Nowe trendy w świecie przekaźników mocy na PCB

Opracowana przez Codico seria ‘Nowe trendy w świecie przekaźników mocy PCB’ oferuje solidna dawkę cennej wiedzy eksperckiej, która pomoże każdemu znaleźć optymalne rozwiązanie przekaźnikowe dla danej aplikacji. Obecny artykuł stanowi pierwszą część cyklu, zatytułowaną ‘Rozważania projektowe dotyczące przekaźników mocy PCB’. Opisane są w niej przekaźniki jako komponenty istotne dla bezpieczeństwa układu, które łączą w sobie wiele różnych elementów, takich jak napęd, zestaw styków i wewnętrzna struktura mechaniczna, które projektant powinien brać pod uwagę przy wyborze przekaźnika. Część 2, zatytułowana ‘Proces robi różnicę’ wskazuje na aspekty montażowe: obecnie przekaźnik jest często jedynym elementem THT na płytce drukowanej, którego nie można połączyć za pomocą procesu lutowania SMD. Część 3, ‘Nowe rozwiązania dla przekaźników miniaturowych 10A i 16A’, przedstawia nowe rodziny przekaźników, stanowiące znaczny postęp w porównaniu z standardami branżowymi. 

Rozważania projektowe dotyczące przekaźników mocy PCB. Dobór przekaźnika na przykładzie inteligentnego domu. 

Inteligentne ogrzewanie dostosowuje się do potrzeb użytkowników, sterowanie oświetleniem gwarantuje komfortową atmosferę, a system fotowoltaiczny na dachu dostarcza energię elektryczną do inteligentnej sieci: wszystko to jest możliwe w inteligentnym domu. Tym terminem określa się szeroki wachlarz dostępnych rozwiązań do podłączania i sterowania instalacjami domowymi, sprzętem AGD i elektroniką użytkową. Mieszkańcy inteligentnego domu czerpią korzyści z bardziej efektywnego wykorzystania energii, większego komfortu, a tym samym wyższej jakości życia. Jednym z największych potencjałów inteligentnego domu jest sterowanie ogrzewaniem, ponieważ jest ono zawsze sercem przytulnego domu i w znacznym stopniu przyczynia się do poprawy komfortu życia przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii i kosztów ogrzewania. 

W początkowym etapie rozwoju tego rynku uwaga skupiała się głównie na dużych budynkach użyteczności publicznej oraz biurowcach, fabrykach i sklepach. W wyniku boomu technologii informatycznej, wbudowanym funkcjom sterowania i smartfonom, umożliwiającym zarządzanie systemami za pomocą aplikacji, rynek ten wkroczył śmiało w dziedzinę domów jednorodzinnych i mieszkań. 

Aby proste mieszkanie lub zwykły dom stało się domem inteligentnym, poszczególne elementy, takie jak ogrzewanie, oświetlenie, zacienienie czy klimatyzacja, muszą być wyposażone w czujniki i siłowniki. Dzięki integracji czujników i oprogramowania urządzenia te stają się inteligentne i zdolne do reagowania na zmiany środowiskowe, takie jak temperatura, działając za pomocą siłowników. Połączenie tych poszczególnych elementów w sieć pozwala im komunikować się ze sobą. 

Oprócz projektowania atrakcyjnych interfejsów użytkownika, rozwoju technologii komunikacyjnych i kwestii sterowania czujnikami, istotną częścią inteligentnego rozwiązania jest przełączanie odpowiedniego obciążenia w siłownikach. Do kluczowych podzespołów należą przede wszystkim nowoczesne przekaźniki montowane na PCB, które muszą być odpowiednio zwymiarowane. Przyjrzyjmy się teraz pytaniom, z którymi musi się zmierzyć deweloper przy wyborze odpowiedniego przekaźnika. 

Rysunek 1: Inteligentny dom 

Obciążenie 

Przede wszystkim należy ustalić, jakie obciążenia mają być przełączane i jaki jest wymagany okres eksploatacji. Szczególnie w przypadku automatyki budynkowej obciążenia zwykle nie mają charakteru rezystancyjnego. W wielu przypadkach siłowniki są odbiornikami indukcyjnymi, takimi jak silniki, pompy lub zawory. Należą do nich m.in. napędy rolet, markiz i bram, silniki wentylatorów, a także pompy i zawory mieszające w systemach ogrzewania i nawadniania. Z drugiej strony mamy obciążenia pojemnościowe, spotykane w większości rodzajów systemów oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. Wspólną cechą wszystkich tych typów obciążenia jest to, że prądy rozruchowe mogą być wielokrotnością prądu znamionowego, wskazanego w specyfikacji produktu, a w praktyce mogą panować trudniejsze warunki przełączania niż moc wskazana dla obciążenia rezystancyjnego. 

Z reguły, żywotność przekaźnika zależy od typu i mocy przełączanego obciążenia, częstotliwości przełączania i temperatury otoczenia. Ogólnie rzecz biorąc, specyfikacje komponentów zawierają tylko informacje o wartościach nominalnych przekaźników i wstępnie zdefiniowanych warunkach środowiskowych. W większości przypadków, podawane są tylko obciążenia omowe lub informacje o żywotności w niskich temperaturach otoczenia. Ponadto, w specyfikacji zazwyczaj brakuje informacji o wpływie częstotliwości przełączania lub współczynnika przełączania, co dobrze opisywałoby rzeczywistą praktykę. W niektórych sytuacjach wymienione są wszystkie testowane przypadki obciążeń, ale bez określania odpowiedniego oczekiwanego okresu eksploatacji. 

W przypadku przekaźników z monostabilnymi układami cewek, należy również wziąć pod uwagę, że styk NC (tj. normalnie zamknięty) z charakterystycznym dla konstrukcji niższą siłą docisku jest słabszy niż styk NO (tj. normalnie otwarty) i dlatego ma krótszą żywotność w warunkach tego samego prądu przełączania. Aby osiągnąć taką samą żywotność jak w przypadku styku NO, niektórzy producenci decydują się podanie specyfikacji styku NC dla niższego prądu. 

Dobór właściwych materiałów zapewni długą żywotność 

Wybrany materiał styku ma decydujący wpływ na żywotność przekaźnika. W przeszłości stop AgCdO był uważany za uniwersalny materiał na styki, ale po wprowadzeniu dyrektywy RoHS, obecnie wybór jest głównie pomiędzy stopami AgNi lub AgSnO. Wybór AgSnO jest zalecany w przypadkach, gdy przy załączaniu spodziewane są przepięcia, natomiast wybór AgNi jest bardziej odpowiedni w przypadku mniejszych obciążeń. Styki AgSnO-Ind i systemy ze wstępnym stykiem wolframowym wykazują szczególnie wysoką odporność na zgrzewanie. W przypadku przełączania małych prądów i obciążeń sygnałowych najważniejszą kwestią jest rezystancja na stykach. Z tego też powodu przekaźniki sygnałowe mają zwykle podwójne styki złocone. Są one wykorzystywane na przykład w inteligentnych domach do przełączania sygnałów wideo, takich jak domofon z kamerami i monitorem. 

W tym miejscu należy również wspomnieć, że obciążenia badane zgodnie z międzynarodowymi normami i standardami nie odzwierciedlają realnych warunków użytkowania. Na przykład, przełączanie rzadko odbywa się w regularnych odstępach czasu lub w stałej temperaturze. 

Można wysnuć więc wniosek, iż podane w karcie katalogowej wartości nominalne dotyczące prądów i napięć, temperatury otoczenia i rodzaju obciążenia, a także podane informacje o okresie użytkowania są pomocne w doborze komponentów, jednak dokładny przypadek obciążeń w projektowanej aplikacji zwykle nie jest opisany. Często wskazane jest wysłanie zapytania do producenta w celu uzyskania informacji o przewidywanym okresie eksploatacji na podstawie wyników testów różnych rodzajów obciążeń, przeprowadzonych przez producenta w laboratorium. Ważne jest przy tym posiadanie jak najdokładniejszych informacji o rzeczywistych obciążeniach i temperaturach. W niektórych przypadkach jedyną opcją jest przetestowanie dokładnego obciążenia, zwłaszcza podczas funkcjonowania przy granicznych parametrach pracy wybranego komponentu. 

Ponadto istnieją pewne sposoby mogące wydłużyć żywotność, takie jak obniżenie napięcia cewki do napięcia podtrzymania w systemach monostabilnych po zadziałaniu przekaźnika. Pomoże to zmniejszyć samonagrzewanie się cewki. Z kolei obwody ochrony styków wspierają tłumienie łuku podczas wyłączania. Ponieważ w dzisiejszych czasach płytki drukowane bardzo rzadko są myte po lutowaniu komponentów, należy stosować przekaźniki w których obudowa posiada wentyl, ponieważ ich żywotność elektryczna jest zwykle dłuższa, tego typu przekaźnik może niejako ‘oddychać’. 

Podczas przełączania kierunku obrotów silników przekaźnik często przewodzi tylko prąd, podczas gdy za przełączanie obciążenia odpowiada półprzewodnik. Ten rodzaj przełączania pozwala na znaczne zmniejszenie ilości podzespołów, a w pewnych okolicznościach również na zastosowanie przekaźników samochodowych lub mniejszych przekaźników sygnałowych SMD. 

Znaczenie napędu przekaźnika 

Kolejny aspekt dotyczy wyboru odpowiedniego napędu przekaźnika. Tutaj użytkownik musi wybrać pomiędzy systemami monostabilnymi i bistabilnymi. Systemy bistabilne są bardziej złożone pod względem budowy przekaźników i ich sterowania, co czyni je droższymi. Ponadto, mają również tę wadę, że nie mają jasno zdefiniowanej pozycji domyślnej. Z kolei ich wielką zaletą jest niski pobór mocy, ponieważ w tej konstrukcji moc jest potrzebna tylko do procesu przełączania, a nie do podtrzymywania. Co więcej, siły docisku dla styku zwiernego i rozwiernego są podobne, co poprawia żywotność elektryczną oraz odporność na wstrząsy i wibracje. Również niemal znika problem samonagrzewania się cewki, ponieważ musi ona być aktywowana tylko na bardzo krótki czas. 

Ile mocy powinna przyjąć cewka? 

Kolejnym kryterium jest czułość cewki. Im niższa moc cewki, tym mniejsza ilość ciepła jest przez nią generowana. Może to mieć znaczenie w aplikacjach o krytycznym znaczeniu temperatury, zwłaszcza gdy przekaźniki są gęsto upakowane w układzie lub umieszczone w małych obudowach. Wybór prawidłowego systemu cewki pomoże uniknąć termicznego uszkodzenie cewki. Przy maksymalnej temperaturze pracy 155°C, systemy cewek klasy F zapewniają większy margines bezpieczeństwa w przypadku wysokiej temperatury otoczenia. 

Na koniec należy również wziąć pod uwagę wymiary mechaniczne, parametry środowiskowe (temperatura otoczenia, odporność na wibracje i wstrząsy) oraz inne kryteria związane z bezpieczeństwem. Obejmują one rodzaj izolacji, prądy upływu i odstępy wymagane w konkretnych aplikacjach pod kątem wymagań certyfikatów bezpieczeństwa. Zastosowanie nowoczesnych tworzyw sztucznych umożliwia dalszą miniaturyzację, a także zautomatyzowany montaż wraz z innymi komponentami SMD. 

W przypadku przekaźników rozwój technologiczny przekłada się na: 

• Wielki potencjał wzrostu 

• Możliwość radzenia sobie z wysokimi prądami rozruchowymi 

• Wysoka wydajność dla obciążeń nierezystancyjnych 

• Wysoka czułość cewki (niższa moc) i układy cewek bistabilnych 

• Mniejsze rozmiary (powierzchnia i wysokość) 

• Możliwość pracy w wyższej temperaturze otoczenia 

• Małe konstrukcje i możliwość montażu SMD 

• Wysoka odporność na zwarcia 

• Udoskonalone parametry bezpieczeństwa: lepsza izolacja i niepalność

• Aspekty środowiskowe: konstrukcje bezhalogenowe 

Źródło: Design considerations for Power PCB Relays - New trends in the world of Power PCB Relays

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Codico

Autor: Michael Blaha

Korekta wersji polskiej: Robert Staniszewski