diskotékach atď., alebo pre aplikácie typu regulácie rýchlosti motora.

Pretože výstupné spínacie zariadenie polovodičového relé je polovodičové zariadenie (tranzistor pre spínacie aplikácie na jednosmerný prúd alebo kombinácia triak / tyristor na spínanie na striedavý prúd), je pokles napätia na výstupných svorkách SSR, keď je v stave "ON", omnoho vyšší ako elektromechanického relé, zvyčajne 1,5 - 2,0 voltu. Ak prepínate veľké prúdy na dlhšiu dobu, bude potrebný ďalší  / väčší chladič.

Moduly vstupno / výstupného rozhrania.

Moduly vstupného / výstupného rozhrania (I / O moduly) sú ďalším typom polovodičových relé určených špeciálne na prepojenie počítačov, mikrokontrolérov alebo PIC so záťažami a prepínačmi. K dispozícii sú štyri základné typy I / O modulov, striedavé alebo jednosmerné vstupné napätie na výstup logickej úrovne TTL alebo CMOS a logický vstup TTL alebo CMOS na striedavé alebo jednosmerné výstupné napätie, pričom každý modul obsahuje všetky potrebné obvody na zabezpečenie úplného zapojenia rozhranie a izolácia v rámci jedného malého zariadenia. Sú k dispozícii ako samostatné polovodičové moduly alebo integrované do 4, 8 alebo 16-kanálových zariadení.

Modulárny systém vstupno / výstupného rozhrania.

Hlavnou nevýhodou polovodičových relé (SSR) v porovnaní s ekvivalentnými elektromechanickými relé s príkonom je ich vyššia cena a skutočnosť, že sú k dispozícii iba typy s jedným pólom (SPST), zvodovými prúdmi prechádzajú "OFF" zariadenia a vysoký pokles stavu "ONP a strata výkonu, čo vedie k ďalším požiadavkám na zníženie tepla. Tiež nemôžu prepínať veľmi malé zaťažovacie prúdy alebo vysokofrekvenčné signály, ako sú zvukové alebo obrazové signály, aj keď pre tento typ aplikácie sú k dispozícii špeciálne polovodičové spínače.

V tomto článku o elektrických relé sme sa pozreli na elektromechanické relé a aj na polovodičové relé, ktoré možno použiť ako výstupné zariadenie (akčný člen) na riadenie fyzikálneho procesu.