Jak vybrat a používat elektromechanická relé pro univerzální a spolehlivé přepínání signálů

Aplikace, jako jsou telekomunikační a síťová zařízení, automatická testovací zařízení („automatic test equipment“, ATE) a zabezpečovací zařízení potřebují stále častěji spolehlivě přepínat a směrovat jeden nebo více stejnosměrných, střídavých (analogových) a radiofrekvenčních („radio-frequency“, RF) signálů nízké až střední úrovně. Velmi vhodná jsou pro tento úkol elektromechanická relé („electromechanical relay“, EMR).

EMR nabízejí vynikající výkon při zapnutí a vypnutí spolu s izolací vstupu/výstupu a jsou k dispozici v konfiguracích s více póly, které konstruktérům poskytují flexibilitu a univerzálnost. Navíc může jedno relé podporovat různé typy signálů (střídavý, stejnosměrný, nízkofrekvenční, vysokofrekvenční) v jednom zařízení, což zvyšuje jejich hodnotu.

Přestože mají pohyblivé části a fyzické kontakty, jsou díky své dlouhé historii používání plně charakterizovány. Jako takové jsou spolehlivými „řešiteli problémů“, které mohou poskytovat mnoho let konzistentní služby. Přestože jsou EMR ze své podstaty také robustní zařízení, konstruktéři musí vybrat vhodné relé (jmenovité hodnoty cívek i kontaktů) a správně je používat, aby byla zajištěna maximální životnost.

V tomto článku jsou stručně popsány typy a aplikace signálových relé. Poté je zde na příkladech od společnosti Omron Electronic Components popsáno, jak EMR vybrat a používat.

Typy a rozlišení relé

EMR označuje součástku s mnoha podtypy specifickými pro dané aplikace. Například výkonová relé mají kontakty dimenzované na proud 2 A nebo vyšší, zatímco signálová relé jsou navržena pro kontaktní proudy nižší než tato hodnota.

Signálová relé lze rozdělit do dvou skupin: jiné než vysokofrekvenční signály a vysokofrekvenční signály. Zatímco všechna relé se vyznačují základními parametry kontinuity a maximálními hodnotami předávání proudu a napětí, pro vysokofrekvenční relé existují další výkonnostní metriky. Patří mezi ně následující:

• Izolace: Vysokofrekvenční signály unikají přes rozptylovou kapacitu napříč kontakty, i když jsou kontakty oddělené. Izolace se měří v decibelech (dB).
• Vložný útlum: Při vysokých frekvencích vznikají rušivé signály v důsledku samoindukce, odporových a dielektrických ztrát a také odrazů způsobených nesouladem impedance. Vložný útlum se také měří v dB.
• Poměr napětí stojatých vln („voltage standing wave ratio“, VSWR): Toto je způsobeno konstruktivní/destruktivní interferencí mezi vlnou vstupního signálu a jakýmkoli odraženým signálem. Toto měření je číslo bez jednotek udávající poměr maximální hodnoty tvaru vlny k její minimální hodnotě.

Zjednodušení kusovníku

Konfigurace relé jsou definovány počtem kontaktů nebo pólů („pole“, P) a normálními (to znamená nenapájenými) situacemi rozepnutí/sepnutí kontaktů (obrázek 1). Mohou být normálně rozpojené („normally open“, NO) nebo normálně sepnuté („normally closed“, NC). Nejběžnější jsou jednopólové („single pole“, SP) a dvoupólové („double pole“, DP) konfigurace, ačkoli jsou k dispozici i zařízení s více póly kontaktů. Výchylka („throw“, T) je krajní poloha ovládače.

Obrázek 1: Zobrazeno je uspořádání kontaktů a standardní průmyslová označení pro několik typů EMR. Přerušované čáry u relé formy 2C indikují, že obě armatury mají nevodivý článek, který pohybuje oběma kontakty současně, když cívka relé přijímá proud. (Zdroj obrázku: společnost Sealevel Systems, Inc.)

Schopnost EMR podporovat více pólů a výchylek NO/NC zdůrazňuje, jak mohou zjednodušit obvody, ušetřit místo na desce, oříznout kusovník a snížit náklady. Důvodem je to, že jedno jediné relé může přepínat více obvodových cest na zcela zapnuto, zcela vypnuto nebo jejich kombinaci v závislosti na konfiguraci pólů a výchylek. Stejné relé může také přepínat střídavé i stejnosměrné signály a umožňuje současný provoz ve více obvodových cestách.

V některých případech se EMR s přídavným párem pólů používají k napájení pomocného obvodu, jako je obvod LED, který uživatelům signalizuje, že relé bylo pod napětím a vytvořilo požadovaný stav kontaktu. Někteří zkušení konstruktéři dále používají dvoupólové dvoucestné („double pole, double throw“, DPDT) relé, když vše, co potřebují, je jednopólová dvoucestná jednotka („single pole, double throw“, SPDT) (relé SPDT a DPDT mají v mnoha případech stejný půdorys), čímž získají pár kontaktů „pro všechny případy“ k vyřešení problému nebo přehlédnutí, které se mohou objevit později v konstrukčním cyklu.

Zařízení G6J-2P-Y DC12 (obrázek 2) od společnosti Omron je ultratenké relé DPDT (formy 2C) s cívkou 977 ohmů a je určeno k napájení napětím 12 V při 12,3 mA. Všimněte si, že ostatní členy této řady nabízejí různé páry napětí/proud cívky až do 24 V_DC pro kompatibilitu s téměř jakýmkoliv řídicím obvodem nebo situací.

Obrázek 2: Zařízení G6J-2P-Y DC12 je ultratenké relé DPDT s cívkou 12 V, 12,3 mA. Je součástí řady relé se stejnou velikostí a jmenovitými hodnotami kontaktů, ale různými kombinacemi napětí a proudu cívky. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Toto miniaturní relé je vhodné pro desky plošných spojů („printed circuit“, PC) s vysokou hustotou, protože měří pouhých 5,7 mm × 10,6 mm × 9 mm. Relé G6J-2P-Y DC12 se dodává s průchozími svorkami, ale identické verze nabízejí krátké a dlouhé svorky pro povrchovou montáž pro maximální flexibilitu. Kontakty tohoto relé a všech ostatních z této řady jsou dimenzovány na proud až 0,3 A při 125 V_AC a 1 A při 30 V_DC.

Relé a RF

Použití relé není omezeno na zajištění jednoduchých sepnutí „suchých“ kontaktů nebo na zpracování stejnosměrných napětí/proudů a střídavých signálů s nízkou frekvencí. Některé modely jsou navrženy výslovně pro ultravysokofrekvenční aplikace, jako jsou zařízení ATE.

Model G6K-2F-RF-V DC4.5 společnosti Omron je miniaturní relé DPDT pro povrchovou montáž podporující přepínání signálů s diferenciálním přenosem. Vložný útlum tohoto relé s rozměry 11,7 mm × 7,9 mm × 7,1 mm je 3 dB nebo méně při frekvenci 8 GHz. Lze ho použít i při vyšších frekvencích, jak ukazuje jeho diagram oka pro diferenciální signál 200 mV s dobou náběhu 25 ps (obrázek 3).

Obrázek 3: Miniaturní relé DPDT G6K-2F-RF-V DC pro povrchovou montáž využívá přepínání signálů s diferenciálním přenosem a je specifikováno pro frekvenci 8 GHz a více, jak je patrné z těchto diagramů oka se signály 8,1, 10 a 12,5 Gbit/s. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Tento výkon v pásmu GHz je částečně způsoben elektrickou a mechanickou konstrukcí, která inherentně podporuje diferenciální signály. To pomáhá zajistit požadovaný výkon definovaný RF izolací (nesouvisející s galvanickým oddělením), vložným útlumem a poměrem napětí stojatých vln (obrázek 4).

Obrázek 4: Gigahertzové relé G6K-2F-RF-V využívá inherentně diferenciální konstrukci, která usnadňuje problémy s fyzickým uspořádáním desky plošných spojů a minimalizuje škodlivý dopad tohoto uspořádání na RF výkon. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Relé využívá pokročilé vnitřní uspořádání, které zjednodušuje uspořádání desky plošných spojů a eliminuje potřebu složitého vícevrstvého směrování signálových cest na desce, které snižuje RF výkon. Jeho využití pryskyřicového pouzdra namísto kovového zabraňuje problému se zkratováním pinů sondy přes kovové pouzdro a poškození desky a dílů při kontrole montáže relé.

Relé a spotřeba energie

Spotřeba energie je kritickým parametrem téměř ve všech obvodech a systémech. Určuje dimenzování napájecího zdroje, ovlivňuje dobu chodu u konstrukcí napájených bateriemi a související teplo ovlivňuje tepelný výkon. To má důsledky pro běžná relé bez blokování, kde cívka musí zůstat napájena po celou dobu, kdy je potřeba relé pod napětím.

Tento problém řeší alternativní architektury k základnímu návrhu zapnuto/vypnuto (formálně nazývané jednostranně stabilní). Blokovací relé (také nazývané udržovací relé) je navrženo tak, že jakmile je jednou zapnuto, zůstává v této poloze i po odpojení napájení cívky.

Existuje několik způsobů, jak implementovat funkci blokování. Model G6JU-2P-Y DC3 a další v této řadě používají techniku blokování s jedním vinutím, kdy vstupní impuls „set“ způsobí udržování provozního stavu prostřednictvím sousedního permanentního magnetu. Vstupní impuls „reset“ (vstup s opačnou polaritou než vstup „set“) uvede relé do odblokovaného stavu.

Relé a spolehlivost

Relé mají pohyblivé části a fyzické elektrické kontakty, takže je normální předpokládat, že se po mírném počtu cyklů zapnutí/vypnutí stanou nespolehlivými. Tak tomu však není.

Zaprvé, různé účinky rozpínání a spínání kontaktů při přenosu střídavého a stejnosměrného proudu na různých úrovních jsou dobře známy a jsou podrobně popsány v katalogovém listu relé. Předčasné opotřebení kontaktů by nemělo být problémem, pokud jsou dodrženy definované podmínky.

Stejně důležité je, že desetiletí používání, zkušenosti s nesčetnými zařízeními v provozech, metalurgický výzkum a vývoj, modelování a analýza, řízené testy životnosti, vylepšení výroby a zpracování a další technické faktory proměnily návrh a výrobu cívek a kontaktů v dobře srozumitelné, vyspělé a sofistikované procesy a výsledné součástky.

Životnost relé je spojena s životností kontaktů a cívek. Životnost cívek začíná standardní hodnotou 40 000 hodin, protože při trvalém působení jmenovitého napětí na cívku dochází ke snížení izolačních vlastností v důsledku generovaného tepla. Pokud je použití relé přerušované, životnost cívky je mnohem delší.

Životnost se posuzuje také podle dvou faktorů, které se často uvádějí v katalogových listech:

• Mechanická životnost je počet, kolikrát může relé rozepnout a sepnout kontakt bez zatížení, přičemž se berou v úvahu mechanické poruchy a charakteristiky.
• Elektrická životnost je počet, kolikrát může relé rozepnout a sepnout kontakt při jmenovitém zatížení (například 125 V_AC, 0,3 A / 30 V_DC, 1 A).

Kontakty relé se dodávají v různých konfiguracích se zvyšující se úrovní dlouhodobé spolehlivosti: jednoduchý kontakt, dvojitý kontakt a dvojitý kontakt s křížovou tyčí (obrázek 5). Konstrukce křížového dvojitého kontaktu poskytuje mimořádně stabilní odolnost kontaktů a minimalizuje jejich selhání. Členy řady G6J-2P-Y mají rozdvojenou příčku (podobně jako křížový dvojitý kontakt) se stříbrným kontaktem pokoveným zlatou slitinou.

Obrázek 5: Kontakty relé se zdokonalily a vyvinuly ze základních jednoduchých kontaktů na křížové dvojité kontakty s delší životností, které nabízejí konzistentní výkon a stabilní odolnost kontaktů. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Díky známé spolehlivosti jsou tato relé dobrou volbou pro jakoukoli aplikaci, kde nejsou přijatelné prostoje nebo přerušení provozu či kde je výkon relé kritickým faktorem.

Závěr

EMR jsou kritickými součástkami pro řešení problémů v mnoha dnešních systémech, které řeší a vyřeší mnoho problémů se signálovými cestami. Nabízejí jedinečné a nenahraditelné vlastnosti zpracování signálu, dobře definovaný výkon a dlouhodobou spolehlivost. Signálová relé jsou k dispozici pro stejnosměrné, nízkofrekvenční a dokonce i RF aplikace v pásmu GHz, čímž se rozšiřuje jejich použitelnost.