Alapvető tudnivalók a relékről

A reléknek kulcsfontosságú szerepe van számtalan fogyasztói, kereskedelmi és ipari áramkörben és rendszerben. Használatuk gyakran fel sem tűnik a mindennapokban. Relék segítségével történik meg, amikor például egy háztartási kályha beállításán módosítunk, valamint ezekkel működnek a TV-k távirányítógombjai vagy a liftek működtetése. Az eredetileg 1835-ben a nagy távolságú távírókapcsolatokhoz tervezett reléket később a telefonközpontokban való használatra alakították át, és ma is megbízhatóan, észrevétlenül és nagy hatékonysággal végzik a dolgukat.

Pragmatikusan nézve, a relékre elektromos kapcsolókként is tekinthetünk. Kis teljesítményű jelek segítségével vezérlik akár a közeli, akár a távoli nagy teljesítményű áramköröket. Sajátos felépítésüknek köszönhetően a kis teljesítményű vezérlőjel áramköre és a nagy teljesítményű áramkör hatékonyan el van különítve egymástól. Ezt nevezik galvanikus leválasztásnak, és ennek köszönhetően biztonságos a felhasználók számára az elektromos rendszerek használata, valamint megbízható működésük is ennek köszönhető. A relék igen sokoldalúak, mivel használhatók csak egy, de akár több áramkör vezérlésére is, valamint betölthetik erősítők vagy megszakítók szerepét.

Az a képesség, hogy egy berendezés áramellátása távolról is vezérelhető egyben nagyobb munkabiztonságot is jelent, különösen az olyan ipari folyamatoknál, amelyek fizikailag veszélyeztethetik a kezelők biztonságát. Ezek a sokoldalú eszközök széleskörű és változatos tokozási típusokban kaphatók, különböző névleges áramerőségekkel, szerelési lehetőségekkel és fizikai helyigényekkel, így ugyanolyan elterjedtek, mint a hétköznapi, mindenütt jelenlévő kapcsolók.

A relék működésének alapja

A téma jobban megérthető, ha a reléket két alapvető típusba soroljuk: ezek az elektromechanikus (EMR) és a félvezetős (SSR) relék. A leglényegesebb, amiben különböznek, hogy rendelkeznek-e mozgó alkatrészekkel vagy sem.

A két típus közül az elektromechanikusak a régebbiek, amelyek érintkezőkből, egy armatúrából, egy rugóból és egy elektromágnesből állnak. A legegyszerűbb kialakítás és működés az, amikor egy rugó tartja az armatúra helyzetét. Az áram bekapcsolásakor az elektromágnes által létrehozott máneses erő elmozdítja az armatúrát, ez összezárja az érintkezőket, lehetővé téve ezzel az áram folyását az áramkörön keresztül.

1. ábra: Az elektromechanikus relék alapvető belső felépítése (kép: Same Sky)

Ezzel szemben az 1950-es évek végén megjelent félvezetős relék ugyanarra az alapvető célra készültek, mint az elektromechanikusak, de teljesen elektronikusak, mozgó alkatrészek nélkül. Rendelkeznek egy bemeneti áramkörrel, egy vezérlőáramkörrel és egy, az áram szabályozására szolgáló kimeneti áramkörrel. Ha a bekapcsolási feszültségüknél nagyobb feszültséget kapcsolnak rájuk, a vezérlőáramkör bekapcsolja a relét. Amint a feszültség a kikapcsolási feszültség alá csökken, a relé kikapcsol.

Elektromechanikus és félvezetős relék - pro és kontra

Mint minden elektronikai alkatrésznél, az elektromechanikus és a félvezetős relék esetében is mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai, melyeket figyelembe kell venni.

Az elektromechanikus relék két évszázados kialakításuknak köszönhetően robosztus, egyszerű működésű eszközök, amelyek számos felhasználási esetben, többek között nagy áramerősségű és veszélyes környezetekben is megbízhatónak bizonyultak. Teljes elektromos szigetelést biztosítanak, ellenállnak a nagy áram- és feszültséglökéseknek, és működésüket az elektromos zajok, például az elektromágneses és rádiófrekvenciás interferencia (EMI/RFI) semmilyen mértékben nem befolyásolja.

Mindazonáltal, mivel az elektromechanikus relék mozgó alkatrészekkel rendelkeznek, idővel fizikailag degradálódnak, valamint érintkezőik a korrózió és oxidáció miatt romolhatnak. Ívképződés jöhet létre az érintkezőik között, ami pontkorrózióhoz és rövidzárlatokhoz vezethet. Mechanikus jellegük miatt az érintkezőiknél az ütések és a rezgések miatt pergés (prell) jelentkezhet, valamint saját elektormágneses illetve rádiófrekvenciás zajt generálhatnak. Ezenkívül külső mágneses mezők is befolyásolhatják a működésüket.

A félvezetős relék ezzel szemben hosszabb élettartamot kínálnak, és mozgó alkatrészek nélküli kialakításuknak köszönhetően működésükhöz lényegesen kisebb vezérlőáram is elegendő. Be- és kikapcsolási ciklusaik gyorsabbak, esetükben ívképződésre és pergésre nem kerülhet sor, valamint a külső mechanikai ütések, rezgések vagy mágneses mezők sem befolyásolják működésüket. A félvezetős relék alacsonyabb feszültségtartományban működnek, mint az elektromechanikusak, így elektronikus eszközökhöz jobban, míg nagy teljesítményű áramkörökhöz kevésbé alkalmasak.

Sajátos kialakításuk miatt azonban a félvezetős relék érzékenyek lehetnek a feszültség- vagy áramtranziensekre és az elektromágneses illetve rádiófrekvenciás zajra. Általában több hőt termelnek, mint mechanikus társaik, és érzékenyek lehetnek a környezeti hőmérsékletre. A vezérlőjel és a terhelés közötti teljes galvanikus leválasztás elérése szabványos félvezető kapcsolókkal nem lehetséges, de megvalósítható az optoelektronikus komponensekkel (optocsatolóval) rendelkező eszközökben, amelyek elszigetelik a bemeneti jelet a kimenetitől.

2. ábra: A félvezetős relék alapvető belső kapcsolási rajza (kép: Same Sky)

Gyakori relétípusok

Széles választék áll rendelkezésre különböző típusú relékből, amelyek mindegyikét az egyedi alkalmazási követelményekhez szabták. Érdemes megjegyezni, hogy a gyártók kissé eltérő terminológiát használhatnak saját termékeik esetén, de lentebb egy általános összefoglaló található a főbb relétípusokról:

• Általános célú (univerzális): Ezek olyan általános elektromechanikus relék, amelyek 12 és 230 volt közötti váltakozó vagy egyenáramú feszültséggel működnek, és 2 és 30 amper közötti áramot képesek kapcsolni.
• Jelző: A jelző reléket kis teljesítményű, jellemzően 2 amper alatti terhelések kapcsolására használják. További információért olvassa el a Same Sky „Jelzőrelék – az alapok megértése” című cikkét.
• Teljesítmény: A teljesítmény reléket kifejezetten a nagy teljesítményű terhelések kapcsolására tervezték, minimalizálva a hőtermelést és csökkentve az ívképződés lehetőségét. További információért olvassa el a Same Sky „Alapfokon a teljesítményrelékről” című cikkét.
• Gépvezérlő: Ezek nagy teherbírású, nagyméretű ipari rendszerekben való használatra szánt masszív relék.
• Öntartó: Az öntartó relék mindaddig fenntartják a beállított (set) vagy visszaállított (reset) állapotukat (BE vagy KI), amíg invertáló feszültségjelet nem kapnak.
• Reed: A reed relék kompaktak és gyors működésűek. Egy elektromágnes segítségével végzik egy vagy több hermetikusan zárt reed-kapcsoló vezérlését. Ez a kialakítás védettséget biztosít a külső szennyeződésekkel vagy nedvességgel szemben.
• Nullátmenetnél kapcsoló: Ezek a relék akkor kapcsolnak be, amikor vezérlő feszültségjelet kapnak, és a terhelés feszültsége nulla körül van. A vezérlőfeszültség megszűnésekor kikapcsolják a terhelés áramellátását.

3. ábra: A nullátmenet-kapcsolás alapelve relékkel (kép: Same Sky)

• Csúcsfeszültségnél kapcsoló: Ezek a relék akkor kapcsolnak be, amikor vezérlő feszültségjelet kapnak, és a terhelés feszültsége csúcsérték körül van. Akkor kapcsolnak ki, amikor a vezérlőfeszültség megszűnik, és a terhelés árama a nullához közelít.
• Azonnal bekapcsoló: Nevükhöz híven, a bekapcsolási feszültség elérésekor ezek a relék azonnal bekapcsolt állapotba kerülnek.
• Időben késleltető: Az időrelék beépített időzítőt tartalmaznak az események időalapú vezérlésére.
• Analóg kapcsoló: Az analóg kapcsoló relék kimeneti feszültsége a rájuk kapcsolt bemeneti feszültségtől függ, így a relé névleges értékein belül végtelen kimeneti feszültség biztosítására képesek.
• Optocsatolt: Ezek olyan félvezetős relék, amelyeknél a vezérlő- és tápáramkörök optocsatolók segítségével el vannak különítve egymástól. Kapcsolásuk egy belső fényforrással történik.
• Katonai/nagy megbízhatóságú: Ezeket a reléket kifejezetten az igényes és zord környezetekben való működésre tervezték.

A relék további kategóriákba sorolhatók: ezek a normál esetben nyitott (záróérintkezős, NO) típusok, melyeknél az érintkezők alaphelyzetben nyitva vannak, és az áramkör nincs feszültség alatt, illetve léteznek a normál esetben zárt (nyitóérintkezős, NC), amikor az érintkezők zárva vannak, és az áramkör feszültség alatt van. Összefoglalva, a reléket jellemzően NO vagy NC típusú kapcsolóként definiálják (rákapcsolt vezérlő feszültség nélküli állapotukra értve).

Névleges értékek és konfigurációk

A relék névleges értéke alatt az a képességük értendő, hogy mekkora erősségű elektromos áramot képesek kapcsolni. Ezek a névleges értékek lehetnek váltakozó- vagy egyenáramra vonatkozóak, és jellemzően amperben adják meg őket. Elengedhetetlen, hogy a relé névleges árama egyenlő vagy nagyobb legyen, mint az általa vezérelt eszközé.

A relék egyszerre több áramkör vezérlésére is képesek, és sajátos jellemzőik általában megállapíthatók a rajtuk lévő jelölésekből. A pólusok és áramkörök nyelvére lefordítva léteznek többek között SPST (egypólusú egyáramkörös), DPDT (kétpólusú kétáramkörös), 3PDT (három pólusú kétáramkörös), SP3T (egypólusú három áramkörös) és más típusok.

A pólusok és az áramkörök száma mellett a relék fontos jellemzője a „Form” adat az adatlapokon. Az „1 Form A” vagy „2 Form C” specifikációk két kulcsfontosságú információt tartalmaznak. A típus (A, B vagy C) azt jelzi, hogy a kapcsoló normál esetben nyitott vagy zárt érintkezős, valamint SPDT kapcsolók esetében, hogy az érintkezők utánzáró (break-before-make) vagy pedig előbb záró aztán bontó (make-before-break) érintkezők. A típus előtt álló szám (1 vagy 2) azt jelzi, hogy a relé hány megadott típusú érintkezőt tartalmaz. Néhány gyakori típus:

• Form A - Normál esetben nyitott
• Form B - Normál esetben zárt
• Form C - utánzáró érintkezős SPDT kapcsolók
• Form D - előbb záró aztán bontó SPDT kapcsolók

Összegzés

Egyszerű kialakításuk és megbízható működésük miatt a reléket széleskörűen használják a különböző iparágakon és piacokon belüli eszközökben és rendszerekben. Feltalálásukkor a relék a távírórendszerek alapvető elemeit képezték, és még a korai számítógépekben is meg voltak találhatók, de napjainkban is nélkülözhetetlen szerepük van, mivel segítségükkel elektromos meghajtású eszközök vezérelhetők biztonságosan és hatékonyan távolról.

A mérnökök számára szükséges alacsony vagy nagy erősségű áramkapcsolási igények kielégítésére a Same Sky teljesítmény- és jelző relék átfogó választékát kínálja különböző áramerősségű és kialakítású változatokkal.