Sähkömekaaninen rele

Reletekniikka sisältää:
Releen perusteet Reed-rele Reed-releen tekniset tiedot Relepiirit Solid State Relay

Sähköinen rele on sähkömagneettisesti toimiva sähköinen kytkin eli sähkömekaaninen kytkin. Suhteellisen pientä virtaa käytetään luomaan magneettikenttä magneettisydämen sisällä olevaan kelaan, ja tätä käytetään käyttämään kytkintä, joka voi ohjata paljon suurempaa virtaa.

Siten sähkömekaaninen rele tai sähköinen rele voi käyttää pientä virtaa paljon suuremman virran kytkemiseen ja mahdollistaa molempien piirien sähköisen eristämisen toisistaan.

Sähköisiä releitä on erikokoisia, ja ne voivat olla erityyppisiä, joissa käytetään hiukan erilaista tekniikkaa, vaikka niissä kaikissa käytetäänkin samaa peruskäsitystä.

Vaikka sähkömekaanisten releiden voidaan joiltakin osin katsoa käyttävän vanhaa tekniikkaa, ja puolijohdereleitä / puolijohdekytkimiä voidaan pitää tehokkaampana keinona kytkeä sähkövirtaa.

Sähkömekaanisilla releillä on kuitenkin joitain ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä ihanteellisia moniin sovelluksiin, joissa muut tyypit eivät ehkä ole yhtä tehokkaita. Tästä huolimatta puolijohdekytkimiä, puolijohdereleitä tai elektronisia kytkimiä käytetään laajalti, ja ne ovat vallanneet paikan monilla aloilla, joilla sähkömekaanisia releitä käytettiin aiemmin sähkökytkiminä.

Releen piirisymboli

Sähkömekaanisten releiden piirisymbolit voivat vaihdella jonkin verran toisistaan – kuten useimmat piirisymbolit. Yleisimmin käytetty muoto esittää releen kelan laatikkona, ja koskettimet on sijoitettu lähelle, kuten alla on esitetty.

Muut piirit, erityisesti uudet, jotka saattavat olla hieman vanhempia, saattavat näyttää releen kelan varsinaisena kelana. Vaikka tämä ei olekaan uusimpien relepiirisymbolien standardien mukainen, sitä voidaan kuitenkin nähdä joissakin tapauksissa, ja se kuvaa hyvin releen sisäpuolta.

Sähkökytkimen koskettimia voi olla muitakin sarjoja. Samalla tavalla kuin kytkimessä voi olla useita napoja, sama voidaan tehdä releiden kanssa. On mahdollista, että kytkinkoskettimia on useita sarjoja, jotta voidaan vaihtaa useita virtapiirejä.

Relekytkimen perusteet

Rele on eräänlainen sähköinen kytkin, joka toimii sähkömagneetilla, joka vaihtaa kytkentää, kun käämiin kytketään virtaa.

Nämä releet voivat toimia kytkinpiireissä, joissa kytkin ei kestä sähköisen releen suurta virtaa, tai ne voivat toimia elektronisissa piireissä jne. Kummassakin tilanteessa ne tarjoavat hyvin yksinkertaisen ja houkuttelevan ehdotuksen sähköiseen kytkentään.

Releissä on useita perusosia, jotka muodostavat releen.

• Runko: Tarvitaan mekaaninen kehys, joka pitää osat paikoillaan. Tämä runko on tavallisesti melko kestävä, jotta se pystyy tukemaan lujasti sähkömekaanisen releen lisäosat ilman suhteellista liikettä.
• Kela: Tarvitaan kela, joka on kiedottu rautasydämen ympärille magneettisen vetovoiman lisäämiseksi. Lankakela aiheuttaa sähkömagneettisen kentän syntymisen, kun virta kytketään päälle, ja aiheuttaa ankkurin vetovoiman.
• Ankkuri: Tämä on releen liikkuva osa. Tämä releen osa avaa ja sulkee koskettimet, ja siinä on ferromagneettinen metalli, jota sähkömagneetti vetää puoleensa. Kokoonpanoon on kiinnitetty jousi, joka palauttaa ankkurin alkuperäiseen asentoonsa.
• Koskettimet: Koskettimet toimivat ankkurin liikkeen vaikutuksesta. Jotkut sähköisistä kytkentäkoskettimista voivat sulkea virtapiirin, kun rele aktivoidaan, kun taas toiset voivat avata virtapiirin. Nämä tunnetaan normaalisti avoimina ja normaalisti suljettuina.

Releen suunnitteluun liittyy useita näkökohtia. Suunnittelussa on keskeistä saada aikaan tarvittava magneettivuo, joka vetää ankkurin puoleensa riittävän nopeasti kuluttamatta liikaa virtaa. Lisäksi on varmistettava, että rele voi avautua nopeasti, kun virransyöttövirta on poistettu. Materiaalien magneettisen pidätyskyvyn on oltava alhainen.

Kun kelan läpi kulkee virta, syntyy sähkömagneettinen kenttä. Kenttä vetää puoleensa rauta-ankkuria, jonka toinen pää työntää koskettimet yhteen, jolloin virtapiiri sulkeutuu. Kun virta katkaistaan, koskettimet avautuvat uudelleen, jolloin virtapiiri katkeaa.

Sähkömekaanisia releitä määriteltäessä huomataan, että sähköisiä kytkentäkoskettimia on monenlaisia. Kuten tavalliset sähkökytkimet, myös sähkömekaaniset releet määritellään katkojen, napojen ja heittojen perusteella, joita laitteessa on.

• Katko: Vaikka monet sähkömekaanisiin releisiin sovellettavista termeistä soveltuvat myös pienitehoisiin sähkökytkimiin, tämä termi soveltuu enemmän suuritehoisiin kytkimiin. Sillä tarkoitetaan niiden erillisten paikkojen tai koskettimien lukumäärää, joissa kytkintä käytetään avaamaan tai sulkemaan yksi sähköpiiri.
  Kaikki releet ovat joko yhden katkaisun tai kahden katkaisun releitä. Single break, SB-kosketin katkaisee sähköpiirin vain yhdessä paikassa. Nimensä mukaisesti kaksoiskatkaisija, DB-kosketin, katkaisee virtapiirin kahdesta kohdasta.
  Single break -koskettimia käytetään yleensä kytkettäessä pienitehoisia laitteita, mahdollisesti elektronisia piirejä tai pienitehoisia sähkökytkentäsovelluksia. Kaksoiskatkokoskettimia käytetään suuritehoisten laitteiden sähköiseen kytkentään. Jos toinen koskettimista juuttuu, toinen todennäköisesti vielä kytkeytyy ja katkaisee piirin.
• Napa: Sähkökytkimen napojen lukumäärä on sen sisältämien erilaisten kytkentäkoskettimien lukumäärä. Yksinapainen kytkin voi kytkeä vain yhden virtapiirin, kun taas kaksinapainen kytkin voi kytkeä kaksi erillistä ja erillistä virtapiiriä samanaikaisesti. Yksinapainen kytkin merkitään usein kirjaimilla SP ja kaksinapainen kytkin kirjaimilla DP. Releissä voi olla yksi, kaksi tai useampi napa.
• Heitto: Sähkökytkimen heittojen lukumäärä on käytettävissä olevien asentojen lukumäärä. Sähkömekaanisessa releessä on yleensä vain yksi tai kaksi heittoa. Yksiheittorele muodostaa ja katkaisee virtapiirin, kun taas kaksiheittorele toimii vaihtoreleenä, joka reitittää yhteyden yhdestä päätepisteestä toiseen. Yksi- ja kaksiheittoreleet merkitään usein kirjaimilla ST ja DT.

Esimerkiksi sähköisen releen spesifikaatiossa voidaan mainita yksinapainen, yksiheittoinen: SPST tai se voidaan kuvata kaksinapaisena, yksivaihteisena: DPST jne. Nämä termit mahdollistavat kytkentäkoskettimien sarjojen lukumäärän ja sen, ovatko ne auki/kiinni vai tarjoavatko ne vaihtotoiminnon.

Sähkömekaaniset relekoskettimet

Luotettavan palvelun tarjoamiseksi ja releen käyttöiän maksimoimiseksi. Koskettimissa käytetään erilaisia materiaaleja sen varmistamiseksi, että ne toimivat hyvin aiotussa käyttötarkoituksessa.

Yksi koskettimissa esiintyvistä ongelmista on se, että niihin syntyy kuoppia – tyypillisesti materiaalilla on taipumus kerääntyä toisen koskettimen keskelle, kun taas toisesta koskettimesta katoaa materiaalia, jolloin syntyy ”kuoppa”. Tämä on yksi tärkeimmistä koskettimien vikaantumisen syistä, ja sitä esiintyy erityisesti silloin, kun syntyy kipinöitä.

Kytkinreleiden koskettimissa käytetään erityyppisiä materiaaleja, jotka riippuvat sovelluksista ja vaaditusta suorituskyvystä. Käytettäviä valmiita materiaaleja on monia, joitakin yleisimmin käytetyistä on lueteltu alla ominaisuuksineen.

• Hopea: Hopea on monessa suhteessa yksi parhaista yleismateriaaleista relekoskettimille, joilla on korkea johtavuus. Se altistuu kuitenkin sulfidoitumisprosessille, joka on luonnollisesti riippuvainen ilmakehästä, jossa rele toimii – se on paljon suurempi kaupunkialueilla. Tämä prosessi aiheuttaa pinnalle ohuen kalvon, jonka johtavuus on heikentynyt, vaikka suurempi kosketusvaikutus releen koskettimen sulkemisessa voi murtaa tämän kalvon. Kalvo voi myös aiheuttaa muutaman voltin kymmenesosan rajapintajännitteen, joka voi vaikuttaa suorituskykyyn joissakin sovelluksissa
• Hopeanikkeli: Tämä kosketintyyppi kehitettiin pistesyöpymisen vaikutusten vähentämiseksi. Hopeakosketin on seostettu nikkelin kanssa, mikä antaa sille hienorakeisen rakenteen, minkä seurauksena materiaalin siirtyminen tapahtuu tasaisemmin koko koskettimen pinnalla, mikä johtaa pidempään käyttöikään.
• Hopea-kadmiumoksidi: Hopeakadmiumoksidista valmistetut koskettimet eivät yllä hienohopeakoskettimien erittäin korkeaan johtavuuteen, mutta ne tarjoavat paremman vastustuskyvyn materiaalin siirtymiselle ja kontaktihäviölle valokaaren seurauksena. Tämä tarkoittaa, että nämä koskettimet kestävät yleensä pidempään kuin hopeakoskettimet samoissa olosuhteissa.
• Kulta: Korkea johtavuus ja se, että se ei hapetu, tarkoittaa, että kulta on ihanteellinen moniin kytkentäsovelluksiin. Sitä käytetään vain heikkovirtakytkennöissä, koska se ei ole erityisen kestävä… Tyypillisesti kullan vilkkumista käytetään kustannusten alentamiseksi, ja alhaisen sulfidoitumisen ansiosta koskettimet pysyvät hyvässä kunnossa pitkiä aikoja. Yksi releiden ongelma on se, että jos niitä ei käytetä jonkin aikaa, kosketusvastus voi kasvaa – näin ei tapahdu kullan kanssa.
• Volframi: Volframia käytetään releissä, jotka on tarkoitettu korkeajännitesovelluksiin. Sen korkea sulamispiste on yli 3380 °C, ja sillä on erinomainen valokaari-eroosionkestävyys, jota tarvitaan tämäntyyppisissä kytkennöissä.
• Elohopea: Elohopeaa käytetään erityisessä reletyypissä, jota kutsutaan elohopealla kostutetuksi releksi. Sen sähkönjohtavuus on hyvä, ja koska se on nestemäistä, se ei aiheuta materiaalin siirtymisestä koskettimien välille aiheutuvaa reikiintymistä. Kun kytkimen koskettimet on avattu, elohopea palaa tämäntyyppisessä releessä tarvittavaan elohopealammikkoon ja uutta elohopeaa käytetään seuraavaan kytkentätoimintoon. Tämä toiminto mitätöi kytkennän aikana tapahtuvan materiaalin siirtymisen vaikutuksen.

Vaikka käytetään monia erilaisia materiaaleja ja metalliseoksia, nämä ovat yleisimmin käytettyjä kosketinmateriaaleja ja -viimeistelyjä.

Inrush-virran rajoittaminen luotettavuuden parantamiseksi

Yksi keskeisistä ongelmista, joita sähköiset kytkentäjärjestelmät: sähkömekaaniset releet sekä puolijohdekytkimet, kohtaavat, on inrush-virta.

On monia esimerkkejä siitä, kuinka suuria inrush-virran tasot voivat olla. Yksinkertainen kotimainen hehkulamppu havainnollistaa asiaa hyvin. Kylmänä hehkulangalla on pieni vastus, ja vasta kun lamppu lämpenee, sen vastus pienenee. Tyypillisesti käynnistysvirta päälle kytkeytyessä voi olla kymmenen-viisitoista kertaa tasaista virtaa suurempi. Vaikka nykyään käytetäänkin yleensä puolijohdelamppuja, tämä esimerkki havainnollistaa asiaa hyvin.

Lisäksi induktiivisilla kuormilla, kuten moottoreilla ja muuntajilla, jotka usein kytketään sähkömekaanisilla releillä, on erittäin suuri käynnistysvirta. Usein sysäysvirta voi helposti olla kymmenkertainen tasaiseen tilaan verrattuna, joten koskettimet on mitoitettava sen mukaisesti.

Monilla aloilla on otettu huomioon sysäysvirta. Käytetään kerrointa, jolla vakiotilavirta kerrotaan koskettimen nimellisarvon saamiseksi. Seuraavassa on taulukko tyypillisistä kertoimista.

Yleiset kertoimet, joita käytetään releiden käynnistysvirran huomioon ottamiseksi
Kytkettävä kuorma	Kerroin
Loisteputkivalot (vaihtovirta)	10
Hehkulamput	6
Moottorit	6
Vastuslämmittimet		1
Muuntajat	20

Siten alla olevan taulukon avulla, jos halutaan kytkeä loisteputkivaloja, jotka normaalisti kuluttavat 1 A, releen koskettimet on mitoitettava 20 A:lle.

Lisäongelma syntyy, kun virtapiiri katkaistaan. Induktiivisen kuorman synnyttämä vastamomenttivoima voi helposti johtaa kipinöintiin, joka voi nopeasti tuhota releen koskettimet.

Menetelmät, kuten kuormaan asennettavat inrush-rajoittimet, jotka ovat usein negatiivisen lämpötilakertoimen omaavia vastuksia, voivat auttaa rajoittamaan inrush-virtaa, ja transienttisuojat voivat auttaa rajoittamaan vastamomenttivoimaa.

Releen käyttöikä

Yksi tärkeimmistä elektromekaanisiin releisiin liittyvistä kysymyksistä on koskettimien käyttöikä. Toisin kuin puolijohdereleissä ja elektronisissa kytkimissä, mekaaniset koskettimet kuluvat kytkennän myötä ja niiden käyttöikä on rajallinen.

Sähkömekaanisten releiden käyttöiälle on saatavilla kaksi lukua:

• Sähköinen käyttöikä: Sähköinen käyttöiän odote on kytkentätoimien määrä, jotka suoritetaan, kun kytkentä, eli koskettimet, tarjoavat vaaditun johtavuuden tason. Se on hyvin riippuvainen sovelluksesta, koska sähkömagneettisen kentän synnyttämät syöksyvirrat ja takaiskukaarit jne. Monien tehoreleiden odotettavissa oleva sähköinen käyttöikä on mahdollisesti 100 000 käyttökertaa, vaikka, kuten mainittiin, tämä on hyvin riippuvainen kytkettävästä kuormasta.
• Mekaaninen käyttöikä: Mekaaninen käyttöiän odote liittyy releen mekaanisiin ominaisuuksiin. Se on mekaanisten kytkentöjen määrä, jotka voidaan suorittaa sähköisestä suorituskyvystä riippumatta. Usein releen mekaaninen käyttöiän odote on noin 10 000 000 kytkentää tai jopa paljon enemmän.

Koskettimien käyttöikä päättyy yleensä silloin, kun koskettimet tarttuvat kiinni tai hitsautuvat tai kun valokaari tms. on aiheuttanut koskettimen palamisen ja materiaalin siirtymisen niin, että riittävää koskettimen vastusta ei voida saavuttaa. Tämän edellytykset riippuvat releestä ja sen käyttökohteesta. Ne määrittelyt on yleensä määritelty releen tietolehdessä.

Releiden edut ja haitat

Kuten kaikessa teknologiassa, myös sähkömekaanisten releiden käytössä on etunsa ja haittansa. Piiriä suunniteltaessa on punnittava positiiviset ja negatiiviset seikat, jotta voidaan valita oikea tekniikka kyseiseen piiriin.

Joskus toinen vaihtoehto, jota voidaan harkita, kun tarvitaan sähköistä eristystä kahden piirin välillä, voi olla optoerotin. Nämä optoerottimet sisällytetään usein puolijohdekytkimiin, joita kutsutaan usein myös puolijohdereleiksi, jolloin saavutetaan korkea eristystaso. Opto-isolaattoreiden käyttö puolijohdekytkimissä / puolijohdereleissä tarjoaa täydellisen eristyksen tulo- ja lähtöpiirin välille.

Sähkömekaanisia releitä on käytetty sähkökytkiminä hyvin monta vuotta, ja tekniikka on vakiintunut. Nämä sähkömekaaniset tai sähköiset releet kestävät jonkin verran väärinkäyttöä, ja ne sietävät yleensä suhteellisen hyvin ohimeneviä jännitepiikkejä tai -piikkejä. Tässä suhteessa ne ovat parempia kuin puolijohdekytkimet / puolijohdereleet, ja vaikka ne kuluvat nopeammin, varsinkin kun ne kytkevät induktiivisia kuormia, niiden on siedettävä kuormien kytkentäpiikkejä.

Koska markkinoilla on nyt kiinteän tilan releitä ja kytkimiä, jotka tarjoavat korkean luotettavuustason, sähkömekaanisten releiden ja kiinteän tilan releiden vaihtoehtoja on harkittava huolellisesti. Joissakin tapauksissa vanhemmat releet korvataan puolijohdereleillä, mutta toisissa tapauksissa sähkömekaaniset releet saattavat tarjota parhaan vaihtoehdon…

Muuta elektronisia komponentteja:
Resistorit Kondensaattorit Induktorit Kvartsikiteet Diodit Transistorit Valotransistorit FET Muistityypit Tyristori Liittimet RF-liittimet Venttiilit / putket Paristot Akut Kytkimet Releet
Palaa Komponentit-valikkoon . . .