Przekaźniki sygnałowe - podstawowe informacje

Przekaźniki wykorzystywane są w technice elektrycznej od pierwszej połowy XIX wieku. Na przestrzeni lat nie zmieniła się ich podstawowa rola, znacząco ewoluowała jednak technologia produkcji, rodzaj i jakość materiałów konstrukcyjnych oraz sama metoda przełączania obwodu. Podstawowym zadaniem przekaźnika jest sterowanie przepływem prądu w obwodzie poprzez jego załączanie i rozłączanie w kontrolowany sposób. W początkach informatyki w oparciu o przekaźniki konstruowano nawet maszyny liczące (określane niekiedy jako komputery zerowej generacji). Jedną z dużych rodzin produktów przekaźników są przekaźniki sygnałowe, wykorzystywane powszechnie m.in. w komunikacji.

Podstawowa charakterystyka

Przekaźniki sygnałowe to w zasadzie przełączniki elektromechaniczne sterowane elektrycznie, służące do kontroli przepływu prądu w obwodzie. Ich zasada działania opiera się na wykorzystaniu siły magnetycznej generowanej przez prąd płynący w uzwojeniu cewki umieszczonej w pobliżu styków przekaźnika. Siła ta pozwala przemieścić styki do położenia zamkniętego lub otwartego. Ich zasada działania jest bardzo zbliżona do przekaźników mocy, przeznaczone są jednak do sterowania sygnałami o znacznie niższej wartości napięcia i natężenia prądu. Parametry pracy tego typu komponentów nie przekraczają zazwyczaj 2 A oraz 30 VDC.

Mechanizm przełączania oraz konstrukcja styków przekaźników sygnałowych zaprojektowane są z myślą o sygnałach małej mocy. Skonstruowane są w taki sposób, aby zminimalizować zniekształcenie przekazywanego sygnału, w stopniu znacznie niższym niż przekaźniki mocy. Zazwyczaj są również mniejsze, dzięki czemu lepiej nadają się do montażu powierzchniowego, oferują też szybsze czasy przełączania. Ich materiał styków jest odporny na utlenianie, gdyż przy małych prądach nie ma zjawiska samooczyszczania styków.

 

Rys. 1. Proste porównanie zastosowań przekaźników sygnałowych oraz mocy

W wielu przypadkach przekaźniki elektromechaniczne są tańsze niż przekaźniki półprzewodnikowe, jednocześnie zaś charakteryzują się wyższą odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne, zerowym prądem upływu oraz niskim napięciem resztkowym. Ze względu na bardzo niską wartość rezystancji styków przekaźniki wykazują jedynie niewielką moc strat, przez co z reguły nie wymagają stosowania dodatkowych metod chłodzenia.

Główne cechy

Przekaźniki sygnałowe, podobnie jak inne rodzaje przekaźników elektromechanicznych, charakteryzują się następującymi zaletami:

• Zapewniają izolacją elektryczną pomiędzy obwodem sterującym oraz obwodem sterowanym,
• Niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne,
• Możliwość sterowania wieloma obwodami roboczymi za pomocą jednego obwodu sterującego,
• Zdolność jednakowego i jednoczesnego przełączania sygnałów stało- (DC) oraz zmiennoprądowych (AC),
• Niewrażliwość na stany nieustalone – przekaźnik może być włączony lub wyłączony, ze względu na moc rozruchową cewki sterującej nie występują stany przejściowe,
• Mogą przełączać prądy o małym natężeniu.

Jednocześnie pamiętać należy o wadach przekaźników elektromagnetycznych, wśród nich do najistotniejszych należą:

• Rozmiary większe niż w przypadku przełączników półprzewodnikowych;
• Dość długi czas reakcji (przełączania), związany z koniecznością mechanicznego połączenia styków;
• Emisja zakłóceń mechanicznych, takich jak drgania styków;
• Możliwość emisji zakłóceń elektromagnetycznych w postaci iskier powstających podczas przełączania;
• Hałas podczas przełączania;
• Żywotność istotnie krótsza niż w przypadku przekaźników półprzewodnikowych.

Podstawowe parametry przekaźników sygnałowych

W procesie wyboru odpowiedniego modelu przekaźnika sygnałowego należy zwrócić uwagę na jego parametry. Do najważniejszych zaliczyć można:

• Napięcie znamionowe – maksymalne dopuszczalne napięcie na wejściu przekaźnika podczas jego normalnej pracy. Podawane zazwyczaj w VDC lub VAC. Praca z sygnałami o napięciu powyżej wartości znamionowej może doprowadzić do uszkodzenia przekaźnika.
• Obciążalność prądowa zestyków – minimalna i maksymalna dopuszczalna wartość natężenia prądu płynącego przez styki przekaźnika.
• Rezystancja zestyków – rezystancja przekaźnika z punktu widzenia obwodu przełączanego. Mierzona najczęściej w mΩ lub Ω.
• Napięcie znamionowe cewki – wartość napięcia obwodu sterującego, wymagana do skutecznego przełączenia przekaźnika.
• Prąd znamionowy cewki/pobór mocy cewki – wartość natężenia prądu/mocy wymaganej do zasilania cewki sterującej przekaźnikiem.
• Liczba oraz rodzaj zestyków – przekaźnik może mieć jeden lub kilka zestawów zestyków. Istnieją ponadto różne konfiguracje zestyków, pozwalające na rozwiązanie różnych wymagań użytkowników – podstawowe typy to zestyki normalnie otwarte, normalnie zamknięte oraz przełączane.
• Znamionowy prąd obciążenia – maksymalna dopuszczalna wartość natężenia prądu płynącego przez przekaźnik przy określonej wartości napięcia zasilania. Parametr ten podaje się zazwyczaj osobno dla prądu stałego oraz przemiennego.
• Minimalna wartość prądu przełączania, wynikająca z materiału styków i konstrukcji.
• Czas przełączania – czas pomiędzy zmianą wartości sygnału sterującego a zmianą stanu przekaźnika. Podawany zazwyczaj osobno dla załączania oraz rozłączania (przy czym bardzo często wartości te są zbliżone lub jednakowe).
• Rodzaj montażu – poszczególne modele przekaźników dostosowane są do różnych metod montażu – większość tego typu komponentów przeznaczona jest do montażu powierzchniowego lub przewlekanego.
• Wytrzymałość izolacji – maksymalna wartość napięcia tolerowanego przez przekaźnik przez określony czas – przykładowo, 500 VDC przez 60 sekund.
• Temperatura otoczenia – zakres temperatur w którym układ powinien być w stanie bezpiecznie oraz efektywnie pracować z zachowaniem podanych parametrów katalogowych.

 

Rys. 2. Proces wyboru przekaźnika sygnałowego

Powyższa lista może stanowić punkt wyjścia w procesie doboru optymalnego modelu przekaźnika dla potrzeb projektu. Niewątpliwie podstawowym kryterium oceny powinno być określenie wymaganych wartości napięcia oraz prądu znamionowego, opierając się na maksymalnych wartościach mogących wystąpić w projektowanym obwodzie. Warto pamiętać, że przekaźniki sygnałowe nie są przeznaczone do pracy z sygnałami o dużej mocy – zazwyczaj nie są w stanie tolerować natężenia prądu o wartości przekraczającej 1‒2 A.

Kolejnym krokiem może być określenie wymaganych parametrów napięcia sterowania, rodzaju przełączanego sygnału (stało- lub zmiennoprądowy) oraz liczby sterowanych obwodów. Warto zastanowić się nad najbardziej optymalną konfiguracją zestyków, określając, czy przekaźnik powinien być normalnie zamknięty, czy otwarty.

Zastosowanie

Przekaźniki sygnałowe, ze względu na zdolność do pracy z sygnałami o małej mocy, znajdują zastosowanie w szerokim spektrum aplikacji, zarówno w obszarze elektroniki użytkowej jak i profesjonalnej. Często spotyka się je w urządzeniach komunikacyjnych a także m.in. w produktach gospodarstwa domowego, systemach bezpieczeństwa i monitoringu oraz różnego rodzaju wyposażeniu laboratoryjnym. W ogólności znajdują one zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane jest przesłanie sygnału komunikacyjnego lub sterującego na odległość uniemożliwiającą bezpośredni transfer.

Podsumowanie

Wraz z postępem technologicznym coraz częściej zachodzi potrzeba zapewnienia izolacji elektrycznej pomiędzy sygnałem przełączanym oraz sterującym. Przekaźniki sygnałowe stanowią rozwiązanie tego problemu, pozwalając na bezpieczny przesył sygnałów niskiej mocy na stosunkowo dużym dystansie. Urządzenia te mają szerokie spektrum zastosowań – komponenty tego typu napotkać można w wielu systemach elektroniki użytkowej oraz profesjonalnej.

Damian Tomaszewski