Przekaźnik czy stycznik?

Przekaźniki nadają się do przełączania prądów o stosunkowo dużym natężeniu za pomocą niskonapięciowego sygnału o małej mocy, zapewniając dobrą izolację pomiędzy obwodem sterującym i przełączanym. Jednakże przełączanie prądów o bardzo dużym natężeniu oraz sygnałów wysokonapięciowych wymaga stosowania styczników mniej znanego rodzaju "dużych" przekaźników elektromagnetycznych. Istnieje wiele ich rodzajów, od drobnych kontaktronów, do wielkich, mocno obciążalnych konstrukcji. Elektronicy z reguły słabo znają ich właściwości.

Przekaźnik albo stycznik

Rys. 1. Kontaktrony rodziny JWD firmy TE Connectivity Potter and Brumfield, o wyprowadzeniach w 14-pinowym rozmiarze DIP są oferowane do różnych napięć sterowania i z różnymi konfiguracjami styków

W obu tych urządzeniach do sterowania jedną, dwoma lub kilkoma parami styków służą elektromagnesy. Styki te mogą w pozycji spoczynkowej być rozwarte lub zwarte. Istnieją też potrójne styki przełączalne. Przekaźniki, służące do przełączania obwodów małej mocy, są oferowane w rozmaitych rozwiązaniach, z wyprowadzeniami w postaci złączy wtyczka-gniazdko, do lutowania przewodów lub do wlutowania w płytki drukowane.

Styczniki, stosowane w obwodach dużych mocy, są zwykle większymi konstrukcjami. Wybór typu przekaźnika lub stycznika w znacznym stopniu zależy od rodzaju przełączanego obciążenia.

I tak:

• obciążenie rezystancyjne w momencie połączenia nie wywołuje skoków napięcia. Najczęściej spotykanym obciążeniem tego typu jest grzejnik. Jeśli pobiera on np. 10 A, może być przyłączany przekaźnikiem 10-amperowym. Ale obciążenia czysto rezystywne niemal nie istnieją. Większość ma pasożytniczą indukcyjność, która przy bardzo dużych skokach prądu wywołuje przepięcia.
• obciążenie żarówkami w momencie połączenia skutkuje znacznie wyższym od nominalnego natężeniem prądu (prąd rozruchowy). Żarnik żarówki ma wysoki współczynnik temperaturowy. Rezystancja żarówki zimnej jest 20-krotnie niższa niż rozgrzanej. 75-watowa żarówka pobiera nieco ponad 0,3 A, a zimna 10 A. Chociaż prąd wykazuje tak duże natężenie przez czas krótszy od jednej dziesiątej sekundy, to styki przekaźnika ją zasilającego muszą to natężenie znosić.
• obciążenie silnikiem elektrycznym również rozpoczyna się od znacznie zwiększonego poboru prądu. Jednofazowy niesynchroniczny silnik napięcia zmiennego 230 V o mocy 250 W pobiera nieco ponad 1 A. Nieobciążony, wirujący znacznie mniej. Ale w momencie rozruchu albo z zatrzymanym wirnikiem może pobierać nawet ponad 10 A.
• obciążenie pojemnościowe charakteryzuje się wysokim prądem udarowym w chwili włączenia, spowodowanym koniecznością naładowania kondensatora. Przyłączenie napięcia do nienaładowanego kondensatora można przyrównać do zwarcia. Gwałtowny wzrost natężenia pobieranego prądu może doprowadzić do stopienia ze sobą styków przekaźnika. Za przykład obciążenia pojemnościowego może posłużyć filtr wyjściowy zasilacza.
• obciążenie indukcyjne wymusza powolny wzrost prądu obciążenia, powodowany tendencją do blokowania przez indukcyjność zmian natężenia prądu. Jednakże odłączanie takiego obciążenia wywołuje silne iskrzenie pomiędzy rozłączanymi stykami, spowodowane szybką zmianą prądu w indukcyjności. Iskrzenie to wywołuje podtopienia i wżery styków przekaźnika. Z tego też powodu cewki niektórych przekaźników wyposaża się w diody zabezpieczające przed iskrzeniem. Typowe obciążenia indukcyjne to uzwojenia siłowników, elektryczne zawory i cewki przekaźników.

Przekaźniki

Rys. 2. Przekaźnik ogólnego przeznaczenia G2R-1-DC24 firmy Omron Electronics do montażu na płytkach drukowanych może przełączać 10 A przy 24 V

Podstawowymi parametrami przekaźników są stałe lub zmienne napięcie zasilania cewki, dopuszczalne natężenie prądu w stykach i ich konfiguracja (zwierane, rozwierane lub przełączane), liczba styków oraz czas ich zwierania i rozwierania, a także moc pobierana przez cewkę lub jej rezystancja. Ważne jest zapewnienie przekaźnikowi dostatecznego natężenia prądu do niezawodnego jego uruchamiania.

Styki działają powtarzalnie powyżej pewnego minimalnego natężenia przepływającego przez nie prądu, zwanego samooszczędzającym, pozwalającego na przebicie śladowych zanieczyszczeń, mogących się na nich gromadzić.

Dolna granica natężenia prądu niezawodnie przełączanego przez przekaźnik zależy od szeregu czynników, jak materiał i geometria styków oraz poślizg ich powierzchni. Przekaźniki ze stykami złoconymi, a także rozwidlonymi, mogą niezawodnie przełączać nawet 10 mA.

Kontaktrony ze zwykłymi i zwilżanymi rtęcią stykami służą do zastosowań niskoprądowych. Przekaźniki języczkowe JWD i JWS firmy TE Connectivity Potter and Brumfield Relays są oferowane do napięcia sterowania od 5 do 24 V, z różnymi konfiguracjami styków.

Na przykład kontaktron TE Connectivity JWD-171-10 ma 24-woltową cewkę z wbudowaną diodą zabezpieczającą i zwierne styki do 500 mA przy 20 V. Kontaktrony JWD są przeznaczone do montażu na płytkach drukowanych w obudowach 8-wyprowadzeniowych w rozmiarze DIP 14 pin (rys. 1).

Kontaktrony nie są przeznaczone do łączenia większych obciążeń, które wymagają elementu z rozmiarowo większymi stykami. Na przykład przekaźnik ogólnego zastosowania G2R-1-DC24 firmy Omron Electronic Components może przełączać 10 A przy 24 V_DC.

Ma jeden zespół styków przełączanych i jest również przystosowany do montażu na płytkach drukowanych (rys. 2). Omron oferuje także podobne przekaźniki G2R-1-DC24, przyłączane przez różnego rodzaju gniazdka wtykowe, do szyny DIN, do paneli i do przewlekanego montażu na płytkach drukowanych.

Styczniki

Rys. 3. Stycznik do automatyki i zabezpieczeń J7KNA-AR-31 24S firmy Omron ma cewkę na 24 V_DC i zestaw czterech par styków

Stycznik jest stosowaną w aplikacjach przemysłowych większą wersją przekaźnika. Styczniki są wytrzymalsze od przekaźników, przeznaczone są zwykle do montażu na szynie DIN. Niektóre są wyposażone w otwory montażowe, pozwalające bezpośrednio przykręcać je do płaskich powierzchni, np. chassis.

Są przeznaczone do łączenia dużych obciążeń, o mocy nawet wielu kW, trójfazowych silników, dużych grzejników i całych systemów oświetlenia przemysłowego i obiektowego. Styczniki muszą być zatem łączone przewodami o odpowiednio większym przekroju i mają wyprowadzenia przystosowane do montażu grubych kabli.

Bywają również wersje przeznaczone do sterowania za pomocą sterowników PLC i napięcia 24 V_DC. Równie często są sterowane napięciem przemiennym 230 V_AC.

Podobnie jak w przekaźnikach cewka elektromagnetyczna stycznika oddziałuje na siłownik lub trzpień, który mechanicznie uruchamia jedną lub więcej par silnych styków elektrycznych. Styczniki są konstruowane w sposób modularny, co ułatwia wymianę cewki na przystosowaną do innego napięcia, w przeciwieństwie do przekaźników, które całe muszą podlegać wymianie.

Modularność także umożliwia wymianę zespołów styków, których w stycznikach jest zwykle kilka. Czasem wszystkie styki są wysokoprądowe, a czasem rozmiarowo różne, do równoczesnego przełączania dużych prądów i małych sygnałów.

Styki niskoprądowe są nazywane stykami pomocniczymi. Na przykład stycznik obsługujący silnik może być wyposażony w trzy duże pary styków dla trzech obwodów fazowych i jedną małą parę, do sygnalizacji aktualnego stanu silnika.

Na przykład stycznik JKNA-AR-31 24VS (rys. 3) firmy Omron Automation & Safety ma cewkę 24 V_DC i poczwórny zespół 10-amperowych styków łączących na 600 V_AC. Styczniki tej modularnej serii mają wiele opcji napięcia sterującego i układu styków (wersji 4-, 6- i 8-obwodowych).

Rys. 4. Niemodułowy stycznik EV200A-AANA firmy TE Connectivity może przełączać 500 A sygnałem 12 V

Styczniki ewaluowały z czasem mechanicznie, jest więc teraz możliwe zespolenie ich kilku do wspólnego działania lub mechaniczna blokada jednego na czas działania drugiego. Korzystny jest wybór stycznika o parametrach przekraczających wymagania aplikacji. Większe styki, grubiej platerowane, są odporniejsze na wżery.

Wysokoprądowy stycznik do zastosowań militarnych EV200AAANA firmy TE Connectivity głównymi stykami może łączyć obciążenia do 900 V 500 A i rozłączać do 200 A przy 320 V_DC. Jego styki pomocnicze dopuszczają 2 A przy 30 V_DC lub 3 A przy 125 V_AC. Cewka jest zasilana napięciem 12 V_DC. Jego zamknięta konstrukcja jest pokazana na rysunku 4, a jego typowym zastosowaniem jest obsługa i ochrona akumulatorów i zasilaczy.

Do niektórych zastosowań używane są specjalne styczniki. Na przykład do łączenia obwodów oświetleniowych o bardzo obciążających styki gwałtownych zmianach natężenia prądu, jak żarówki halogenowe lub obciążenia pojemnościowe.

Istnieją specjalne styczniki wyposażone we wbudowane termistory NTC, zapobiegające wywołującym nadtopienia styków gwałtownym skokom prądu. Takie termistory stosuje się czasem w przełączanych obwodach zwykłych styczników.

Zakończenie

Przekaźniki i styczniki są skutecznymi podzespołami do przełączania obwodów mocy poprawnie przystosowanych do napięciowych i prądowych wymagań zarówno cewek elektromagnesów, jak i styków. Przekaźniki są oferowane w zróżnicowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych, podczas gdy styczniki, jako bardziej znormalizowane podzespoły przemysłowe, w rozwiązaniach bardziej typowych. Ich wybór zależy od wielkości i rodzaju przełączanego obciążenia (rezystywnego, pojemnościowego czy indukcyjnego).

Rich Miron
Digi-Key Electronics