Elektromekaniskt relä

Relastteknik omfattar:
Relagets grunder Reedrelä Reedrelä Specifikationer för reedreläer Reläkretsar Solid state relä

Ett elektriskt relä är en elektromagnetiskt manövrerad elektrisk strömbrytare – en elektromekanisk strömbrytare. En relativt liten ström används för att skapa ett magnetfält i en spole i en magnetisk kärna och detta används för att driva en omkopplare som kan styra en mycket större ström.

På detta sätt kan ett elektromekaniskt relä eller elektriskt relä använda en liten ström för att koppla om en mycket större ström och göra det möjligt för de båda kretsarna att vara elektriskt isolerade från varandra.

Elektriska reläer finns i en mängd olika storlekar och de kan vara av en mängd olika typer som använder sig av lite olika tekniker, även om de alla använder sig av samma grundläggande koncept.

Och även om elektromekaniska reläer i vissa avseenden kan anses använda gammal teknik, och solid state reläer / solid state switchar kan anses vara ett effektivare sätt att växla elektrisk ström.

Det är dock så att elektromekaniska reläer har några unika egenskaper som gör dem idealiska för många tillämpningar, där andra typer kanske inte är lika effektiva. Med detta sagt är halvledaromkopplare, halvledarreläer eller elektroniska omkopplare mycket använda och har tagit över på många områden där elektromekaniska reläer tidigare användes som elektriska omkopplare.

Reläkretsymbol

Kretsymbolerna för elektromekaniska reläer kan variera en del – precis som de flesta kretsymboler. Det mest använda formatet visar reläspolen som en ruta, och kontakterna är placerade i närheten som visas nedan.

Andra kretsar, särskilt nya som kan vara lite äldre kan visa reläspolen som en faktisk spole. Även om detta inte överensstämmer med de senaste standarderna för krissymboler för reläer kan det ändå ses i vissa fall och det beskriver insidan av reläet på ett bra sätt.

Det är möjligt att det finns ytterligare uppsättningar av elektriska brytarkontakter. På samma sätt som det är möjligt att ha flera poler på en strömbrytare kan samma sak göras med reläer. Det är möjligt att ha flera uppsättningar switchkontakter för att växla över flera kretsar.

Grundläggande om reläbrytare

Ett relä är en form av elektrisk brytare som drivs av en elektromagnet som ändrar omkopplingen när ström läggs på spolen.

Dessa reläer kan drivas av omkopplingskretsar där omkopplaren inte klarar av den höga strömmen från det elektriska reläet, eller de kan drivas av elektroniska kretsar, etc. I båda fallen utgör de ett mycket enkelt och attraktivt förslag för elektrisk omkoppling.

Reläer har ett antal grundläggande delar som bildar reläet.

• Ram: En mekanisk ram krävs för att hålla komponenterna på plats. Denna ram är normalt sett ganska robust så att den kan hålla fast de ytterligare delarna i det elektromekaniska reläet utan relativ rörelse.
• Spole: Det behövs en spole som är lindad runt en järnkärna för att öka den magnetiska attraktionen. Spolen av tråd orsakar ett elektromagnetiskt fält som skapas när strömmen kopplas på och gör att ankaret dras till sig.
• Ankaret: Detta är den rörliga delen av reläet. Denna del av reläet öppnar och stänger kontakterna och har en ferromagnetisk metall som attraheras av elektromagneten. Enheten har en fäst fjäder som återför ankaret till sitt ursprungliga läge.
• Kontakter: Kontakterna aktiveras av armaturens rörelse. Vissa elektriska kontakter kan stänga kretsen när reläet aktiveras, medan andra kan öppna kretsen. Dessa är kända som normalt öppna och normalt stängda.

Reläkonstruktion omfattar ett antal aspekter. Det är en viktig del av konstruktionen att erhålla det magnetiska flöde som krävs för att attrahera armaturen tillräckligt snabbt, utan att förbruka för mycket ström. Det är också nödvändigt att se till att reläet kan öppnas snabbt när strömmen tas bort. Den magnetiska retentionen i materialen måste vara låg.

När en ström flyter genom spolen skapas ett elektromagnetiskt fält. Fältet drar till sig en järnarmatur, vars andra ände trycker ihop kontakterna och sluter kretsen. När strömmen stängs av öppnas kontakterna igen, vilket stänger av kretsen.

När man specificerar elektromekaniska reläer ser man att de elektriska omkopplingskontakterna finns i en mängd olika format. Liksom vanliga elektriska strömbrytare definieras elektromekaniska reläer i termer av brytningar, poler och kast som enheten har.

• Brytning: Medan många av de termer som används för elektromekaniska reläer även gäller för elektriska strömbrytare med låg effekt, är den här termen mer tillämplig på strömbrytare med högre effekt. Det är antalet separata platser eller kontakter där en brytare används för att öppna eller stänga en enskild elektrisk krets.
  Alla reläer är antingen enkelbrytande eller dubbelbrytande. En enkelbrytande, SB-kontakt bryter en elektrisk krets på endast ett ställe. Sedan som namnet antyder bryter en dubbelbrytande, DB-kontakt kretsen på två ställen.
  Enkla brytningskontakter används normalt vid omkoppling av enheter med lägre effekt, möjligen elektroniska kretsar eller elektriska omkopplingstillämpningar med låg effekt. Dubbla brytkontakter används för elektrisk omkoppling av hög effektutrustning. Om en av kontakterna fastnar är det troligt att den andra kontakten fortfarande växlar och bryter kretsen.
• Pol: Antalet poler som en elektrisk strömbrytare besitter är antalet olika uppsättningar av kopplingskontakter som den har. En enpolig strömbrytare kan endast koppla om en krets, medan en dubbelpolig strömbrytare kan koppla om två olika och isolerade kretsar samtidigt. En enpolig strömbrytare betecknas ofta med bokstäverna SP och en dubbelpolig strömbrytare med DP. Reläer kan ha en, två eller flera poler.
• Slå: Antalet kast på en elektrisk strömbrytare är det antal positioner som är tillgängliga. För ett elektromekaniskt relä finns det normalt bara en eller två kast. Ett relä med enkelriktad kontakt gör och bryter en krets, medan ett relä med dubbelriktad kontakt fungerar som en omkopplare som leder en anslutning från en slutpunkt till en annan. Enkel- och dubbelkastande reläer betecknas ofta med bokstäverna ST och DT.

En elektrisk reläspecifikation kan t.ex. ange en enkelpolig, enkelriktad: SPST, eller så kan det beskrivas som dubbelpoligt, enkelutslag: DPST osv. Dessa termer möjliggör antalet uppsättningar av switchkontakter och om de är öppna/stängda eller om de ger en växlingsfunktion.

Elektromekaniska reläkontakter

För att ge en tillförlitlig tjänst och för att maximera reläets livslängd. Olika material används på kontakterna för att säkerställa att de fungerar bra för sin avsedda användning.

Ett av de problem som uppstår med kontakterna är att det uppstår pitting – typiskt sett tenderar material att ackumuleras i mitten av den ena kontakten, medan det sker en förlust av material från den andra där en ”grop” uppstår. Detta är en av de viktigaste orsakerna till kontaktfel och inträffar särskilt när det uppstår gnistor.

För olika reläer används olika typer av material för kontaktytorna beroende på tillämpningar och den prestanda som krävs. Det finns många färdiga som kan användas, några av de mest använda anges nedan med deras egenskaper.

• Silver: I många avseenden är silver ett av de bästa materialen för allmänna ändamål för reläkontakter som har en hög ledningsförmåga. Det utsätts dock för en sulfideringsprocess som uppenbarligen är beroende av den atmosfär i vilken reläet arbetar – den är mycket högre i stadsområden. Denna process orsakar en tunn film på ytan med minskad ledningsförmåga, även om högre kontaktverkan vid stängningen av reläkontakten kan bryta igenom denna. Filmen kan också ge upphov till en gränssnittsspänning på några tiondels volt som kan påverka prestandan för vissa tillämpningar
• Silvernickel: Denna typ av kontakt utvecklades för att minska effekterna av pitting. Silverkontakten är legerad med nickel för att ge den en finkornig struktur och som ett resultat av detta sker materialöverföringen jämnare över hela kontaktytan, vilket ger längre livslängd.
• Silverkadmiumoxid: Kontakter tillverkade av silverkadmiumoxid kan inte mäta sig med den mycket höga ledningsförmågan hos fina silverkontakter, men de ger ökad motståndskraft mot materialöverföring och kontaktförlust till följd av ljusbågar. Detta innebär att dessa kontakter vanligtvis håller längre än en silverkontakt under samma förhållanden.
• Guld: Den höga ledningsförmågan och det faktum att det inte oxiderar innebär att guld är idealiskt för många kopplingstillämpningar. Det används endast för lågströmsomkopplingar eftersom det inte är särskilt robust… Vanligtvis används guldblinkning för att minska kostnaderna och som ett resultat av de låga sulfideringsnivåerna förblir kontakterna i gott skick under långa perioder. Ett problem med reläer är att om de inte används på ett tag kan kontaktmotståndet öka – detta inträffar inte med guld.
• Volfram: Volfram används i reläer som är avsedda för högspänningstillämpningar. Med en hög smältpunkt på över 3380 °C har den en utmärkt motståndskraft mot bågerosion, vilket krävs för denna typ av kopplingar.
• Kvicksilver: Kvicksilver används i en speciell typ av reedrelä som kallas kvicksilverfuktat reedrelä. Det har god elektrisk ledningsförmåga och eftersom det är en vätska uppstår inga hål som orsakas av överföring av material mellan kontakterna. När kontakterna har öppnats återgår kvicksilvret till den kvicksilverpool som krävs för denna typ av relä och nytt kvicksilver används för nästa omkopplingsåtgärd. Denna åtgärd förnekar effekten av eventuell materialöverföring under omkopplingen.

Och även om många olika typer av material och legeringar används, är detta de flesta av de vanligaste kontaktmaterialen och ytbehandlingarna.

Inrushbegränsning för att förbättra tillförlitligheten

Ett av de viktigaste problemen som elektriska omkopplingssystem upplever: elektromekaniska reläer såväl som halvledaromkopplare, är det med inrushströmmen.

Det finns många exempel på hur stora nivåerna av inrushström kan vara. En enkel glödlampa för hushållsbruk illustrerar saken väl. När glödtråden är kall har den ett lågt motstånd, och det är först när lampan värms upp som dess motstånd minskar. Typiskt sett kan inströmmen vid tändning vara tio till femton gånger större än den stationära strömmen. Även om halvledarlampor nu normalt används tjänar detta exempel till att illustrera poängen väl.

Tillfälligt induktiva belastningar som motorer och transformatorer, som ofta kopplas med elektromekaniska reläer, har en mycket hög inkopplingsström. Ofta kan inrusningsströmmen lätt vara tio gånger större än strömmen i stationärt tillstånd, så kontakterna måste vara dimensionerade i enlighet med detta.

På många områden görs ett tillägg för att ta hänsyn till inrusningsströmmen. Man använder en faktor med vilken den stationära strömmen multipliceras för att ge kontaktvärdet. En tabell med typiska multiplikationsfaktorer ges nedan.

Vanliga multiplikatorer som används för att tillgodose inrusningsströmmen på reläer
Last som ska kopplas om	Multiplikator
Fluorescerande lampor (växelström)	10
. Glödlampor	6
Motorer	6
Resistiva värmare	1
Transformatorer	20

Det är därför lämpligt att använda tabellen nedan, Om lysrörslampor ska kopplas och de normalt förbrukar 1 A, ska reläkontakterna vara dimensionerade för 20 A.

Ett annat problem uppstår när kretsen bryts. Den back EMF som genereras av den induktiva lasten kan lätt leda till gnistor som snabbt kan förstöra reläkontakterna.

Metoder som att montera inrusningsbegränsare på lasten, som ofta är motstånd med negativ temperaturkoefficient, kan bidra till att begränsa inrusningsströmmen och transientundertryckare kan bidra till att begränsa back EMF.

Reläets livslängd

En av de viktigaste frågorna som är förknippade med elektromekaniska reläer är kontaktlivslängden. Till skillnad från halvledarreläer och elektroniska strömbrytare slits de mekaniska kontakterna vid omkoppling och har en begränsad livslängd.

Två siffror finns tillgängliga för elektromekaniska reläers livslängd:

• Förväntad elektrisk livslängd: Den förväntade elektriska livslängden är det antal kopplingsåtgärder som utförs medan kopplingen, dvs. kontakterna, ger den erforderliga ledningsförmågan. Den är mycket beroende av applikationen, eftersom inrusningsströmmar och ljusbågar som skapas av EMF-strömmar osv. Många kraftreläer har en förväntad elektrisk livslängd på kanske 100 000 manövrar, även om detta, som nämnts, är mycket beroende av den belastning som kopplas.
• Mekanisk livslängd: Den förväntade mekaniska livslängden är beroende av reläets mekaniska aspekter. Det är det antal mekaniska kopplingsåtgärder som kan utföras oberoende av den elektriska prestandan. Ofta är den förväntade mekaniska livslängden för ett relä omkring 10 000 000 manövreringar eller till och med mycket mer.

Livslängden för kontakterna inträffar i allmänhet när kontakterna fastnar eller svetsas, eller när ljusbågar etc. har orsakat kontaktförbränning och överföring av material så att ett tillräckligt kontaktmotstånd inte kan uppnås. Villkoren för detta beror på reläet och dess tillämpning. De specifikationer kommer normalt att definieras i databladet för reläet.

Fördelar och nackdelar med reläer

Som med all teknik finns det för- och nackdelar med att använda elektromekaniska reläer. Vid konstruktion av kretsar är det nödvändigt att väga samman de positiva och negativa aspekterna för att välja rätt teknik för den givna kretsen.

Ibland kan ett annat alternativ som kan övervägas när det krävs elektrisk isolering mellan två kretsar vara en opto-isolator. Dessa opto-isolatorer är ofta inbyggda i halvledaromkopplare, ofta även kallade halvledarreläer, vilket gör att en hög grad av isolering uppnås. Användningen av opto-isolatorer i halvledarbrytare / halvledarreläer ger fullständig isolering mellan ingångs- och utgångskretsen.

Elektromekaniska reläer har använts i väldigt många år som elektriska brytare och tekniken är väletablerad. Dessa elektromekaniska eller elektriska reläer kan tåla en del missbruk och de är normalt relativt toleranta mot tillfälliga spänningsöverspänningar eller spikar. I detta avseende är de bättre än halvledaromkopplare/halvledarreläer och även om de slits snabbare, särskilt när de växlar induktiva belastningar, måste de tåla att det uppstår strömstötar i deras belastningar.

Då halvledarreläer och halvledaromkopplare nu finns på marknaden och erbjuder höga tillförlitlighetsnivåer, måste alternativen elektromekaniska reläer kontra halvledarreläer noga övervägas. I vissa fall ersätts äldre reläer med solid state-reläer, men i andra fall kan elektromekaniska reläer erbjuda det bästa alternativet.

Mer elektronikkomponenter:
Resistorer Kondensatorer Induktorer Kvartskristaller Dioder Transistor Fototransistor FET Minnestyper Thyristorer Kontakter RF-kontakter Ventiler/Rör Batterier Strömbrytare Reläer
Tillbaka till menyn Komponenter . . .