DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Pri namenih uporabe, kot so telekomunikacijske in omrežne naprave, oprema za avtomatizirano testiranje (ATE) in varnostne naprave, je vedno večja potreba po zanesljivem preklapljanju ter usmerjanju enega ali več enosmernih (AC), izmeničnih (DC) (analognih) in radiofrekvenčnih (RF) signalov nizke do zmerne ravni.
Za opravljanje te naloge so zelo primerni elektromehanski releji (EMR).
Elektromehanski releji ponujajo izjemno zmogljivost vklapljanja in izklapljanja skupaj z izolacijo vhoda/izhoda ter so na voljo v večpolnih konfiguracijah, s čimer načrtovalcem zagotavljajo prilagodljivost in vsestranskost. Poleg tega lahko en sam rele podpira različne vrste signalov (AC, DC, nizkofrekvenčne in RF) v isti napravi, kar še povečuje vrednost teh relejev.
Čeprav imajo gibljive dele in fizične kontakte, so zaradi svoje dolge zgodovine uporabe zelo učinkoviti. Kot taki zanesljivo odpravljajo težave in lahko zagotovijo veliko let zanesljivega delovanja. Čeprav so elektromehanski releji sami po sebi robustne naprave, morajo načrtovalci izbrati ustrezen rele (tako tuljavo kot kontaktne vrednosti) in ga pravilno uporabiti, da zagotovijo kar najdaljšo življenjsko dobo.
V tem članku so na kratko obravnavane različne vrste in nameni uporabe signalnih relejev. Nato pa je opisano, kako izbrati in uporabiti elektromehanske releje, in sicer na podlagi primerov podjetja Omron Electronic Components.
Vrste relejev in razlike med njimi
EMR se nanaša na komponento s številnimi podvrstami, namenjenimi za različne namene uporabe. Primer: močnostni releji imajo kontakte z nazivnim tokom dveh amperov (A) ali večjim, medtem ko so signalni releji zasnovani za tokove, ki tečejo preko kontaktov, pod to vrednostjo.
Signalne releje lahko razdelimo v dve skupini: na take, ki niso primerni za RF-signale, in take, ki so primerni za RF-signale. Medtem ko so za vse releje značilni osnovni parametri kontinuitete ter maksimalni tokovi in napetosti, za RF-releje veljajo dodatna merila učinkovitosti. Mednje sodijo:
Izolacija: visokofrekvenčni signali uhajajo prek parazitivne kapacitivnosti prek kontaktov, tudi če so kontakti ločeni. Izolacija se meri v decibelih (dB).
Prenosno slabljenje: Pri visokih frekvencah nastanejo motnje signala zaradi samoindukcije, upora in dielektričnih izgub, pa tudi zaradi odbojev zaradi neusklajenosti impedance. Prenosno slabljenje se prav tako meri v dB.
Razmerje napetostnega stojnega vala (VSWR – voltage standing wave ratio): To je posledica konstruktivne/destruktivne interference med napredujočim valom in odbitimvalom nekega signala. Ta meritev je številka brez enote, ki označuje razmerje med najvišjo in najnižjo vrednostjo vala.
Poenostavitev kosovnice
Konfiguracije relejev so opredeljene s številom kontaktov ali polov (P) in običajnimi (kar pomeni brez napajanja) situacijami odprtih/zaprtih kontaktov (slika 1). Lahko so normalno odprti (NO – normally open) ali normalno zaprti (NC – normally closed). Najpogostejše so enopolne (SP – single pole) in dvopolne (DP – double pole) konfiguracije, na voljo pa so tudi enote z več kontaktnimi poli. Izhodni terminal (T – throw) je skrajni položaj aktuatorja.
Ker imajo elektromehanski releji zmožnost, da podpirajo več polov in izhodne priključke NO/NC, lahko poenostavijo vezje, prihranijo prostor na plošči, skrajšajo kosovnico (BOM) in znižajo stroške. Razlog je v tem, da lahko en sam rele preklaplja več poti vezja tako, da so vse vklopljene, vse izklopljene ali pa da velja kombinacija obojega, odvisno od konfiguracije polov in izhodnih priključkov. Ta isti rele lahko preklaplja tudi AC in DC signale, kar zagotavlja hkratno delovanje na več poteh vezja.
V nekaterih primerih se elektromehanski releji z dodatnim parom polov uporabljajo za napajanje pomožnega vezja, kot je LED vezje, ki uporabnikom nakazuje, da je rele pod napetostjo in je vzpostavil želeno stanje kontaktov. Poleg tega nekateri izkušeni načrtovalci uporabijo dvopolni rele z dvema izhodnima priključkoma (DPDT – double pole, double throw), ko je potreben le enopolni rele z dvema izhodnima priključkoma (SPDT – single pole, double throw) (releji SPDT in DPDT imajo v številnih primerih enak odtis), kar jim daje kontaktni par »za vsak primer«, ki omogoča odpravo ali spregled težave, ki se jo odkrije pozneje v ciklu načrtovanja.
Rele G6J-2P-Y DC12 (slika 2) proizvajalca Omron je izjemno tanek rele DPDT (oblike 2C) s tuljavo, ki ima upornost 977 Ohmov (Ω), in je zasnovan tako, da ga poganja 12 voltov pri 12,3 miliamperih (mA). Upoštevajte, da drugi člani te družine ponujajo različne pare napetosti/toka tuljave do 24 voltov DC (VDC), kar omogoča združljivost s skoraj vsakim pogonskim vezjem ali situacijo.
Ta izjemno majhen rele je primeren za plošče tiskanega vezja (pc) z visoko gostoto, saj meri samo 5,7 × 10,6 × 9 milimetrov (mm). Rele G6J-2P-Y DC12 ima priključke, ki se vstavijo v odprtine, identične različice pa za kar največjo prilagodljivost ponujajo tudi kratke in dolge priključke za površinsko montažo. Kontakti tega releja in vseh drugih relejev v tej družini imajo nazivno moč do 0,3 A pri 125 voltih AC (VAC) in 1 A pri 30 VDC.
Releji in RF
Uporaba relejev ni omejena na zagotavljanje preprostega »suhega« zapiranja kontaktov ali upravljanje enosmernih (DC) napetosti/tokov in nizkofrekvenčnih AC-signalov. Nekateri modeli so zasnovani izrecno za uporabo z ultra-visoko frekvenco, kot je ATE.
Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 je miniaturni rele DPDT za površinsko montažo, ki podpira preklapljanje signalov diferencialnega prenosa. Izguba pri vstavitvi za ta rele velikosti 11,7 × 7,9 × 7,1 mm znaša 3 dB ali manj pri 8 gigahercih (GHz).
Uporablja se lahko tudi pri višjih frekvencah, saj njegov očesni diagram kaže diferencialni signal 200 milivoltov (mV) s časom vzpona 25 pikosekund (ps) (slika 3).
Ta zmogljivost v GHz območju je delno posledica električne in mehanske zasnove, ki že inherentno podpira diferencialne signale. To pomaga zagotoviti želeno zmogljivost, kot je opredeljena z RF-izolacijo (ki ni povezana z galvansko izolacijo), prenosno slabljenje in VSWR (slika 4).
Rele uporablja napredno notranjo postavitev, ki poenostavlja postavitev na tiskanem vezju in odpravlja potrebo po zapletenem večplastnem usmerjanju signalnih poti na tiskanem vezju, kar poslabšuje RF-zmogljivost. Z uporabo ohišja, izdelanega iz umetne mase namesto kovine, se izogne težavi nastanka kratkega stika priključkov sonde skozi kovinsko ohišje, ki lahko povzroči poškodbe plošče in delov med pregledovanjem namestitve releja.
Releji in poraba energije
Poraba energije je kritičen parameter pri skoraj vseh tokokrogih in sistemih. Določa velikost napajalnika in vpliva na čas delovanja pri modelih, ki delujejo na baterije, povezana toplota pa vpliva na toplotno zmogljivost. To vpliva na običajne bistabilne releje, pri katerih mora tuljava ostati napajana ves čas, ko mora biti rele vklopljen.
To težavo rešujejo arhitekture, ki so alternativa osnovni zasnovi vklopa/izklopa (običajno imenovani »monostabilni«). Monostabilni rele (imenovan tudi zadrževalni rele) je zasnovan tako, da, ko je enkrat vzpostavljena napetost, ostane v tem položaju tudi po prekinitvi napajanja tuljave.
Zadrževalno funkcijo je mogoče izvesti na več načinov. Rele G6JU-2P-Y DC3 in drugi releji iz te družine uporabljajotehniko zadrževanja z enim navitjem, pri kateri »nastavljeni« vhodni impulz povzroči, da se stanje delovanja ohranja prek sosednjega trajnega magneta. Ponovni vhodni impulz (vhod z nasprotno polariteto) nastavi rele v začetno stanje.
Releji in zanesljivost
Releji imajo gibljive dele in fizične električne kontakte, zato je normalno domnevati, da bodo že po majhnem številu ciklov vklopa/izklopa postali nezanesljivi. Vendar temu ni tako.
Najprej navedimo različne učinke odpiranja in zapiranja kontaktov pri prenosu AC v primerjavi z DC na različnih ravneh, ki so dobro razumljeni in so podrobno prikazani na podatkovnem listu releja. Prezgodnja obraba kontaktov ne bi smela biti težava, če so upoštevani opredeljeni pogoji.
Enako pomembno je, da so desetletja uporabe, izkušnje z neštetimi enotami na tem področju, metalurške raziskave in razvoj, modeliranje in analize, nadzorovani preizkusi življenjske dobe, izboljšave proizvodnje ter izdelave in drugi tehnični dejavniki spremenili zasnovo ter izdelavo tuljav in kontaktov v dobro razumljene, zrele ter prefinjene procese in posledične komponente.
Trajnost releja je povezana s trajnostjo kontaktov in tuljav. Trajnost tuljav se začne pri standardni vrednosti 40.000 ur, saj pride do zmanjšanja izolacijskih lastnosti zaradi toplote, ki nastaja, ko se na tuljavo neprekinjeno dovaja nazivna napetost. Če je uporaba releja občasna, je trajnost tuljave precej daljša.
Trajnost se ocenjuje tudi na podlagi dveh dejavnikov, ki sta pogosto navedena na podatkovnih listih:
Mehanska vzdržljivost pove, kolikokrat lahko rele odpre in zapre kontakt brez obremenitve, ob upoštevanju mehanskih okvar in značilnosti.
Električna vzdržljivost pove, kolikokrat lahko rele odpre in zapre kontakt z nazivno obremenitvijo (na primer 125 VAC, 0,3 A/30 VDC, 1 A).
Kontakti relejev so na voljo v različnih konfiguracijah z naraščajočo stopnjo dolgoročne zanesljivosti: enojni kontakt, dvojni kontakt in prečni dvojni kontakt (slika 5). Zasnova prečnega dvojnega kontakta zagotavlja izjemno stabilen kontaktni upor in zmanjšuje možnost okvare kontakta. Člani družine G6J-2P-Y imajo razcepljeno prečko (podobno prečnemu dvojnemu kontaktu) s srebrnim kontaktom, prevlečenim z zlato zlitino.
Zaradi znane zanesljivosti so ti releji dobra izbira za vse namene uporabe, pri katerih izpadi ali prekinitve storitev niso sprejemljivi ali pa kjer je zmogljivost releja ključnega pomena za nalogo.
Zaključek
Elektromehanski releji so ključne komponente za reševanje težav v številnih današnjih sistemih, saj naslavljajo in odpravljajo številne težave s signalno potjo. Ponujajo edinstvene in nenadomestljive lastnosti krmiljenja signalov, natančno definirano zmogljivost in dolgoročno zanesljivost. Signalni releji so na voljo za enosmerno (DC), nizkofrekvenčno in celo radiofrekvenčno (RF) uporabo v GHz-razponu, kar razširja njihova uporabnost.
