Jak dobrać przekaźnik do aplikacji?

Jak dobrać przekaźnik do aplikacji?

Jeśli budujemy urządzenie, którego zadaniem jest włączenie/wyłączenie jakiegoś odbiornika energii elektrycznej, to naturalnym wyborem dla stopnia mocy jest przekaźnik elektromechaniczny. Ma on szereg zalet, wśród których najbardziej cenione są separacja galwaniczna obwodów (sterującego i załączanego) oraz łatwość aplikacji. Ponadto, można wybierać spośród modeli mających różne zestyki, pracujące w różnych konfiguracjach, wykonane z różnych materiałów. Przegląd oferty dystrybutorów i producentów przekaźników może przyprawić o zawrót głowy. Przecież przekaźnik to nieskomplikowane, dobrze znane od lat urządzenie, wytwarzane przez wiele firm. Czy naprawdę jest potrzebne aż tyle ich typów? Czy nie da się wykonać jednego, na może trzech uniwersalnych przekaźników i jedynie powielać ich w różnych zakładach? Co powoduje, że oferta przekaźników musi być tak zróżnicowana. I ważniejsze - czym ma się kierować konstruktor urządzenia dobierając do niego przekaźnik?

Użycie przekaźnika w aplikacji ma szereg zalet. Jak wspomniano we wstępie, do najważniejszych należy galwaniczne rozdzielenie obwodów sterującego i sterowanego. W ten sposób zyskuje się łatwe do wykonania, niedrogie zabezpieczenie przed gwałtownymi zmianami prądu i napięcia powodowanymi przez obciążenie, zaburzeniami i innymi zjawiskami, które mogą uszkodzić mikrokontroler lub inny układ sterujący. Przekaźnik może też mieć więcej niż jedną parę zestyków, co pozwala na dołączenie i jednoczesne sterowanie dodatkowych obwodów, które również mogą być odseparowane galwanicznie, pracować z innym napięciem zasilającym i służyć do sygnalizowania pracy przekaźnika.

Pomimo podwyższonej odporności przekaźnika elektromechanicznego na uszkodzenia (bo zepsucie zestyków wcale nie jest takie łatwe), również i one ulegają uszkodzeniu. Zwykle w takiej sytuacji „wypaleniu” ulegają zestyki i przekaźnik lub jego część mogą wymagać wymiany. W szczególnie narażonych na to obwodach można używać podstawek pod przekaźniki lub przekaźników z wymiennymi zestykami, dzięki którym wymiana uszkodzonego komponentu jest łatwa, szybka i nie wymaga lutowania. A w innej sytuacji - podstawowy sprzęt i narzędzia do lutowania pozwolą na rozwiązanie problemu w przysłowiowe 5 minut. Sama diagnostyka i naprawa też nie wymagają jakichś szczególnych umiejętności.

Można znaleźć więcej argumentów, które przemawiają za użyciem przekaźnika w aplikacji, jednak mimo wymienionych zalet i tego, że autor jest entuzjastą przekaźników, trzeba też mieć świadomość ich wad wynikających z budowy i właściwości fizycznych. Pierwszą, z którą natychmiast przyjdzie się nam zmierzyć jest przepięcie powstające w momencie wyłączenia zasilania cewki. Kolejną, mogącą mieć wpływ na sterowane obciążenie, są drgania zestyków, generowane przy tym przepięcia. Jako kolejne należy wymienić długi czas propagacji pomiędzy załączeniem zasilania cewki a zwarciem lub rozwarciem zestyków. Będzie o tym mowa w dalszej części artykułu, gdzie w kolejnych akapitach dokładniej omówimy tę tematykę po to, aby świadomie wybrać właściwy przekaźnik do projektowanego urządzenia.

Przekaźniki ze względu na nieskomplikowaną budowę często są lekceważone przez konstruktorów urządzeń elektronicznych. Zwykle skupiają się oni na różnych aspektach sterowania przekaźnikiem, natomiast sam dobór elementu wykonawczego jest dokonywany na zasadzie „aby się zmieścił”, „aby pasowało napięcie” i „jakiś się wybierze”. Takie podejście owocuje szeregiem kłopotów, ponieważ właściwy dobór parametrów przekaźnika do aplikacji jest równie istotny, jak prawidłowy dobór parametrów tranzystorów lub innych elementów półprzewodnikowych.

Bezpieczeństwo

Przekaźnik realizuje trzy podstawowe zadania:

  • Odseparowuje galwanicznie obwód sterowania od obwodu zasilania obciążenia. Napięcie przebicia nawet najmniejszych przekaźników sięga kilowoltów, co umożliwia zapewnienie bezpieczeństwa użytkownika.
  • Dokonuje konwersji poziomów napięcia, na przykład, zwykle niewielkiego, panującego w obwodzie sterującym na znacznie wyższe, występujące w obwodzie obciążenia.
  • Pozwala na przełączanie sporego obciążenia za pomocą niewielkiej mocy wymaganej do zasilania cewki przekaźnika.

Aby spełnić surowe wymagania odnośnie do bezpieczeństwa użytkownika oraz urządzenia, producenci przekaźników muszą je wytwarzać zgodnie z normami obowiązującymi dla tych produktów. Dodatkowo, parametry przekaźników również powinny być znormalizowane, aby można było dobierać je do aplikacji w podobny sposób, jak dobiera się tranzystory.

Typowo, jeśli karta katalogowa danego przekaźnika nie informuje inaczej, został on skonstruowany oraz wyprodukowany zgodnie z następującymi standardami europejskimi oraz międzynarodowymi:

  • EN 61810-1 ed.2, IED 61810-7, EN 60255-23 dla przekaźników NO, NC, CO.
  • EN 61812-1 dla przekaźników czasowych.
  • EN 60669-1 i EN 60669-2-2 dla elektromechanicznych przekaźników schodowych (do sterowania oświetleniem na klatkach schodowych).
  • EN 60669-1, EN 60669-2-1 i EN 60669-2-3 dla elektronicznych przekaźników schodowych, wyłączników schodowych i przekaźników sterowanych światłem.

W warunkach europejskich, inne standardy, używane jako odniesienie dla zagadnień związanych z podwójną izolacją, to:

  • VDE 0106 jako podstawowy.
  • EN 60335 (VDE 0700) dla aplikacji domowych, zalecający dystans 8 mm pomiędzy doprowadzeniami cewki i styków.
  • EN 50178 (VDE 0160) dla aplikacji przemysłowych, zalecający odstęp 5,5 mm oraz od 6,4 do 8 mm pomiędzy doprowadzeniami cewki oraz styków.

Zgodnie z normą EN 61810-1 wszystkie parametry są podawane w standardowych warunkach otoczenia, to jest w temperaturze 23°C, przy ciśnieniu atmosferycznymi 96 kPa, wilgotności 50%, w warunkach czystego powietrza i dla częstotliwości prądu przemiennego 50 Hz. Typowo, tolerancja rezystancji cewki, rozpraszanej przez nią oraz pobieranej mocy wynosi ±10%. Jeśli warunki panujące w otoczeniu będą inne, to parametry przekaźnika również mogą ulec zmianie. Dotyczy to zwłaszcza mocy strat występującej na cewce elektromagnesu oraz napięcia termoelektrycznego na zestykach przekaźnika.

Obciążenie zestyków przekaźnika

Obciążeniem zestyków przekaźnika - co naturalne - jest obwód elektryczny. Taki obwód zwykle ma charakter rezystancyjny, pojemnościowy lub indukcyjny, ale prawda jest taka, że w realnej sytuacji trzeba założyć, iż mamy do czynienia z obwodem mieszanym. Dla przykładu, każdy wie, że żarówka ma charakter rezystancyjny, jednak jej rezystancja jest nieliniowa i gwałtownie rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Prąd płynący przez żarówkę jest bardzo duży po załączeniu (około 20 razy większy niż nominalny), gdy jest ona jeszcze zimna i stabilizuje się po rozgrzaniu włókna, co do złudzenia przypomina ładowanie kondensatora włączonego na wejściu zasilacza. Co prawda, na tym podobieństwo się kończy, ponieważ żarówka nie sprawi nam niespodzianki, którą może sprawić kondensator przy wyłączeniu napięcia. Na przykład, żarówka o mocy 75 W pobiera ze źródła napięcia 230 V prąd nominalny 0,625 A po ustabilizowaniu się temperatury włókna, jednak po załączeniu zasilania, gdy włókno jest zimne płynie prąd o natężeniu około 13 A, co musi uwzględnić konstruktor aplikacji. W związku z tym, że zestyki przekaźnika mogą przez krótki czas przewodzić prąd o natężeniu większym niż znamionowy, to taka żarówka zestyki może być bezpiecznie załączana przez przekaźnik o zestykach 230 V/10 A AC.

Obciążenie pojemnościowe „chce” stałego napięcia i przeciwdziała jego zmianom. W związku z tym, po zwarciu zestyków płynie bardzo duży prąd, który może spowodować ich zgrzanie. Obciążenie indukcyjne „chce” stałego prądu i tłumi jego zmiany. Otwarcie zestyków i przerwanie obwodu prądu powoduje generowanie przepięcia, co może spowodować powstanie łuku elektrycznego pomiędzy zestykami i ich uszkodzenie (wypalenie).

Specyficznym rodzajem obciążenia, które może być załączane przez przekaźnik, jest silnik prądu przemiennego (po otwarciu obwodu silnik może stać się generatorem napięcia). Dlatego często w danych technicznych przekaźnika często odrębnie podaje się parametry silnika, który może być sterowany przez przekaźnik, a przede wszystkim nominalną wartość mocy silnika zasilanego prądem, którą styki przekaźnika mogą załączać zgodnie z normami EN 60947-1, UL 508 i CSA 22.2 n.14. Typowo, moc silnika jest podawana w kW. Jeśli w aplikacji docelowej jest zmieniany kierunek obrotów silnika, to zawsze jest dozwolona pośrednicząca przerwa o czasie trwania powyżej 300 ms. Pomimo tego może występować impuls prądowy o bardzo dużym natężeniu spowodowany zmianą polaryzacji silnika, który może spowodować zgrzanie się zestyków przekaźnika.

Innym rodzajem odbiorników, z którym muszą „poradzić” sobie przekaźniki są lampy oświetleniowe. Maksymalne obciążenie jest podawane dla lamp żarowych i fluorescencyjnych zasilanych napięciem 230 V AC. Domyślnie zakłada się, że lampy fluorescencyjne są odpowiednio skompensowane dla uzyskania wartości współczynnika cos φ≥ 0,9.

Konstruktor urządzenia musi wiedzieć, jaki charakter będą miały zasilane obwody elektryczne. Wydaje się, że w najtrudniejszej sytuacji mogą być konstruktorzy sterowników PLC, którzy nie są w stanie przewidzieć, jakiego rodzaju obciążenie będzie sterowane za pomocą z założenia uniwersalnych PLC w warunkach przemysłowych.

Nie zawsze przekaźniki są używane do sterowania obciążeniem. Niekiedy stosuje się je do przełączania sygnałów lub obwodów wejściowych, chociaż w miarę rozwoju przyrządów półprzewodnikowych liczba aplikacji tego typu jakby maleje. Z punktu widzenia przełączania sygnałów, zwłaszcza w dobie maksymalnego ograniczania poboru mocy, istotnym parametrem charakteryzującym przekaźnik jest minimalne obciążenie zestyków. Konstruktor elektronik musi wiedzieć, że nie każdy przekaźnik nadaje się na przełącznik źródeł sygnału audio, do załączania termopary, wejść pomiarowych itp. W danych katalogowych można znaleźć minimalną wartość mocy, napięcia i prądu, które zestyki mogą pewnie przełączać. Na przykład, jeśli podano minimalną wartość 300 mW, 5 V/5 mA, to:

  • dla napięcia 5 V prąd musi mieć wartość co najmniej 60 mA,
  • dla napięcia 24 V prąd musi mieć wartość co najmniej 12,5 mA.
  • dla 5 mA napięcie musi wynosić co najmniej 60 V.

Dla kontaktów złoconych jest sugerowane obciążenie 50 mW, 5 V/2 mA. Gdy konieczne jest uzyskanie mniejszych wartości przełączanej mocy prądu, zestyki można łączyć równolegle. Uwaga! Styki przekaźnika mogą być złocone w różnych celach. Na przykład, jeśli warstwa złota ma grubość 3…5 μm, to nałożono ją dla ochrony styków podczas przechowywania przekaźnika, a nie dla poprawy jego parametrów elektrycznych.

Rezystancja zwartych kontaktów jest mierzona na zewnętrznych doprowadzeniach przekaźnika i jest ona związana z kategorią zestyków (tabela 1). Jest ona wartością statystyczną, chwilową i niereprodukowalną. Dla większości aplikacji nie ma ona wpływu na odpowiedniość przekaźnika. Typowo wartość rezystancji styków, mierzona przy 24 V/100 mA to 50 mΩ.

Efektywność, z którą zestyki przekaźnika mogą załączać obwód elektryczny jest zależna od: materiału używanego na kontakty, jego narażenia na działanie czynników zewnętrznych, budowy zestyków i innych. Dla poprawnej pracy zestyków oraz ułatwienia ich doboru w zależności od rodzaju aplikacji, konieczna jest specyfikacja kategorii aplikacji. Jest ona jednym z czynników definiujących zdolność do przełączania przez styki przekaźnika w warunkach minimalnych i maksymalnych wartości napięcia i prądu przewodzonego przez zestyki. Odpowiednia kategoria aplikacji definiuje również wartości napięcia i prądu używane przy pomiarze rezystancji kontaktu. W tabeli 2 wymieniono rodzaje materiałów używanych do wykonywania styków przekaźników wraz z ich krótką charakterystyką.

Konfiguracja zestyków przekaźnika

Zwykle stosuje się przekaźniki o zestykach normalnie otwartych (NO) lub normalnie zamkniętych (NC), jednak w niektórych zastosowaniach mogą być wymagane zestyki przełączane (CO). Oznaczenia konfiguracji zestyków umieszczono w tabeli 3. Stosowany powszechnie w Europie standard EN50005 zaleca stosowanie następującej numeracji dla doprowadzeń przekaźników:

  • .1 dla doprowadzeń wspólnych (np. 11, 21, 31, ...),
  • .2 dla normalnie zwartych doprowadzeń (np. 12, 22, 32, ...),
  • .4 dla normalnie otwartych doprowadzeń (np. 14, 24, 34, ...),
  • A1 i A2 dla doprowadzeń cewki.

W przekaźnikach czasowych dla kontaktów działających z opóźnieniem stosuje się następującą numerację:

  • .5 dla doprowadzeń wspólnych (np. 15, 25, ...),
  • .6 dla normalnie zwartych doprowadzeń (np. 16, 26, ...),
  • .8 dla normalnie otwartych doprowadzeń (np. 18, 28, ...).

Norma IEC67 i standardy amerykańskie zalecają:

  • postępującą numerację doprowadzeń kontaktów (1, 2, 3, ... 13, 14 itd.),
  • niekiedy oznaczenie A i B dla doprowadzeń cewki.

Warunki panujące w otoczeniu

Dla aplikacji przekaźnika niezmiernie istotne są warunki jego eksploatacji panujące w  bezpośrednim otoczeniu przekaźnika. Co oczywiste, będą one różne w zależności od miejsca, w którym będzie zamontowane urządzenie. Inne warunki panują na pokładzie samolotu, inne na pokładzie okrętu, w stacji pomp, a jeszcze inne w pojeździe lub na hali fabrycznej. Od wpływu środowiska można się odizolować stosując obudowę hermetyczną, ale nie zawsze jest to wskazane, możliwe lub uzasadnione. Aby poprawnie dobrać przekaźnik konstruktor musi wiedzieć, w jakich warunkach będzie eksploatowane urządzenie wyposażone w przekaźnik lub przekaźniki.

Typowo, jeśli w karcie katalogowej nie podano inaczej, przekaźnik jest przeznaczony do pracy przy współczynniku wypełnienia napięcia zasilającego cewkę wynoszącym 100%. W warunkach europejskich, cewki przekaźników zasilane prądem przemiennym, są przystosowane są do zasilania napięciem o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz. Dla zwykłego przekaźnika niedopuszczalna jest praca w warunkach, które powodują kondensację pary wodnej lub tworzenie się lub osadzanie lodu na przekaźniku.

Aby nie doprowadzić do uszkodzenia lub zakłócenia pracy układu sterującego pracą przekaźnika, zaleca się stosowanie zabezpieczeń nadnapięciowych (np. warystorów dla prądu przemiennego, diod dla prądu stałego) włączonych równolegle z cewką przekaźnika. Jeśli napięcie zasilające cewkę przekaźnika jest załączane przez czujnik zbliżeniowy, a długość kabli połączeniowych jest większa od 10 metrów, zaleca się dołączenie równolegle do doprowadzeń cewki dodatkowego obwodu służącego do tłumienia prądu szczątkowego (residual current bypass).

Trwałość przekaźnika

W celu określenia trwałości elektrycznej przekaźnika, zmiennoprądowe obciążenie testowe, rezystancyjne, kategorii AC1 (patrz parametry przekaźnika w ramce) jest dołączane do jego kontaktów. Kontakty są załączane przez cewkę przekaźnika zasilaną napięciem nominalnym. Obciążenie jest włączone pomiędzy wszystkie ruchome zestyki NO. Dla typowych przekaźników częstotliwość przełączania wynosi: cewka 900 cykli na godzinę, zestyki 900 cykli na godzinę (2 sekundy załączony, 2 sekundy wyłączony lub 1 sekunda załączony, 3 sekundy wyłączony dla ograniczonego prądu > 16 A). Dla przekaźników tzw. klatkowych (schodowych) cewka 900 cykli na godzinę, kontakty 450 cykli na godzinę (4 sekundy załączony, 4 sekundy wyłączony).

Poprawnie dobrany przekaźnika bardzo rzadko ulega uszkodzeniu z innego powodu, niż przeciążenie zestyków. Przekaźnik ma ruchome części, które ewentualnie mogą ulec uszkodzeniu, jednak raczej to nie one zmuszą nas do zastąpienia przekaźnika nowym. Trwałość przekaźnika podaje się w liczbie cykli włączony/wyłączony. Jak wspomniano wyżej, producent bada ją pod obciążeniem nominalnym, ale w rzeczywistej aplikacji często zdarza się, że zestyki przekaźnika przewodzą prąd o wiele mniejszy od nominalnego lub pracują bez obciążenia. Jak łatwo spodziewać się, w takich warunkach trwałość przekaźnika jest większa od nominalnej. W niektórych opracowaniach technicznych napotkałem stwierdzenia, że jeśli prąd obciążenia zestyków wynosi 70% wartości nominalnej, to trwałość jest o 30% większa, jednak trudno zweryfikować ich prawdziwość. Oczywiście, że taki przekaźnik będzie pracował dłużej, ale czy faktycznie tak łatwo obliczyć nową trwałość? 

W praktyce najczęściej używa się dwóch typów przekaźników: elektromechanicznych oraz kontaktronów. Zwykle to kontaktron ma większą trwałość ze względu na mniejszą liczbę ruchomych części. Przypomnijmy, że jest on zbudowany z dwóch zestyków zwieranych za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, zatopionych w szklanej rurce. Rurka jest hermetyczna, co zabezpiecza miejsce kontaktu przed wpływam zanieczyszczeń. Może też zawierać próżnię, co zapobiega iskrzeniu. Mimo zalet kontaktron ma dość delikatną budowę oraz niewielką przerwę pomiędzy zestykami, co predysponuje go raczej do przełączania obciążenia zasilanego stosunkowo niedużym napięciem i prądem o małym natężeniu.

Parametry cewki przekaźnika

Wybierając przekaźnik do aplikacji typowo zwracamy uwagę na napięcie znamionowe cewki oraz ewentualnie prąd jej zasilania. Warto wiedzieć, że cewkę przekaźnika charakteryzuje też szereg innych parametrów, na które warto zwrócić uwagę.

Pierwszym, już wspomnianym jest napięcie nominalne cewki. Producent podając ten parametr przytacza nominalną wartość napięcia cewki, dla której przekaźnik został opracowany. Do tego napięcia odnoszą się pozostałe parametry przekaźnika związane z prędkością jego pracy, mocą strat itp. Moc nominalna cewki jest podawana w W lub VA. Jest to wartość chwilowa mocy pobierana przez cewkę w temperaturze otoczenia 23°C przy zasilaniu napięciem nominalnym. Z mocą i temperaturą otoczenia jest związane maksymalne napięcie cewki, to jest największa, bezpieczna dla przekaźnika wartość napięcia powodująca jego zadziałanie.

Na napięcie nominalne będą miały wpływ nie tylko parametry samej cewki, ale również siły sprężystości występujące w przekaźniku. Jak łatwo spodziewać się, im są one większe, tym większe napięcie trzeba będzie przyłożyć do cewki. W karcie katalogowej można oprócz tego znaleźć jeszcze:

  • napięcie niezadziałania, to jest maksymalne napięcie, przy którym styki przekaźnika jeszcze nie zostaną przyciągnięte (przekaźniki NO) lub rozwarte (przekaźniki NC),
  • napięcie przyciągnięcia, to jest napięcie minimalne, które spowoduje przyciągnięcie styków (ich zwarcie - NO lub rozwarcie - NC),
  • napięcie podtrzymania, to jest najniższa wartość napięcia przyłożonego do cewki, przy którym przekaźnik (poprzednio zasilony napięciem o wartości nominalnej) nie zwalnia styków,
  • napięcie zwolnienia, to jest wartość napięcia cewki, przy której przekaźnik (poprzednio zasilony napięciem o wartości nominalnej) definitywnie zwalnia styki.

Rezystancja cewki zależy od liczby zwojów drutu oraz jego przekroju. Średnia wartość rezystancji cewki jest podawana w standardowych warunkach i temperaturze otoczenia 23°C. Nominalny pobór prądu to średnia wartość prądu cewki przy zasilaniu napięciem nominalnym. Dla przekaźników półprzewodnikowych podaje się prąd kontrolny, to jest nominalne natężenie prądu płynącego przez układ wejściowy, gdy jest on zasilany napięciem nominalnym.

Parametry izolacji

Jak pamiętamy z wcześniejszej lektury, jedną z ważniejszych funkcji przekaźnika jest rozdzielenie obwodów - sterującego i załączanego. Z tego punktu widzenia dużego znaczenia nabiera kolejny parametr nazywany koordynacją izolacji (EN 61810-1 ed.2 oraz 60664-1). Charakterystyczne parametry izolacji przekaźnika mogą być opisane przez nominalne napięcie szczytowe (Rated Impulse Voltage) oraz stopień zanieczyszczenia (Degree of Pollution).

Aby upewnić się, co do właściwej koordynacji izolacji pomiędzy przekaźnikiem a aplikacją, projektant urządzenia (użytkownik przekaźnika) powinien określić nominalną impulsową wartość napięcia odpowiednio dla swojej aplikacji oraz stopień zanieczyszczenia dla otaczającego mikro-środowiska, w którym pracuje przekaźnik. Na tej podstawie musi on dobrać odpowiedni dla aplikacji przekaźnik, zgodnie z parametrami określonym w karcie katalogowej danego typu przekaźnika.

Aby ustalić odpowiedni stopień zanieczyszczenia oraz wytrzymałość na impuls napięciowy należy odnieść się do właściwego standardu lub rozważyć dane podane w tabelach 4 i 5. Wybierając odpowiednią wytrzymałość napięciową należy kierować się wiedzą o nominalnej wartości zasilania i na temat kategorii napięciowej (jak podano w normie IEC 60664-1).

Jeśli podany jest tylko impuls napięciowy, jego wartość odnosi się do wszystkich obwodów elektrycznych: każde doprowadzenie do każdego i każde doprowadzenie do dostępnych powierzchni. Jeśli podawane są dwie wartości impulsu napięciowego, to pierwsza z nich odnosi się do kontaktów: każdy do każdego i każdy do dostępnych powierzchni oraz i do innych obwodów elektrycznych. Druga wartość podawana jest dla cewki w stosunku do dostępnych powierzchni oraz innych obwodów elektrycznych.

Istotnym parametrem z punktu widzenia aplikacji będzie też wytrzymałość dielektryczna. Tu producenci przekaźników podają dwa parametry. Jeden jest związany z koordynacją izolacji i określa izolację pomiędzy dowolnymi elementami przewodzącymi przekaźnika, a obwodem sterującym - cewką. Upraszczając można powiedzieć, że jest to maksymalne napięcie, przy którym obwód sterujący jest jeszcze bezpieczny. Wytrzymałość dielektryczną podaje się dla napięcia przemiennego lub dla impulsu 1,2/50 μs.

Innym parametrem jest wytrzymałość dielektryczna pomiędzy otwartymi kontaktami. Zwykle wartość tego napięcia znacznie przekracza maksymalne napięcie przełączane. Typowo, jako rezultat przerwy o szerokości 0,3...0,5 mm pomiędzy stykami jest uzyskiwana wytrzymałość dielektryczna około 1,3...1,5 kV (impuls 1,2/50 μs), ale dla konkretnej aplikacji zawsze należy odnieść się do danych katalogowych.

Ostatni sposób specyfikacji właściwości izolacji nawiązujący do koordynacji izolacji, zastępuje klasyfikację grupy izolacji, tak jak C250, nawiązującą do starego standardu VDE 0110. Dla aplikacji wysokiego ryzyka wymagane są specjalne rodzaje izolacji o podwyższonym stopniu izolacji i integralności pomiędzy obwodami. Zapewniana są one przez bezpieczną separację oraz podwójną izolację:

  • Niskie napięcie musi być odseparowane od sieci zasilającej 230 V AC przez podwójną lub wzmocnioną izolację. Oznacza to, że pomiędzy dwoma obwodami elektrycznymi musi być zapewniona wytrzymałość dielektryczna 6 kV (1,2/50 μs). Można to osiągnąć na przykład przez izolację powietrzną w postaci szczeliny od szerokości 5,5 mm. Należy jednak pamiętać, że wytrzymałość takiego dielektryka zależy od stopnia zanieczyszczenia mikrośrodowiska pracy oraz materiału bazowego, jeśli przekaźnik umieszczony jest na płytce drukowanej.
  • Obwody elektryczne w przekaźniku muszą być chronione przed jakąkolwiek możliwością zwarcia do siebie napięcia niskiego i napięcia sieci 230 V AC, na przykład przez luźne części metalowe znajdujące się wewnątrz przekaźnika. Osiągane jest to przez fizyczną separację obwodów dzięki umieszczeniu styków w izolowanych od siebie komorach wewnątrz przekaźnika.
  • Przewody dołączone do przekaźnika muszą być fizycznie odseparowane każdy od każdego. Normalnie jest to osiągane przez używanie odseparowanych kanałów kablowych.
  • Dla przekaźników montowanych na płytkach drukowanych musi być zapewniona właściwa odległość pomiędzy ścieżkami dołączonymi do niskiego napięcia i ścieżkami dołączonymi do innych napięć.

Niektóre przekaźniki oferowane są z opcją izolacji SELV. Mimo, iż aplikacje tego typu wydają się być bardzo złożone, stosując je użytkownik musi odnieść się tylko do dwóch ostatnich punktów. Dzięki wyprowadzeniom cewki i kontaktów umieszczonymi po przeciwnych stronach przekaźnika czy gniazda, ułatwiona jest separacja połączeń w różnych kanałach kablowych. Podobnie z układem ścieżek na płytce drukowanej.

Parametry techniczne

Praca przekaźnika jest charakteryzowana przez cykl, w którego trakcie następuje zadziałanie i wyłączenie przekaźnika. Podczas cyklu do cewki jest dołączone i odłączone napięcie nominalne, a zestyki przemieszczają się łącząc lub rozłączając obwód.

Trwałość mechaniczna przekaźnika określa jego odporność mechaniczną. Jest on podawany niezależnie od obciążenia, które przenoszą zestyki. Maksymalna trwałość elektryczna może być zbliżona do trwałości mechanicznej, gdy obciążenie elektryczne kontaktów jest bardzo małe.

Czas zadziałania upływa pomiędzy przyłożeniem nominalnego zasilania do doprowadzeń cewki, a momentem, gdy kontakt typu NO (normalnie otwarty) zostanie zwarty. Czas zadziałania nie uwzględnia czasu drgań styków.

Czas zwolnienia (rozłączenia) to typowa wartość czasu pomiędzy odłączeniem zasilania od cewki przekaźnika, a zwarciem kontaktów typu NC lub rozwarciem NO. Nie uwzględnia czasu drgań styków.

Czas zadziałania i czas zwolnienia mogą różnić się od podanych w katalogu, jeśli równolegle do styków przekaźnika dołączono obwody tłumiące przepięcie na cewce.

Podczas załączania przekaźnika na skutek sprężystości materiału i właściwości mechanicznych występuje drganie styków. Czas drgania styków określa typową wartość czasu trwania drgań styków, dla kontaktów typu NO lub NC.

Podsumowując, w danych katalogowych przekaźnika można znaleźć następujące czasy:

  • TA - czas załączenia,
  • TB - czas trwania drgań styków dla kontaktów typu NO,
  • TC - czas zwolnienia (przekaźniki NC),
  • TD - czas zwolnienia (przekaźniki CO),
  • TE - czas trwania drgań styków NC.

Zakres temperatury otoczenia informuje o temperaturze, w której jest umieszczony jest przekaźnik i dla których gwarantowana jest poprawna praca przekaźnika.

Odporność na warunki środowiskowe jest określana zgodnie z normą IEC 61810-7. Stopień uszczelnienia obudowy przekaźnika opisuje kategoria technologii - wymieniono je w tabeli 6.

Kategoria ochrony obudowy jest określana zgodnie z normą EN 60529. Pierwsza cyfra odnosi się do ochrony przed wchodzeniem stałych, obcych obiektów do wnętrza urządzenia jak również do dostępu do części stwarzających zagrożenie. Druga cyfra odnosi się do ochrony przed wtargnięciem wody. Dla przekaźników stopień IP jest określany dla normalnego użytkowania przekaźnika umieszczonego w gnieździe lub na płytce drukowanej. Dla złącz IP20 oznacza, że złącze jest zabezpieczone przed dotykiem (VDE0106).

Przykłady określenia stopnia ochrony:

  • IP 00 - brak ochrony (obudowa otwarta),
  • IP 20 - chronione przed obiektami stałymi o średnicy 12,5 mm i większej. Brak ochrony przed dostępem wody.
  • IP 40 - chronione przed obiektami stałymi o średnicy 1 mm i większej. Brak ochrony przed dostępem wody.
  • IP 50 - chronione przed pyłem (wchodzenie pyłu nie jest całkowicie chronione, ale pył nie będzie penetrował wnętrza w ilości umożliwiającej pogorszenie parametrów przekaźnika). Brak ochrony przed dostępem wody.
  • IP 67 - całkowicie chronione przed pyłem i chronione przed czasowym działaniem wody.

Warto pamiętać, że hermetyczna obudowa przekaźnika nie zawsze jest jego atutem. W pewnych warunkach pomiędzy zestykami przekaźnika może wystąpić łuk elektryczny. Jeśli przestrzeń pomiędzy zestykami nie będzie wentylowana, to zjonizowany gaz może podtrzymywać łuk nawet pomimo spadku napięcia na doprowadzeniach przekaźnika.

W aplikacjach poddanych wibracjom duże znaczenie ma siła przyciągania zestyków oraz ich bezwładność mechaniczna. Składają się one na parametr nazywany odpornością na wibracje. Jest to maksymalna wartość przyspieszenia (mierzona w g=9,81 m/s2) dla zakresu częstotliwości od 10 do 55 Hz, która może być zastosowana do przekaźnika w 3 osiach, bez otwarcia kontaktów typu NO na czas dłuższy niż 10 μs (cewka przekaźnika jest zasilona) lub kontaktów typu NC (cewka nie jest zasilana). W stanie zasilenia, odporność na wibracje jest zazwyczaj większa, niż w stanie odłączenia napięcia zasilającego. Ten parametr będzie miał szczególne znaczenie dla urządzeń stosowanych w pojazdach oraz w maszynach przemysłowych zawierających ciężkie, ruchome komponenty.

Przekaźniki półprzewodnikowe

Przekaźnik półprzewodnikowy ma szereg zalet, wśród do najważniejszych należy brak zużywających się elementów mechanicznych oraz odporność na wibracje. Trzeba jednak pamiętać, że ze względu na charakter półprzewodnikowy te przekaźniki są wykonywane w wariantach przeznaczonych do załączania napięcia stałego lub przemiennego. Współcześnie wewnątrz ich obudowy przeważniej znajdziemy tranzystory MOS, więc taki przekaźnik będzie miał pewną charakterystyczną rezystancję „zestyków”, na której wystąpią straty mocy. Konstruktor powinien zdawać sobie sprawę z tego, że przekaźnik półprzewodnikowy w stanie załączenia rozgrzewa się i może wymagać montażu na radiatorze.

Przekaźniki półprzewodnikowe są wykonywane na szeroki zakres napięcia sterującego. Często mają też wbudowane złożone obwody sterujące, wyposażone w interfejs cyfrowy, umożliwiające warunkowe załączenie, konfigurowanie sposobu pracy „zestyków”, ustawienie kąta załączenia i wyłączenie przy zerowym prądzie obciążenia. Separacja galwaniczna jest realizowana za pomocą transoptora. Dzięki małemu natężeniu prądu wzbudzenia (3 mA/3 V DC) najczęściej są używane do bezpiecznej separacji obwodów niskonapięciowych od obwodów wykonawczych przenoszących znaczne obciążenia, w których mogą wystąpić przepięcie, zwarcie lub przeciążenie.

Aby zapewnić prawidłową pracę przekaźnika półprzewodnikowego należy zwrócić uwagę na kilka istotnych czynników decydujących o jego doborze. Komponenty pracujące w aplikacjach przemysłowych wymagają zabezpieczenia przed zaburzeniami pochodzącymi z sieci lub generowanymi przez zasilany odbiornik. Zabezpieczenia przed przepięciem są realizowane za pomocą warystora włączonego równolegle na wyjściu. Specjalnego, fachowego podejścia wymaga zabezpieczenie przed przetężeniem. Dla zabezpieczenia „zestyków” przekaźnika należy stosować bardzo szybkie bezpieczniki. Taki bezpiecznik powinien być dobrany tym staranniej, im większą moc przełącza przekaźnik - te przeznaczone do komutowania dużego prądu są bardzo kosztowne. Właściwy dobór elementów zabezpieczających gwarantuje długą żywotność przekaźnika półprzewodnikowego w trudnych aplikacjach przemysłowych.

Na koniec

Zaglądając do oferty dystrybutorów można doznać zawrotu głowy. Współcześnie istnieje nie tylko problem dostępności, ile wyboru i doboru odpowiedniego komponentu. Jakimi kryteriami należy kierować się dokonując selekcji? Próbowałem na koniec w jakiś sposób zebrać kryteria i porady dotyczące sposobu doboru przekaźnika do aplikacji, jednak ich zastosowania są tak odmienne, że zawsze należy rozpatrywać konkretny przypadek. Podajmy więc na koniec garść porad ułatwiających określenie jakichś własnych kryteriów oraz poprawne dobranie przekaźnika:

  1. Parametry mechaniczne, wśród których są: wymiary przestrzeni dostępnej dla przekaźnika, sposób jego montażu (wlutowany w płytkę, montowany w podstawce, na szynie TH, przykręcany do podłoża lub wspornika), sposób dołączenia wyprowadzeń (lutowane, złącze, pojedyncze konektory, złącza śrubowe). Jeśli używany będzie przekaźnik półprzewodnikowy, to trzeba również zatroszczyć się o jego odpowiednie chłodzenie.
  2. Warunki montażu i funkcjonowania aplikacji docelowej: czy przekaźnik po zamontowaniu lub w trakcie pracy będzie myty, czy jest narażony na zanieczyszczenie zestyków, oblodzenie, kondensację pary wodnej, czy jest narażony na wibracje, czy wymaga dodatkowego mocowania do płytki lub zabezpieczenia za pomocą uchwytu lub sprężyny, czy będzie wlutowany w płytkę drukowaną. Jak często jest narażony na uszkodzenie i jak często może wymagać wymiany.
  3. Parametry elektryczne: napięcie i prąd przełączane przez zestyki, liczba zestyków, rodzaj (NO, NC, przełączane) minimalne i maksymalne napięcie przełączane, minimalny i maksymalny prąd przełączany, występowanie przepięcia i/lub przetężenia (co ma wpływ na dobór materiału, z którego są wykonane zestyki), koordynacja izolacji (wytrzymałość dielektryczna), napięcie i prąd pobierane przez cewkę elektromagnesu.
  4. Specjalne wymagania aplikacji, na przykład: czy aplikacja należy do kategorii tzw. bezpiecznych, czy będzie pracowała w pojeździe, na pokładzie samolotu lub statku, na jakiej wysokości nad poziomem morza będzie użytkowana i inne. Czy przekaźniki mają być oznakowane kolorami, czy mają mieć kontrolki sygnalizujące załączenie, czy jest wymagany obwód gaszący przepięcie, czy też jest on zamontowany w urządzeniu sterującym itp.

Dla mnie istotnym parametrem przekaźnika jest również nazwa producenta. W przeszłości spotkałem się z niedrogimi, dalekowschodnimi przekaźnikami, ale za to bardzo kiepskiej jakości. Dlatego, zwłaszcza do urządzeń opracowywanych do eksploatacji w warunkach przemysłowych, wybieram pewne i sprawdzone produkty, przeważnie firm europejskich, co do których jestem pewien, że wytwarzają swoje produkty zgodnie z przytoczonymi wcześniej normami.

Wśród przekaźników można również napotkać ich szczególne rodzaje, takie jak przekaźnik bistabilny, łączący/rozłączający zestyki po doprowadzeniu napięcia cewki i pozostający w jednym z dwóch stanów również po wyłączeniu napięcia zasilającego. Powszechnie stosowane są również przekaźniki czasowe, realizujące szereg programów wybieranych za pomocą przełącznika, o regulowanym lub predefiniowanym czasie zadziałania.

Przedstawiony wyżej skrót wiedzy pozwoli na poprawne interpretowanie chociaż części danych zawartych w kartach katalogowych przekaźników. Każdy konstruktor powinien pamiętać, że niezawodność urządzenia w dużej mierzy zależy od niezawodności wszystkich części składowych, bo jeśli chociaż jedna z nich zawiedzie, to awarii ulega cały sterownik, maszyna, sprzęt AGD itp. Z tego punktu widzenia na niezawodność całości ogromny wpływ ma właściwy, poprawny dobór komponentów, zgodnie z ich funkcjonalnością i późniejszym przeznaczeniem. Dlatego jeśli karta katalogowa przekaźnika jest niedostępna lub niewiarygodna, to może lepiej nie używać przekaźnika, nawet pomimo jego niskiej ceny? Pomimo pozornych oszczędności, późniejsze koszty mogą być ogromne: naprawy gwarancyjne, utrata wizerunku, konieczność ponownego zakupu komponentów jako części zamiennych.

Jacek Bogusz, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2019
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów