Dobór i stosowanie przekaźników elektromechanicznych w celu uzyskania uniwersalnego i niezawodnego przełączania sygnałów

Przekaźniki elektromechaniczne (EMR) oferują wyjątkowe parametry włączania i wyłączania, a także izolację wejścia-wyjścia i są dostępne w konfiguracjach wielobiegunowych, zapewniając projektantom elastyczność i uniwersalność. Co więcej, jeden przekaźnik może obsługiwać różne typy sygnałów (prądu zmiennego, prądu stałego, niskiej częstotliwości, o częstotliwościach radiowych (RF)) w tym samym urządzeniu, co zwiększa jego przydatność.

Chociaż przekaźniki te zawierają ruchome części i styki fizyczne, ich charakterystyka stoi za długą historię zastosowań. W związku z tym są one niezawodnymi „rozwiązaniami uniwersalnymi”, które mogą zapewnić wieloletnią, stabilną pracę. Chociaż przekaźniki elektromechaniczne (EMR) są również z natury wytrzymałe, projektanci muszą dobrać odpowiedni przekaźnik (zarówno pod względem cewki, jak i parametrów styków) i prawidłowo go używać, aby zapewnić maksymalną trwałość.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce typy i zastosowania przekaźników sygnałowych. Następnie opisano sposób doboru i stosowania przekaźników elektromechanicznych (EMR) na przykładach produktów firmy Omron Electronic Components.

Typy i zróżnicowanie przekaźników

Termin przekaźnik elektromechaniczny (EMR) odnosi się do komponentów o wielu podtypach specyficznych dla zastosowań. Na przykład przekaźniki mocy mają styki o prądzie znamionowym 2A lub wyższym, podczas gdy przekaźniki sygnałowe są zaprojektowane na prądy styków poniżej tej wartości.

Przekaźniki sygnałowe można podzielić na dwie grupy: do sygnałów innych niż o częstotliwościach radiowych i sygnałów o częstotliwościach radiowych (RF). Chociaż wszystkie przekaźniki charakteryzują się podstawowymi parametrami ciągłości oraz maksymalnymi parametrami przenoszenia prądu i napięcia, istnieją dodatkowe parametry działania przekaźników o częstotliwościach radiowych. Są to między innymi:

• Izolacja: sygnały wysokiej częstotliwości przenoszone są przez pojemność pasożytniczą na stykach, nawet jeśli styki są rozdzielone. Izolacja jest mierzona w decybelach (dB).
• Tłumienność wtrąceniowa: przy wysokich częstotliwościach, w wyniku indukcji własnej, rezystancji i strat dielektrycznych, a także w wyniku odbić spowodowanych niedopasowaniem impedancji, powstają zakłócenia sygnału. Tłumienność wtrąceniowa również mierzona jest w dB.
• Napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR): wynika z konstruktywnych/destrukcyjnych interferencji pomiędzy falą sygnału wejściowego i dowolnym sygnałem odbitym. Miara ta jest niemianowaną liczbą wskazującą stosunek maksymalnej wartości przebiegu do jego wartości minimalnej.

Uproszczenie wykazów materiałów

Konfiguracje przekaźników są definiowane przez liczbę styków lub biegunów (P) oraz stany otwarcia lub zamknięcia bez obecności zasilania (ilustracja 1). Mogą one być zwierne (NO) lub rozwierne (NC). Najpopularniejsze są konfiguracje jednobiegunowe (SP) i dwubiegunowe (DP), chociaż dostępne są urządzenia z większą liczbą biegunów styków. Litera T w oznaczeniach przekaźników odpowiada za skrajne położenie aktuatora.

Ilustracja 1: układy styków i standardowe oznaczenia dla kilku typów przekaźników elektromechanicznych (EMR); linie przerywane w przekaźniku Form 2C wskazują, że oba tworniki posiadają połączenie nieprzewodzące, które porusza obydwoma stykami jednocześnie, gdy cewka przekaźnika otrzymuje prąd. (Źródło ilustracji: Sealevel Systems, Inc.)

Zdolność przekaźników elektromechanicznych (EMR) do obsługi wielu biegunów i układów zwiernych (NO/NC) pokazuje, w jaki sposób pozwalają one uprościć obwody, zaoszczędzić miejsce na płytce, skrócić wykaz materiałów (BOM) i obniżyć koszty. Powodem jest to, że pojedynczy przekaźnik może przełączać wiele ścieżek obwodów w konfiguracji „wszystkie włączone”, „wszystkie wyłączone” lub kombinacji tych stanów, w zależności od konfiguracji biegunów i skrajnego położenia aktuatora. Ten sam przekaźnik może również przełączać sygnały prądu zmiennego i stałego, zapewniając jednoczesną pracę na wielu ścieżkach obwodów.

W niektórych przypadkach przekaźniki elektromechaniczne (EMR) z dodatkową parą biegunów są wykorzystywane do zasilania obwodu pomocniczego, takiego jak obwód diody LED, informując użytkowników, że przekaźnik został wzbudzony i osiągnął pożądany stan styku. Co więcej, niektórzy doświadczeni projektanci stosują przekaźnik dwubiegunowy ze stykami przełączanymi (DPDT), gdy potrzebny jest tylko przekaźnik jednobiegunowy ze stykiem przełączanym (SPDT) (przekaźniki SPDT i DPDT często zajmują tę samą powierzchnię) na wszelki wypadek, aby rozwiązać ewentualny problem lub niedopatrzenie wykryte w dalszej części cyklu projektowania.

Ultrasmukły przekaźnik dwubiegunowy ze stykami przełączanymi (DPDT, Form 2C) G6J-2P-Y DC12 (ilustracja 2) firmy Omron zawiera cewkę 977Ω, która jest zaprojektowana do zasilania 12V przy 12,3mA. Należy pamiętać, że inne urządzenia z tej grupy oferują różne kombinacje obsługiwanych napięć i prądów cewki, do 24V=, zapewniając odpowiednie rozwiązanie do niemal dowolnego obwodu sterującego i każdej sytuacji.

Ilustracja 2: ultrasmukły przekaźnik dwubiegunowy ze stykami przełączanymi (DPDT) G6J-2P-Y DC12 z cewką 12V, 12,3mA należy do grupy przekaźników o identycznych rozmiarach i parametrach znamionowych styków, ale o różnych kombinacjach napięć i prądów cewki. (Źródło ilustracji: Omron)

Ten miniaturowy przekaźnik jest odpowiedni do płytek drukowanych o wysokiej gęstości, ponieważ mierzy zaledwie 5,7 × 10,6 × 9mm. Urządzenie G6J-2P-Y DC12 jest wyposażone w zaciski do montażu przewlekanego, przy czym identyczne wersje dostępne są z krótkimi i długimi zaciskami do montażu powierzchniowego, zapewniając maksymalną elastyczność. Styki tego przekaźnika i wszystkich innych przekaźników z tej grupy są przystosowane do przenoszenia prądów znamionowych do 0,3A przy napięciu 125V~ oraz 1A przy napięciu 30V=.

Przekaźniki i częstotliwości radiowe (RF)

Zastosowania przekaźników nie ograniczają się do prostego zamykania styków bez prądu lub obsługi napięć i natężeń prądu stałego oraz sygnałów prądu zmiennego o niższej częstotliwości. Niektóre modele są przeznaczone specjalnie do zastosowań o ultrawysokich częstotliwościach, takich jak zautomatyzowane urządzenia pomiarowe (ATE).

Urządzenie G6K-2F-RF-V DC4.5 firmy Omron® jest miniaturowym przekaźnikiem dwubiegunowym ze stykami przełączanymi (DPDT) do montażu powierzchniowego, obsługującym przełączanie sygnałów transmisji różnicowej. Tłumienność wtrąceniowa dla tego przekaźnika o wymiarach 11,7 × 7,9 × 7,1mm wynosi 3dB lub mniej przy częstotliwości 8GHz. Może być również używany przy wyższych częstotliwościach, jak widać na jego diagramie dla sygnałów różnicowych 200mV z czasem narastania 25ps (ilustracja 3).

Ilustracja 3: miniaturowy przekaźnik dwubiegunowy ze stykami przełączanymi (DPDT) do montażu powierzchniowego G6K-2F-RF-V na prąd stały wykorzystuje przełączanie sygnałów transmisji różnicowej i obsługuje sygnały o częstotliwości przekraczającej 8GHz, co widać na diagramach jako wartości 8,1, 10 i 12,5Gbit/s. (Źródło ilustracji: Omron)

Działanie w zakresie gigahercowym jest możliwe po części dzięki konstrukcji elektrycznej i mechanicznej, która z natury obsługuje sygnały różnicowe. Pomaga to zapewnić żądane parametry działania, zdefiniowane przez izolację dla częstotliwości radiowych (niezwiązaną z izolacją galwaniczną), tłumienność wtrąceniową i napięciowy współczynnik fali stojącej (VSWR) (ilustracja 4).

Ilustracja 4: gigahercowy przekaźnik G6K-2F-RF-V wykorzystuje konstrukcję z natury różnicową, która łagodzi problemy z fizycznym układem płytki drukowanej i minimalizuje szkodliwy wpływ tego układu na parametry radiowe. (Źródło ilustracji: Omron)

Omawiany przekaźnik wykorzystuje zaawansowany układ wewnętrzny, który upraszcza układ płytki drukowanej i eliminuje potrzebę skomplikowanego wielowarstwowego prowadzenia ścieżek sygnałowych na płytce, co pogorszyłoby parametry przy częstotliwościach radiowych (RF). Zastosowanie obudowy żywicznej zamiast metalowej pozwala uniknąć problemu zwierania wtyków sondy przez metalową obudowę oraz uszkodzenia płytki i części podczas kontroli mocowania przekaźnika.

Przekaźniki i pobór mocy

Pobór mocy jest krytycznym parametrem w prawie wszystkich obwodach i systemach. Decyduje on o doborze parametrów zasilacza, wpływa na czas pracy w przypadku konstrukcji z zasilaniem bateryjnym, a związane z nim ciepło wpływa na parametry termiczne. Ma to wpływ na konwencjonalne przekaźniki niezatrzaskowe, w których cewka musi pozostawać zasilana przez cały czas, w którym przekaźnik ma być uaktywniony.

Problem ten rozwiązują architektury stanowiące alternatywę dla podstawowego sposobu włączania-wyłączania (który formalnie nazywa się konstrukcją jednostronnie stabilną). Przekaźnik zatrzaskowy (zwany również podtrzymującym) został zaprojektowany w taki sposób, że po włączeniu zasilania pozostaje w tej pozycji nawet po odłączeniu zasilania cewki.

Istnieje kilka sposobów realizacji funkcji zatrzaskowej. Urządzenie G6JU-2P-Y DC3, podobnie jak inne z tej grupy, wykorzystuje technikę zatrzaskową z jednym uzwojeniem, w której impuls wejściowy „ustawiania” powoduje utrzymanie warunków pracy za pośrednictwem wbudowanego magnesu trwałego. Impuls wejściowy „resetowania” (sygnał wejściowy z odwrotną biegunowością do ustawionego) przełącza przekaźnik w stan odblokowany.

Przekaźniki i niezawodność

Przekaźniki zawierają ruchome części i fizyczne styki elektryczne, dlatego normalne jest założenie, że po pewnej liczbie cykli włączania-wyłączania stają się zawodne. Jednak nie do końca tak jest.

Po pierwsze, różne efekty otwierania i zamykania styków przy przepływie prądu zmiennego i stałego na różnych poziomach zostały dobrze przeanalizowane i są szczegółowo określone w arkuszach danych przekaźników. Przedwczesne zużycie styków nie powinno stanowić problemu, jeśli zachowane są określone warunki.

Równie ważne jest to, że dziesięciolecia użytkowania, doświadczenie z niezliczonymi urządzeniami w tej dziedzinie, badania i rozwój w branży metalurgicznej, modelowanie i analizy, kontrolowane próby żywotności, ulepszenia produkcyjne i inne czynniki techniczne sprawiły, że projektowanie i wytwarzanie cewek oraz styków przestało kryć w sobie tajemnice i stało się dojrzałym i wyrafinowanym procesem, którego rezultatem są dojrzałe i zaawansowane komponenty.

Trwałość przekaźnika jest związana z trwałością styku i cewki. Trwałość cewki zaczyna się od standardowej wartości 40 tysięcy godzin, ponieważ z czasem następuje pogorszenie właściwości izolacyjnych z powodu ciepła generowanego w wyniku ciągłego przykładania napięcia znamionowego do cewki. Jeżeli przekaźnik jest używany w sposób przerywany, trwałość cewki jest znacznie wyższa.

Trwałość jest również oceniana na podstawie dwóch czynników, które często pojawiają się w arkuszach danych:

• Trwałość mechaniczna określa, ile razy przekaźnik może otworzyć i zamknąć styk bez obciążenia, z uwzględnieniem usterek mechanicznych i charakterystyki.
• Trwałość elektryczna określa, ile razy przekaźnik może otworzyć i zamknąć styki przy obciążeniu znamionowym (np. 125V~, 0,3A / 30V=, 1A).

Styki przekaźników występują w różnych konfiguracjach o podwyższonym poziomie niezawodności w dłuższym okresie: styk pojedynczy, styk podwójny i styk podwójny poprzeczny (ilustracja 5). Konstrukcja styków podwójnych poprzecznych zapewnia wyjątkowo stabilną rezystancję zestykową i minimalizuje liczbę awarii styków. Produkty z grupy G6J-2P-Y posiadają rozwidlony układ poprzeczny (podobny do podwójnego styku poprzecznego) ze srebrnym stykiem powleczonym stopem złota.

Ilustracja 5: styki przekaźników zostały udoskonalone i ewoluowały od podstawowych pojedynczych styków do wytrzymałych podwójnych styków poprzecznych, które zapewniają powtarzalne parametry działania i stabilną rezystancję zestykową. (Źródło ilustracji: Omron)

Udowodniona niezawodność tych przekaźników sprawia, że są one dobrym wyborem do wszelkich zastosowań, w których przestoje lub przerwy w działaniu są niedopuszczalne, a parametry działania przekaźnika mają znaczenie krytyczne.

Podsumowanie

Przekaźniki elektromechaniczne (EMR) są kluczowymi komponentami rozwiązującymi problemy w wielu dzisiejszych systemach, eliminując wiele trudności ze ścieżką sygnałową. Oferują one unikalne i niezastąpione atrybuty obsługi sygnałów, dobrze zdefiniowane parametry działania i długoterminową niezawodność. Przekaźniki sygnałowe są dostępne na prądy stałe, niskie częstotliwości, a nawet częstotliwości radiowe (RF) w zakresie GHz, co gwarantuje ich szerokie pole zastosowania.

Źródło: Dobór i stosowanie przekaźników elektromechanicznych w celu uzyskania uniwersalnego i niezawodnego przełączania sygnałów

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.