A sokoldalú és megbízható jelkapcsolásra alkalmas elektromechanikus relék kiválasztásának szempontjai

Az olyan készülékek esetében, mint a távközlési és hálózati eszközök, az automatikus tesztberendezések (ATE, automatic test equipment) és a biztonsági eszközök, egyre nagyobb szükség van arra, hogy azok megbízhatóan kapcsolják és irányítsák a kis- és közepes szintű egyenáramú, váltakozó áramú (analóg) és rádiófrekvenciás (RF) jeleket. Az elektromechanikus relék (EMR, electromechanical relay) tökéletesen alkalmasak ennek a feladatnak az ellátására.

Az elektromechanikus relék kiváló be- és kikapcsolási teljesítményt nyújtanak jó be- és kimeneti szigeteléssel, és többpólusú változatban is kaphatóak, hogy rugalmasságot és sokoldalúságot adjanak a tervezők kezébe. Emellett egyetlen relé különböző jeltípusokhoz (váltakozó áram, egyenáram, kis frekvencia, rádiófrekvencia) is használható ugyanabban az eszközben, ami tovább növeli értéküket.

Bár mozgó alkatrészeket és tényleges érintkezőket tartalmaznak, hosszú használati múltjuknak köszönhetően minden tulajdonságuk teljes mértékben ismert. Mint ilyenek, megbízható „problémamegoldók”, amelyek hosszú éveken át szolgálhatnak ugyanolyan színvonalon. Bár az elektromechanikus relék felépítésük révén eleve strapabíró eszközök, a minél hosszabb élettartam elérése érdekében a tervezőknek megfelelő reléket kell választaniuk (mind a tekercs, mind az érintkezők értékeit tekintve), és megfelelően kell azokat használniuk.

Ez a cikk röviden ismerteti a jelzőrelék típusait és felhasználási területeit. Ezután az Omron Electronic Components termékeit példaként használva bemutatja az elektromechanikus relék kiválasztásának és használatának módját.

Reléfajták és megkülönböztetésük

Az elektromechanikus reléknek számos felhasználásfüggő altípusuk van. A teljesítményrelékben például 2 A vagy annál nagyobb névleges áramerősséget is elviselő érintkezők vannak, míg a jelzőreléket ennél kisebb érintkezőáramokra tervezték.

A jelzőrelék két csoportra oszthatóak: rádiófrekvenciás és nem rádiófrekvenciás jeleket továbbító relékre. Míg minden relét alapvető folytonossági paraméterek, valamint áramerősség- és feszültségkezelési maximumok jellemeznek, a rádiófrekvenciás relékre további jellemzők is vonatkoznak. Ilyenek például a következők:

• Leválasztás: a nagyfrekvenciás jelek akkor is szivárognak az érintkezők közötti elkerülhetetlen szórt kapacitáson keresztül, amikor az érintkezők nyitva vannak (nem érintkeznek). A leválasztást decibelben (dB) mérik.
• Beiktatási veszteség: nagyobb frekvenciákon zavarok jelenek meg a jelben az önindukció, az ellenállás és a dielektromos veszteség, valamint az impedanciaillesztési hibák okozta visszaverődések miatt. A beiktatási veszteséget szintén dB-ben mérik.
• Feszültségállóhullám-arány (VSWR): Ez a bemenő és a visszavert jelhullám közötti erősítő/kioltó interferencia miatt van. Ez a mérőszám egy egység nélküli szám, amely a hullámforma legnagyobb és legkisebb értékének arányát jelzi.

Kisebb alkatrészigény

A relék kialakítását az érintkezők vagy pólusok száma (P) és azok normál (azaz működtető feszültség nélküli) helyzete (nyitott vagy zárt) határozza meg (1. ábra). Ez utóbbi alaphelyzetben nyitott (NO, normally open) vagy alaphelyzetben zárt (NC, normally closed) lehet. A leggyakoribb változatok az egypólusú (SP, single pole) és a kétpólusú (DP, double pole) relék, bár ennél több érintkezőjű relék is kaphatóak. A kapcsolt áramkör (T, throw, angolul dobás) a fegyverzet (mozgó érintkező) véghelyzete.

1. ábra: Az ábrán az érintkezők elrendezése és az ágazati szabványok szerinti jelölések láthatók több elektromechanikusrelé-típusnál. A szaggatott vonal a Form 2C (kétpólusú, két áramkörös, DPDT) relénél azt jelzi, hogy a fegyverzet össze van kötve egy nem vezető rúddal, amely mindkét érintkezőt egyszerre mozgatja, amikor a relé tekercse áramot kap (ábra: Sealevel Systems, Inc.)

Az elektromechanikus relék azon képessége, hogy többpólusú és alaphelyzetben nyitott, valamint alaphelyzetben zárt változatban is készülhetnek, rávilágít, hogy hogyan lehet velük egyszerűsíteni az áramköröket, helyet megtakarítani a nyomtatott áramköri lapon, csökkenteni a szükséges alkatrészek számát és a költségeket. Ennek oka az, hogy egyetlen relé több áramkört is képes bekapcsolni, kikapcsolni vagy ezek kombinációját használni, a pólusok számától és a fegyverzet alaphelyzetétől függően. Ugyanaz a relé képes egyen- és váltakozó áramú jeleket is kapcsolni, így több áramkör egyidejű működtetését teszi lehetővé.

Bizonyos esetekben egy plusz póluspárral is ellátják az elektromechanikus reléket. Ezt egy segédáramkör, például egy LED-et vezérlő áramkör árammal való ellátására használják, amely jelzi a felhasználóknak, hogy a relé feszültség alatt van, és létrehozta a kívánt kapcsolási állapotot. Emellett néhány tapasztalt tervező kétpólusú, két áramkörös (DPDT, double pole, double throw) relét használ akkor is, amikor csak egy egypólusú, két áramkörös (SPDT, single pole, double throw) relére van szükség (az SPDT és a DPDT relék sok esetben azonos alapterületűek), így marad egy plusz érintkezőpár olyan esetleges problémák vagy figyelembe nem vett esetek kiküszöbölésére, amelyekre a tervezési ciklus későbbi szakaszában derül fény.

Az Omron G6J-2P-Y DC12 (2. ábra) egy ultravékony kétpólusú, két áramkörös (az amerikai jelölési rendszerben Form 2C, Európában DPDT) relé 977 Ω ellenállású tekerccsel, 12 V feszültségről, 12,3 mA áramerősséggel való működtetésre tervezve. Vegye figyelembe, hogy a termékcsalád más tagjai különböző tekercsfeszültség/áramerősség párokkal működnek 24 V egyenfeszültségig (V_DC), hogy szinte bármilyen meghajtó áramkörrel vagy helyzetben használhatóak legyenek.

2. ábra: A G6J-2P-Y DC12 egy ultravékony kétpólusú, két áramkörös relé 12 V feszültségről, 12,3 mA áramerősséggel működtetett tekerccsel. A relé egy azonos méretű és érintkezőjellemzőjű, de különböző tekercsfeszültség/áramerősség párokkal működő relé termékcsalád tagja (kép: Omron)

Ez az aprócska relé jól használható nagy alkatrész-sűrűségű nyomtatott áramköri lapokon, mivel mindössze 5,7 mm × 10,6 mm × 9 mm méretű. A G6J-2P-Y DC12 furatszerelt kialakítású, de azonos változatok kaphatóak rövid és hosszú felületszerelt érintkezőkialakítású változatban is a minél nagyobb rugalmasság érdekében. Ennek a relének és a termékcsalád összes többi tagjának érintkezője 125 V váltakozó feszültség (V_AC) esetén maximum 0,3 A, 30 V egyenfeszültség esetén pedig maximum 1 A kezelésére alkalmas.

A relék és a rádiófrekvencia

A relék felhasználása nem korlátozódik egyszerű feszültségmentes, azaz terhelés nélküli („száraz”) érintkezők összekapcsolására vagy egyenfeszültségek/egyenáramok és alacsonyabb frekvenciájú váltakozó áramú jelek kezelésére. Egyes típusokat kifejezetten UHF frekvenciás felhasználási területekre, például automatizált ellenőrző berendezésekhez (ATE, automatic test equipment) terveztek.

Az Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 egy miniatűr felületszerelt kétpólusú, két áramkörös relé, amely alkalmas különbségi jelek átvitel céljából történő kapcsolására. A 11,7 mm × 7,9 mm × 7,1 mm méretű relé beiktatási vesztesége 8 GHz-en 3 dB vagy annál kevesebb. Nagyobb frekvenciákon is használható, amint azt a szemábrája mutatja egy 200 mV-os különbségi jel esetében, 25 ps (pikoszekundum) felfutási idővel (3. ábra).

3. ábra: A G6K-2F-RF-V DC miniatűr, felületszerelt kétpólusú, két áramkörös relé különbségi jelek átvitel céljából történő kapcsolására szolgál, és 8 GHz-ig és azon túl is használható, amint azt a 8,1, 10 és 12,5 Gb/s átviteli sebességű jelekkel készült szemábrák mutatják (ábra: Omron)

Ez a GHz-es tartománybeli teljesítmény részben a különbségi jeleket eredendően támogató villamos és mechanikai kialakításnak köszönhető. Ez segít elérni a kívánt teljesítményt, amelyet a (galvanikus leválasztástól független) rádiófrekvenciás leválasztás, a beiktatási veszteség és a feszültségállóhullám-arány (4. ábra) jellemez.

4. ábra: A G6K-2F-RF-V gigahertzes relé eredendően különbségi jeltávitelre lett kifejlesztve, ennélfogva enyhíti az alkatrészeknek a nyomtatott áramköri lapon való fizikai elrendezésével kapcsolatos problémákat, és minimálisra csökkenti az alkatrész-elrendezés rádiófrekvenciás teljesítményre gyakorolt káros hatását (ábra: Omron)

A relé fejlett belső elrendezést használ, amely egyszerűsíti az alkatrészek elrendezését a nyomtatott áramköri lapon, és kiküszöböli azon a rádiófrekvenciás-teljesítményt rontó bonyolult többrétegű jelútvonal-vezetés szükségességét. A fém helyett műgyantából készült tok használatával elkerülhető az a probléma, hogy a relé lábai a szerelés ellenőrzése során rövidre záródjanak a fémtokon keresztül, ami a nyomtatott áramköri lap és az alkatrészek károsodását okozhatná.

A relék és a fogyasztás

A fogyasztás szinte minden áramkör és rendszer kritikus paramétere. Meghatározza a tápegység méretezését, befolyásolja az akkumulátorról működő készülékek üzemidejét, és a működés közben termelődő hő befolyásolja a hűtési teljesítményt. Ez hatással van a hagyományos, nem reteszelődő relékre, ahol a tekercsnek végig feszültség alatt kell maradnia, amíg a relének átkapcsolt helyzetben kell lennie.

Ezt a problémát az alapvető be-ki kapcsoló megoldáshoz képest alternatív (hivatalosan egyik helyzetben stabilnak nevezett) felépítésű relékkel oldják meg. A reteszelődő relék (más néven tartórelék) úgy vannak kialakítva, hogy ha egyszer feszültség alá kerülnek, akkor a tekercs működtető feszültségének megszűnése után is az átkapcsolt helyzetben maradnak.

A reteszelő funkciót többféleképpen lehet megvalósítani. A G6JU-2P-Y DC3 és a termékcsalád többi tagja egytekercses reteszelési technikát használ, amelyben a „kapcsoló” bemeneti impulzus egy szomszédos állandó mágnes segítségével tartja fenn az átkapcsolt helyzetet. A „visszaállító” bemeneti impulzus (a kapcsoló bemeneti impulzushoz képest fordított polaritású bemenőjel) a relét elengedett állapotba állítja vissza.

A relék és a megbízhatóság

A relék mozgó alkatrészeket és tényleges villamos érintkezőket tartalmaznak, ezért normális esetben feltételezhető, hogy egy nem túl nagy számú be- és kikapcsolási ciklus után megbízhatatlanná válnak. Ez azonban nem így van.

Először is, az érintkezők nyitásának és zárásának különböző hatásai a különböző szintű egyen- és váltakozó áram átvitelekor jól ismertek, és a relék adatlapján részletesen fel vannak tüntetve. Az előírt feltételek betartása esetén az érintkezők idő előtti elhasználódása nem jelenthet problémát.

Ugyanilyen fontos, hogy a több évtizedes használat, a számtalan egységgel szerzett gyakorlati tapasztalat, a kohászati kutatások és fejlesztések, a modellezés és elemzés, az ellenőrzött élettartam-tesztek, a gyártástechnológiai és termékfejlesztések és más műszaki tényezők jól ismert, érett és kifinomult folyamatokká alakították a tekercsek és az érintkezők tervezését és gyártását, valamint megbízható alkatrészekké az ezek eredményeként kapott reléket.

A relé tartóssága az érintkező és a tekercs tartósságához kapcsolódik. A tekercsek élettartama 40 000 óra szabványos értékkel kezdődik, mivel a tekercsre folyamatosan ráadott névleges feszültség hatására keletkező hő miatt egy idő után csökkennek a szigetelési jellemzők. Ha a relé szakaszos használatú, a tekercs élettartama sokkal hosszabb.

A tartósságot két, az adatlapokon gyakran feltüntetett tényező alapján is értékelik:

• A mechanikai tartósság az a szám, amennyiszer egy relé képes nyitni és zárni a terhelés nélküli érintkezőket, figyelembe véve a mechanikai meghibásodásokat és jellemzőket.
• A villamos tartósság az a szám, amennyiszer egy relé névleges terhelés (például 125 V váltakozó feszültség, 0,3 A/30 V egyenfeszültség, 1 A) mellett képes nyitni és zárni az érintkezőket.

A reléérintkezők különböző változatokban készülnek, ezek a hosszú távú megbízhatósági szint növekedésének sorrendjében a következők: egyérintkezős, ikerérintkezős és keresztlemezes ikerérintkezős (5. ábra). A keresztlemezes ikerérintkezők kialakítása kivételesen állandó érintkezési ellenállást tesz lehetővé, és minimálisra csökkenti az érintkezési hibákat. A G6J-2P-Y termékcsalád tagjai aranyötvözettel bevont ezüstérintkezőkkel szerelt kétágú keresztlemezzel (ez hasonló a keresztlemezes ikerérintkezőkhöz) vannak ellátva.

5. ábra: A reléérintkezők az egyszerű egyérintkezősből a hosszabb élettartamú, egyenletes teljesítményt és állandó érintkezési ellenállást kínáló keresztlemezes ikerérintkezőkké fejlődtek és javultak (ábra: Omron)

Ezek a relék ismert megbízhatóságuk miatt jó választásnak bizonyulnak minden olyan felhasználási területre, ahol az állásidő vagy a szolgáltatás megszakadása nem elfogadható, vagy ahol a relék teljesítménye kritikus fontosságú szempont.

Összegzés

Az elektromechanikus relék számos mai rendszerben nélkülözhetetlen problémamegoldó alkatrészek, amelyek számos jelútvonal-problémát kezelnek és oldanak meg. Egyedülállóak és pótolhatatlanok a jelkezelési tulajdonságaik, jól meghatározott teljesítményük van, és hosszú távon megbízhatóak. Jelzőrelék kaphatóak egyenáramú, kisfrekvenciás, de akár GHz-es tartományig terjedő rádiófrekvenciás készülékekhez is, ezért nagyon széles körű a felhasználhatóságuk.