Elektromekanisk relæ

Relastteknologi omfatter:
Relæ grundlæggende om Reed-relæ Reed-relæ Specifikationer for Reed-relæer Relækredsløb Faststof-relæ

Et elektrisk relæ er en elektromagnetisk betjent elektrisk kontakt – en elektromekanisk kontakt. En relativt lille strøm bruges til at skabe et magnetfelt i en spole i en magnetisk kerne, og dette bruges til at betjene en kontakt, der kan styre en meget større strøm.

På denne måde kan et elektromekanisk relæ eller elektrisk relæ bruge en lille strøm til at skifte en meget større strøm og gøre det muligt for begge kredsløb at være elektrisk isolerede fra hinanden.

Elektriske relæer findes i mange forskellige størrelser, og de kan være af mange forskellige typer, der anvender lidt forskellige teknologier, selv om de alle bruger det samme grundlæggende koncept.

Og selv om elektromekaniske relæer i nogle henseender kan anses for at bruge gammel teknologi, og solid state relæer / solid state switches kan tænkes at være en mere effektiv måde at skifte elektrisk strøm på.

Det er ikke desto mindre sådan, at elektromekaniske relæer har nogle unikke egenskaber, der gør dem ideelle til mange anvendelser, hvor andre typer måske ikke er så effektive. Når det er sagt, er solid state switches, solid state relæer eller elektroniske switches meget udbredt og har taget over på mange områder, hvor elektromekaniske relæer tidligere blev brugt som elektriske afbrydere.

Relæ kredsløbssymbol

Kredsløbssymbolerne for elektromekaniske relæer kan variere noget – ligesom de fleste kredsløbssymboler. Det mest udbredte format viser relæspolen som en kasse, og kontakterne er placeret tæt ved, som vist nedenfor.

Andre kredsløb, især nye, der måske er lidt ældre, kan vise relæspolen som en egentlig spole. Selv om dette ikke er i overensstemmelse med de nyeste standarder for relækredsløbssymboler, kan det alligevel ses i nogle tilfælde, og det beskriver relæets indre godt.

Det er muligt, at der kan være yderligere sæt af elektriske afbryderkontakter. På samme måde som det er muligt at have flere poler på en afbryder, kan man gøre det samme med relæer. Det er muligt at have flere sæt af afbryderkontakter for at skifte mellem flere kredsløb.

Grundlæggende om relæafbrydere

Et relæ er en form for elektrisk afbryder, der betjenes af elektromagnet, som skifter omkobling, når der påføres strøm på spolen.

Disse relæer kan betjenes af afbryderkredsløb, hvor afbryderen ikke kan tåle den høje strøm fra det elektriske relæ, eller de kan betjenes af elektroniske kredsløb osv. Under begge omstændigheder udgør de et meget simpelt og attraktivt forslag til elektrisk kobling.

Relæer har en række grundlæggende dele, der udgør relæet.

• Ramme: En mekanisk ramme er nødvendig for at holde komponenterne på plads. Denne ramme er normalt ret robust, så den kan bære de yderligere elementer i det elektromekaniske relæ solidt uden relative bevægelser.
• Spole: Denne ramme er normalt ret robust, så den kan bære de yderligere elementer i det elektromekaniske relæ solidt uden relative bevægelser.
• Spole: Der er behov for en spole, der er viklet om en jernkerne for at øge den magnetiske tiltrækning. Spolen af tråd bevirker, at der skabes et elektromagnetisk felt, når strømmen tændes, hvilket bevirker, at ankeret tiltrækkes.
• Ankeret: Dette er den bevægelige del af relæet. Dette element af relæet åbner og lukker kontakterne, og det har et ferromagnetisk metal, som tiltrækkes af elektromagneten. Samlingen har en fastgjort fjeder, som bringer ankeret tilbage til sin oprindelige position.
• Kontakter: Kontakterne betjenes ved hjælp af armaturens bevægelse. Nogle af de elektriske koblingskontakter kan lukke kredsløbet, når relæet aktiveres, mens andre kan åbne et kredsløb. Disse er kendt som normalt åbne og normalt lukkede.

Relækonstruktion omfatter en række aspekter. Det er et centralt element i konstruktionen at opnå den nødvendige magnetiske flux til at tiltrække ankeret tilstrækkeligt hurtigt uden at forbruge for meget strøm. Det er også nødvendigt at sikre, at relæet kan åbne hurtigt, når strømmen til aktivering fjernes. Den magnetiske tilbageholdelse i materialerne skal være lav.

Når en strøm løber gennem spolen, etableres der et elektromagnetisk felt. Feltet tiltrækker en jernarmatur, hvis anden ende skubber kontakterne sammen, hvorved kredsløbet lukkes. Når strømmen slukkes, åbnes kontakterne igen, hvorved kredsløbet slukkes.

Ved specifikation af elektromekaniske relæer vil det vise sig, at de elektriske afbryderkontakter findes i forskellige formater. Ligesom almindelige elektriske afbrydere defineres elektromekaniske relæer med hensyn til de pauser, poler og kast, som enheden har.

• Pause: Mens mange af de udtryk, der anvendes for elektromekaniske relæer, også gælder for elektriske afbrydere med lav effekt, gælder dette udtryk mere for afbrydelser med højere effekt. Det er antallet af separate steder eller kontakter, hvor en afbryder bruges til at åbne eller lukke et enkelt elektrisk kredsløb.
  Alle relæer er enten med enkelt afbrydelse eller dobbelt afbrydelse. En single break, SB-kontakt afbryder et elektrisk kredsløb kun ét sted. Så som navnet antyder, bryder en dobbelt afbryder, DB-kontakt, kredsløbet to steder.
  Single break-kontakter anvendes normalt ved kobling af enheder med lavere effekt, eventuelt elektroniske kredsløb eller elektriske koblingsanvendelser med lav effekt. Dobbelte afbryderkontakter anvendes til elektrisk omskiftning af høj-effekt-enheder. Hvis en af kontakterne sidder fast, er det sandsynligt, at den anden kontakt stadig vil skifte og bryde kredsløbet.
• Pol: Det antal poler, som en elektrisk afbryder besidder, er antallet af forskellige sæt af koblingskontakter, som den har. En enkeltpolet afbryder kan kun skifte ét kredsløb, hvorimod en dobbeltpolet afbryder kan skifte to forskellige og isolerede kredsløb på samme tid. En enkeltpolet afbryder betegnes ofte med bogstaverne SP, og en dobbeltpolet afbryder betegnes med DP. Relæer kan have en, to eller flere poler.
• Kast: Antallet af udslag på en elektrisk afbryder er det antal positioner, der er tilgængelige. For et elektromekanisk relæ er der normalt kun en eller to udslag. Et relæ med et enkelt kast vil oprette og afbryde et kredsløb, mens et relæ med to kast vil fungere som en omskifter, der leder en forbindelse fra et endepunkt til et andet. Enkelt- og dobbeltrelæer betegnes ofte med bogstaverne ST og DT.

For eksempel kan en specifikation for et elektrisk relæ angive et enkeltpolet, enkeltudløst relæ: SPST, eller et kan beskrives som dobbeltpolet, enkeltudløst: DPST osv. Disse betegnelser giver mulighed for at angive antallet af sæt af kontaktsæt, og om de er åbne/lukkede, eller om de giver en skiftefunktion.

Elektromekaniske relækontakter

For at sikre en pålidelig service og maksimere relæets levetid. Der anvendes forskellige materialer på kontakterne for at sikre, at de fungerer godt til den tilsigtede anvendelse.

Et af de problemer, der opstår med kontakterne, er, at der opstår pitting – typisk har materialet en tendens til at samle sig i midten af den ene kontakt, mens der sker et tab af materiale fra den anden, hvor der opstår et “pit”. Dette er en af de vigtigste årsager til kontaktfejl og forekommer især, hvor der opstår gnister.

Der anvendes forskellige typer materiale til kontaktkontakterne i forskellige relæer, afhængigt af anvendelsesformål og den krævede ydeevne. Der er mange færdige, der kan anvendes, nogle af de mere almindeligt anvendte er anført nedenfor med deres egenskaber.

• Sølv: I mange henseender er sølv et af de bedste materialer til generelle formål til relækontakter, der har en høj ledningsevne. Det er imidlertid udsat for en sulfideringsproces, som naturligvis er afhængig af den atmosfære, som relæet arbejder i – den er meget højere i byområder. Denne proces forårsager en tynd film på overfladen med nedsat ledningsevne, selv om en større kontaktpåvirkning ved relækontaktlukningen kan bryde igennem denne film. Filmen kan også give anledning til en grænsefladespænding på nogle få tiendedele af en volt, hvilket kan påvirke ydeevnen for nogle applikationer
• Sølvnikkel: Denne kontakttype blev udviklet for at reducere virkningerne af pitting. Sølvkontakten er legeret med nikkel for at give den en fin kornstruktur, og som følge heraf sker materialeoverførslen mere jævnt over hele kontaktfladen, hvilket giver en længere levetid.
• Sølvkadmiumoxid: Kontakter fremstillet af sølvkadmiumoxid kan ikke måle sig med den meget høje ledningsevne af fine sølvkontakter, men de giver øget modstandsdygtighed over for materialeoverførsel og kontakttab som følge af lysbuer. Dette betyder, at disse kontakter typisk vil holde længere end en sølvkontakt under samme forhold.
• Guld: Den høje ledningsevne og det faktum, at det ikke oxiderer, betyder, at guld er ideelt til mange koblingsanvendelser. Det anvendes kun til koblinger med lav strømstyrke, da det ikke er særlig robust… Typisk anvendes guldblinkning for at reducere omkostningerne, og som følge af den lave sulfidering forbliver kontakterne i god stand over lange perioder. Et problem med relæer er, at hvis de ikke bruges i et stykke tid, kan kontaktmodstanden stige – dette sker ikke med guld.
• Wolfram: Wolfram anvendes i relæer, der er beregnet til højspændingsanvendelser. Med et højt smeltepunkt på over 3380 °C har det en fremragende modstandsdygtighed over for lysbueerosion, hvilket er nødvendigt for denne type af koblinger.
• Kviksølv: Kviksølv anvendes i en særlig type reed-relæ kaldet et kviksølvvædet reed-relæ. Det har en god elektrisk ledningsevne, og da det er en væske, opstår der ingen pitting som følge af overførsel af materiale mellem kontakterne. Når kontakterne er åbnet, vender kviksølvet tilbage til den kviksølvpulje, der er nødvendig for denne type relæ, og nyt kviksølv anvendes til den næste koblingshandling. Denne handling ophæver virkningen af enhver materialeoverførsel under koblingen.

Og selv om der anvendes mange forskellige typer materiale og legeringer, er dette de mest almindeligt anvendte kontaktmaterialer og overfladebehandlinger.

Inrushbegrænsning for at forbedre pålideligheden

Et af de vigtigste problemer, som elektriske koblingssystemer oplever: elektromekaniske relæer såvel som solid state switches, er det med indløbsstrøm.

Der er mange eksempler på, hvor store niveauerne af indløbsstrøm kan være. En simpel elektrisk glødepære til husholdningsbrug illustrerer pointen godt. Når glødetråden er kold, har den en lav modstand, og det er først, når lampen varmes op, at dens modstand mindskes. Typisk kan indstrømningsstrømmen ved tænding være ti til femten gange så stor som strømmen ved konstant tilstand. Selv om der nu normalt anvendes faststoflamper, tjener dette eksempel til at illustrere pointen godt.

Sædvanligvis har induktive belastninger som motorer og transformatorer, der ofte kobles af elektromekaniske relæer, en meget høj indløbsstrøm. Ofte kan indløbsstrømmen let være ti gange så stor som strømmen i stationær tilstand, så kontakterne skal være normeret i overensstemmelse hermed.

På mange områder er der taget højde for indløbsstrømmen. Der anvendes en faktor, hvormed den stationære strøm multipliceres for at give kontaktværdien. En tabel med typiske multiplikationsfaktorer er angivet nedenfor.

Almindelige multiplikatorer, der anvendes til at tage højde for indløbsstrøm på relæer
Belastning, der skal kobles	Multiplikator
Lysstofrør (AC)	10
Glødelamper	6
Motorer	6
Resistive varmeapparater	1
Transformatorer	20

Derfor ved hjælp af nedenstående tabel, hvis der skal tændes lysstofrør, og de normalt bruger 1 A, skal relækontakterne være normeret til 20 A.

Et andet problem opstår, når kredsløbet er afbrudt. Den back EMF, der genereres af den induktive belastning, kan let føre til gnister, som hurtigt kan ødelægge relækontakterne.

Metoder som f.eks. montering af indløbsbegrænsere på belastningen, som ofte er modstande med negativ temperaturkoefficient, kan bidrage til at begrænse indløbsstrømmen, og transientundertrykkere kan bidrage til at begrænse back EMF.

Relæets driftslevetid

Et af de vigtigste spørgsmål i forbindelse med elektromekaniske relæer er kontaktlevetiden. I modsætning til solid state-relæer og elektroniske afbrydere slides de mekaniske kontakter ved kobling og har en begrænset levetid.

Der findes to tal for elektromekaniske relæers levetid:

• Forventet elektrisk levetid: Den forventede elektriske levetid er det antal koblingshandlinger, der foretages, mens koblingen, dvs. kontakterne, giver den nødvendige ledningsevne. Den er meget afhængig af anvendelsen, da der er tale om indløbsstrøm og lysbuer, der opstår som følge af EMF osv. Mange effektrelæer har en forventet elektrisk levetid på måske 100.000 operationer, selv om dette som nævnt er meget afhængigt af den belastning, som relæet kobler.
• Forventet mekanisk levetid: Den forventede mekaniske levetid er afhængig af relæets mekaniske aspekter. Det er det antal mekaniske koblingshandlinger, der kan udføres uanset den elektriske ydeevne. Ofte er den forventede mekaniske levetid for et relæ ca. 10 000 000 operationer eller endog meget mere.

Kontakternes levetid udløber normalt, når kontakterne sidder fast eller svejser, eller når lysbuer osv. har forårsaget kontaktforbrænding og overførsel af materiale, således at der ikke kan opnås tilstrækkelig kontaktmodstand. Betingelserne for dette vil afhænge af relæet og dets anvendelse. De specifikationer vil normalt være defineret i databladet for relæet.

Fordele og ulemper ved relæer

Som med enhver teknologi er der fordele og ulemper ved brugen af elektromekaniske relæer. Når man designer kredsløb, er det nødvendigt at vægte de positive og negative aspekter for at vælge den rigtige teknologi til det givne kredsløb.

Sommetider kan en anden mulighed, der kan overvejes, når der er behov for elektrisk isolation mellem to kredsløb, være en opto-isolator. Disse opto-isolatorer er ofte indbygget i solid state-switche, ofte også kaldet solid state-relæer, hvilket medfører, at der opnås en høj grad af isolation. Brugen af opto-isolatorer i solid state switches / solid state relæer giver fuldstændig isolation mellem indgangs- og udgangskredsløbet.

Elektromekaniske relæer har været i brug i rigtig mange år som elektriske afbrydere, og teknologien er veletableret. Disse elektromekaniske eller elektriske relæer kan tåle et vist misbrug, og de er normalt relativt tolerante over for transiente spændingsstød eller spidser. I denne henseende er de bedre end faststofkontakter/faststofrelæer, og selv om de slides hurtigere, især når de skifter induktive belastninger, skal de kunne tåle overspændingsstigninger i deres belastninger.

Da solid state-relæer og -afbrydere nu er til stede på markedet og tilbyder et højt pålidelighedsniveau, skal mulighederne for elektromekaniske relæer versus solid state-relæer overvejes nøje. I nogle tilfælde erstattes ældre relæer af solid state-relæer, men i andre tilfælde kan elektromekaniske relæer være den bedste løsning.

Mere elektroniske komponenter:
Resistorer Kondensatorer Induktorer Kvartskrystaller Dioder Transistor Fototransistor FET Hukommelsestyper Thyristorer Forbindelser RF-forbindelser Ventiler/rør Batterier Afbrydere Relæer
Vend tilbage til menuen Komponenter . . .