Zaloguj
Przekaźniki sygnałowe
Wymóg zachowania minimalnego napięcia i prądu obciążenia styków przekaźnika elektromagnetycznego (spotykany w większości not katalogowych markowych produktów) sprawia, że popularne przekaźniki małej i średniej mocy nie nadają się do większości zastosowań, związanych z przełączaniem słabych sygnałów. Z drugiej strony jednak, zastosowanie konwencjonalnych styków pozwala na uzyskanie niemal czystej rezystancji połączeń (choć, rzecz jasna, każdy rzeczywisty element ma także pewną indukcyjność i pojemność pasożytniczą) oraz bardzo niskiej upływności w stanie wyłączenia. Mało tego – każdy przekaźnik zapewnia przynajmniej podstawowy poziom izolacji pomiędzy cewką sterującą, a zespołem styków, co pozwala na obejście problemów z pracą przy różnych poziomach napięć w układach, z którymi mierzą się niejednokrotnie konstruktorzy rozbudowanych obwodów analogowych (w tym audio).
Oferta współczesnych przekaźników sygnałowych jest niezwykle szeroka – u czołowych dystrybutorów komponentów elektronicznych kategoria ta obejmuje nawet ponad 7000 modeli elementów, zatem zdecydowanie jest z czego wybierać. Rodzima marka Relpol wprowadziła na rynek osiem serii małych przekaźników, umożliwiających pracę nie tylko z bardzo subtelnymi sygnałami przełączanymi, ale także niskim napięciem zasilania cewki sterującej. Szczególną uwagę w tym segmencie oferty polskiego potentata elektromechaniki przykuwa rodzina RSM850 (fotografia 1, rysunek 1) – niewielkie wymiary obudowy (14,3×9,3×5,4 mm) oraz zunifikowany rozstaw wyprowadzeń na planie siatki o rozdzielczości 2,54×2,54 mm znacząco ułatwiają zarówno aplikację na docelowej płytce drukowanej, jak i budowę wszelkiego rodzaju prototypów.
Co jednak znacznie ważniejsze, komponenty z serii RSM850 oferują doskonałe parametry elektryczne: minimalne obciążenie styków to zaledwie 10 μA/10 mV, zaś maksymalne – 0,5 A/125 V wg kategorii AC1 lub 2 A/30 V wg DC1. Rezystancja zestyków nie przekracza 50 mΩ, zaś nominalna rezystancja izolacji to 1 GΩ. Dzięki niewielkim wymiarom, przekaźnik oferuje także możliwość szybkiej komutacji – czasy zadziałania i powrotu wynoszą około 3 milisekund, a deklarowana trwałość mechaniczna to 100 milionów cykli. Przekaźniki RSM850 są dostępne w wykonaniach z cewką o napięciu 3, 5, 6, 9, 12 oraz 24 V, o mocy 140 mW (3...12 V) lub 200 mW (tylko wersja 24 V). Warto dodać, że producent wprowadził do sprzedaży także bliźniaczą wersję RSM850B o konstrukcji bistabilnej.
W przypadku gdy przekaźnik musi pracować z bardzo słabymi sygnałami, znaczenie zyskują dodatkowe parametry, które stosunkowo rzadko można znaleźć w notach katalogowych producentów. Przykładem może być napięcie termoelektryczne (Thermal Electromotive Force, określane także skrótem EMF), generowane na poszczególnych elementach wchodzących w skład zespołu styków. O ile bowiem wielkość ta (mierzona w mikrowoltach) jest zwykle o kilka rzędów wielkości niższa, niż minimalny poziom obciążenia styków (w przypadku wielu przekaźników sygnałowych równy 10 mV), to należy mieć jeszcze na uwadze czynniki wpływające na zmiany EMF w czasie. Wszelkie gradienty temperatury, obecne wewnątrz konstrukcji przekaźnika, a spowodowane nagrzewaniem cewki, przenoszeniem ciepła z otoczenia przekaźnika na PCB (przez wyprowadzenia lutownicze), czy w końcu zmiany temperatury powietrza w obudowie urządzenia, będą w ostatecznym rozrachunku zmieniały wartość EMF, co od strony układu da się odczuć jako szum, czy też – ściślej rzecz ujmując – wolnozmienny dryf napięcia.
Z tego też względu niektórzy producenci przekaźników do precyzyjnych aplikacji pomiarowych dostarczają dokładniejsze informacje na temat napięcia termoelektrycznego styków – za przykład mogą nam tutaj posłużyć przekaźniki z serii TX-S marki Panasonic (fotografia 2), dla których producent nie tylko określił przybliżoną, średnią wartość napięcia termoelektrycznego w normalnych warunkach pracy (0,3 μV), ale przygotował nawet stosowny histogram, wykonany na bazie 10 próbek komponentów (rysunek 2).
Ciekawym przykładem zastosowania wysokiej jakości przekaźników sygnałowych mogą być tory wejściowe nowoczesnych oscyloskopów cyfrowych. Przykładowo – w opisanych w poprzednim numerze Elektroniki Praktycznej oscyloskopach z serii DHO4000 marki Rigol (zainteresowanych Czytelników odsyłamy do lektury EP 4/2023) konstruktorzy zastosowali miniaturowe przekaźniki FTR-B3 GA4.5Z marki Fujitsu (fotografia 3), oferujące nie tylko możliwość pracy z obciążeniem minimalnym 10 μA/10 mV DC, ale także wytrzymujące napięcia styków do 220 V DC/250 V AC.
Co jednak najważniejsze – przekaźniki oferują dobre charakterystyki w zakresie parametrów wysokoczęstotliwościowych, rzecz jasna w paśmie sensownym z punktu widzenia osiągów tej serii oscyloskopów: straty wtrąceniowe w paśmie 800 MHz nie przekraczają 0,5 dB (rysunek 3), zaś izolacja jest nie gorsza, niż 20 dB aż do częstotliwości 1 GHz (rysunek 4).
Co ciekawe, firma Fujitsu udostępniła nawet charakterystyki przesłuchów magnetycznych pomiędzy pracującymi obok siebie przekaźnikami z serii FTR-B3 (rysunek 5) – choć z pozoru zagadnienie magnetycznych oddziaływań pomiędzy cewkami a kotwicami pracujących blisko siebie przekaźników może wydawać się niezbyt istotne, to zyskuje ono znaczenie w rozbudowanych multiplekserach (np. w kartach rozszerzeń systemów DAQ/ATE – fotografia 4).
Problem przesłuchów magnetycznych jest szczególnie dotkliwy w przypadku przekaźników kontaktronowych, które z uwagi na konstrukcję bardzo często pracują w ciasnych ułożeniach równoległych (rysunek 6).
Wysokiej klasy przekaźniki kontaktronowe produkowane są w wersjach z wewnętrznym ekranowaniem za pomocą warstwy mu-metalu (fotografia 5), chroniącej styki przed działaniem zewnętrznych pól od sąsiadujących komponentów.
Doskonałym przykładem może być tutaj seria 111 marki Pickering (fotografia 6).
Oprócz ekranu magnetycznego elementy te oferują także szereg innych rozwiązań, znacznie ułatwiających implementację i poprawiających parametry użytkowe – cewka sterująca jest wyposażona w diodę blokującą impulsy samoindukcji, zaś całość obudowy (wokół szklanej rurki kontaktronu) jest wypełniona elastycznym materiałem, mającym na celu ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi (rysunek 7).
Mało tego – w ramach tej samej rodziny produktów znajdują się też wykonania koncentryczne, oferujące kontrolowaną impedancję falową 50 Ω i umożliwiające pracę z częstotliwościami do 2,5 GHz. Warto też dodać, że przekaźniki marki Pickering cechują się wybitnie wysoką rezystancją izolacji (1012 Ω!) oraz krótkimi czasami przełączania (0,5 ms/0,2 ms) i niskimi progami pojemności pasożytniczych (1,5 pF od styków do cewki, 0,15 pF pomiędzy rozłączonymi stykami), co pozwala na zastosowanie ich w zaawansowanych macierzach przełączników, m.in. w automatycznych systemach testujących. Tym bardziej, że footprint tych podzespołów mieści się w wymiarach 10×3,7 mm!
Przekaźniki do aplikacji RF
Wspomnieliśmy już o kilku modelach przekaźników sygnałowych, mogących pracować z częstotliwościami radiowymi. Warto jednak wiedzieć, że rynek przekaźników wysokoczęstotliwościowych zdecydowanie się nie kończy na opisanych rodzinach podzespołów.
Firma Panasonic wdrożyła do sprzedaży aż siedem serii przekaźników RF (RS, RA, RJ, RN, RD, RV oraz RE) o bardzo zróżnicowanych parametrach oraz formach. Kompaktowe przekaźniki z rodziny RJ (fotografia 7), produkowane w ekranowanych obudowach SMT oraz THT o wymiarach 14×9×8,2 mm, są w stanie pracować z sygnałami w paśmie maksymalnie do 8 GHz, przy czym dla zakresu do 5 GHz oferują kontrolowaną impedancję falową 50 Ω i maksymalną moc rzędu 1 W (dla wspomnianych 5 GHz).
Nieznacznie większe przekaźniki z serii RN (fotografia 8) mogą pracować z mocą rzędu 150 W (przy 2 GHz), co wymaga już zastosowania dedykowanego radiatora (fotografia 9).
W segmencie niewielkich przekaźników do montażu na PCB firma Panasonic oferuje ponadto 3-gigahercowe przekaźniki z serii RS o mocy do 10 W, w wersjach o impedancji 50 lub 75 Ω oraz ze stykami w konfiguracjach monostabilnych i bistabilnych (1- oraz 2-cewkowych) – wymiary oraz dostępne układy styków i cewek części z nich przedstawiono na rysunku 8.
Jeszcze większe możliwości oferują moduły przekaźników z serii RD (określane mianem coaxial switches), także produkcji Panasonic.
W solidnych, metalowych obudowach (fotografia 10) znajdują się wysokiej klasy przekaźniki o koncentrycznej konstrukcji torów sygnałowych, zdolne do pracy z częstotliwością nawet do 26,5 GHz (50 Ω). Dostępne konfiguracje obejmują styki typu SPDT, SP6T oraz specjalną wersję 4-portową, określaną mianem transfer i umożliwiającą łączenie poszczególnych gniazd w charakterystyczny, „macierzowy” sposób, opisany na rysunku 9. Także w tej serii dostępne są wersje monostabilne oraz bistabilne, przy czym te ostatnie występują w dwóch odmianach: pasywnej (z dwiema cewkami sterującymi) oraz aktywnej, z wbudowanym sterownikiem TTL.
Inni producenci także wdrożyli własne serie przekaźników RF, często o zaskakująco dobrych parametrach lub nietypowych funkcjonalnościach i konfiguracjach. Marka Omron opracowała linię stosunkowo niedrogich, subminiaturowych, ekranowanych przekaźników G6K(U)-2F(P)-RF(-S, -T), przeznaczonych do montażu na PCB i produkowanych w obudowach o wymiarach zaledwie 10,3×6,9×5,4 mm (fotografia 11).
Podzespoły są wyposażone w 100-miliwatowe cewki o napięciu nominalnym 3, 4,5, 5, 12 oraz 24 V i mogą pracować z obciążeniem do 125 V AC/0,3 A, lub 30 V DC/1 A (1 W dla częstotliwości 1 GHz).
Seria G6K-2F-RF-V (rysunek 10) jest natomiast przeznaczona do pracy z parami różnicowymi w paśmie do 8 GHz, choć dobrze radzi sobie z przekazem danych o przepustowości nawet 12,5 Gbps (rysunek 11).
Interesującą ofertę przekaźników RF ma również marka Axicom/TE Connectivity – warto zwrócić uwagę szczególnie na serię HF6 (fotografia 12), oferującą doskonałe parametry w zakresie izolacji (80 dB @ 900 MHz, 60 dB @ 3 GHz oraz 30 dB @ 6 GHz), strat wtrąceniowych (0,05 dB @ 900 MHz, 0,15 dB @ 3 GHz oraz 0,8 dB @ 6 GHz) oraz VSWR (1,05 @ 900 MHz, 1,10 @ 3 GHz oraz 1,40 @ 6 GHz) – patrz rysunek 12.
Na koniec tej sekcji podamy jeszcze informacje o propozycji marki Coto Technology, a dokładniej o serii przekaźników kontaktronowych 9814 (fotografia 13).
Oprócz szerokiego pasma (6,5 GHz) i koncentrycznej konstrukcji (50 Ω) oferują one bowiem wyśrubowane parametry, z których skorzystać mogą też konstruktorzy urządzeń pracujących w niższych zakresach częstotliwości, ale za to wymagających niemal „przezroczystego” (pod względem elektrycznym) połączenia np. dla torów wejściowych układów analogowych o bardzo wysokiej impedancji. Rezystancja izolacji wynosi bowiem aż 1 teraom (!), pojemność pasożytnicza – zaledwie 0,2 pF (styki do ekranu) lub 0,5 pF (styki do cewki), a rezystancja zestyku nie przekracza 0,2 Ω. Przekaźniki marki Coto Technologies są też – jak przystało na kontaktrony – dość szybkie: typowy czas włączenia wynosi 250 μs, zaś wyłączenia – zaledwie 50 μs.
Optoprzekaźniki
Interesującą grupę elementów stanowią optoprzekaźniki. Choć – podobnie, jak SSR – są one także komponentami półprzewodnikowymi, to w tym przypadku konstrukcja stopnia wyjściowego opiera się już nie na triaku, tyrystorze, czy też IGBT, ale na technologii, która w materiałach firmy Panasonic jest określana mianem PhotoMOS (choć dziś stosowana jest także przez wielu innych producentów, rzecz jasna pod nazwami omijającymi zastrzeżony znak towarowy).
Budowa optoprzekaźników bazuje na koncepcji nieco zbliżonej do klasycznego transoptora (rysunek 13) – w tym przypadku jednak światło wewnętrznej diody LED nie powoduje zamknięcia obwodu wtórnego w sposób bezpośredni (tj. przez zwiększenie prądu kolektora fototranzystora), ale pada na fotodiodę (a raczej zestaw połączonych szeregowo fotodiod) po stronie wyjściowej. Napięcie wygenerowane przez taki mikroskopijny generator fotowoltaiczny otwiera następnie parę połączonych źródłami tranzystorów MOSFET (rysunek 14), pełniących rolę właściwego elementu kluczującego.
Konstrukcja optoprzekaźników niesie szereg zalet, do których należy zaliczyć:
- krótkie czasy przełączania (nawet poniżej 50 μs),
- niskie natężenie prądu sterującego (w nowoczesnych modelach często na poziomie 5 mA), a co za tym idzie – niski pobór mocy z wyjść układu sterującego optoprzekaźnikiem,
- doskonałą odporność mechaniczną,
- długi czas eksploatacji z uwagi na brak elementów mechanicznych,
- brak efektów iskrzenia,
- brak efektów dźwiękowych podczas przełączania.
Uważni Czytelnicy od razu zauważą, że większość tych cech można przecież przypisać także do konwencjonalnych przekaźników SSR. To prawda – optoprzekaźniki umożliwiają jednak także silną miniaturyzację (najmniejsze komponenty mogą mieć rozmiary nieprzekraczające 3 mm w żadnej osi – patrz fotografia 14 i rysunek 15), a ponadto, co jest chyba najważniejsze – oferują doskonałe parametry podczas pracy ze słabymi sygnałami w obwodzie wyjściowym.
Należy bowiem zauważyć, że przekaźniki półprzewodnikowe oparte na triakach i tyrystorach będą niejako obcinały subtelne niuanse sygnałowe z uwagi na sposób pracy i kształt charakterystyk prądowo-napięciowych tychże elementów. Mało tego – optoprzekaźniki wyprzedzają pod tym względem także transoptory, które nawet w stanie pełnego otwarcia będą przecież wykazywały stosunkowo duże napięcie saturacji fototranzystora (nie mówiąc już o tym, że w przeciwieństwie do optoprzekaźników nie nadają się do pracy z sygnałami przemiennymi).
Przykładem produktu z omawianej kategorii może być model PMA216D, znajdujący się w ofercie tajwańskiej firmy In & Out Electronic. Pomimo niewielkich wymiarów 4-pinowej obudowy typu SOP (4,4×4,3×2,0 mm – fotografia 15) układ oferuje bardzo przyzwoitą obciążalność wyjściową – może pracować z ciągłym prądem obciążenia do 5 A (w pojedynczym impulsie 300 μs nawet do 35 A), choć dopuszczalne napięcie to zaledwie 20 VDC. Rezystancja w stanie otwarcia (przy prądzie przewodzenia diody LED równym 5 mA) to maksymalnie 500 mΩ, zaś wytrzymałość izolacji jest równa 1500 Vrms. Prąd upływu w stanie wyłączenia nie przekracza natomiast 1 μA – niby niewiele (jest to wszak wartość typowa dla niewielkich tranzystorów MOSFET), ale w niektórych sytuacjach nawet taka upływność będzie utrudniała albo wręcz uniemożliwiała praktyczne zastosowanie optoprzekaźnika.
Jeżeli wartość prądu upływu ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności, bezpieczeństwa, czy też dokładności pomiarowej urządzenia, konieczne okaże się zastosowanie innych elementów. Kolejny tajwański producent – tym razem firma Bright Toward Industrial – wprowadził do sprzedaży serię przekaźników 26-pA, oferującą jedno- i dwukanałowe optoprzekaźniki o maksymalnym ratingu wyjściowym 40 V/2 A, których deklarowany prąd upływu w stanie wyłączenia nie przekracza 1 nA (w typowych warunkach wynosi około 700 pA). Co więcej, niewielkie układy cechują się bardzo niską rezystancją w stanie włączenia (35 mΩ, maksymalnie 60 mΩ), są niestety dość powolne – czas włączenia waha się od 0,8 ms do nawet 2,5 ms pod koniec zakresu dopuszczalnych temperatur pracy.
Warto dodać, że wśród dostępnych modeli optoprzekaźników 26-pA znajdują się zarówno proste, 4-pinowe wersje pojedyncze, jak 6-pinowe podzespoły z podwojoną strukturą tranzystorową, umożliwiającą zarówno pracę z sygnałami AC (rysunek 16), jak i DC, przy 4-krotnie obniżonej rezystancji RDSON (rysunek 17).
Inżynierowie z firmy Omron poszli jeszcze dalej, stosując ciekawy trik technologiczny. Seria optoprzekaźników G3VM-xMT oferuje nie tylko niezwykle kompaktowe wymiary (5,0×3,75×2,7 mm – fotografia 16) – ale także ulepszoną konstrukcję obwodów wtórnych optoprzekaźnika, przedstawioną na rysunku 18.
Wbrew pozorom, układ nie jest dwu-, a tym bardziej trzykanałową wersją klasycznego, prostego optoprzekaźnika – w rzeczywistości jest to rozbudowana konstrukcja jednokanałowa. Za sterowanie obciążeniem odpowiadają struktury MOSFET, połączone z wyprowadzeniami 4 i 6. Dodatkowa, środkowa sekcja, podłączona do pinu nr 5, służy niejako do... odprowadzania prądów upływu tranzystorów wyjściowych do masy obwodu wtórnego. W stanie włączenia przekaźnika (tj. zwarcia linii 4 i 6 przez skrajne sekcje MOSFET), dioda podłączona do linii nr 2 jest nieaktywna, podobnie jak odpowiadająca jej, środkowa część sekcji wyjściowej (rysunek 19).
Po przerwaniu przepływu prądu w obwodzie 1-3 i załączeniu pomocniczej diody LED (piny 1-2), zaczyna przewodzić wyłączona wcześniej sekcja środkowa, co otwiera dla prądów upływu niskoomową ścieżkę do masy, „omijającą” niejako właściwy obwód wyjściowy (4, 6). Taki tryb pracy pozwala na ograniczenie prądu upływu wyjścia do fenomenalnie niskiego poziomu, nieprzekraczającego 1 pA (w najgorszych warunkach!), co w praktyce pozwala zejść do upływności rzędu nawet femtoamperów. Takie osiągi stawiają serię G3VM-xMT w ścisłej czołówce nowoczesnych optoprzekaźników i pozwalają na stosowanie w szerokim zakresie wymagających aplikacji analogowych.
Warto dodać, że pomimo niekwestionowanych zalet, jakie prezentują projektantom optoprzekaźniki, elementy te nie są rzecz jasna pozbawione pewnych wad. Jedną z nich podkreśla w swojej nocie aplikacyjnej pt. When to Replace a Relay with a Multiplexer firma Texas Instruments. Próbując przekonać swoich odbiorców do tego, że w wielu układach opłaca się zastąpić optoprzekaźniki nowoczesnymi multiplekserami analogowymi, autorzy dokumentu przedstawiają wykres, sugerujący wpływ starzenia diody LED w miarę czasu eksploatacji (rysunek 21) na sukcesywne zwiększanie zapotrzebowania obwodu wejściowego na prąd zasilania.
Choć z pewnością efekt ten faktycznie będzie występował po wielu tysiącach godzin ciągłej pracy, to wątpliwe wydaje się, by był on jakkolwiek odczuwalny w typowych aplikacjach, zwłaszcza przy zasilaniu nadajnika prądem o zalecanym przez producenta natężeniu. Z drugiej strony, istotną przewagą optoprzekaźników nad monolitycznymi multiplekserami jest obecność bariery galwanicznej, dającej projektantom niebywałą wprost elastyczność w sterowaniu rozmaitymi obwodami urządzenia, pracującymi często na znacznie różniących się potencjałach.
Na koniec tej części artykułu warto wspomnieć jeszcze o podgrupie produktów marki Panasonic, która – nieco myląco dla odbiorców – trafiła także do kategorii PhotoMOS, choć opiera się na diametralnie innej konstrukcji. Zamiast optycznej bariery izolacyjnej, zastosowane w niej zostało bowiem sprzężenie pojemnościowe (rysunek 22).
Układ ma znaną z optoprzekaźników topologię wyjściową, bazującą na tranzystorach MOSFET, ale sterowanie prostym sygnałem optycznym zostało tutaj zastąpione rozbudowanymi układami oscylatora oraz układu odbiorczego z prostownikiem i demodulatorem – daje to możliwość znacznego zmniejszenia poboru prądu wejściowego (do 0,2 mA, co jest wynikiem przynajmniej kilkudziesięciokrotnie lepszym, niż w przypadku optoprzekaźników) oraz wymiarów obudowy (wersja TSON ma wymiary zaledwie 1,95×1,80×0,8 mm, co zostawia daleko w tyle nawet najmniejsze konstrukcje optyczne – patrz rysunek 23).
Przekaźniki MEMS
Opisane wcześniej optoprzekaźniki nieprzypadkowo porównaliśmy do transoptorów i przekąźników SSR – w obydwu przypadkach bowiem przełączanie obciążenia odbywa się na drodze sterowania elementami półprzewodnikowymi, co w wielu aplikacjach nie będzie wprawdzie niosło ze sobą szczególnych utrudnień ani pogorszenia parametrów, ale w bardziej wymagających zastosowaniach może okazać się sporym problemem. Możliwości produkcyjne współczesnych półprzewodników pozwalają jednak na połączenie części zalet z dwóch naprawdę odległych technologii – tradycyjnych przekaźników elektromechanicznych oraz półprzewodnikowych miniprzekaźników optycznych. Przełączniki MEMS – bo o nich mowa – oferują z jednej strony niezwykle kompaktowe wymiary, niski pobór mocy oraz możliwość sterowania bezpośrednio z poziomu linii I/O procesora bądź FPGA, z drugiej zaś – pracują w oparciu o fizyczne łączenie i rozłączanie styków, co pozwala na skorzystanie z dobrodziejstw konwencjonalnych przekaźników.
Przełączniki (czy też przekaźniki) MEMS mają budowę hybrydową (rysunek 24) – obok układu sterującego (jeśli został on przewidziany przez producenta) znajduje się sekcja właściwych przełączników mechanicznych, wykonanych jednak w skali rzędu mikrometrów (fotografia 17).
Aktualnie istnieją dwie zbliżone do siebie koncepcje konstrukcji części mikromechanicznej, czyli „serca” przekaźnika MEMS. Pierwsza z nich – szeroko promowana przez firmę Analog Devices – opiera się na jednostronnej dźwigni, odchylanej przez siły elektrostatycznego przyciągania, panujące pomiędzy statyczną elektrodą umieszczoną w podłożu, a samą dźwignią przełącznika (rysunek 25) – powrót dźwigni do pozycji spoczynkowej odbywa się rzecz jasna przez naturalną sprężystość dźwigni, czyli w sposób typowy dla technologii MEMS.
Po opanowaniu podstawowej technologii nic nie stoi na przeszkodzie, by powtarzać ją w ramach tej samej mikrostruktury w bardziej złożonych konfiguracjach styków przełączanych (np. SP4T – rysunek 26).
Inną wersję technologii wykorzystuje firma Menlo, m.in. w układzie MM5130 (fotografia 18). Układ opiera się na elastycznej belce, zawieszonej na dwóch podparciach nad statyczną elektrodą, pokrytą cienką warstwą słabego dielektryka. Odchylenie belki za pomocą pola elektrycznego powoduje jej ugięcie i w efekcie dociśnięcie do powierzchni dielektryka.
Technologia taka umożliwia nie tylko pracę z sygnałami mikrofalowymi (nawet do 26 GHz), ale – co ciekawe – również z napięciem stałym i to przy prądzie rzędu 500 mA (maksymalna moc sygnału RF w trybie pulsacyjnym dochodzi nawet do 150 W!). Układ odstaje zresztą od swoich konkurentów nie tylko pod względem zastosowanej technologii na poziomie mikrostruktury – jakby tego było mało, całość jest bowiem wykonana na bazie stabilnej, szklanej obudowy, co doskonale widać na fotografii 18. Prąd upływu w stanie rozłączenia nie przekracza 150 nA (w typowych warunkach jest 10× mniejszy), zaś rezystancja zamkniętego przełącznika wynosi typowo 1,2 Ω (max. 3 Ω).
Warto dodać, że implementacja układowa przełącznika MM5130 nie należy do najłatwiejszych – to do użytkownika należy bowiem zapewnienie odpowiedniego napięcia odchylania mikroskopijnych belek przełączników, gdyż układ jako taki jest konstrukcją pasywną (rysunek 28).
Nie byłoby w tym nic szczególnie zaskakującego, gdyby nie fakt, że do wysterowania miniaturowych belek konieczne jest napięcie rzędu około 90 V – wymaga to zatem zainstalowania w układzie przetwornicy podwyższającej napięcie lub powielacza. Na całe szczęście jednak pobór prądu wejść RFxGATE – jak przystało na rozwiązania elektrostatyczne – jest znikomy i wynosi zaledwie 2...10 nA. Konstrukcja omawianego przekaźnika jest też fenomenalnie szybka – zapewnia bowiem czasy włączania i wyłączania na poziomie – odpowiednio 8,5 (max. 16) i 2,5 (max. 6) μs.
Wspomniany powyżej problem wysokiego napięcia wymaganego do sterowania belki został także dostrzeżony przez konstruktorów z firmy Analog Devices, którzy w oferowanym przez ADI układzie ADGM1004 zaimplementowali wbudowany generator wysokiego (z punktu widzenia elektroniki cyfrowej) napięcia, rzecz jasna wraz ze wszystkimi obwodami dodatkowymi: translatorami poziomów logicznych, oscylatorem oraz interfejsem SPI (współdzielącym wyprowadzenia I/O układu z wejściami poszczególnych kanałów) i sterownikami wysokonapięciowymi, połączonymi z wewnętrzną pompą ładunkową.
Schemat układu ADGM1004 przedstawiono na rysunku 29. Sekcje styków mikromechanicznych mogą pracować z sygnałami w szerokim spektrum od DC do 13 GHz, należy jednak wspomnieć, że technologia ta również nie jest pozbawiona wad – przykładowo, sterowanie przełączników odbywa się 10...30-krotnie wolniej, niż w przypadku przedstawionego wcześniej układu MM5130 (czasy włączania i wyłączania dochodzą do 75 μs).
Przekaźniki do aplikacji fotowoltaicznych
Systemy fotowoltaiczne zyskują na znaczeniu i w dużej mierze napędzają trend rozwoju nowoczesnych sieci elektroenergetycznych, w których konsumenci stają się prosumentami – odsprzedającymi nadwyżkę wygenerowanej lokalnie energii z powrotem do sieci. Rozproszone generowanie energii coraz ściślej wiąże się też z jej magazynowaniem – niestabilny charakter odnawialnych źródeł energii (np. paneli słonecznych czy też turbin wiatrowych), wynikający z natury zjawisk przyrodniczych, wraz z problemem zapewnienia odpowiedniej wydajności sieci dla potrzeb ładowania pojazdów elektrycznych, wymaga zatem stosowania wytrzymałych i niezawodnych rozwiązań w zakresie łączenia poszczególnych bloków infrastruktury energetycznej.
Z tej prostej przyczyny, konstruktorzy urządzeń dla fotowoltaiki czy też stacji ładowania pojazdów elektrycznych potrzebują sprawdzonych przekaźników wysokoprądowych, zdolnych do pracy z dużymi obciążeniami i to zarówno w zakresie napięć przemiennych, jak i stałych. Firma Relpol opracowała serię przekaźników RS35, RS50 oraz RS80 (fotografia 19) o obciążalności styków – odpowiednio – 35 A, 50 A oraz 80 A.
Maksymalna moc łączeniowa dla pracy w kategorii AC1 wynosi 8750 VA, 12500 VA lub 20000 VA (oraz 90 W dla kategorii DC1, niezależnie od modelu przekaźnika). Co ważne, przekaźniki z omawianych serii oferują także doskonałe parametry w zakresie izolacji cewka-styki: odstępy powietrzne i powierzchniowe są nie mniejsze, niż 10 mm, zaś napięcie probiercze dla izolacji wzmocnionej wynosi aż 5000 V AC. Przekaźniki występują w obudowach o stopniu ochrony IP40 i w klasie RTII wg PN-EN 61810-7. Wyprowadzenia lutownicze (o przekroju prostokątnym) zostały dostosowane do montażu bezpośrednio na PCB urządzenia, czemu sprzyjają zresztą kompaktowe wymiary całości (rysunek 30). Praktyczną aplikację przekaźników ułatwia także niski poziom mocy trzymania (100 mW) oraz krótki czas powrotu (5 ms).
Warto dodać, że na rynku istnieje także szereg przekaźników, wyposażonych w dodatkową elektronikę i pełniących funkcje układów monitorujących wybrane parametry instalacji. W przypadku fotowoltaiki można spotkać się z urządzeniami przeznaczonymi do badania stanu izolacji po stronie paneli słonecznych (rysunek 31) – przykład takiego „inteligentnego” przekaźnika przedstawiono na fotografii 20.
Podobne podejście – jednak z wykorzystaniem innych parametrów – zastosowano także w obszernej grupie tzw. przekaźników nadzorczych, których zakres aplikacji wykracza dalece poza instalacje OZE.
Przekaźniki nadzorcze do silników (i nie tylko)
Współczesne przekaźniki nadzorcze są w stanie monitorować szereg wielkości fizycznych o znaczeniu krytycznym dla niezawodności i bezpieczeństwa użytkowania instalacji elektrycznych. Firma Relpol opracowała dwie główne grupy takich urządzeń – modułowe (fotografia 21) oraz w obudowach przemysłowych (fotografia 22), przy czym w ramach każdej z nich występują modele o zróżnicowanych funkcjach i zakresach pracy. Model przedstawiony na fotografii 21 to wielofunkcyjne urządzenie, kontrolujące natężenie prądu przemiennego w sieci jednofazowej, z możliwością ustawienia górnego i dolnego progu zadziałania, opóźnienia (od 0,5 s do 20 s) oraz jednego z sześciu trybów pracy.
Przykładowo – w najprostszej konfiguracji (oznaczonej jako OD) przekaźnik wyjściowy jest wyłączany, jeżeli wartość prądu przekroczy nastawę zadaną za pomocą pokrętła MAX i stan ten utrzyma się przez czas T ustalony za pomocą pokrętła DELAY. Powrót do stanu załączenia jest możliwy wtedy, gdy prąd w obwodzie spadnie poniżej wartości ustawionej pokrętłem MIN (rysunek 32).
W najbardziej rozbudowanym trybie pracy okienkowej z zatrzaskiem – WD+L (rysunek 33) przekaźnik jest rozłączany, jeżeli wartość prądu wykroczy poza zakres ograniczony przez nastawy pokręteł MAX i MIN (przez czas większy lub równy nastawie DELAY), ale jego ponowne włączenie jest możliwe dopiero po chwilowym odłączeniu zasilania systemu. Taki tryb pracy pozwala nie tylko na monitorowanie prądu jako takiego, ale zabezpiecza przed zagrożeniami, jakie mogłyby czyhać na operatora lub osoby postronne w momencie nagłego, niespodziewanego włączenia napędu maszyny (np. po usunięciu awarii).
Linia produktów RPN obejmuje ponadto przekaźniki nadzorcze dostosowane do detekcji zaniku fazy, asymetrii bądź zaburzenia kolejności faz w sieciach 3-fazowych, a także prostsze urządzenia, których celem jest monitorowanie temperatury silnika (za pomocą dołączonego do urządzenia, zdalnego termistora lub zestawu szeregowo połączonych termistorów PTC). Dostępne są także przekaźniki przeznaczone do nadzoru napięcia w sieciach 1-fazowych, a nawet do nadzoru zestyku termicznego bądź wykrywania zwarć w obwodzie termistorów. Analogiczne funkcjonalności, choć w „bardziej przemysłowym” wykonaniu, można znaleźć w przekaźnikach z serii MR tego samego producenta.
Przekaźniki do aplikacji militarnych i kosmicznych
Branże kosmiczna oraz wojskowa są – jak wiadomo – jednymi z najbardziej wymagających obszarów współczesnej techniki, nie tylko z uwagi na bardzo wysoki poziom niezawodności, ale także niezwykle trudne warunki środowiskowe. W przypadku przekaźników elektromechanicznych kluczowe znaczenie zyskują zwłaszcza wymagania dotyczące wibracji, przeciążeń czy też szerokich wahań temperatury. W ofercie firmy Microchip, która swego czasu przejęła innego producenta – markę Microsemi – można znaleźć obszerny wybór wysokiej klasy przekaźników, wśród których znajdują się wykonania dostosowane do rygorystycznych standardów branży militarnej oraz space, co pokażemy na dwóch przykładach.
Pierwszym z nich może być miniaturowy przekaźnik sygnałowy dla aplikacji kosmicznych – model BR17A marki Microsemi (fotografia 23).
Niewielki przekaźnik w niepozornej, metalowej puszce (kojarzącej się w pierwszej chwili raczej z elementami z poprzedniej epoki) jest w stanie niezawodnie pracować w szerokim zakresie temperatur od –65 do +125°C, znosi wibracje w paśmie od 38 do 2000 Hz (do poziomu 20 G) oraz może przetrwać 11-milisekundowe przeciążenie na poziomie 50 G. Rezystancja izolacji wynosi 10 GΩ w temperaturze pokojowej i spada do „zaledwie” 1 GΩ w temperaturze +125°C. Styki mogą pracować z prądami w zakresie do 2 A, ale równie dobrze radzą sobie z natężeniami 10...50 μA, przy czym producent wyraźnie zaznacza, że „raz, a dobrze” obciążone styki nie nadają się już więcej do pracy z delikatnymi sygnałami rzędu mikroamperów.
Inny moduł przekaźnika – tym razem przeznaczony do znacznie większych obciążeń – jest dostępny pod oznaczeniem BR235 (fotografia 24). Produkt spełnia wymogi normy wojskowej MIL-PRF-83536, może pracować z natężeniami prądu styków do 25 A (obciążenie rezystancyjne)/15 A (proste obciążenie indukcyjne), 10 A (silnik) czy też 5 A (lampa), przy czym w każdym przypadku dane są określone dla napięcia 28 VDC lub 115/208 V AC @ 400 Hz. Wytrzymała konstrukcja jest zdolna do pracy w temperaturach od –70 do +125°C, może przetrwać wibracje do 30 G (70...3000 Hz) i ogromne przeciążenie aż do 200 G (!) przez 6 milisekund.
Przekaźniki dla kolejnictwa
Wysokie wymagania środowiskowe stawia przed inżynierami także branża kolejowa. Wspomniana już wcześniej wielokrotnie firma Relpol wdrożyła do sprzedaży wiele modeli przekaźników, przeznaczonych do pracy w średnim zakresie prądów obciążenia (od 6 do 16 A) i montowanych w gniazdach wtykowych lub na płycie. Na fotografii 25 przedstawiono przykładowy przekaźnik z serii PRUCT-M, wyposażony w gniazdo GUC11S (montowane na szynie DIN / TS-35) i obejmę sprężynową MBA.
Komponent spełnia wymogi norm PN-EN 45545-2 (klasa palności V-0), PN-EN 61373 (odporność na udary mechaniczne i wibracje), PN-EN 50155 (wyposażenie elektroniczne taboru), PN-EN 60077-1 (podstawowe warunki eksploatacji wyposażenia elektrycznego) oraz PN-EN 61810-1 (bezpieczeństwo i aspekty funkcjonalne przekaźników o dużej zdolności łączeniowej), może pracować z napięciem przemiennym do 250 V i prądem do 40 A podczas załączania (obciążenie trwałe wynosi 16 A). Minimalne parametry łączeniowe to 5 V/5 mA/300 mW.
W ofercie firmy Relpol znalazła się także seria rozbudowanych, wielofunkcyjnych przekaźników czasowych MT-W – także dostosowanych do wymogów osprzętu kolejowego (fotografia 26).
Pomimo pozornie prostego interfejsu i niewielkich wymiarów, urządzenie oferuje aż 25 rozmaitych funkcji czasowych, do których może być wykorzystany zarówno obwód monitorowania napięcia zasilającego (co umożliwia np. realizację załączenia przekaźnika wyjściowego w określonym odstępie czasowym po powrocie zasilania timera), jak i wejście sterujące S (dostępne na zaciskach A1, A2). Przekaźnik jest dostosowany do zasilania napięciami AC lub DC w szerokim zakresie od 12 V do 240 V, przy czym pobiera nie więcej, niż 2 VA. Wyjście jest obsługiwane przez 10-amperowy przekaźnik ze stykami przełącznymi (1P).
Przekaźniki czasowe i programowalne
Na koniec naszej prezentacji pozostawiliśmy grupę urządzeń, które wprawdzie bazują na przekaźnikach, ale dalece odbiegają poziomem oferowanych funkcjonalności i możliwości konfiguracyjnych od prostych elementów elektromechanicznych. I tutaj znów posłużymy się przykładem rodzimego Relpola, który wdrożył przeszło 30 serii przekaźników czasowych, dostosowanych do wymagań rozmaitych aplikacji: od uniwersalnych timerów realizujących po kilka funkcji i ustawianych za pomocą pokręteł, poprzez przekaźniki do budowy instalacji oświetlenia schodowego, aż po proste, jednofunkcyjne timery pracujące w wybranym, fabrycznie ustawionym trybie załączania wyjścia. Oprócz modułowych urządzeń dla automatyki budynkowej czy instalacji HVAC, firma Relpol oferuje też ultra-niskoprofilowe moduły przemysłowe (fotografia 27), które pomimo całkowitej szerokości równej zaledwie 6,2 mm umożliwiają realizację jednej z 9 funkcji czasowych i – co więcej – umożliwiają wymianę przekaźnika w razie awarii.
Całkowicie odrębną grupę urządzeń stanowią tzw. przekaźniki programowalne, choć w przypadku niektórych z nich określenie „przekaźnik” zdaje się być niezbyt trafne.
W rzeczywistości urządzenia z serii NEED marki Relpol (fotografia 28) to… pełnoprawne sterowniki PLC, które nie dość, że mają 8 wyjść przekaźnikowych (lub tranzystorowych) i 16 wejść (mogących pracować zarówno z napięciami analogowymi AC/DC), to w dodatku pozwalają na programowanie w języku drabinkowym (LAD) lub STL (rysunek 34). Warto dodać, że wyjścia sterowników mogą pracować z prądami na poziomie do 10 A/250 VAC lub 0,5 A/24 VDC, a same urządzenia wspierają komunikację po szynie MODBUS za pomocą dedykowanych modułów o nazwie NEED-MODBUS.
Podsumowanie
W artykule przedstawiliśmy szerokie spektrum technologii, stosowanych w najnowocześniejszych przekaźnikach sygnałowych oraz mikrofalowych, pokazaliśmy także wachlarz możliwości, jakie dają inżynierom przekaźniki oraz moduły (nadzorcze, programowalne i czasowe), pełniące rolę samodzielnych urządzeń zabezpieczających i kontrolnych w rozmaitych aplikacjach – począwszy od fotowoltaiki, poprzez kolejnictwo, aż po branże militarną i kosmiczną. Tematu rzecz jasna nie sposób wyczerpać na łamach pojedynczego artykułu – na rynku wciąż pojawiają się nowe modele i technologie, które raz po raz podnoszą i tak już wysokie poprzeczki. Dość powiedzieć o technologii MEMS – opisanym powyżej dwóm topologiom struktur ze sterowaniem elektrostatycznym już „depczą po piętach”… aktuatory magnetyczne. W ten sposób technologia zdaje się zataczać koło – choć wyszliśmy od przekaźników elektromechanicznych, to po niewyobrażalnej wprost miniaturyzacji powracamy znów do sterowania za pomocą poczciwej cewki, choć w tym przypadku wykonanej na poziomie krzemowej mikrostruktury. Mało tego – istnieją już realizacje hybrydowych przekaźników MEMS o (relatywnie) dużej mocy, w których przełącznik mikromechaniczny jest wspierany przez tranzystor MOSFET. Należy się spodziewać, że w miarę wzrostu popularności nowoczesnych przekaźników zwiększać się będzie także zakres ich praktycznych zastosowań, choć nie wydaje się, by w najbliższych dekadach miały one wyprzeć z rynku konwencjonalne, solidne przekaźniki elektromagnetyczne czy nawet SSR.
inż. Przemysław Musz, EP
