Sådan vælger og anvender du elektromekaniske relæer til alsidig og pålidelig signalkobling

Applikationer som telekommunikations- og netværksenheder, automatisk testudstyr (ATE) og sikkerhedsenheder har i stigende grad brug for pålideligt at skifte og dirigere enkelte eller flere DC-, AC- (analoge) og radiofrekvenssignaler (RF) på lavt til moderat niveau. Elektromekaniske relæer (EMR'er) er velegnede til at håndtere denne opgave.

EMR'er har en fremragende on/off-ydelse sammen med input/output-isolering og fås i flere polkonfigurationer for at give designere fleksibilitet og alsidighed. Desuden kan et enkelt relæ understøtte forskellige signaltyper (AC, DC, lavfrekvens, RF) i samme enhed, hvilket øger deres værdi.

Selv om de har bevægelige dele og fysiske kontakter, er de fuldt karakteriserede på grund af deres lange anvendelseshistorie. Som sådan er de pålidelige "problemløsere", der kan yde mange års konstant service. Selvom EMR'er også i sig selv er robuste enheder, skal designere vælge et passende relæ (både spole- og kontaktklassificering) og bruge det korrekt for at sikre maksimal levetid.

Denne artikel fortæller kort om typer af signalrelæer og deres anvendelse. Derefter beskrives det, hvordan man vælger og anvender EMR'er ved hjælp af eksempler fra Omron Electronic Components.

Relætyper og differentiering

EMR refererer til en komponent med mange applikationsspecifikke undertyper. For eksempel har effektrelæer kontakter, der er klassificeret til 2 A eller højere, mens signalrelæer er designet til kontaktstrømme under denne værdi.

Signalrelæer kan inddeles i to grupper: ikke-RF-signaler og RF-signaler. Mens alle relæer er karakteriseret ved grundlæggende kontinuitetsparametre og strøm- og spændingshåndteringsmaksimum, er der yderligere præstationsmålinger for RF-relæer. Disse omfatter:

• Isolering: Højfrekvente signaler lækker gennem den omstrejfende kapacitans på tværs af kontakter, selv om kontakterne er adskilte. Isolation måles i decibel (dB).
• Indsættelsestab: Ved høje frekvenser opstår der signalforstyrrelser på grund af selvinduktion, modstand og dielektrisk tab samt fra refleksioner på grund af impedansmisforhold. Indsættelsestabet måles også i dB.
• Forholdet mellem stående spændingsbølger (VSWR): Dette skyldes konstruktiv/destruktiv interferens mellem en indgangssignalbølge og ethvert reflekteret signal. Denne måling er et enhedsløst tal, der angiver forholdet mellem en maksimal bølgeformværdi og dens minimumsværdi.

Forenkling af materialelisten

Relækonfigurationer defineres ud fra antallet af kontakter eller poler (P) og normale (dvs. strømløse) åbne/lukke-kontaktsituationer (figur 1). De kan være normalt åbne (NO) eller normalt lukkede (NC). Enkeltpolede (SP) og dobbeltpolede (DP) konfigurationer er mest almindelige, selvom enheder med flere kontaktpoler er tilgængelige. Kontaktpunktet (T) er aktuatorens yderste position.

Figur 1: Her ses kontaktarrangementer og industristandardbetegnelser for flere typer EMR'er; de stiplede linjer i Form 2C-relæet viser, at begge armaturer har en ikke-ledende forbindelse, der bevæger begge kontakter samtidigt, når relæspolen modtager strøm. (Billedkilde: Sealevel Systems, Inc.)

EMR'ernes evne til at understøtte flere poler og NO/NC-kontaktpunkter understreger, hvordan de kan forenkle kredsløb, spare plads på printet, reducere materialelisten og sænke omkostningerne. Årsagen er, at et enkelt relæ kan skifte flere kredsløbsstier til all-on, all-off eller en kombination af begge, afhængigt af pol- og konfigurationen af kontaktpunkter. Det samme relæ kan også skifte både AC- og DC-signaler, hvilket giver samtidig drift på tværs af flere kredsløb.

I nogle tilfælde bruges EMR'er med et ekstra polpar til at forsyne et hjælpekredsløb, f.eks. et LED-kredsløb, der viser brugerne, at relæet er blevet aktiveret og har skabt den ønskede kontakttilstand. Desuden bruger nogle erfarne designere et DPDT-relæ (dobbeltpolet, dobbelt kontaktpunkt), når de kun har brug for et SPDT-relæ (enkeltpolet, dobbelt kontaktpunkt) (SPDT- og DPDT-relæer har i mange tilfælde det samme fodaftryk), hvilket giver dem et "just in case"-kontaktpar til at løse et problem eller en forglemmelse, der opdages senere i designcyklussen.

G6J-2P-Y DC12 (figur 2) fra Omron er et ultratyndt DPDT-relæ (form 2C) med en spole på 977 ohm (Ω) og er designet til at blive drevet af 12 V ved 12,3 mA. Bemærk, at andre medlemmer af denne familie tilbyder forskellige spolespændings-/strømkombinationer op til 24 V_DC for kompatibilitet med næsten alle drevkredsløb eller situationer.

Figur 2: G6J-2P-Y DC12 er et ultraslankt DPDT-relæ med en 12 V, 12,3 mA spole; det er en del af en familie af relæer med samme størrelse og kontaktværdier, men forskellige spolespænding-/strøm-kombinationer. (Billedkilde: Omron)

Dette lille relæ er velegnet til printkort med høj densitet, da det kun måler 5,7 × 10,6 × 9 millimeter (mm). G6J-2P-Y DC12 leveres med gennemgående terminaler, men identiske versioner tilbyder korte og lange overflademonterede terminaler for maksimal fleksibilitet. Kontakterne på dette relæ og alle andre i denne familie er klassificeret til at håndtere op til 0,3 A ved 125 V_AC og 1 A ved 30 V_DC.

Relæer og RF

Relæer er ikke begrænset til simple "tørre" kontaktlukninger eller håndtering af jævnspænding/strøm og lavfrekvente vekselstrømssignaler. Nogle modeller er designet specifikt til ultrahøjfrekvente anvendelser, såsom ATE.

Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 er et miniature overflademonteret DPDT-relæ, der understøtter differential-transmissionssignalskift. Indsættelsestabet for dette 11,7 × 7,9 × 7,1 mm relæ er 3 dB eller mindre ved 8 gigahertz (GHz). Det kan også bruges ved højere frekvenser, som øjendiagrammet viser for et 200 mV differentialsignal med en stigningstid på 25 picosekund (ps) (figur 3).

Figur 3: G6K-2F-RF-V DC miniature overflademonteret DPDT-relæ bruger differentiel transmissionssignalskift og er specificeret til 8 GHz og derover, som det ses af disse øjendiagrammer med 8,1, 10 og 12,5 gigabit pr. sekund (Gbit/s) signaler. (Billedkilde: Omron)

Denne ydeevne i GHz-området skyldes til dels et elektrisk og mekanisk design, der i sagens natur understøtter differentielle signaler. Det er med til at sikre den ønskede ydeevne som defineret af RF-isolering (ikke relateret til galvanisk isolering), indsætningstab og VSWR (figur 4).

Figur 4: G6K-2F-RF-V gigahertz-relæet bruger et iboende differentielt design, der letter problemer med fysisk layout på printkortet og minimerer layoutets skadelige indvirkning på RF-ydelsen. (Billedkilde: Omron)

Relæet bruger et avanceret internt layout, der forenkler printkortets layout og eliminerer behovet for kompleks flerlags signalvejs-routing på kortet, hvilket forringer RF-ydelsen. Ved at bruge et resinhylster i stedet for et metalhylster undgår man problemet med probeben, der kortslutter gennem et metalhylster og forårsager skader på printet og delene, når man inspicerer relæets montering.

Relæer og strømforbrug

Strømforbrug er en kritisk parameter i næsten alle kredsløb og systemer. Det definerer forsyningens størrelse, påvirker driftstiden for batteridrevne designs, og den tilhørende varme påvirker den termiske ydeevne. Det har konsekvenser for konventionelle ikke-låsende relæer, hvor spolen skal forblive strømførende i hele den tid, relæet skal være aktiveret.

Alternative arkitekturer til det grundlæggende on/off-design (formelt kaldet ensidigt stabilt) løser dette problem. Låserelæet (også kaldet et hold-relæ) er designet, så når det først er aktiveret, forbliver det i den position, selv efter at spolens strøm er fjernet.

Der er flere måder at implementere låsefunktionen på. G6JU-2P-Y DC3 og andre i denne familie bruger en enkeltviklet låseteknik, hvor "set" -indgangspulsen får driftstilstanden til at blive opretholdt via en tilstødende permanent magnet. "Reset"-indgangspulsen (en indgang med den omvendte polaritet af set-indgangen) sætter relæet i en ulåst tilstand.

Relæer og pålidelighed

Relæer har bevægelige dele og fysiske elektriske kontakter, så det er normalt at antage, at de bliver upålidelige efter et beskedent antal on/off-cyklusser. Men det er ikke tilfældet.

For det første er de forskellige effekter af at åbne og lukke kontakter, når der transporteres AC versus DC på forskellige niveauer, velkendte og beskrives i detaljer på relæets datablad. For tidlig kontaktslitage bør ikke være et problem, hvis de definerede betingelser overholdes.

Lige så vigtigt er det, at årtiers brug, erfaring med utallige enheder i marken, metallurgisk forskning og udvikling, modellering og analyse, kontrollerede levetidstest, produktions- og fremstillingsforbedringer og andre tekniske faktorer har forvandlet spole- og kontaktdesign og -fremstilling til velforståede, modne og sofistikerede processer og deraf følgende komponenter.

Relæets holdbarhed er forbundet med kontaktens og spolens holdbarhed. Spolens holdbarhed starter med en standardværdi på 40.000 timer, da der sker et fald i isoleringsegenskaberne på grund af den varme, der genereres, når spolen konstant udsættes for den nominelle spænding. Hvis relæet bruges med mellemrum, er spolens holdbarhed meget længere.

Holdbarheden vurderes også ud fra to faktorer, som ofte nævnes på databladene:

• Mekanisk holdbarhed er det antal gange, et relæ kan åbne og lukke kontakten uden belastning, idet der tages højde for mekaniske fejl og egenskaber.
• Elektrisk holdbarhed er det antal gange, et relæ kan åbne og lukke kontakten med en nominel belastning (f.eks. 125 V_AC, 0,3 A / 30 V_DC, 1 A).

Relækontakter findes i forskellige konfigurationer med stigende niveauer af langsigtet pålidelighed: enkeltkontakt, dobbeltkontakt og tværgående dobbeltkontakt (figur 5). Designet af den tværgående dobbeltkontakt giver en usædvanlig stabil kontaktmodstand og minimerer kontaktfejl. G6J-2P-Y-familiemedlemmerne har en forgrenet tværstang (svarende til tværstangens dobbeltkontakt) med en sølvkontakt belagt med en guldlegering.

Figur 5: Relækontakterne er blevet forbedret og har udviklet sig fra enkle enkeltkontakter til dobbeltkontakter med længere levetid, som giver en ensartet ydeevne og stabil kontaktmodstand. (Billedkilde: Omron)

Den kendte pålidelighed af disse relæer gør dem til et godt valg til enhver applikation, hvor nedetid eller serviceafbrydelser ikke er acceptable, eller hvor relæets ydeevne er en missionskritisk overvejelse.

Konklusion

EMR'er er kritiske problemløsende komponenter i mange af nutidens systemer, der adresserer og løser mange signalvejsproblemer. De tilbyder unikke og uerstattelige signalhåndteringsegenskaber, veldefineret ydeevne og langsigtet pålidelighed. Signalrelæer fås til DC-, lavfrekvens- og endda RF-applikationer i GHz-området, hvilket udvider deres anvendelsesmuligheder.