Eddig olyan bemeneti eszközöket láttunk, amelyek különböző fizikai változók és jelek észlelésére vagy érzékelésére használhatók, és ezért érzékelőknek nevezik őket. 

De vannak olyan elektromos és elektronikus eszközök is, amelyeket külső fizikai folyamat vezérléséhez vagy működtetéséhez használt kimeneti eszközökként osztályoznak. Ezeket a kimeneti eszközöket általában működtetőknek (aktuátoroknak) hívjuk.

A működtetők egy elektromos jelet átalakítanak egy megfelelő fizikai mennyiségre, például mozgásra, erőre, hangra stb. Az aktuátorokat a távadók osztályába sorolják, mivel egyfajta fizikai mennyiséget változtatnak a másikra, és általában egy kisfeszültségű parancsjel aktiválja, vagy működteti őket. A működtetőket két csoportra oszthatjuk, 2 állapotú (bináris kimenetű vagy kapcsoló) vagy folyamatos működtetésű (analóg kimenetű) annak megfelelően, hogy a kimenete milyen állandósult állapotokat képes felvenni.

Például a relé egy bináris működésű eszköz, mivel két stabil állapota van, vagy feszültség alatt tartva, lekapcsolva vagy kikapcsolt állapotban, míg egy motor analóg kimenetű, mivel teljes 360 °-os mozgáson keresztül forgatható. Az aktuátorok leggyakoribb típusai: relék, lámpák, motorok, hangszórók.

Korábban azt láttuk, hogy az elektromágneseket használhatjuk zárakhoz, ajtónyitásra, szelepeket nyitni vagy zárni, és még sok robotikai és gépészeti alkalmazáshoz. Ha azonban az elektromágnest egy vagy több elektromos érintkezők működtetésére használjuk, akkor ezt a berendezést relének vagy mágneskapcsolónak hívjuk. Nagyjából végtelen számú típusa és még több működtetési módja létezik – ez az oktató anyag ezek egy részének bemutatására szolgál.

Elektromos relének hagyományosan azokat az elektromechanikus reléket hívjuk, amelyek a fent leírt módon működnek és azokra a relékre, ahol a kapcsolást egy félvezető eszköz végzi (tranzisztor, tirisztor, TRIAC), azokat szilárdtest relének (angolul: „Solid State Relay, SSR) hívjuk.

Az elektromechanikus relé

A relé kifejezés általában egy olyan eszközre vonatkozik, amely két vagy több terminál között elektromos kapcsolatot biztosít a vezérlőjel alkalmazásának függvényében. Az elektromos relé leggyakoribb és legelterjedtebb típusa az elektromechanikus relé vagy az EMR.

A relé:)

A legtöbb berendezést legegyszerűbben úgy tudunk vezérelni, hogy a tápfeszültségét kapcsoljuk ki vagy be. Ennek legegyszerűbb módja a kapcsolók használata az áramellátás megszakításához. Noha a kapcsolók vezérelhetők valamilyen módon, hátrányaik vannak. A legnagyobb az, hogy manuálisan (fizikailag) őket ki vagy bekapcsolni, ráadásul viszonylag nagyok, lassúak és csak kisebb áramok kapcsolásához megfelelőek.

Az elektromos relék azonban alapvetően elektromosan működtetett kapcsolók, amelyek sokféle formában, méretben és teljesítmény-besorolásban érhetők el, minden típusú alkalmazáshoz. A relék egy vagy több érintkezőt is tartalmazhatnak egyetlen házon belül, a kivitelétől függően több megnevezés is használatos, általában relének hívjuk, amivel hálózati feszültséget (viszonylag kis teljesítményt, illetve jeleket) kapcsolgatunk illetve mágneskapcsolónak, amit elsődlegesen nagyobb teljesítmények kapcsolására tervezetek.

Ebben a cikkben csak a kis teljesítményű elektromechanikus relék alapvető működési elveivel foglalkozunk, amelyeket a motorvezérlésben vagy robotikában használhatunk. Az ilyen reléket általában vezérlő vagy kapcsoló áramkörökben használják, vagy közvetlenül a nyákra van forrasztva vagy foglalatban és nagyságrendileg 20 ampernél kisebb áramot kapcsolgatnak. A relék használata az elektronikai alkalmazásokban gyakori.

Amint arra a nevük is utal, az elektromechanikus relék olyan elektromágneses készülékek, amelyeknél a tekercsükön átfolyó egyen vagy váltakozó áram hatására keletkező mágneses mezőt átalakítanak egy olyan húzó mechanikus erővé, amely a relén belüli elektromos érintkezőket összezárja . Az elektromechanikus relék legelterjedtebb formájában egy vasmag köré tekercselt "primer áramkör" elnevezésű tekercs hozza létre a mágneses mezőt.

A relében egy alátámasztó részen (csuklópont) keresztül egy nyelvet húz magához a mágneses tér, ez hozza létre az összeköttetést az érintkezők között. A mágneses tér összeomlása után (kikapcsolás), egy vagy több rugó állítja vissza a nyelvet az alaphelyzetébe.

Felépítés

 2.kép

A fenti egyszerű relében két elektromosan vezetőképes kapcsolat van. A relék lehetnek "Alaphelyzetben nyitott" vagy "Alaphelyzetben zárt". Az egyik érintkezőpár alaphelyzetben nyitott (az angol „Normally Open” elnevezés után a jelölésük NO), vagy alaphelyzetben  zárt, (az angol „Normally Closed” elnevezés után a jelölésük NC). Az alaphelyzetben nyitott érintkezők csak akkor záródnak be, ha a relé tekercsére feszültséget kapcsolunk és az elektromágnes átbillenti a relé nyelvét. Az alaphelyzetben zárt érintkezők egészen addig összezárva maradnak, amíg nem kapcsolunk feszültséget az elektromágnesre. Az érintkezőpárok megnevezése (és jelölése) mindig a feszültségmentes állapotban felvett helyzetet mutatja.

Az érintkező elemek lehetnek zárt vagy nyitott kivitelűek. Az alábbiakban egy példát találunk erre az elrendezésre.

elektromos relé érintkező tipusok

A relék érintkezői elektromosan vezető fémek, amelyek érintkezésekor záródik az áramkör, pontosan ugyan úgy, mintha egy kapcsolóról beszélnénk. Az érintkezők nyitott állapotában a közöttük lévő ellenállás nagyon nagy (MOhm nagyságrendű) ami az áramkör szakadását okozza ezáltal nem tud az áram átfolyni a kontaktusok között.

Ha az érintkezők zárva vannak, az érintkezők ellenállásnak nullának kell lennie, rövidzárnak, de ez nem mindig így van. Minden relé érintkezőnek van egy bizonyos "érintkezési ellenállása", amikor zárva vannak, ezt átmeneti ellenállásnak hívjuk.

Egy új relével és érintkezőkkel ez az ellenállás nagyon kicsi lesz, általában kevesebb, mint 0,2 ohm, mert az érintkező felületek újak és tiszták, de idővel ez az érték növekedni fog.

Például, ha az érintkezőkön 10A-os terhelőáram folyik át, akkor az Ohm törvény alapján az érintkezőkön 0,2 x 10 = 2 volt esik, amely ha a tápfeszültség nagysága 12 volt, akkor a kimenő feszültsége csak 10 V (12 - 2). Abban az esetben, ha nem védjük a kontaktusokat megfelelően a túlzottan nagy induktív vagy kapacitív terheléstől, az érintkezők elkezdenek károsodni, mivel abban a pillanatban, amikor az elektromágnes elenged, az áram tovább akar folyni, ami szikrázáshoz vezethet és ez károsítja az érintkezők felületét, ami egészen odáig vezethet, hogy az érintkezők zárt állapotában is akkora az átmeneti ellenállás, hogy nem tud rajtuk áram átfolyni. Ha az érintkező pogácsák károsodása súlyossá válik, akkor előfordul, hogy az érintkezők összeragadnak és a visszahúzó rugó ellenében már nem képesek oldani. Az elhasználódott érintkezők ellenállása ha csak 1 Ohm, akkor az előző példa esetén az érintkezőkön eső feszültség már 10 V nagyságú. Ez elfogadhatatlan a használatot tekintve, ilyenkor a relét cserélni kell.

Azért, hogy az érintkező pogácsák ellenállása hosszútávon is alacsony maradjon, különböző ezüst alapú ötvözeteket használnak a kialakításukhoz, ez megnöveli az élettartamukat. A használat függvényében a következő gyakori típusok fordulhatnak elő:

Az érintkező pogácsák anyaga lehet:

Ag (finom ezüst)

1. Az elektromos és a hővezető képesség a legmagasabb az összes fém közül.
2. Alacsony átmeneti ellenállása van, olcsó és széles körben használatos.

AgCu (ezüst réz)

1. "Kemény ezüst" pogácsaként ismeretesek, jobb kopásállóságuk és kisebb ív- és összeragadási hajlamuk van, de enyhén megnövekedett átmeneti ellenállással rendelkezik.

AgCdO (ezüst kadmium-oxid)

1. Nagyon alacsony ív- és összeragadási hajlam, jó kopásállóság és ívoltó tulajdonságok.

AgW (ezüst volfrám)

1. A keménység és az olvadáspont magas, az ívállóság kiváló.
2. Nem nemesfém.
3. Az ellenállás csökkentése érdekében nagy nyomóerő szükséges.
4. Az érintkezési ellenállás viszonylag magas, és a korrózióállóság gyenge.

AgNi (ezüst-nikkel)

1. Ugyanolyan jó a vezetőképessége, mint az ezüstnek, kiváló az ívállósága.

AgPd (ezüst-palládium)

1. Alacsony kontaktus kopás, nagyobb keménység.
2. Drága.

Platina, arany és ezüst ötvözetek

1. Kiváló korrózióállóság, elsősorban alacsony áramú áramkörök esetén javasolt.

A csillapító áramkör

A relék adatlapjai – egyéb jelölés hiányában - általában az óhmikus egyenáramú terheléshez tartozó maximális áramértéket adják meg, ez nagymértékben csökken a váltóáramú terheléseknél vagy a nagy induktív/kapacitív terheléseknél. Annak érdekében, hogy hosszú élettartamot és nagy megbízhatóságot érjünk el a váltakozó áramok induktív vagy kapacitív terhelésekkel történő átkapcsolásakor, a reléérintkezőkben szükség van valamilyen ívoltásra vagy szűrésre.

A pogácsák élettartamának meghosszabbításához arra van szükség, hogy csökkentsük a kialakuló szikrákat azáltal, hogy az érintkezőkkel párhuzamosan kötünk egy RC tagot (ez egy sorba kapcsolt ellenállás és kondenzátor).Az érintkezők nyitásakor bekövetkező feszültségcsúcsokat az RC hálózat biztonságosan rövidre zárja, ezáltal szünteti meg a kialakuló szikrákat.

rc snubber áramkör 

Érintkező típusok

Az alaphelyzetben nyitott, (NO) és az alaphelyzetben zárt (NC) megnevezés leírja 2 érintkezőpár állapotát, azonban az érintkezőpárokat további csoportokba lehet sorolni, amelyek aa működésről további információkat közölnek. Néhány példa:

SPST - Egypólusú

SPDT - Kétpólusú

DPST – Egypólusú váltó

DPDT – Kétpólusú váltó

Az alábbi árán láthatjuk ezeket:

Az érintkezők tipusai

Ahol:

C a közös terminál

NO az alaphelyzetben nyitott

NC az alaphelyzetben zárt érintkezőpár

Azt az érintkezőpárt, amelyik alaphelyzetben nyitva van más néven záró kontaktusnak szoktuk hívni (angolul: Type A vagy NO). Az alaphelyzetben zárt állapotúra használatos a bontóérintkező kifejezés is (angolul: Type b, vagy NC). A harmadik, szintén elterjedt típus esetén egy közös érintkező elhelyezésével váltókapcsolást tudnak megvalósítani (angolul: Type C, vagy change-over contact)

Még egy megjegyzés a relék használatáról. Egyáltalán nem ajánlatos a relék érintkezőit párhuzamosan csatlakoztatni, ha nagyobb a kapcsolni kívánt áramerősség, mint amennyi a relénk névleges kapcsolási képessége.. Például ne próbáljon 10A terhelést két relé érintkezővel párhuzamosan ellátni, amelyek mindegyike 5A értékkel rendelkezik, mivel a mechanikus működtetésű relé érintkezők sohasem nyílnak és zárnak pontosan ugyanabban az időben. Ennek eredményeképpen az egyik érintkező mindig rövid időre túlterhelt, ami a relé idő előtti meghibásodását eredményezi.

Továbbá, soha ne keverjen különböző nagyságú kapcsolt feszültségeket ugyanazon relé érintkezőin, például nagyfeszültségű AC (240v) és kisfeszültségű DC (12v) rendszert, ilyen esetben mindenképpen használjon különálló reléket a biztonság érdekében.

Az relé következő fontos eleme a tekercs, ami az elektromos áramot mágneses térré alakítja át. A relé tekercsek fő problémája az, hogy erősen induktív terhelésnek számítanak. A tekercs impedanciáját az ohmikus ellenállása (R) és az induktivitása (L) határozza meg.

Amikor a tekercsen áram folyik át, az mágneses teret hoz létre. Az áramkör megszakításakor, a mágneses tér összeomlása az eddigi feszültséggel ellentétes polaritású feszültséget hoz létre (transzformátorelmélet). Ez az indukált fordított feszültség értéke nagyon magas lehet a kapcsolófeszültséghez képest, és károsíthatja a relé tekercs működtetésére használt bármely félvezető eszközt, például tranzisztort, FET-et vagy mikrovezérlőt.

védő dióda a relé tekercsen keresztül 

A tranzisztor vagy bármely kapcsoló félvezető eszköz károsodásának megakadályozásának egyik módja az, hogy a relé tekercsével párhuzamosan a működtető feszültséghez képest fordítottan csatlakoztatott diódát helyezünk el. A tekercs lekapcsolásakor keletkező, fordított irányú feszültség hatására a dióda kinyit és a keletkező energiát eldisszipálja, így óvja meg a kapcsolóáramkörben elhelyezett félvezető elemeket a károsodástól. Ezt a diódát angolul flywheel diódának hívják. Mágnesszelepeknél, motoroknál és általánosságban minden induktív jellegű fogyasztónál az alkalmazása erősen javasolt.

A félvezető komponensek védelme érdekében a dióda helyett használhatunk RC tagot, varisztort vagy Zener diódát is.

Szilárdtest relé

A szilárdtest relé elnevezés helyett manapság az angol rövidítését is gyakran szoktuk használni : SSR (Solid-State-Relay).

szilárdtest relé

Általánosságban a váltakozó feszültségű hálózatokhoz tervezett szilárdtest relék akkor kapcsolnak, amikor a szinuszhullám átmegy a nullán, azaz a feszültségmentes pillanatban. Ez a nagy induktív vagy kapacitív jellegű fogyasztók kapcsolásakor fokozottan előnyös, mert csökkenti  a magas induló áramokat.  

Az elektromechanikus relékhez hasonlóan az SSR kimeneti kapcsain is általában megtalálható egy ellenállás-kondenzátor (RC) tag, amely védi a félvezető kimeneti kapcsolóeszközöket a zaj és a feszültség átmeneti tüskéitől, amikor nagy induktív vagy kapacitív terhelések kapcsolására használják. A legmodernebb SSR-ekben ezt az RC tagot integrálják az SSR házába, így további külső alkatrészek a működéséhez már nem kellenek.

Léteznek olyan szilárdtest relék is, amelyek nem a nullaátmenetnél kapcsolnak (random firing SSR), ezeket fázisvezérelt alkalmazásoknál használják (pl.: lámpák fényerő szabályozása).

Mivel az SSR  kimeneti kapcsolóeszköze félvezető eszköz (tranzisztor a DC kapcsolási alkalmazásokhoz vagy egy TRIAC / tirisztor kombináció az AC kapcsoláshoz), a feszültségcsökkenés egy SSR kimeneti terminálokon keresztül, a bekapcsolt állapotban sokkal magasabb, mint egy elektromechanikus relénél, jellemzően 1,5 - 2,0 volt. Ha nagy áramot kell hosszú időn át kapcsolni, akkor hűtőborda felszerelése szükséges (általában az ilyen SSR-nél magára a hűtőbordára szerelik a félvezetőt).

Bemeneti / kimeneti interfész modulok

A bemeneti / kimeneti interfészmodul (I / O modulok) egy másik típusú szilárdtest relé, amelyet kifejezetten számítógéppel való kapcsolattartásra, mikrovezérlőkhöz terveztek. Négy alap típusú I / O modul áll rendelkezésre, AC vagy DC bemeneti feszültség a TTL vagy CMOS logikai szint kimenetre, valamint TTL vagy CMOS logikai bemenet egy AC vagy DC kimeneti feszültséghez minden modulhoz, amely tartalmazza az összes szükséges áramkört, ami a működéséhez kell. Szilárdtest modulokként vagy 4, 8 vagy 16 csatornás kivitelben is készülnek.

Moduláris bemeneti / kimeneti interfész rendszer.

szilárdtest relés interfész modul

A szilárdtest relék (SSR) legfőbb hátrányai az ugyanakkora kapcsolási teljesítményű elektromechanikus relével összehasonlítva azok magasabb költségei, az a tény, hogy csak egypólusú egyutas (SPST) típusok állnak rendelkezésre, kikapcsolt állapotban szivárgó áramom folyik át a kapcsolt eszközön, valamint a bekapcsolt állapotban jelentkező melegedés, ami további hűtési igényeket eredményez. Továbbá nem tudnak nagyon kis terhelésáramokat vagy nagyfrekvenciás jeleket, például audio- vagy videojeleket váltani, bár speciális szilárdtest-kapcsolók állnak rendelkezésre az ilyen típusú alkalmazásokhoz.

Ez egy fordított tartalom. A forrás: LINK

A fordításban lévő esetleges hibákért felelősséget nem vállalok.