Przełączanie sygnałów elektrycznych

1. Żywotność przekaźnika

Rysunek 1. Rezystancja ścieżki w funkcji liczby cykli podanej w milionach

Żywotność przekaźników w urządzeniach NI specyfikowana jest bardzo zachowawczo. Definiujemy ją, jako minimalną liczbę cykli, które dany element będzie w stanie wykonać. Jeden cykl oznacza akcję zwarcia i rozwarcia przekaźnika. Oczekiwana żywotność jest podzielona na dwie główne kategorie: żywotność mechaniczną i elektryczną.

Wskazówka: Niektóre urządzenia przełączające mają funkcjonalność śledzenia zużycia przekaźnika. Więcej informacji na ten temat znajduje się w dokumentacji funkcji "niSwitch Get Relay Count.vi" oraz "niSwitch_GetRelayCount" w plikach pomocy sterownika NI-SWITCH (NI Switches Help).

Żywotność mechaniczna
Styki przekaźników mechanicznych ulegają zużyciu, przez co zwiększa się ich rezystancja zestykowa. Żywotność mechaniczna to zazwyczaj liczba cykli przełączania zanim rezystancja zestykowa wzrośnie powyżej 1 Ω. Oszacowanie to zakłada brak ładunku elektrycznego pomiędzy stykami w czasie przełączania.

Żywotność elektryczna
Przełączanie aktywnych sygnałów elektrycznych, w szczególności sygnałów o dużej mocy, skutkuje powstawaniem łuków elektrycznych. Łuki te wytwarzają ubytki na powierzchni styków i powodują przyspieszenie opisanego powyżej zużycia mechanicznego. Żywotność elektryczna to liczba cykli przełączania (w warunkach obciążenia), zanim rezystancja zestykowa wzrośnie powyżej 1 Ω.

2. Rezystancja zestykowa

Rysunek 2. Termopary w przekaźniku

Rezystancja zestykowa odnosi się do rezystancji jednego zestawu zwartych styków w przekaźniku przy przepływie prądu stałego.

3. Rezystancja ścieżki

Rezystancja ścieżki to rezystancja występująca w matrycy przełączeniowej na drodze pokonywanej przez sygnał od terminali źródłowych do docelowych. Całkowita rezystancja zawiera oporność ścieżek PCB, przekaźników i złączy. Rezystancja ścieżek i złączy jest zazwyczaj stabilna, zaś w przypadku rezystancji zestykowej jej wzrost następuje wraz ze stopniem zużycia elementu. Poniższy wykres pokazuje typową oporność ścieżki dla modułu o żywotności mechanicznej 50 milionów cykli.

4. Siła termoelektryczna i przesunięcie termiczne

Termopara

Rysunek 3. Pomiar SEM pojedynczej ścieżki

Kiedy dwa nieidentyczne metale zostają połączone, powstaje napięcie (zjawisko Seebecka), które jest funkcją temperatury tego połączenia i składu obydwu metali. Napięcie to jest także znane, jako siła termoelektryczna. Tabela 1 zawiera najczęściej używane metale i ich SEM.

Siła termoelektryczna w przełącznikach
Wyprowadzenia przekaźników elektromechanicznych są zazwyczaj zrobione z innych metali niż moduły przełącznika na płytce drukowanej, które najczęściej wykonane są z miedzi lub jej stopu. Połączenie tych elementów tworzy termoparę, tak jak to przedstawiono na rysunku 2.

Charakterystyka termopar powstałych w przekaźniku jest funkcją temperatury połączeń. Temperatura będzie zależeć od temperatury otoczenia, rodzaju modułów w przylegającym slocie, liczby aktywowanych przekaźników i przepływu powietrza wewnątrz modułu.

Rysunek 4. Pomiar SEM ścieżki różnicowej

Ścieżka sygnału może przebiegać przez jeden lub więcej przekaźników, w związku z czym siła termoelektryczna jest definiowana, jako suma wszystkich termopar w ścieżce sygnału. Może być ona określona zarówno dla kanału pojedynczego, jak i różnicowego. Rysunek 3 ilustruje SEM mierzoną w pojedynczej ścieżce. Rysunek 4 ilustruje SEM mierzoną w ścieżce różnicowej.

Podczas pomiaru napięcia z wykorzystaniem multimetru cyfrowego i przełącznika, siła termoelektryczna musi być brana pod uwagę przy obliczeniu całkowitej dokładności systemu.

Na przykład, jeśli multimetr cyfrowy ma dokładność równą 4 mV, a przełącznik charakteryzuje się siłą termoelektryczną ścieżki różnicowej o wartości 3 mV, całkowita dokładność systemu będzie wynosić:

co jest równoważne 0,01% dokładności przy pomiarze sygnału o wartości 50 mV.

W przypadku pomiaru rezystancji istnieją metody kompensacji SEM, takie jak Offset Compensated Ohms (OCO) oraz inne techniki kalibracji wykorzystywane w przypadku bardzo dokładnych pomiarów.

Przesunięcie termiczne
Przekaźniki statyczne (SSR - od ang. Solid State Relays) i przekaźniki wykorzystujące tranzystory polowe charakteryzują się uzieprzesunięciem termicznym większym niż występująca w nich siła termoelektryczna. Po upłynięciu od 10 do 15 minut od momentu włączenia zasilania przesunięcie termiczne jest zazwyczaj stałe i dzięki temu może zostać skalibrowane i skompensowane.

5. Czas stabilizacji i cykl pracy

Czas stabilizacji
Czas stabilizacji odnosi się do czasu potrzebnego, aby sygnał osiągnął stabilny stan po wysłaniu polecenia wykonawczego do przekaźnika. Stan stabilny jest określany na podstawie wymaganej dokładności pomiaru. W związku z tym, bardzo precyzyjne pomiary wymagają dłuższego czasu stabilizacji niż pomiary mniej dokładne.

Czas stabilizacji jest istotnym parametrem w przekaźnikach statycznych o wysokiej rezystancji ścieżki i stałej czasowej RC.

Rysunek 5-1. Pierwsza część cyklu pracy elektromechanicznego przekaźnika ogólnego przeznaczenia

Rysunek 5-2. Druga część cyklu pracy elektromechanicznego przekaźnika ogólnego przeznaczenia.

W pewnych sytuacjach niezbędne może być zwiększenie domyślnego czasu stabilizacji. Więcej informacji na ten temat znajduje się w pomocy sterownika NI-SWITCH (NI Switches Help) po wpisaniu hasła "Adding Additional Settling Time".

Cykl pracy
Na rysunku 5 pokazano schematy zawierająjące szczegóły dotyczące pojedynczego cyklu pracy elektromechanicznego przekaźnika ogólnego przeznaczenia. Pełen diagram znajduje się w pomocy sterownika NISWITCH (NI Switches Help).

6. Przełączanie obciążeń indukcyjnych

Rysunek 6. Ochrona styków z wykorzystaniem diody impulsowej

Kiedy do przekaźnika podłączone jest obciążenie indukcyjne, możliwe jest pojawienie się dużej, przeciwnie skierowanej siły elektromotorycznej w chwili zadziałania przekaźnika, spowodowanej energią zgromadzoną w obciążeniu. Te wsteczne napięcia mogą poważnie uszkodzić styki przekaźnika i zauważalnie skrócić jego żywotność.

Napięcia wsteczne obciążenia indukcyjnego można ograniczyć instalując diody impulsowe dla obciążeń stałoprądowych, lub stworzone z tlenków metali warystory dla obciążeń zmiennoprądowych - tak, jak to pokazano na rysunku 6.

Dokumentacja każdej matrycy przełączeniowej zawiera dokładne informacje na temat przygotowania urządzenia do poprawnej obsługi obciążeń indukcyjnych.

7. Przełączanie obciążeń pojemnościowych

Rysunek 7. Obciążenie pojemnościowe z impedancją szeregową

Używanie kontaktronów do przełączania obciążeń pojemnościowych - w szczególności o wysokich napięciach - wymaga szczególnej uwagi. Kiedy przełącznik zamyka się, przepływa przez niego prąd przejściowy, aby naładować pojemność. Może mieć on znacząco wyższą wartość, niż prąd płynący w stabilnym systemie.

Istnieje wówczas możliwość zgrzania styków kontaktronu, - mimo, że napięcie i prąd w stanie stabilnym mieszczą się w granicach specyfikacji przełącznika. Prądy początkowe można kontrolować przy pomocy impedancji szeregowej, np. rezystora lub ferrytu, umieszczając je pomiędzy przełącznikiem, a pojemnością. Prądy początkowe mogą być powodowane zarówno przez pojemność reaktancyjnego urządzenia testowanego, jak i kabla koncentrycznego (rysunek 7).

8. Napięcie, natężenie i moc prądu przełączania

Rysunek 8. Prawidłowe zakresy pracy dla pojemności przełączania

Poziomy sygnałów w przełączniku muszą spełniać wymogi specyfikacji w kwestii napięcia, natężenia i mocy prądu przełączania (rysunek 8).

Napięcie przełączania
Napięcie przełączania odnosi się do maksymalnego napięcia sygnału, które może być bezpiecznie utrzymane przez moduł przełącznika. Napięcie przełączania jest zdefiniowane, jako różnica potencjałów między kanałem, a uziemieniem oraz pomiędzy dwoma różnymi kanałami. Napięcie miedzy kanałem, a uziemieniem to potencjał pomiędzy linią sygnałową i uziemionym podłożem. Napięcie między dwoma kanałami to potencjał pomiędzy dowolną parą linii sygnałowych w module. Składają się na nie napięcia spomiędzy otwartych styków przekaźnika, jak również napięcia pomiędzy przyległymi terminalami przyłączeniowymi.

Wskazówka: oznaczenie CE w urządzeniach pomiarowych i kontrolnych wymaga zgodności ze standardem IEC 61010-1. Matryce przełączeniowe przeznaczone do sygnałów o wysokich napięciach (>60 V_DC/30 V_rms) są oceniane pod kątem przynależności do odpowiedniej kategorii zgodnie z definicjami tego standardu. Kategorie te opisują akceptowalne przejściowe przepięcia i stopień ochrony niezbędny do bezpiecznej pracy. Dokument Read Me First: Safety and Radio-Frequency Interference zawiera więcej informacji na powyższy temat.

Natężenie prądu przełączania
Natężenie prądu przełączania to maksymalne dozwolone natężenie prądu, które może przepłynąć przez przełącznik podczas zwierania lub rozwierania styków. Przełączanie aktywnych prądów powoduje powstawanie łuków elektrycznych, które mogą uszkodzić styki przekaźników elektromechanicznych. Wartość minimalnego natężenia prądu wskazuje najmniejszy prąd, który może w sposób niezawodny przepłynąć przez przełącznik.

Moc prądu przełączania
Moc prądu przełączania to ograniczenie charakteryzujące związek napięcia na otwartym styku z prądem na zamkniętym styku sygnału w przełączniku.

Moc prądu przełączania = Napięcie przełączania × Natężenie prądu przełączania

Przełączanie sygnałów o wysokiej mocy powoduje powstawanie łuków elektrycznych na stykach elektromechanicznych, skracając użyteczną żywotność przełącznika.

National Instruments