Co jeszcze warto wiedzieć o przekaźnikach

Co jeszcze warto wiedzieć o przekaźnikach
Słowo „przekaźnik” kojarzy się niezmiennie
z obrazem staroświeckiego telegrafu składającego się z szeregu przełączników magnetycznych, które poprzez powtarzanie kreują
i wysyłają wiadomość od punktu źródłowego do
punktu docelowego (w ten sposób wskazując
na jedno z najpowszechniejszych zastosowań
przekaźnika, zwiększania natężenia prądu lub
napięcia w źródłowym sygnale przełączającym). Można też mieć nieco nowocześniejszą
wizję, w postaci komputera pierwszej generacji
tworzący w epoce poprzedzającej tranzystor
przekaźnik albo system wczesnego powtarzania
(iteracji) i kreowania systemu telefonicznego
skonstruowanego na przekaźnikach.
Choć można sądzić, że przekaźniki wyszły
z użycia we współczesnej erze półprzewodników, rzeczywistość okazuje się całkiem inna.
Przekaźniki pozostają cennymi podzespołami
w sytuacjach, gdy potrzebna jest pełna izolacja
elektryczna pomiędzy sygnałem przełączającym
a sygnałem przełączanym. Mogą one sprostać
wysokim natężeniom prądu i krótkotrwałym stanom przejściowym napięcia, które potrafią zniszczyć nawet najbardziej wytrzymały tranzystor
krzemowy. Nawet w przypadku zastosowania
nowoczesnego przekaźnika półprzewodnikowego zamiast elektromagnetycznego przodka,
konwencjonalna struktura tranzystorowa może
nie być optymalnym środkiem w niektórych
zastosowaniach.
Podstawy pracy
Na rysunku 1 przedstawiono najprostszy, podstawowy przekaźnik elektromagnetyczny. Ten
konkretny przekaźnik zawiera dwa przytwierdzone kontakty, które poprzez standardowo umieszczone elementy ruchome (armaturę) realizują
połączenie obwodowe pomiędzy nimi a armaturą (zawierającą dwa ruchome styki), przy czym
drugi nieruchomy styk jest domyślnie normalnie
rozwarty lub zwarty. Sprężyna utrzymuje zworę
(armaturę) w pozycji domyślnej; siły grawitacji
mogą alternatywnie wprowadzać w niektórych
wykonaniach funkcję innego domyślnego położenia. Przepływ prądu przez cewkę tworzy
pole magnetyczne wewnątrz żelaznego rdzenia,
przyciągając armaturę, a tym samym „zmieniając” normalnie zamknięte połączenie z jednym
z kontaktów i „tworząc” normalnie otwarte połączenie z drugim.
Armatura
(części
ruchome
przekaźnika)
Kontakty
Sprężyna
Cewka
Jarzmo
Rysunek 1. Działanie tradycyjnych przekaźników mechanicznych jest łatwe i przejrzyste do
zrozumienia, ale są one niestety narażone na
niezliczone możliwości awarii mechanizmu
Wysoka prędkość przełączania przekaźników
jest pożądana zarówno dla zminimalizowania
wprowadzonego szumu (zakłóceń) sygnału akustycznego, jak i w celu stłumienia łuku zwarciowego elementów ruchomych armatury. W konfiguracji przekaźników opartych na prądzie
stałym dioda lub dwójnik złożony z szeregowo
połączonego rezystora i kondensatora często
łączy się również z cewką w celu rozproszenia
szpilek napięcia spowodowanych gwałtownym
zanikiem pola magnetycznego.
Przekaźniki na bazie prądu zamiennego zawierają czasami małe pierścienie miedziane zaciskane na końcach cewki, generujące niewielki
przesunięty w fazie prąd, co zwiększa minimalny
nacisk armatury.
Odmiany przekaźników
Jak można już stwierdzić na podstawie
powyższego opisu, w celu spełnienia funkcji
przełącznika przez konwencjonalny przekaźnik
konieczne jest przyłożenie (doprowadzenie) stałego prądu i/lub napięcia ze źródła. Przekaźnik
zatrzaskowy (blokujący) przeciwnie jest bistabilny (dwustanowy), to znaczy posiada dwa stany
spoczynkowe. Gdy prąd i/lub napięcie zostaną
usunięte, przekaźnik zatrzaskowy pozostaje
SERWIS ELEKTRONIKI
1
Co warto jeszcze wiedzieć o przekaźnikach
w swoim ostatnim stanie (w pozycji, w której
zanikło zasilanie). Trzy powszechnie stosowane
sposoby realizacji funkcji zatrzaskiwania (zablokowania pozycji przekaźnika) to:
– elektromagnes pracujący z mechanizmem
zapadkowym i krzywkowym (pierwszy impuls
włącza przekaźnik „ON”, następny go wyłącza
„OFF”),
– dwie przeciwnie nawinięte cewki wraz ze
sprężyną lub magnesem stałym, które utrzymują
zworę (armaturę) i styki w pozycji (impuls do
jednej cewki włącza przekaźnik „ON”, a druga
cewka wyłącza „OFF”),
– zewnętrzny rdzeń (wymagający impulsów
o przeciwnej polaryzacji do włączenia „ON”
i wyłączenia „OFF” przekaźnika).
Zamiast wykorzystania armatury pośredniej,
przekaźnik może być skonstruowany ze styków
magnetycznych, które bezpośrednio przemieszczają się w kierunku do lub od siebie w obecności przyłożonego pola magnetycznego. Również
w celu wyeliminowania korozyjnych wpływów
atmosfery, konstrukcja przekaźnika może być
umieszczona w rurce, zawierającej kontakty
i być pozbawiona atmosfery (próżnia) lub wypełniona gazem obojętnym (przekaźnik typu reed)
lub cieczą (przekaźnik zwilżony rtęcią).
Półprzewodnikowi następcy
Jak sugerują wcześniejsze teksty, tradycyjne przekaźniki mechaniczne są podatne na
rozliczne zdarzenia skracające ich
żywotność lub wręcz je niszczące.
Powtarzające się łuki elektryczne (wyładowania) pomiędzy stykami powo- Bramka
dują ich niszczenie i degradacje strukturalne oraz zmiany impedancyjne
(np. wzrost oporności), które w końcu
powodują trwałą utratę możliwości spełniania
swej funkcji.
Zarówno uzwojenie jak i rdzeń żelazny mogą
po dłuższym czasie ulec „stałemu” namagnesowaniu, które niekorzystnie wpływa na spełnianie
funkcji przełączania przekaźników. Drgania
(odbicia) sprężystych kontaktów mogą potęgować się w wyniku wibracji otoczenia. Ruchome
części przekaźnika (armatura) może z czasem
ulec wygięciu, a nawet pęknięciu. Podobnie, rozciągnięcie sprężyny lub (w najgorszym przypadku) jej pęknięcie w jednym lub wielu miejscach
2
będzie miało szkodliwy wpływ na funkcjonowanie przekaźnika.
Wprowadzenie przekaźników półprzewodnikowych SSR (SSR – solid-state relay), przyniosło nadzieję na rozwiązanie mechanicznych
niedociągnięć i wad tradycyjnych przekaźników
elektromechanicznych, ale jednocześnie również ograniczenia związane z zastosowaną
technologią, które należy rozważyć, i którym
należy przeciwdziałać.
Krótkotrwałe zwarcie lub stany przejściowe o niskiej intensywności prądu i napięcia
w sygnale przełączającym (które przekaźnik
konwencjonalny pomijałby), tutaj mogą na przykład, w sposób niezamierzony spowodować
przełączenie. Także, pełna izolacja elektryczna
między sygnałem przełączającym i sygnałem
przełączanym nie jest możliwa w przypadku
konwencjonalnych przekaźników SSR opartych
na bazie technologii tranzystorowej, chociaż
można ją osiągnąć, jeśli jest konieczna, poprzez
zastosowanie transoptora, ale to już skutkuje
poniesieniem dodatkowych kosztów i zwiększeniem złożoności projektu, a tym samym
zmniejszeniem niezawodności.
Pamiętać też należy, o spadku napięcia na
złączu źródło-dren tranzystora, który będzie
powodował zmiany charakterystyki impedancji
sygnału przełączającego i które będzie działało
jako ogranicznik prądowy szczytowych wartości przekaźnika SSR. Wprawdzie są dostępne
Anoda
P
N
P
N
P
N
P
Katoda
Anoda
N
P
N
Bramka
Katoda
Rysunek 2. Tyrystor (w przeciwieństwie do konwencjonalnego tranzystora) umożliwia przekaźnikowi półprzewodnikowemu imitować bistabilne
funkcje swojego przodka – mechanicznego
mechanizmu zatrzaskowego.
urządzenia high-end zdolne do przełączania
sygnałów o wartościach kilku tysięcy amperów,
ale z nimi wiążą się odpowiednio wysokie ceny.
Dowcip polega na tym, że określenie „półprzewodnikowy przekaźnik kontaktorowy” odnosi się
do solidnego urządzenia, zazwyczaj zawierającego wbudowany radiator.
SERWIS ELEKTRONIKI
Co warto jeszcze wiedzieć o przekaźnikach
Gdzie powinien być zastosowany przekaźnik
zatrzaskowy SSR, a właściwie gdzie potrzebna
jest funkcja bistabilności, tam bardziej właściwe jest zastosowanie tyrystora (powszechnie
znanego jako krzemowy prostownik sterowany)
– rysunek 2).
Tyrystor, zbudowany z naprzemiennych
warstw materiałów półprzewodnikowych domieszkowanych p i n, w uproszczeniu można
traktować jako parę sprzężonych dwubiegunowych tranzystorów. Począwszy od anody
na rysunku 2, trzy złącza p-n kolejno zostały
nazwane jako J1, J2 i J3.
Przy dodatnim napięciu anody w stosunku do
katody i bez napięcia doprowadzonego do bramki, złącza J1 i J3 są spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, a złącze J2 w kierunku odwrot-
nym, co prowadzi do braku przewodnictwa od
anody do katody.
Dalsze zwiększenie potencjału napięcia anodowego względem katody powoduje w pewnym
momencie lawinowe przebicie złącza J2 i przejście tyrystora do stanu „przewodzącego” (ON).
To przejście ze stanu „wyłączenia” (OFF) w stan
„włączenia” (ON) będzie miało miejsce przy
znacznie niższym napięciu anody względem
katody, jeśli do bramki zostanie doprowadzone
napięcie impulsowe, które działa jako sygnał
przełączający. I od tego momentu, przewodzenie tyrystora będzie trwało dopóty, dopóki
potencjał napięcia anodowo-katodowego nie
zostanie odłączony (lub wystarczająco obniży
się), dalsze doprowadzanie sygnału przełączającego bramkę jest niepotrzebne. opr. S. R.
SERWIS ELEKTRONIKI
3