wersja mobilna
Online: 716 Sobota, 2016.12.03

Technika

Przekaźnik bistabilny rozwiązuje problemy z dużym poborem mocy w układach sterowania

czwartek, 23 maja 2013 13:35

Powolną i ewolucyjną zmianą technologiczną w przekaźnikach jest niewątpliwie stopniowe obniżanie poboru mocy przez cewkę elektromagnesu. Wiele nowości wchodzących na rynek ma zmniejszone zapotrzebowanie na moc zasilania dla tego elementu. To dlatego, że pobór mocy przez współczesne układy elektroniczne jest dzisiaj tak mały, że w wielu urządzeniach, łącznie z tymi opartymi na mikrokontrolerach, które wykorzystują przekaźniki elektromagnetyczne jako element wykonawczy, moc pobierana przez przekaźnik wielokrotnie przekracza tę zużywaną przez elektronikę.

Tradycyjny przekaźnik elektromagnetyczny o obciążalności styków 16 A/250 V i z cewką 12 V pobiera około 0,4...0,8 W, aby zamknąć zestyki i utrzymać je zamknięte. Moc ta jest wytracana w cewce w postaci ciepła, a jej wartość coraz częściej uznawana za zbyt dużą, co skłania wielu producentów tych elementów do działań, aby tę moc zasilania obniżyć. Jest to istotne nie tylko z uwagi na trendy ekologiczne oraz ceny energii, ale także dlatego, że energia zasilania nagrzewa cały element i negatywnie wpływa na długoterminową trwałość przekaźnika.

Producenci przez cały czas starają się ograniczyć potrzeby energetyczne przekaźników, co uzyskuje się głównie za pomocą dopracowanej konstrukcji mechanicznej zmniejszającej moc niezbędną do zamknięcia zestyków. Wprawdzie moc, jaką pobiera elektromagnes maleje, niemniej z uwagi na ograniczenia natury fizycznej nigdy nie da się jej obniżyć do poziomu pojedynczych miliwatów. Wersje "czułe" pobierają mniej więcej połowę tego, co zwykłe, stąd przykładowy przekaźnik tego typu zadowala się mocą 250-500 miliwatów. Różnica jest spora, ale z punktu widzenia wielu aplikacji nadal niewystarczająca.

Mniejszą moc sterującą zapewniają przekaźniki półprzewodnikowe oparte na tranzystorach MOSFET, niemniej z reguły wymagają one większego napięcia sterującego, co też jest kłopotliwe. Rozwiązaniem wielu takich problemów może okazać się wykorzystanie w aplikacji przekaźnika elektromagnetycznego w wersji bistabilnej, który w elektronice nie jest tak popularny jak wersja monostabilna, ale w dobie drożejącej energii już najwyższy czas, aby się to zmieniło.

Przykładem aplikacji, do której pasuje bistabilny przekaźnik, może być programator czasowy sterujący ogrzewaniem domu, bazujący na mikroprocesorze i wyświetlaczu LCD. Taki układ przy zasilaniu 3 V pobiera od kilku do kilkunastu mikroamperów, a więc dwie baterie R6 wystarczają na minimum 5 lat działania. Dołączenie do tego układu zwykłego przekaźnika nie pozwala na zasilanie z baterii, a już na pewno nie na długo. W praktyce oznacza to konieczność położenia kabli i podciągnięcia zasilania sieciowego do urządzenia, a to już jest nierzadko duży kłopot.

Miniaturowe przekaźniki bistabilne z serii RMB841 i RMB851 firmy Relpol

Nowe przekaźniki Relpol RMB841 oraz RMB851 mogą przełączać prądy do 8 A/250 VAC w wykonaniu z dwoma zestykami zwiernymi lub 16 A/250 VAC z jednym zestykiem zwiernym. Wykonano je w obudowach identycznych, jak najbardziej popularna na rynku seria przekaźników monostabilnych RM84 oraz RM85.


Niewielkie wymiary, styki bez kadmu, napięcie probiercze 5000 V, odległość izolacyjna 10 mm i pojedyncza cewka, to podstawowe parametry nowych przekaźników bistabilnych. Przekaźniki należy zasilać impulsowo. Minimalny czas trwania impulsu to 15 ms, a maksymalny to 1 minuta. RM841 oraz RM851 nadają się do montażu na płytce drukowanej oraz do gniazd wtykowych. Standardowo dostępne są w wykonaniu szczelnym IP67 oraz w wersjach specjalnych z przezroczystą obudową i klasą szczelności IP40.

Przekaźnik bistabilny

Załączenie napięcia powoduje przepływ prądu w uzwojeniu co wymusza załączenie styków przekaźnika. Magnes trwały wbudowany w elektromagnes powoduje przytrzymanie styków w pozycji ustalonej po wyłączeniu zasilania. Przekaźnik pozostaje w tym stanie dowolnie długo i nie ma konieczności, aby przez uzwojenie elektromagnesu płynął stale prąd. Jest to najważniejsza różnica funkcjonalna między wersją monostabilną i bistabilną.

Wyłączenie przekaźnika wymaga podania na cewkę napięcia o odwrotnej polaryzacji, po to, aby wysunięty magnes został wciągnięty z powrotem do położenia wyjściowego, a styki rozłączone. Różnice w stosunku do wersji tradycyjnych dotyczą zatem konstrukcji dźwigni przełączającej styki i rdzenia elektromagnesu. Zamiast nieruchomego walca z miękkiej stali mamy ruchomy magnes.

O ile zasada działania tego elementu jest prosta, o tyle wykonanie mechaniczne nie jest banalne i producenci tych elementów muszą pokonać wiele problemów związanych z zapewnieniem pewności działania i długoterminowej jakości elementu ruchomego. Stąd konstrukcja mechaniczna produkowanych rzadko jest tak prosta i bazuje na elektromagnesie z namagnesowanym rdzeniem i kotwicy z miękkiej stali.

Wersje przekaźników

Rys. 1.

Na rynku występują dwie wersje przekaźników bistabilnych, z pojedynczą cewką i podwójną. Wersje dwuuzwojeniowe mają dwa oddzielne uzwojenia elektromagnesu nawinięte w przeciwnych kierunkach, dzięki czemu nie trzeba zmieniać polaryzacji sygnału sterującego przy przełączaniu zestyków. Niemniej przekaźnik taki jest bardziej złożony od strony mechanicznej i przez to droższy.

Jego sterowanie polega na podaniu napięcia na jedno uzwojenie, aby zamknąć styki, a następnie na drugie, aby je otworzyć. Wersja jednocewkowa wymaga zmiany polaryzacji sygnału sterującego na przeciwny. Na rysunku 1 pokazano przykładowy układ sterujący. Cechą charakterystyczną układu jest to, że nie pobiera prądu w stanie ustalonym, bowiem niezbędna do przełączenia energia jest gromadzona w kondensatorze. Co więcej, przekaźnik bistabilny może być zasilany w tym układzie ze źródła o niewielkiej wydajności prądowej.

W kolejnym artykule za miesiąc przybliżymy konstrukcję układów sterujących przekaźnikiem bistabilnym i pokażemy, w jaki sposób używać tego elementu w systemach mikroprocesorowych.

Relpol S.A.
www.relpol.com.pl