Przekaźnik bistabilny. Jak nim sterować?

Jeszcze dekadę temu to, czy przekaźnik zużywał jeden wat, czy pół, nie miało większego znaczenia, o wiele ważniejsze były czynniki związane z trwałością i dostępnością. Obecnie to się zmienia. Mimo że ogólne trendy zmieniające elektronikę takie, jak mobilność, rosnące znaczenie technik komunikacji bezprzewodowej, wydają się odległe bardzo od tego elementu, w praktyce przekaźnik często staje się barierą energetyczną blokującą rozwój.

Nie ma raczej szans na to, aby tradycyjny przekaźnik pobierał poniżej 100 mW mocy, stąd producenci wprowadzają na rynek wersje bistabilne, które energię pobierają przez chwilę, zużywając ją tylko w czasie zamykania, otwierania i przełączania zestyków. Do niedawna takich elementów na rynku nie było wiele, a ich ceny były wysokie. Tę ograniczoną dostępność można postrzegać jako drugi istotny czynnik, który ogranicza znajomość i popularność tego rozwiązania. Dopiero w ostatnich latach prace badawczo-rozwojowe przyspieszyły, a w handlu pojawiło się nieco nowości, czego doskonałym przykładem mogą być nowe opracowania firmy Relpol (patrz ramka).

Ostatni czynnik odpowiedzialny za słaby rozwój rynku związany jest z innym sposobem sterowania przekaźnikiem bistabilnym. Tradycyjna wersja monostabilna z pewnością była pod tym względem wielokrotnie prostsza, element bistabilny wymaga innego podejścia do przełączania.

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.

Jak sterować jednocewkowym przekaźnikiem bistabilnym?

Rys. 1. Najprostszy układ sterujący

Podstawą utrzymywania położenia styków przekaźnika bistabilnego w określonym położeniu jest specjalny materiał obwodu magnetycznego przekaźnika z wbudowanym magnesem przytrzymującym styki w pozycji ustalonej w stanie załączenia. Załączenie styków wymaga podania napięcia na cewkę tak, aby je zamknąć. Czyli zmiana stanu styków (odwracanie położenia) w omawianym przekaźniku realizowana jest poprzez podanie napięcia stałego na cewkę, czyli tak samo jak w wersji tradycyjnej.

Pierwsza różnica jest taka, że napięcie nie powinno i nie może być podawane ciągle. Z jednej strony wynika to z chęci oszczędności energii, a z drugiej, z konstrukcji elementu, nieprzewidującej ciągłego zasilania. Producent definiuje minimalny i maksymalny czas trwania impulsu przełączającego, który musi być dłuższy od 15 do 20 ms i krótszy od 1 minuty. Czyli w praktyce przyjęcie 40-50 ms wydaje się wartością optymalną z punktu widzenia pewności działania i strat mocy. Druga różnica polega na tym, że do odwrócenia stanu styków kierunek prądu musi zmienić się na przeciwny, bo inaczej zmiana nie nastąpi.

Zapas kilkunastu milisekund wydaje się konieczny, zwłaszcza gdy do generowania impulsu wykorzysta się układy czasowe bazujące na elementach RC, które charakteryzują się dużą tolerancją i z czasem degradacją parametrów (utrata pojemności).

Generowanie impulsu może opierać się na elementach RC jak na rysunku 1, gdzie za czas trwania odpowiada rezystancja cewki przekaźnika i połączony szeregowo kondensator. W bardziej rozbudowanych układach może to być układ scalony realizujący funkcję monowibratora, impuls może zostać wygenerowany za pomocą mikrokontrolera z użyciem jego układów czasowych.

Kontrola stanu

Rys. 2. Połączenie przekaźnika bistabilnego z mikrokontrolerem

Tradycyjny przekaźnik elektromagnetyczny, gdy cewka nie jest zasilana napięciem, ma styki zwierne w stanie otwarcia, co powodowało, że obwody wykonawcze można było traktować jako bezpieczne funkcjonalnie, czyli na przykład rozłączone dla elementu grzejnego.

W przypadku przekaźnika bistabilnego takiego założenia nie można robić, bo w chwili inicjacji aplikacji może on być w dowolnym z dwóch stanów stabilnych. Stąd układ elektroniczny musi albo odczytać stan przekaźnika poprzez układ interfejsowy połączony ze stykami, albo jak najszybciej zresetować styki do znanej pozycji.

Reset przekaźnika jest ułatwiony dzięki temu, że załączanie i rozłączanie styków nie musi być dokonywane naprzemiennie. Czyli jeśli impuls o polaryzacji dodatniej powoduje rozłączenie styków, to drugi następujący po nim taki sam impuls nie spowoduje załączenia przekaźnika, tylko utrzymanie stanu rozwarcia. W efekcie można przy uruchamianiu aplikacji wygenerować impuls wyłączający, bez względu na to, co działo się wcześniej.

Dodatkowa kontrola stanu styków wyjściowych przekaźnika bistabilnego może jednak mimo to być przydatna. Gdy rozwiązania układowe na to pozwalają, można taki sygnał traktować jako sprzężenie zwrotne pozwalające na dodatkową kontrolę obwodu wyjściowego. Na rysunku 2 pokazano przykładowy układ sterowania z zaznaczonym opcjonalnym obwodem sprzężenia zwrotnego.

Przekaźnik bistabilny w obwodach bardzo małej mocy

Impulsowy charakter przełączania przekaźnika bistabilnego, oraz dostępność wersji o napięciu znamionowym cewki wynoszącym 3 V, pozwala na jego użycie w układach elektronicznych niskomocowych, a więc zasilanych z ogniw galwanicznych o niewielkiej pojemności. Przykładem może być pokojowy regulator temperatury zawierający znakowy wyświetlacz LCD i mikrokontroler zasilany z pojedynczej baterii litowej CR2032. W takim przypadku energię niezbędną do przełączenia przekaźnika warto gromadzić w superkondensatorze.

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