Przekaźnik - Relay
Przekaźnik jest elektrycznie obsługiwany przełącznik . Składa się z zestawu zacisków wejściowych dla jednego lub wielu sygnałów sterujących oraz zestawu zacisków styków roboczych. Przełącznik może mieć dowolną liczbę kontaktów w wielu formach kontaktu , takich jak nawiązywanie kontaktów, zrywanie kontaktów lub ich kombinacje.
Przekaźniki są stosowane tam, gdzie konieczne jest sterowanie obwodem za pomocą niezależnego sygnału małej mocy lub gdy kilka obwodów musi być sterowanych jednym sygnałem. Przekaźniki były po raz pierwszy używane w obwodach telegraficznych dalekiego zasięgu jako wzmacniacze sygnału: odświeżają sygnał przychodzący z jednego obwodu, przesyłając go na inny obwód. Przekaźniki były szeroko stosowane w centralach telefonicznych i wczesnych komputerach do wykonywania operacji logicznych.
Tradycyjna forma przekaźnika wykorzystuje elektromagnes do zamykania lub otwierania styków, ale wynaleziono inne zasady działania, takie jak przekaźniki półprzewodnikowe, które wykorzystują właściwości półprzewodników do sterowania bez polegania na ruchomych częściach . Przekaźniki o skalibrowanej charakterystyce pracy i czasami wielu cewkach roboczych są używane do ochrony obwodów elektrycznych przed przeciążeniem lub błędami; w nowoczesnych systemach elektroenergetycznych funkcje te pełnią przyrządy cyfrowe zwane nadal przekaźnikami ochronnymi .
Przekaźniki zatrzaskowe wymagają tylko jednego impulsu mocy sterującej do trwałej obsługi przełącznika. Kolejny impuls przyłożony do drugiego zestawu zacisków sterujących lub impuls o przeciwnej biegunowości resetuje przełącznik, podczas gdy powtarzane impulsy tego samego rodzaju nie wywołują żadnego efektu. Przekaźniki z zatrzaskiem magnetycznym są przydatne w zastosowaniach, w których przerwa w zasilaniu nie powinna wpływać na obwody, którymi steruje przekaźnik.
Historia
W 1809 Samuel Thomas von Sömmerring zaprojektował przekaźnik elektrolityczny jako część swojego telegrafu elektrochemicznego.
Amerykański naukowiec Joseph Henry często twierdzi, że wynalazł przekaźnik w 1835 roku, aby ulepszyć swoją wersję telegrafu elektrycznego , opracowanego wcześniej w 1831 roku.
Twierdzi się, że angielski wynalazca Edward Davy „z pewnością wynalazł przekaźnik elektryczny” w swoim telegrafie elektrycznym z 1835 roku.
Proste urządzenie, które obecnie nazywa się przekaźnikiem, zostało włączone do oryginalnego patentu telegraficznego Samuela Morse'a z 1840 roku . Opisany mechanizm działał jak wzmacniacz cyfrowy, powtarzając sygnał telegraficzny, a tym samym umożliwiając propagację sygnałów tak daleko, jak jest to pożądane.
Słowo przekaźnik pojawia się w kontekście operacji elektromagnetycznych z 1860 roku.
Podstawowa konstrukcja i działanie
Prosty przekaźnik elektromagnetyczny składa się ze zwoju drutu owiniętego wokół miękkiego żelaznego rdzenia (elektromagnesu), żelaznego jarzma, które zapewnia ścieżkę o niskiej reluktancji dla strumienia magnetycznego, ruchomej żelaznej zwory i jednego lub więcej zestawów styków (są dwa styki w przekaźniku na zdjęciu). Zwora jest przymocowana zawiasowo do jarzma i mechanicznie połączona z jednym lub więcej zestawami ruchomych styków. Zwora jest utrzymywana na miejscu przez sprężynę, dzięki czemu po odłączeniu przekaźnika w obwodzie magnetycznym powstaje szczelina powietrzna. W tym stanie jeden z dwóch kompletów styków w przedstawionym przekaźniku jest zwarty, a drugi otwarty. Inne przekaźniki mogą mieć więcej lub mniej zestawów styków w zależności od ich funkcji. Przekaźnik na zdjęciu ma również przewód łączący zworę z jarzmem. Zapewnia to ciągłość obwodu pomiędzy ruchomymi stykami na zworze a ścieżką obwodu na płytce drukowanej (PCB) poprzez jarzmo , które jest przylutowane do płytki drukowanej.
Kiedy prąd elektryczny przepływa przez cewkę, wytwarza pole magnetyczne, które aktywuje twornik, a w konsekwencji ruch ruchomego styku (styków) tworzy lub przerywa (w zależności od konstrukcji) połączenie ze stałym stykiem. Jeżeli zestaw styków był zamknięty, gdy przekaźnik nie był pod napięciem, to ruch otwiera styki i przerywa połączenie i odwrotnie, jeśli styki były otwarte. Gdy prąd doprowadzany do cewki jest wyłączony, twornik jest cofany siłą, w przybliżeniu o połowę mniejszą niż siła magnetyczna, do swojej pozycji zrelaksowanej. Zwykle siła ta jest dostarczana przez sprężynę, ale grawitacja jest również powszechnie stosowana w przemysłowych rozrusznikach silników. Większość przekaźników jest produkowana tak, aby działały szybko. W zastosowaniach niskonapięciowych zmniejsza to hałas; w zastosowaniach wysokiego napięcia lub prądu zmniejsza wyładowanie łukowe .
Gdy cewka jest zasilana prądem stałym , dioda lub rezystor jest często umieszczana na cewce, aby rozproszyć energię z zapadającego się pola magnetycznego podczas dezaktywacji, co w przeciwnym razie wygenerowałoby skok napięcia niebezpieczny dla elementów obwodu półprzewodnikowego . Takie diody nie były powszechnie stosowane przed zastosowaniem tranzystorów jako sterowników przekaźników, ale wkrótce stały się wszechobecne, ponieważ wczesne tranzystory germanowe zostały łatwo zniszczone przez ten wzrost. Niektóre przekaźniki samochodowe zawierają diodę wewnątrz obudowy przekaźnika. Rezystory, chociaż trwalsze niż diody, są mniej skuteczne w eliminowaniu skoków napięcia generowanych przez przekaźniki i dlatego nie są tak powszechnie stosowane.
Jeśli przekaźnik napędza duże, a zwłaszcza reaktywne obciążenie, może wystąpić podobny problem z prądami udarowymi wokół styków wyjściowych przekaźnika. W takim przypadku obwód tłumiący (kondensator i rezystor połączone szeregowo) na stykach może pochłonąć przepięcie. Kondensatory o odpowiednich parametrach i związany z nimi rezystor są sprzedawane jako pojedynczy, zapakowany element do tego powszechnego użytku.
Jeśli cewka jest zaprojektowana do zasilania prądem przemiennym (AC), stosuje się pewną metodę do podziału strumienia na dwa składniki poza fazą, które sumują się, zwiększając minimalne naciąganie twornika podczas cyklu prądu przemiennego. Zazwyczaj odbywa się to za pomocą małego miedzianego „pierścienia zacieniającego” obciśniętego wokół części rdzenia, która tworzy opóźniony, przesunięty w fazie komponent, który utrzymuje styki podczas przejścia przez zero napięcia sterującego.
Materiały styków do przekaźników różnią się w zależności od zastosowania. Materiały o niskiej rezystancji styku mogą zostać utlenione przez powietrze lub mogą mieć tendencję do „przyklejania się” zamiast czystego rozdzielania się podczas otwierania. Materiał styków może być zoptymalizowany pod kątem niskiej rezystancji elektrycznej, wysokiej wytrzymałości, aby wytrzymać powtarzające się operacje lub wysokiej odporności na ciepło łuku. Tam, gdzie wymagana jest bardzo niska rezystancja lub pożądane są niskie napięcia indukowane termicznie, można zastosować pozłacane styki wraz z palladem i innymi nieutleniającymi metalami półszlachetnymi. Do przełączania sygnałów stosuje się styki srebrne lub posrebrzane. Przekaźniki zwilżane rtęcią tworzą i przerywają obwody za pomocą cienkiej, samoodnawialnej warstwy ciekłej rtęci. W przypadku przekaźników o większej mocy przełączających wiele amperów, takich jak styczniki obwodów silnikowych, styki wykonane są z mieszanki srebra i tlenku kadmu, co zapewnia niską rezystancję styku i wysoką odporność na ciepło łuku. Styki używane w obwodach przenoszących wyniki lub setki amperów mogą zawierać dodatkowe struktury do rozpraszania ciepła i zarządzania łukiem wytwarzanym podczas przerywania obwodu. Niektóre przekaźniki mają styki wymienialne w terenie, takie jak niektóre przekaźniki obrabiarek; można je wymienić po zużyciu lub zmienić ze stanu normalnie otwartego na normalnie zamknięty, aby umożliwić zmiany w kontrolowanym obwodzie.
Terminologia
Ponieważ przekaźniki są przełącznikami , terminologia stosowana do przełączników jest również stosowana do przekaźników; przekaźnik wyłącza jeden lub większą liczbę biegunów , z których każdy, którego styki mogą być wyrzucane przez zasilanie cewki. Styki normalnie otwarte (NO) łączą obwód, gdy przekaźnik jest aktywny; obwód jest odłączony, gdy przekaźnik jest nieaktywny. Styki normalnie zamknięte (NC) rozłączają obwód, gdy przekaźnik jest aktywny; obwód jest podłączony, gdy przekaźnik jest nieaktywny. Wszystkie formularze kontaktowe zawierają kombinacje połączeń NO i NC.
National Association of Relay Manufacturers i jego następca, Relay and Switch Industry Association, definiują 23 różne formy styków elektrycznych, które można znaleźć w przekaźnikach i przełącznikach. Spośród nich powszechnie spotyka się następujące:
- SPST-NO (Single-Pole Single-rzucać, normalnie otwarty) przekaźniki posiadają pojedynczą Form A kontaktowego lub make kontakt. Posiadają dwa zaciski, które można podłączyć lub odłączyć. W tym dwa dla cewki, taki przekaźnik ma w sumie cztery zaciski.
- SPST-NC (Single-Pole Single-rzucać, normalnie zamknięty) przekaźniki posiadają pojedynczą postać B lub przerwania kontaktu. Podobnie jak w przypadku przekaźnika SPST-NO, taki przekaźnik ma łącznie cztery zaciski.
- Przekaźniki SPDT (Single-Pole Double-Throw) mają pojedynczy zestaw Form C , przerywają przed zwarciem lub przeniesieniem styków. Oznacza to, że wspólny terminal łączy się z jednym z dwóch pozostałych, nigdy nie łącząc się z obydwoma jednocześnie. Łącznie z dwoma dla cewki taki przekaźnik ma łącznie pięć zacisków.
- DPST – Dwubiegunowe przekaźniki jednoprzerzutowe są równoważne parze przełączników SPST lub przekaźników uruchamianych przez pojedynczą cewkę. Łącznie z dwoma dla cewki taki przekaźnik ma łącznie sześć zacisków. Bieguny mogą być formą A lub formą B (lub jednym z nich; oznaczenia NO i NC powinny być użyte w celu wyjaśnienia niejednoznaczności).
- DPDT – Dwubiegunowe przekaźniki dwubiegunowe mają dwa zestawy styków Form C. Odpowiadają one dwóm przełącznikom SPDT lub przekaźnikom uruchamianym przez pojedynczą cewkę. Taki przekaźnik ma osiem zacisków, w tym cewkę
- Forma D – zrób przed przerwą
- Forma E – połączenie D i B
Oznacznik S ( pojedynczy ) lub D ( podwójny ) dla zliczania biegunów można zastąpić liczbą, wskazującą wiele styków podłączonych do jednego elementu wykonawczego . Na przykład 4PDT oznacza czterobiegunowy przekaźnik dwukierunkowy, który ma 12 zacisków przełączających.
EN 50005 należą do obowiązujących norm dotyczących numeracji zacisków przekaźników; typowe zaciski przekaźnika SPDT zgodnego z normą EN 50005 będą ponumerowane odpowiednio 11, 12, 14, A1 i A2 dla połączeń C, NC, NO i cewki.
DIN 72552 określa numery styków w przekaźnikach do użytku samochodowego:
- 85 = cewka przekaźnika -
- 86 = cewka przekaźnika +
- 87 = wspólny kontakt
- 87a = styk normalnie zamknięty
- 87b = styk normalnie otwarty
Rodzaje
Przekaźnik koncentryczny
Tam, gdzie nadajniki i odbiorniki radiowe dzielą jedną antenę, często jako przekaźnik TR (nadawczo-odbiorczy) stosuje się przekaźnik koncentryczny, który przełącza antenę z odbiornika na nadajnik. Chroni to odbiornik przed dużą mocą nadajnika. Takie przekaźniki są często używane w nadajnikach-odbiornikach, które łączą nadajnik i odbiornik w jednym urządzeniu. Styki przekaźnika zaprojektowano tak, aby nie odbijały mocy o częstotliwości radiowej z powrotem w kierunku źródła i zapewniały bardzo wysoką izolację między zaciskami odbiornika i nadajnika. Impedancja przekaźnika jest dopasowany do linii transmisyjnej impedancji układu, na przykład 50 omów.
Stycznik
Stycznik jest przekaźnikiem ciężkich z wyższymi aktualnych ocen, używane do przełączania silników elektrycznych i oświetlenia obciążeń. Wartości znamionowe prądu ciągłego dla zwykłych styczników wahają się od 10 amperów do kilkuset amperów. Styki wysokoprądowe wykonane są ze stopów zawierających srebro . Nieuniknione wyładowanie łukowe powoduje utlenianie styków; jednak tlenek srebra jest nadal dobrym przewodnikiem. Do uruchamiania silników często stosuje się styczniki z urządzeniami zabezpieczającymi przed przeciążeniem.
Przekaźnik ze stykami wymuszonymi
Przekaźnik ze stykami wymuszonymi ma styki przekaźnika, które są ze sobą mechanicznie połączone, tak że gdy cewka przekaźnika jest zasilana lub nie jest zasilana, wszystkie połączone styki poruszają się razem. Jeśli jeden zestaw styków w przekaźniku zostanie unieruchomiony, żaden inny styk tego samego przekaźnika nie będzie mógł się poruszać. Funkcją styków wymuszonych jest umożliwienie obwodowi bezpieczeństwa sprawdzenia stanu przekaźnika. Styki z wymuszonym prowadzeniem są również znane jako „styki z wymuszonym prowadzeniem”, „styki uwięzione”, „styki zablokowane”, „styki połączone mechanicznie” lub „przekaźniki bezpieczeństwa”.
Te przekaźniki bezpieczeństwa muszą być zgodne z zasadami projektowania i produkcji, które są zdefiniowane w jednej głównej normie maszynowej EN 50205: Przekaźniki ze stykami z wymuszonym prowadzeniem (połączonymi mechanicznie). Te zasady projektowania bezpieczeństwa są tymi, które są zdefiniowane w normach typu B, takich jak EN 13849-2 jako Podstawowe zasady bezpieczeństwa i Sprawdzone zasady bezpieczeństwa dla maszyn, które mają zastosowanie do wszystkich maszyn.
Same styki sterowane siłą nie gwarantują, że wszystkie styki będą w tym samym stanie, jednak gwarantują, z zastrzeżeniem braku poważnych uszkodzeń mechanicznych, że żadne styki nie będą w przeciwnych stanach. W przeciwnym razie przekaźnik z kilkoma stykami normalnie otwartymi (NO) może utknąć pod napięciem, z niektórymi stykami zamkniętymi, a innymi lekko otwartymi, ze względu na tolerancje mechaniczne. Podobnie przekaźnik z kilkoma stykami normalnie zamkniętymi (NC) może utkwić w pozycji bez zasilania, tak że po podaniu napięcia obwód przez jeden zestaw styków zostaje przerwany z marginalną przerwą, podczas gdy drugi pozostaje zamknięty. Wprowadzając zarówno styki NO i NC, lub częściej styki przełączne, na tym samym przekaźniku, staje się możliwe zagwarantowanie, że jeśli jakikolwiek styk NC jest zamknięty, wszystkie styki NO są otwarte i odwrotnie, jeśli jakikolwiek styk NO jest zamknięty, wszystkie styki NC są otwarte. Nie jest możliwe niezawodne zapewnienie, że jakikolwiek konkretny styk jest zamknięty, z wyjątkiem potencjalnie inwazyjnego i pogarszającego bezpieczeństwo wykrywania warunków jego obwodu, jednak w systemach bezpieczeństwa zwykle najważniejszy jest stan NO i jak wyjaśniono powyżej, jest to wiarygodnie weryfikowalne przez wykrywanie zamknięcia styku przeciwnego sensu.
Przekaźniki ze stykami wymuszonymi są wykonane z różnymi zestawami styków głównych, albo NO, NC lub przełącznymi, oraz jednym lub większą liczbą zestawów styków pomocniczych, często o zmniejszonym prądzie lub napięciu, używanych w systemie monitorowania. Styki mogą być wszystkie NO, wszystkie NC, przełączne lub ich kombinacją dla styków monitorujących, tak aby projektant systemu bezpieczeństwa mógł wybrać prawidłową konfigurację dla konkretnego zastosowania. Przekaźniki bezpieczeństwa są używane jako część inżynieryjnego systemu bezpieczeństwa.
Przekaźnik zatrzaskowy
Zatrzaskowy przekaźnik, zwany także impuls , bistabilny , keep , lub pobyt przekaźnik, lub po prostu zatrzask utrzymuje pozycję kontaktów albo na czas nieokreślony bez zasilania przyłożone do cewki. Zaletą jest to, że jedna cewka pobiera energię tylko przez chwilę, gdy przekaźnik jest przełączany, a styki przekaźnika zachowują to ustawienie podczas przerwy w zasilaniu. Przekaźnik zatrzaskowy umożliwia zdalne sterowanie oświetleniem budynku bez przydźwięku, który może być wytwarzany przez cewkę zasilaną prądem stałym (AC).
W jednym mechanizmie dwie przeciwstawne cewki ze sprężyną pośrodku lub magnesem trwałym utrzymują styki w pozycji po odłączeniu cewki. Impuls do jednej cewki włącza przekaźnik, a impuls do drugiej cewki wyłącza przekaźnik. Ten typ jest szeroko stosowany tam, gdzie sterowanie odbywa się za pomocą prostych przełączników lub pojedynczych wyjść systemu sterowania, a takie przekaźniki znajdują zastosowanie w awionice i licznych zastosowaniach przemysłowych.
Inny typ zatrzaskowy ma rdzeń szczątkowy, który utrzymuje styki w położeniu roboczym przez magnetyzm szczątkowy w rdzeniu. Ten typ wymaga impulsu prądowego o przeciwnej biegunowości, aby zwolnić styki. Wariant wykorzystuje magnes trwały, który wytwarza część siły wymaganej do zamknięcia styku; cewka zapewnia wystarczającą siłę, aby otworzyć lub zamknąć styk, wspomagając lub przeciwstawiając się polu magnesu trwałego. Przekaźnik sterowany polaryzacją wymaga przełączników lub obwodu sterowania mostkiem H do sterowania. Przekaźnik może być tańszy niż inne typy, ale jest to częściowo równoważone zwiększonymi kosztami w obwodzie zewnętrznym.
W innym typie przekaźnik zapadkowy ma mechanizm zapadkowy, który utrzymuje styki zamknięte po chwilowym zasileniu cewki. Drugi impuls, w tej samej lub oddzielnej cewce, zwalnia styki. Ten typ można znaleźć w niektórych samochodach, do przyciemniania reflektorów i innych funkcji, w których konieczne jest naprzemienne działanie przy każdym naciśnięciu przełącznika.
Przekaźnik krokowy jest wyspecjalizowanym rodzajem wielofunkcyjnego sposób zatrzaskowy przekaźnik przeznaczony do wczesnych automatycznych central telefonicznych .
Wyłącznik upływu zawiera wyspecjalizowany Przekaźnik zatrzaskowy.
Bardzo wczesne komputery często przechowywały bity w przekaźniku z zatrzaskiem magnetycznym, takim jak ferreed lub późniejszy remreed w przełączniku 1ESS .
Niektóre wczesne komputery wykorzystywały zwykłe przekaźniki jako rodzaj zatrzasku — przechowują bity w zwykłych przekaźnikach sprężynowych lub przekaźnikach kontaktronowych, podając przewód wyjściowy jako wejście, co skutkuje pętlą sprzężenia zwrotnego lub obwodem sekwencyjnym . Taki przekaźnik z zatrzaskiem elektrycznym wymaga ciągłego zasilania, aby utrzymać stan, w przeciwieństwie do przekaźników z zatrzaskiem magnetycznym lub przekaźników zapadkowych mechanicznie.
W pamięciach komputerowych przekaźniki zatrzaskowe i inne przekaźniki zostały zastąpione pamięcią z linią opóźniającą , która z kolei została zastąpiona szeregiem coraz szybszych i coraz mniejszych technologii pamięci.
Przekaźnik obrabiarki
Przekaźnik obrabiarki jest typem znormalizowanym do przemysłowego sterowania obrabiarkami , maszynami transferowymi i innym sterowaniem sekwencyjnym. Charakteryzują się dużą liczbą styków (czasem z możliwością rozbudowy w terenie), które można łatwo przekształcić ze stanu normalnie otwartego do normalnie zamkniętego, łatwo wymienialnymi cewkami oraz formą pozwalającą na kompaktową instalację wielu przekaźników w centrali. Chociaż takie przekaźniki były kiedyś podstawą automatyzacji w takich branżach, jak montaż samochodów, programowalny sterownik logiczny (PLC) w większości wyparł przekaźnik obrabiarki z aplikacji sterowania sekwencyjnego.
Przekaźnik umożliwia przełączanie obwodów za pomocą sprzętu elektrycznego: na przykład obwód czasowy z przekaźnikiem może przełączać zasilanie w ustalonym czasie. Przekaźniki były przez wiele lat standardową metodą sterowania przemysłowych układów elektronicznych. Wiele przekaźników może być używanych razem do realizacji złożonych funkcji ( logika przekaźników ). Zasada logiki przekaźników opiera się na przekaźnikach, które zasilają i dezaktywują skojarzone styki. Logika przekaźnikowa jest poprzednikiem logiki drabinkowej , która jest powszechnie stosowana w programowalnych sterownikach logicznych .
Przekaźnik rtęciowy
Przekaźnik rtęć jest przekaźnik, który wykorzystuje rtęci jako element przełączający. Stosowane są tam, gdzie erozja styków byłaby problemem dla konwencjonalnych styków przekaźnikowych. Ze względu na względy środowiskowe dotyczące znacznej ilości stosowanej rtęci oraz nowoczesne alternatywy są one obecnie stosunkowo rzadkie.
Przekaźnik zwilżony rtęcią
Kontaktron zwilżany rtęcią jest formą kontaktronu, który wykorzystuje przełącznik rtęciowy , w którym styki są zwilżane rtęcią . Rtęć zmniejsza rezystancję styku i łagodzi związany z tym spadek napięcia. Zanieczyszczenie powierzchni może skutkować słabą przewodnością dla sygnałów niskoprądowych. W zastosowaniach o dużej prędkości rtęć eliminuje odbijanie się styków i zapewnia praktycznie natychmiastowe zamknięcie obwodu. Przekaźniki zwilżane rtęcią są wrażliwe na położenie i muszą być montowane zgodnie ze specyfikacjami producenta. Ze względu na toksyczność i koszty płynnej rtęci przekaźniki te coraz częściej wychodzą z użycia.
Istotną zaletą jest duża szybkość przełączania przekaźnika zwilżonego rtęcią. Kulki rtęci na każdym kontakcie łączą się , a czas narastania prądu przez kontakty jest ogólnie uważany za kilka pikosekund. Jednak w praktycznym obwodzie może być ograniczony indukcyjnością styków i okablowania. Przed wprowadzeniem ograniczeń w stosowaniu rtęci dość często stosowano w laboratorium przekaźnik zwilżony rtęcią jako wygodny sposób generowania impulsów o krótkim czasie narastania, jednak chociaż czas narastania może wynosić pikosekundy, dokładny czas zdarzenia jest , podobnie jak wszystkie inne typy przekaźników, podlega znacznym wahaniom, prawdopodobnie milisekundom, ze względu na niedoskonałości mechaniczne.
Ten sam proces koalescencji powoduje inny efekt, który w niektórych zastosowaniach jest uciążliwy. Rezystancja styku nie jest stabilna natychmiast po zamknięciu styku i dryfuje, głównie w dół, przez kilka sekund po zamknięciu, przy czym zmiana może wynosić 0,5 oma.
Przekaźniki wielonapięciowe
Przekaźniki wielonapięciowe to urządzenia zaprojektowane do pracy w szerokim zakresie napięć, od 24 do 240 VAC i VDC oraz w szerokim zakresie częstotliwości, od 0 do 300 Hz. Wskazane są do stosowania w instalacjach, które nie mają stabilnego napięcia zasilania.
Przekaźnik zabezpieczający przed przeciążeniem
Silniki elektryczne wymagają zabezpieczenia nadprądowego, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przeciążeniem silnika lub przed zwarciem w kablach połączeniowych lub wewnętrznymi usterkami w uzwojeniach silnika. Urządzenia wykrywające przeciążenie są formą przekaźnika sterowanego ciepłem, w którym cewka podgrzewa bimetaliczny pasek lub topi się tygiel lutowniczy, aby obsługiwać styki pomocnicze. Te styki pomocnicze są połączone szeregowo z cewką stycznika silnika, więc wyłączają silnik, gdy się przegrzewa.
To zabezpieczenie termiczne działa stosunkowo wolno, pozwalając silnikowi na pobranie wyższych prądów rozruchowych, zanim przekaźnik zabezpieczeniowy zadziała. Gdy przekaźnik przeciążeniowy jest wystawiony na działanie tej samej temperatury otoczenia co silnik, zapewniona jest użyteczna, choć zgrubna kompensacja temperatury otoczenia silnika.
Drugi powszechny system ochrony przed przeciążeniem wykorzystuje cewkę elektromagnesu połączoną szeregowo z obwodem silnika, który bezpośrednio obsługuje styki. Jest to podobne do przekaźnika sterującego, ale wymaga dość wysokiego prądu zwarciowego do obsługi styków. Aby zapobiec uciążliwym wywoływaniu krótkich przetężeń, ruch twornika jest tłumiony za pomocą dashpota . Wykrywanie przeciążenia termicznego i magnetycznego jest zwykle używane razem w przekaźniku zabezpieczającym silnik.
Elektroniczne przekaźniki zabezpieczające przed przeciążeniem mierzą prąd silnika i mogą oszacować temperaturę uzwojenia silnika za pomocą „modelu termicznego” układu twornika silnika, który można ustawić w celu zapewnienia dokładniejszej ochrony silnika. Niektóre przekaźniki zabezpieczające silnik zawierają wejścia czujnika temperatury do bezpośredniego pomiaru z termopary lub czujnika termometru rezystancyjnego wbudowanego w uzwojenie.
Przekaźnik polaryzacyjny
Spolaryzowany przekaźnik umieszcza zworę między biegunami magnesu trwałego, aby zwiększyć czułość. Przekaźniki polaryzacyjne były używane w centralach telefonicznych z połowy XX wieku do wykrywania słabych impulsów i korygowania zniekształceń telegraficznych .
Kontaktron
Kontaktron jest kontaktron zamknięty w solenoidu. Urządzenie wyposażone jest w zestaw styków wewnątrz ewakuowano lub gaz obojętny -filled rurki szklanej, która chroni styki przed atmosferycznym korozji ; styki wykonane są z materiału magnetycznego , który sprawia, że poruszają się pod wpływem pola załączającego elektromagnesu lub magnesu zewnętrznego.
Przekaźniki kontaktronowe mogą przełączać się szybciej niż większe przekaźniki i wymagają bardzo małej mocy z obwodu sterującego. Mają jednak stosunkowo niskie wartości prądu i napięcia przełączania. Chociaż rzadko, stroiki mogą z czasem zostać namagnesowane, co powoduje, że przyklejają się, nawet gdy nie ma prądu; zmiana orientacji stroików lub rozmagnesowanie przełącznika względem pola magnetycznego elektromagnesu może rozwiązać ten problem.
Uszczelnione styki ze stykami zwilżonymi rtęcią mają dłuższą żywotność i mniej drgań styków niż jakikolwiek inny rodzaj przekaźnika.
Przekaźniki bezpieczeństwa
Przekaźniki bezpieczeństwa to urządzenia, które generalnie realizują funkcje ochronne. W przypadku zagrożenia zadaniem takiej funkcji bezpieczeństwa jest zastosowanie odpowiednich środków w celu zmniejszenia istniejącego ryzyka do akceptowalnego poziomu.
Stycznik półprzewodnikowy
Stycznik półprzewodnikowy to wytrzymały przekaźnik półprzewodnikowy, zawierający niezbędny radiator, używany tam, gdzie wymagane są częste cykle włączania i wyłączania, na przykład w przypadku grzejników elektrycznych, małych silników elektrycznych i obciążeń oświetleniowych. Nie ma ruchomych części, które mogą się zużywać i nie ma odbijania się styków z powodu wibracji. Są one aktywowane przez sygnały sterujące AC lub sygnały sterujące DC z programowalnych sterowników logicznych (PLC), komputerów PC, źródeł logiki tranzystorowo-tranzystorowej (TTL) lub innych sterowników mikroprocesorowych i mikrokontrolerów.
Przekaźnik półprzewodnikowy
Przekaźnik półprzewodnikowy (SSR) jest półprzewodnikowy element elektroniczny, który zapewnia funkcję podobną do elektromechanicznego przekaźnika, ale nie ma żadnych ruchomych części, co zwiększa długoterminową niezawodność. Przekaźnik półprzewodnikowy wykorzystuje tyrystor , TRIAC lub inne urządzenie przełączające półprzewodnikowe, aktywowane sygnałem sterującym, do przełączania kontrolowanego obciążenia zamiast solenoidu. Transoptor (a emitująca światło dioda (LED), w połączeniu z fototranzystor ) mogą być stosowane do izolowania obwodów sterowania i kontrolowane.
Przekaźnik statyczny
Przekaźnik statyczny składa się z układów elektronicznych, aby emulować wszystkie te cechy, które zostały uzyskane przez ruchome części w przekaźniku elektromagnetycznym.
Przekaźnik opóźnienia czasowego
Przekaźniki czasowe są przystosowane do celowego opóźnienia w działaniu swoich styków. Bardzo krótkie (ułamek sekundy) opóźnienie spowodowałoby użycie miedzianego dysku między zworą a ruchomym zespołem ostrzy. Prąd płynący w dysku przez krótki czas utrzymuje pole magnetyczne, wydłużając czas wyzwolenia. W przypadku nieco dłuższego (do minuty) opóźnienia używany jest dashpot. Deska rozdzielcza to tłok wypełniony płynem, który może powoli ulatniać się; używane są zarówno napełnione powietrzem, jak i olejem dashpoty. Okres czasu można zmieniać, zwiększając lub zmniejszając szybkość przepływu. W przypadku dłuższych okresów instalowany jest mechaniczny zegar zegarowy. Przekaźniki mogą być ustawione na stały okres czasu, mogą być regulowane w terenie lub zdalnie ustawiane z panelu sterowania. Nowoczesne przekaźniki czasowe oparte na mikroprocesorach zapewniają precyzyjne taktowanie w szerokim zakresie.
Niektóre przekaźniki są skonstruowane z rodzajem mechanizmu „amortyzującego” przymocowanego do twornika, który zapobiega natychmiastowemu, pełnemu ruchowi, gdy cewka jest zasilana lub nie jest zasilana. To dodanie nadaje przekaźnikowi właściwość załączania z opóźnieniem czasowym. Przekaźniki zwłoczne mogą być skonstruowane w celu opóźnienia ruchu twornika przy zasilaniu cewki, odłączaniu lub obu.
Styki przekaźnika zwłocznego muszą być określone nie tylko jako normalnie otwarte lub normalnie zamknięte, ale także czy opóźnienie działa w kierunku zamykania czy otwierania. Poniżej znajduje się opis czterech podstawowych typów styków przekaźnika zwłocznego.
Najpierw mamy styk normalnie otwarty, czasowo-zamknięty (NOTC). Ten typ styku jest normalnie otwarty, gdy cewka nie jest zasilana (nie jest pod napięciem). Styk jest zamykany przez doprowadzenie zasilania do cewki przekaźnika, ale dopiero po ciągłym zasilaniu cewki przez określony czas. Innymi słowy, kierunek ruchu styku (zamknięcie lub otwarcie) jest identyczny jak w przypadku zwykłego styku NO, ale występuje opóźnienie w kierunku zamykania. Ponieważ opóźnienie występuje w kierunku zasilania cewki, ten typ styku jest alternatywnie określany jako normalnie otwarty, opóźniony.
Przekaźniki próżniowe
Przekaźnik próżniowy jest czułym przekaźnikiem, którego styki są zamontowane w pustej szklanej obudowie, aby umożliwić obsługę napięć o częstotliwości radiowej do 20 000 woltów bez przeskoku między stykami, nawet jeśli odstęp między stykami jest tak niski, jak kilka setnych cala po otwarciu.
Aplikacje
Przekaźniki stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczne jest sterowanie obwodem dużej mocy lub obwodem wysokiego napięcia z obwodem małej mocy, szczególnie gdy pożądana jest izolacja galwaniczna . Pierwsze zastosowanie przekaźników miało miejsce w długich liniach telegraficznych , gdzie słaby sygnał odbierany na stacji pośredniej mógł sterować stykiem, regenerując sygnał do dalszej transmisji. Urządzenia wysokonapięciowe lub wysokoprądowe mogą być sterowane za pomocą małych przewodów niskonapięciowych i przełączników pilotowych. Operatorzy mogą być odizolowani od obwodu wysokiego napięcia. Urządzenia o małej mocy, takie jak mikroprocesory, mogą sterować przekaźnikami w celu sterowania obciążeniami elektrycznymi poza ich możliwościami bezpośredniego napędu. W samochodzie przekaźnik rozrusznika umożliwia sterowanie wysokim prądem silnika rozruchowego za pomocą małych przewodów i styków w kluczyku zapłonu.
Elektromechaniczne systemy przełączające, w tym centrale telefoniczne Strowger i Crossbar, szeroko wykorzystywały przekaźniki w pomocniczych obwodach sterowania. Firma Relay Automatic Telephone Company produkowała również centrale telefoniczne oparte wyłącznie na technikach przełączania przekaźników zaprojektowanych przez Gotthilf Ansgarius Betulander . Pierwsza publiczna centrala telefoniczna oparta na przekaźnikach w Wielkiej Brytanii została zainstalowana we Fleetwood w dniu 15 lipca 1922 roku i działała do 1959 roku.
Wykorzystanie przekaźników do logicznego sterowania złożonymi systemami przełączającymi, takimi jak centrale telefoniczne, badał Claude Shannon , który sformalizował zastosowanie algebry Boole'a do projektowania obwodów przekaźnikowych w A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits . Przekaźniki mogą wykonywać podstawowe operacje logiki kombinatorycznej Boole'a. Na przykład funkcja logiczna AND jest realizowana przez szeregowe połączenie styków normalnie otwartych przekaźnika, funkcja OR przez równoległe połączenie styków normalnie otwartych. Odwrócenie wejścia logicznego można wykonać przy styku normalnie zamkniętym. Przekaźniki zostały wykorzystane do sterowania zautomatyzowanymi systemami obrabiarek i linii produkcyjnych. Język programowania Ladder jest często używany do projektowania sieci logicznych przekaźników .
Wczesne komputery elektromechaniczne, takie jak ARRA , Harvard Mark II , Zuse Z2 i Zuse Z3, wykorzystywały przekaźniki do rejestrów logicznych i roboczych. Jednak urządzenia elektroniczne okazały się szybsze i łatwiejsze w obsłudze.
Ponieważ przekaźniki są znacznie bardziej odporne niż półprzewodniki na promieniowanie jądrowe, są one szeroko stosowane w logice krytycznej dla bezpieczeństwa, na przykład w panelach sterowania maszyn do przetwarzania odpadów radioaktywnych. Elektromechaniczne przekaźniki ochronne służą do wykrywania przeciążeń i innych uszkodzeń linii elektrycznych poprzez otwieranie i zamykanie wyłączników automatycznych .
Przekaźniki ochronne
Do ochrony aparatury elektrycznej i linii przesyłowych zastosowano przekaźniki elektromechaniczne o dokładnej charakterystyce pracy do wykrywania przeciążeń, zwarć i innych usterek. Podczas gdy wiele takich przekaźników jest nadal w użyciu, cyfrowe przekaźniki ochronne zapewniają obecnie równoważne i bardziej złożone funkcje ochronne.
Sygnalizacja kolejowa
Przekaźniki sygnalizacji kolejowej są duże, biorąc pod uwagę przeważnie małe napięcia (poniżej 120 V) i prądy (na przykład 100 mA), które przełączają. Styki są szeroko rozstawione, aby zapobiec przeskokom i zwarciom w okresie życia, który może przekroczyć pięćdziesiąt lat.
Ponieważ obwody sygnałów kolejowych muszą być wysoce niezawodne, stosuje się specjalne techniki do wykrywania i zapobiegania awariom w systemie przekaźnikowym. Aby zabezpieczyć się przed fałszywym zasilaniem, często stosuje się podwójne przełączające styki przekaźnika zarówno po dodatniej, jak i ujemnej stronie obwodu, tak że do wywołania fałszywego sygnału potrzebne są dwa fałszywe zasilanie. Nie wszystkie obwody przekaźnikowe można udowodnić, dlatego należy polegać na cechach konstrukcyjnych, takich jak styki węglowo-srebrne, które są odporne na spawanie styków wywołane wyładowaniami atmosferycznymi i zapewniają odporność na prąd przemienny.
Optoizolatory są również stosowane w niektórych przypadkach w sygnalizacji kolejowej, zwłaszcza tam, gdzie ma być przełączany tylko jeden styk.
Rozważania dotyczące wyboru
Wybór odpowiedniego przekaźnika do konkretnego zastosowania wymaga oceny wielu różnych czynników:
- Liczba i rodzaj styków — normalnie otwarte, normalnie zamknięte (dwukrotne)
- Sekwencja styków — „zrób przed zerwaniem” lub „zrób przed zerwaniem”. Na przykład, stare centrale telefoniczne wymagały przygotowania przed zerwaniem, aby połączenie nie zostało zerwane podczas wybierania numeru.
- Prąd znamionowy styków — małe przekaźniki przełączają kilka amperów, duże styczniki mają prąd znamionowy do 3000 amperów, prąd przemienny lub stały
- Napięcie znamionowe styków — typowe przekaźniki sterujące 300 VAC lub 600 VAC, typy motoryzacyjne do 50 VDC, specjalne przekaźniki wysokonapięciowe do około 15 000 V
- Żywotność, okres użytkowania — ile razy można oczekiwać, że przekaźnik będzie działał niezawodnie. Istnieje zarówno życie mechaniczne, jak i życie kontaktowe. Na żywotność styków ma wpływ rodzaj przełączanego obciążenia. Wyłączanie prądu obciążenia powoduje niepożądane wyładowanie łukowe między stykami, co ostatecznie prowadzi do zespawania się styków lub awarii styków z powodu erozji łuku.
- Napięcie cewki — przekaźniki obrabiarek zwykle 24 VDC, 120 lub 250 VAC, przekaźniki rozdzielnic mogą mieć cewki 125 V lub 250 VDC,
- Prąd cewki — Minimalny prąd wymagany do niezawodnej pracy i minimalnego prądu podtrzymania, a także wpływ rozpraszania mocy na temperaturę cewki w różnych cyklach pracy . Przekaźniki „czułe” działają na kilku miliamperach.
- Opakowanie/obudowa — otwarta, bezpieczna w dotyku, dwunapięciowa do izolacji między obwodami, przeciwwybuchowa , zewnętrzna, odporna na oleje i zachlapania, zmywalna do montażu płytek drukowanych
- Środowisko pracy — minimalna i maksymalna temperatura pracy oraz inne czynniki środowiskowe, takie jak wpływ wilgoci i soli
- Montaż — Niektóre przekaźniki mają naklejkę, która utrzymuje szczelność obudowy, aby umożliwić czyszczenie płytki PCB po lutowaniu, która jest usuwana po zakończeniu montażu.
- Montaż — gniazda, tablica wtykowa, montaż na szynie, montaż panelowy, montaż panelowy, obudowa do montażu na ścianie lub sprzęcie
- Czas przełączania — tam, gdzie wymagana jest duża prędkość
- Styki „suche” — przy przełączaniu sygnałów o bardzo niskim poziomie mogą być potrzebne specjalne materiały styków, takie jak styki pozłacane
- Ochrona styków — tłumienie wyładowań łukowych w obwodach bardzo indukcyjnych
- Ochrona cewki — tłumienie przepięć wytwarzanych podczas przełączania prądu cewki
- Izolacja między stykami cewki
- Badania lotnicze lub odporności na promieniowanie, specjalne zapewnienie jakości
- Spodziewane obciążenia mechaniczne spowodowane przyspieszeniem — niektóre przekaźniki stosowane w zastosowaniach lotniczych są zaprojektowane do działania w obciążeniach udarowych o wartości 50 g lub większej.
- Rozmiar — mniejsze przekaźniki często są bardziej odporne na wibracje i wstrząsy mechaniczne niż większe przekaźniki, ze względu na niższą bezwładność części ruchomych i wyższą częstotliwość drgań własnych mniejszych części. Większe przekaźniki często obsługują wyższe napięcie i prąd niż mniejsze przekaźniki.
- Akcesoria takie jak zegary, styki pomocnicze, lampki kontrolne i przyciski testowe.
- Aprobaty prawne.
- Zabłąkane połączenie magnetyczne między cewkami sąsiednich przekaźników na płytce drukowanej.
Istnieje wiele czynników związanych z prawidłowym doborem przekaźnika sterującego do konkretnego zastosowania, w tym czynniki takie jak szybkość działania, czułość i histereza . Chociaż typowe przekaźniki sterujące działają w zakresie od 5 ms do 20 ms, dostępne są przekaźniki o szybkości przełączania do 100 μs . Przekaźniki kontaktronowe, które są uruchamiane małymi prądami i szybko się przełączają, nadają się do sterowania małymi prądami.
Jak w przypadku każdego przełącznika, prąd styków (niezwiązany z prądem cewki) nie może przekraczać określonej wartości, aby uniknąć uszkodzenia. W obwodach o wysokiej indukcyjności, takich jak silniki , należy rozwiązać inne problemy. Gdy indukcyjność jest podłączona do źródła zasilania, prąd udarowy wejściowy lub prąd rozruchowy silnika elektrycznego jest większy niż prąd w stanie ustalonym. Gdy obwód jest przerwany, prąd nie może zmienić się natychmiast, co tworzy potencjalnie szkodliwy łuk na stykach separujących.
W związku z tym, dla przekaźników używanych do sterowania obciążeniami indukcyjnymi, musimy określić maksymalny prąd, jaki może płynąć przez styki przekaźnika podczas jego załączania, wartość znamionową ; ocena ciągła; i ocena przerwy . Ocena marki może być kilka razy większa niż ocena ciągła, która jest większa niż ocena przerwania.
Bezpieczeństwo i niezawodność
Przełączanie w stanie „mokrym” (pod obciążeniem) powoduje niepożądane wyładowanie łukowe między stykami, co ostatecznie prowadzi do zespawania się styków lub awarii styków z powodu nagromadzenia uszkodzeń powierzchni spowodowanych niszczącą energią łuku.
Wewnątrz przełącznika poprzecznego Number One Electronic Switching System (1ESS) i niektórych innych konstrukcji o wysokiej niezawodności, kontaktrony są zawsze przełączane „na sucho” (bez obciążenia), aby uniknąć tego problemu, co prowadzi do znacznie dłuższej żywotności styków.
Bez odpowiedniej ochrony styków wystąpienie łuku elektrycznego powoduje znaczną degradację styków, które ulegają znacznemu i widocznemu uszkodzeniu. Za każdym razem, styki przekaźnika otworzyć lub zamknąć pod obciążeniem, łuk elektryczny może występować pomiędzy stykami przekaźnika, albo przerwa łuku (podczas otwierania) lub make / bounce łuku (podczas zamykania). W wielu sytuacjach łuk przerywający jest bardziej energetyczny, a przez to bardziej destrukcyjny, w szczególności przy obciążeniach indukcyjnych, ale można to złagodzić, zmostkując styki z obwodem tłumiącym . Prąd rozruchowy żarówek z żarnikiem wolframowym jest zwykle dziesięciokrotnie większy niż normalny prąd roboczy. Tak więc przekaźniki przeznaczone do obciążeń wolframowych mogą wykorzystywać specjalną kompozycję styków lub przekaźnik może mieć niższe wartości znamionowe styków dla obciążeń wolframowych niż dla obciążeń czysto rezystancyjnych.
Łuk elektryczny na stykach przekaźnika może być bardzo gorący — tysiące stopni Fahrenheita — powodując stopienie się metalu na powierzchni styku, rozlanie się i migrację z prądem. Ekstremalnie wysoka temperatura łuku powoduje rozszczepienie otaczających cząsteczek gazu, tworząc ozon , tlenek węgla i inne związki. Z biegiem czasu energia łuku powoli niszczy metal stykowy, powodując ulatnianie się części materiału w powietrze w postaci drobnych cząstek stałych. Ta czynność powoduje degradację materiału w stykach, co powoduje awarię urządzenia. Ta degradacja styków drastycznie ogranicza ogólną żywotność przekaźnika do zakresu od około 10 000 do 100 000 operacji, czyli do poziomu znacznie poniżej mechanicznej żywotności urządzenia, która może przekraczać 20 milionów operacji.
Zobacz też
- Przełącznik analogowy
- Przekaźnik Buchholza
- Suchy kontakt
- Dioda Flyback
- Przekaźnik nanoelektromechaniczny
- Warunki wyścigu
- Przełącznik krokowy
- Drutowy przekaźnik sprężynowy
Bibliografia
Zewnętrzne linki
-
Multimedia związane z przekaźnikiem na Wikimedia Commons
