En introduktion til relæer

Relæer spiller en afgørende rolle i utallige forbruger-, kommercielle og industrielle applikationer og systemer. De anvendes ofte i hverdagssystemer uden varsel. Relæer bruges f.eks. til at justere en ovn, klikke på en fjernbetjening til et tv eller betjene en elevator. Relæer blev oprindeligt udtænkt i 1835 til etablering af telegrafforbindelser over længere afstande, men blev efterfølgende tilpasset til brug i telefoncentraler og fungerer fortsat pålideligt, diskret og med høj effektivitet.

Fra et pragmatisk perspektiv fungerer relæer som elektriske kontakter. De bruger et signal med lav effekt til at styre et kredsløb med høj effekt, uanset om det er i nærheden eller på afstand. Deres indbyggede design muliggør effektiv isolation mellem laveffektsignalet og højeffektskredsløbet, hvilket ofte kaldes galvanisk isolation. Denne isolering sikrer en sikker og robust drift af elektriske systemer for brugerne. Relæer er alsidige, da de kan bruges til at regulere et enkelt kredsløb eller flere kredsløb, og de kan fungere som forstærkere eller afbrydere.

Muligheden for at fjernstyre enhedens strøm betyder også forbedrede sikkerhedsforanstaltninger, især ved industrielle processer, der kan udgøre fysiske farer for operatørerne. Disse alsidige enheder fås i en bred vifte af pakker, der tilbyder forskellige strømkapaciteter, monteringsmuligheder og fysiske fodaftryk, hvilket gør dem lige så udbredte som en daglig, allestedsnærværende kontakt.

Relæer - hvordan de fungerer

For at få en bedre forståelse af emnet kan relæer kategoriseres i to grundlæggende typer: elektromekaniske (EMR) og solid-state (SSR). Den vigtigste forskel ligger i tilstedeværelsen eller fraværet af bevægelige komponenter.

Den ældste af de to typer er den elektromekaniske, som består af kontakter, et armatur, en fjeder og en elektromagnet. I sin mest basale funktion fastholder en fjeder armaturets position. Når der tilføres strøm, udøver elektromagneten en tiltrækningskraft på armaturet, hvilket får det til at bevæge sig og lukke et sæt kontakter, så der kan flyde strøm gennem kredsløbet.

Figur 1: Den grundlæggende interne struktur i et elektromekanisk relæ. (Billedkilde: Same Sky)

Omvendt tjener solid-state relæer, som kom frem i slutningen af 1950'erne, det samme grundlæggende formål som elektromekaniske relæer, men er helt elektroniske uden bevægelige dele. De omfatter et indgangskredsløb, et kontrolkredsløb og et udgangskredsløb til at regulere strømmen. Når der tilføres en spænding, der overskrider den specificerede pickup-spænding, udløser styrekredsløbet relæet. Når spændingen falder til under udfaldsspændingen, deaktiveres relæet.

Elektromekaniske relæer vs. solid-state relæer fortsat

Som med enhver elektronisk komponentteknologi har elektromekaniske relæer og solid state-relæer hver deres fordele og ulemper, som skal overvejes.

På grund af deres to hundrede år gamle design er elektromekaniske relæer robuste enheder med enkel betjening, der viser pålidelighed i en række applikationer, herunder dem, der involverer høj strøm og farlige miljøer. De giver fuldstændig elektrisk isolation, kan modstå høje strøm- og spændingsstød og er uigennemtrængelige for elektrisk støj, såsom elektromagnetisk interferens og radiofrekvensinterferens (EMI/RFI).

Men fordi elektromekaniske relæer har bevægelige dele, sker der en fysisk nedbrydning over tid, og kontakterne kan forringes på grund af korrosion og oxidering. De kan være modtagelige for kontaktbuer, hvilket resulterer i pitting og kortslutninger. Deres mekaniske natur gør dem sårbare over for kontaktstød fra stød og vibrationer, og de kan generere deres egen EMI/RFI-støj. Derudover kan eksterne magnetfelter påvirke deres funktion.

I modsætning hertil har solid state-relæer en længere levetid og fungerer med betydeligt lavere styreeffekt takket være deres design uden bevægelige dele. De giver hurtigere tænd/sluk-cyklusser, eliminerer lysbuer og kontaktstød og påvirkes ikke af eksterne mekaniske stød, vibrationer eller magnetfelter. Solid state-relæer arbejder inden for et lavere spændingsområde end elektromekaniske relæer, hvilket gør dem velegnede til elektroniske enheder, men mindre velegnede til applikationer med høj effekt.

Men på grund af deres unikke design kan solid-state relæer være følsomme over for spændings- eller strømtransienter og EMI/RFI-støj. De har tendens til at generere mere varme end deres mekaniske modstykker og kan være følsomme over for omgivelsestemperaturer. Det er i sagens natur ikke muligt at opnå fuldstændig elektrisk isolation mellem styresignalet og belastningen med almindelige halvlederkontakter, men det kan gøres ved hjælp af optoelektroniske komponenter i fotokoblede enheder, som isolerer indgangs- og udgangssignalerne.

Figur 2: Det grundlæggende interne skema for solid-state relæer. (Billedkilde: Same Sky)

Almindelige relæ-typer

Der findes et bredt udvalg af relæer, som hver især er skræddersyet til at opfylde specifikke anvendelseskrav. Det er værd at bemærke, at producenterne kan bruge lidt forskellig terminologi for deres produkttilbud, men her er en generel oversigt over de vigtigste relætyper:

• Generelle formål: Disse er almindelige elektromekaniske relæer, der fungerer med veksel- eller jævnstrøm i området 12 til 230 volt og kan styre strømme fra 2 til 30 ampere.
• Signal: Signalrelæer bruges til at styre belastninger med lav effekt, typisk mindre end 2 ampere. For mere information kan du læse Same Sky' artikel "Signal Relays - Understanding the Basics".
• Effekt: Effektrelæer er specielt designet til at håndtere højeffektbelastninger, minimere varmeudvikling og reducere lysbuer. For mere information kan du læse Same Sky' artikel "An Introduction to Power Relays".
• Maskinstyring: Dette er kraftige og robuste relæer, der er beregnet til brug i store industrielle applikationer.
• Låsning: Låserelæer bevarer deres indstillede eller nulstillede tilstand (enten ON eller OFF), indtil de modtager et inverterende spændingssignal.
• Reed: Reed-relæer er kompakte og fungerer hurtigt. De bruger en elektromagnet til at styre en eller flere hermetisk forseglede reed-kontakter, hvilket gør dem immune over for eksterne forureninger eller fugt.
• Nulkobling: Disse relæer aktiverer belastningen, når styrespændingen tilføres, og belastningsspændingen er tæt på nul. De deaktiverer belastningen, når styrespændingen fjernes.

Figur 3: Grundprincip for nulkobling med relæer. (Billedkilde: Same Sky)

• Maksimal kobling: Relæer til maksimal kobling aktiverer belastningen, når der tilføres en kontrolspænding, og belastningsspændingen er på sit højeste. De deaktiverer belastningen, når styrespændingen fjernes, og den aktuelle belastning nærmer sig nul.
• Øjeblikkelig tænding: Øjeblikkelig tændingsrelæer aktiverer straks belastningen, når pickup-spændingen tilføres.
• Tidsforsinkelse: Tidsforsinkelsesrelæer har en indbygget timer til at styre begivenheder baseret på tid.
• Analog omskiftning: Analoge omskiftningsrelæer styrer udgangsspændingen som en funktion af indgangsspændingen, hvilket giver mulighed for uendelige udgangsspændinger inden for relæets nominelle værdi.
• Optisk koblede: Disse er solid-state relæer, der giver isolation mellem kontrol- og strømkredsløb ved at skifte som reaktion på en intern lyskilde.
• Militær/høj pålidelighed: Disse relæer er specielt konstrueret til at fungere i krævende og barske miljøer.

Relæer kan yderligere kategoriseres som normalt åbne (NO), hvor kontakterne er åbne, og kredsløbet ikke er strømførende, eller normalt lukkede (NC), hvor kontakterne er lukkede, når kredsløbet ikke er strømførende. Sammenfattende er relæer typisk specificeret som enten NO eller NC, når der ikke er strøm på.

Klassifikationer og konfigurationer

Relæer er klassificeret ud fra deres evne til sikkert at skifte elektrisk strøm gennem enheden. Disse værdier er kategoriseret som enten AC eller DC og er typisk udtrykt i ampere. Det er afgørende, at relæets styrke er lig med eller større end den enhed, det skal styre.

Relæer har evnen til at styre flere kredsløb samtidigt og betegnes for at indikere deres specifikke egenskaber. Hvis du er bekendt med poler og kontaktpunkter (throws), inkluderer disse betegnelser SPST, DPDT, 3PDT og SP3T.

Ud over antallet af poler og kontaktpunkter kan relæer beskrive vigtige egenskaber ved hjælp af udtrykket "former". Sætninger som "1 form A" eller "2 form C" fremhæver to vigtige type informationer. Formtypen angiver, om kontakten er normalt åben eller normalt lukket, og i tilfælde af SPDT-kontakter, om de er "break-before-make" eller "make-before-break". Tallet (1 eller 2) foran formen angiver, hvor mange kontakter af den pågældende type, der er til rådighed i relæet. Nogle almindelige stilarter omfatter:

• Form A - Normalt åben
• Form B - Normalt lukket
• Form C - SPDT-kontakter til Break-Before-Make
• Form D - SPDT-kontakter til Make-Before-Break

Konklusion

På grund af deres enkle design og pålidelige drift bruges relæer i enheder og systemer på tværs af en lang række industrier og markeder. Relæer, der oprindeligt var grundlæggende komponenter i telegrafsystemer og endda bidrog til den tidlige udvikling af computere, spiller stadig en vigtig rolle i dag, hvor de sikrer en sikker og effektiv styring af elektrisk drevne enheder fra et fjerntliggende sted.

Same Sky tilbyder et omfattende udvalg af strøm- og signalrelæer med en række forskellige nominelle værdier og konfigurationer for at opfylde en ingeniørs krav til strømafbrydelse på lavt eller højt niveau.