Alapfokon a teljesítményrelékről

A relék lényegében kapcsolók, amelyekkel az elektromos áramkörökben lévő más kapcsolók működése vezérelhető. Kis teljesítményű bemeneti jelek segítségével jóval nagyobb teljesítményű áramkörök vezérlésére képesek. A relére kapcsolt gyenge vezérlőáram felmágnesezi a benne lévő elektromágnest, ami kiváltja a relé érintkezőit mozgató armatúra mozgását. Ennek következtében az elektromos érintkezők összezárnak, és az áram a vezérelt áramkörbe folyhat.

Ezen működési elv és konstrukció egyik legfőbb előnye, hogy a kis teljesítményű vezérlőjel galvanikusan le van választva a nagyobb teljesítményű főáramkörről, ami nemcsak a kezelő személyeket védi az áramütésektől, hanem a berendezéseket is megóvja az esetleges károsodástól. Felépítésükből adódóan megkönnyítik az eszközök vagy rendszerek távvezérlését, lehetővé téve a távolról történő működtetést.

Az elektromechanikus relék eredete 1835-re nyúlik vissza, és annak ellenére, hogy az évek során alkatrészeiket és sokféleségüket tekintve jelentős fejlődésen mentek keresztül, az alapvető működési elv nem változott. Alkalmazásuk során az egyik legismertebb típussá a teljesítményrelé vált. Bár felépítésüknél fogva minden elektromos relé teljesítményt vezérel, nem minden relé nevezhető „teljesítményrelének”. Ez a cikk a teljesítményrelékkel, foglalkozik, közelebbről megvizsgálva azok előnyeit, konfigurációit és a legfontosabb kiválasztási kritériumokat.

Alapvető tudnivalók a teljesítményrelékről

A teljesítményrelék specifikusan arról ismertek, hogy a néhány ampertől a lényegesen nagyobb erősségű áramokig terjedő nagy áramerősségek kapcsolására képesek. Robosztus kialakításuknak és nagy méreteiknek köszönhetően a teljesítményrelék érintkezői erősebb áramokat is elviselnek, így ideálisak a jellemzően 10 amper feletti áramot igénylő áramkörökben való alkalmazásra.

Előszeretettel alkalmazzák őket a legkülönbözőbb iparágakban, többek között autóipari rendszerekben, felvonók vezérlésére, szelepek működtetésére és nagy indítóáramú különböző eszközöknél, például motoroknál, szolenoidoknál, tápegységeknél és elektronikus előtéteknél.

Más elektronikai alkatrészekhez hasonlóan a relékre is vonatkoznak bizonyos korlátok, hogy biztonságosan mekkora teljesítmény kapcsolására használhatók. Minden típushoz hozzárendelnek egy maximális névleges áramerősséget, ezzel biztosítva, hogy az a különböző terheléseknek megfelelően legyen kiválasztható, a kis teljesítményű eszközöktől (például villanykörtéktől) kezdve egészen a masszív gépekig, például a nagyméretű motorokig. A megadott névleges áramerősség túllépése esetén azonban a relé maradandóan károsodhat.

Ezenkívül a nem egyvonalban álló érintkezők esetén ívképződésre kerülhet sor, amikor a relé érintkezői nyitva, de egymáshoz közel vannak, és a köztük lévő hézagon keresztül a feszültségkülönbség hatására áramvezetés történik. A szikrák képződésén és a hőtermelésen túlmenően ez a jelenség további negatívumokkal jár, beleértve az érintkező pogácsák leromlását és a közeli berendezéseket potenciálisan károsítható nem kívánt elektromos zajkibocsátást.

1. ábra: Ívképződés az elektromechanikus relék érintkezői között (kép: Same Sky)

Itt jönnek képbe a teljesítményrelék, amelyeket kifejezetten a nagyáramú elektromos terhelések, például fűtőberendezések, motorok, világítási rendszerek és ipari berendezések vezérlésére terveztek. A teljesítményrelék névleges áramerőssége és feszültsége nagyrészt annak köszönhetően lehet nagyobb, mert a mozgó és álló érintkezőket a hagyományos reléknél használt eltérő anyagokból készítik. Azért választják ezeket az anyagokat, mert képesek ellenállni a nagy teljesítményű áramkörök általi igénybevételnek, ezzel biztosítva a megbízható működést és a hosszú élettartamot az igényes ipari környezetekben.

A teljesítményrelék érintkezőinek anyagai

Mivel a relék érintkezői elektromos ellenállással rendelkeznek, a rajtuk keresztül folyó áram erőssége az érintkezők méretétől és anyagi összetételétől függően csökken. Ha az ellenállás nagyobb, az nem csak a relében bekövetkező nagyobb teljesítményveszteséget, hanem többlet hőképződést is jelent. Az összezárt érintkezők közötti átmeneti ellenállást többek között csökkenteni lehet az egymással érintkező anyagok gondos megválasztásával.

A hagyományos relék jellemzően ezüstnikkel érintkezőkkel rendelkeztek, amely szinte mindenütt jelen volt a relék gyártása során. Az ezüstnikkel érintkezők kiválóan alkalmasak ellenállásos terhelések kapcsolására, vagyis amikor az áram és a feszültség fázisban van egymással.

Ezzel szemben a nagyobb terhelésre tervezett reléknél, mint amilyenek a teljesítményrelék, más anyagokból, például ezüst-kadmium-oxidból, ezüst-ón-oxidból vagy aranyötvözetből készült érintkezőket használnak. Ezek az anyagok ideálisak az egymással nem szinkronban lévő áramú és feszültségű induktív terhelések kapcsolására, amelyeknél jelentős áram- vagy feszültségcsúcsok keletkezhetnek. Mind az ezüst-kadmium-oxid, mind az ezüst-ón-oxid érintkezők kisebb átmeneti ellenállást biztosítanak, és csökkentik az érintkezőknek a nagy bemeneti áramok miatti összeolvadásának esélyét. Kiemelendő, hogy az ezüst-ón-oxid alkalmazásával a kadmiumalapú ötvözetekkel kapcsolatos környezetvédelmi aggályok is figyelembe vannak véve, és az ennek megfelelően gyártott alkatrészek megfelelnek az egyes országok által követelt szabályozási előírásoknak.

A teljesítményrelék összehasonlítása a jelzőrelékkel

A teljesítményrelék és a jelzőrelék két gyakran használt típus a relék területén belül. Míg a teljesítményreléket elsősorban a nagyobb feszültségek és áramok kapcsolására használják, ki-be kapcsolási élettartamuk jellemzően kevesebb. Ezzel szemben a jelzőreléket nagyobb kapcsolási élettartamra tervezték, viszont alacsonyabb névleges feszültséggel és minimális erőségű árammal.

A teljesítményrelékben használt érintkezők anyagai, bár nagy teljesítmények esetén igen jó tulajdonságokkal rendelkeznek, mégsem ideálisak kis teljesítmények kapcsolására. Ennek oka az, hogy kisebb feszültségeknél az érintkezők közötti fizikai kapcsolatnak van a legnagyobb jelentősége, amely pedig nem az érintkezők anyagától, hanem más tényezőktől, például az érintkezők egymáshoz való nyomódásának erejétől valamint a kontaktusok tisztaságától függ.

Jelzőreléket használni teljesítményáramkörökben eredendő kockázatokkal jár, mivel a túlfeszültségek vagy túláramok katasztrofális meghibásodásokat okozhatnak. Mégha egy ilyen relé képes is elviselni a nagy energiákat, mivel hiányoznak belőle bizonyos fontos funkciók – mint például az ívképződés elleni védelem és az érintkezők öntisztulása – veszélyeztetné a hosszú távú megbízhatóságot.

Amikor dönteni kell, hogy teljesítmény- vagy jelzőrelét használjunk, kulcsfontosságú betartani egy alapvető irányelvet, mégpedig, hogy az alkalmazott relé névleges teljesítményének mindig meg kell felelnie a kapcsolt teljesítmény szintjének. Ez biztosítja az optimális működést, csökkenti a meghibásodások esélyét, és fenntartja a relé és az azzal vezérelt rendszerek integritását. A jelzőrelékről bővebben a Same Sky másik, a „Jelzőrelék – az alapok megértése” című cikkében olvashat.

A teljesítményrelék típusai

A teljesítményreléknek, a hagyományos relékhez hasonlóan, két fő típusa létezik: az elektromechanikus és a félvezetős (vagy szilárdtest) relék.

Az elektromechanikus teljesítményrelék működése elektromos tekercsek, mágneses mezők, rugók, mozgó fegyverzetek és érintkezők kombinált használatán alapul, amivel az általuk vezérelt eszköz tápellátása kapcsolgatható.

A félvezetős relék ezzel szemben nem rendelkeznek mozgó alkatrészekkel, hanem beépített félvezető eszközöket tartalmaznak, például szilíciumvezérelt egyenirányítókat (SCR), triakokat (trióda váltakozó áramhoz) vagy kapcsoló tranzisztorokat, úgy a váltakozó, mind az egyenáram kapcsolásához. Felépítésüknek köszönhetően a félvezetős relék sajátos előnyöket kínálnak, például gyorsabb kapcsolási sebességet és nagyobb megbízhatóságot az elektromechanikus relékhez képest. A teljesítményigény növekedésével azonban a költséghatékonyságuk csökken, mivel a nagyobb teljesítményű félvezetők és a hűtésükre használt további hőszabályozási komponensek beépítése magasabb költségekkel jár.

2. ábra: Hűtőbordával kombinált félvezetős relé (kép: Same Sky)

Gyakori konfigurációk és névleges értékek

A teljesítményreléket a gyengébb típusú társaikhoz hasonlóan az érintkezők konfigurációja alapján kategorizálják, ami jelzi az egyidejűleg vezérelhető eszközök számát. A gyakori típusok a következők:

• SPST (egypólusú egyáramkörös)
• DPDT (kétpólusú kétáramkörös)
• 3PDT (három pólusú kétáramkörös)
• SP3T (egypólusú három áramkörös)

Érintkezőiket tekintve a relék lehetnek alaphelyzetben nyitott (NO) vagy zárt (NC) típusúak, azok állapotától függően a relére kapcsolt feszültség nélkül.

A relék névleges árama a relével biztonságosan és hatékonyan kapcsolható maximális áramot jelöli. Ezt a névleges értéket jellemzően amperben adják meg, amely mind a váltakozó, mind az egyenáramra vonatkozik. Megfelelő biztonsági tartalékként lényeges, hogy a relé névleges árama nagyobb legyen a kapcsolt eszköz névleges áramánál.

A többi más típusú reléhez hasonlóan a teljesítményrelék főbb jellemzői a „Form” adatokkal is megadhatók. Az „1 Form A” vagy „2 Form C” adatokból egyértelműen kiderül, hogy a kivitelt tekintve milyen relétípusról van szó. A „Form” előtt található szám a relében található érintkezőpárok számát jelzi. A „Form A” alaphelyzetben nyitott érintkezős relét, míg a „Form B” alaphelyzetben zárt érintkezős relét jelöl. A „Form C” és a „Form D” jelölések az egypólusú kétáramkörös (SPDT) relékre vonatkoznak, jelezve, hogy melyik pozíciót tekintik alaphelyzetben zártnak, illetve hogy a relé utánzáró (break-before-make) vagy pedig előbb záró aztán bontó (make-before-break) kapcsolású. Bár számos Form típus létezik, a következő négyet használják a leggyakrabban:

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

További megfontolandó szempontok

Van néhány további szempont, amelyeket figyelembe kell venni az eszköz kiválasztásakor:

• Bemeneti túlfeszültség: Bizonyos berendezések az indításkor jelentős túlfeszültséghullámokat produkálhatnak. Fontos a relé kiválasztása előtt felismerni ezen túlfeszültségek bekövetkezési lehetőségét a berendezés és a relé károsodásának megelőzése érdekében.
• Elektromotoros ellenerő elnyomása: A relék ki-be kapcsolása nagyfeszültségű tranzienseket generálhat. A relé kikapcsolásakor a tekercs által generált elektromotoros ellenerő elnyomásához további alkatrészekkel egészítik ki az áramköröket, hogy védjék a berendezéseket ezektől a tranziensektől. Ez azonban csökkentheti a relé élettartamát. Azt, hogy egy adott áramkörben szükséges-e valamilyen elnyomási stratégiát alkalmazni, minden esetben külön-külön felmérést igényel.
• Öntartás: Az öntartó relék fenntartják az érintkezők utolsó pozícióját még a bekapcsoló áramellátás megszűnése után is. Ez egy olyan funkció, amelyre bizonyos használati esetekben szükség lehet.
• Zaj: A relék elektromágneses (EMI) vagy rádiófrekvenciás zajt (RFI) generálhatnak, ami a nagyáramú eszközöknél még kifejezettebb lehet. Előzetesen meg kell határozni a vezérelt eszköz vagy rendszer ezen zajra való érzékenységét.
• Érintkezők pergése: A relé be-ki kapcsolása során az érintkezők szétválásakor illetve összezáródásakor pergés (prell) jelentkezhet, ami elektromos impulzusokat generáló rövid ideig tartó be-ki kapcsolásokból áll. Az áramkör érzékenységétől függően ez a pergés nemkívánatos hatásokat okozhat, ezért a relé kiválasztása előtt fontos meghatározni, hogy az érintkezők pergése befolyásolni fogja-e a működést.

3. ábra: Az érintkezőknél jelentkező pergés gyors feszültségszint-változásokat okoz (kép: Same Sky)

Összegzés

A relék bevált, hatékony és megbízható eszközök, amelyekkel rendszerek és berendezések vezérelhetők biztonságosan elektromos úton, ugyanakkor biztonságosan elszigetelik a kezelőt az üzemi áramtól. A teljesítményreléket, akár az elektromechanikus vagy a félvezetős típusúakat a beépített fejlett funkcióiknak köszönhetően kifejezetten a nagyobb feszültségek és áramok kapcsolására tervezték.

Míg a tervezőknek kell felmérni az általuk készített termék esetén szükséges teljesítménykapcsolási igényeket, a Same Sky minden igénynek meg tud felelni a teljesítményrelék és jelző relék változatos választékával. Akár gyenge, akár nagy áram kapcsolásáról van szó, a Same Sky megfelelő relétípusokkal rendelkezik, melyekkel a különböző igények hatékonyan és eredményesen kielégíthetők.