Jak działa przekaźnik?

Przekaźnik to jeden z najpopularniejszych elementów elektromechanicznych. Pomimo swoich wad, nadal są chętnie stosowane w wielu miejscach, a nawet doczekały się licznych modyfikacji i udoskonaleń. W jaki sposób działają i do czego mogą się przydać?

Co to jest przekaźnik?

Ideę powstania tego elementu zacznę od prostego przykładu. Na ścianie jest zamontowany przełącznik elektryczny, którym możemy włączać oświetlenie w pomieszczeniu oraz je wyłączać. Zawiera w środku metalowe styki które przewodzą prąd, jeżeli są ze sobą zetknięte oraz przestają przewodzić po ich odsunięciu. Oddalenie ich od siebie powoduje powstanie przerwy w obwodzie elektrycznym i dlatego prąd przestaje płynąć - powietrze, które wypełni tę przestrzeń, jest doskonałym izolatorem.

W jaki sposób zmieniamy ich pozycję? Używając do tego siły naszych mięśni. Lecz co w sytuacji, kiedy chcielibyśmy, aby to układ elektroniczny je przełączył? Nawet najbardziej zaawansowana elektronika nie ma kończyn, więc trzeba jej to jakoś umożliwić.

I tak powstał przekaźnik - to styki, które mogą być przełączane przy pomocy prądu o niewielkim natężeniu. Dla elektroniki taki rodzaj sterowania będzie bardzo wygodny, poniewaz przepuszczenie przez coś prądu bądź jego zablokowanie może realizować zwykły tranzystor - bipolarny lub unipolarny.

Co przesuwa styki?

Styki są poruszane przez kotwiczkę, którą z kolei przyciąga elektromagnes lub odpycha zwykła sprężyna. Elektromagnes to cewka indukcyjna, która w środek ma włożony rdzeń wykonany z odpowiedniej stali. Kiedy przez nawinięte na nim uzwojenie cewki płynie prąd, wokół niego wytwarza się pole magnetyczne - zupełnie tak, jakby generował je zwykły magnes trwały. Zanik tego pola następuje po wyłączeniu prądu. W ten sposób możemy uzyskać magnes, którego pole magnetyczne da się załączać i wyłączać w dowolnym momencie.

Co jest przyciągane przez magnesy? Przede wszystkim ferromagnetyki, czyli wszelkie przedmioty wykonane z żelaza, niklu, kobaltu i ich stopów. Dlatego umieszczenie przed czołem elektromagnesu metalowej kotwiczki (najczęściej stalowej) będzie powodować jej przyciąganie wtedy, kiedy przez cewkę płynie prąd.

Budowa przekaźnika

Mamy styki, mamy elektromagnes - czas połączyć je w przekaźnik. Warianty ich budowy są różne, ale generalnie nie różnią się znacząco od tego, który widnieje na poniższym rysunku.

Główne różnice w budowie dotyczą sposobu przekazywania ruchu kotwiczki na styki. Czasem służy do tego odpowiednie cięgno, czasem kotwiczka jest zagięta pod kątem prostym, a niekiedy styk ruchomy znajduje się wprost na kotwiczce. To ostatnie rozwiązanie można znaleźć głównie w dużych przekaźnikach, służących do przewodzenia prądu o znacznym natężeniu.

Miniaturowe przekaźniki, lutowane wprost na powierzchni płytki drukowanej, zazwyczaj mają budowę jak na rysunku. W niektórych obudowa jest przezroczysta, więc możemy wtedy łatwo zajrzeć do ich wnętrza.

Ma to również swoje zalety - widząc okopcenie obudowy od środka można łatwo zdiagnozować, że z danym elementem coś jest nie w porządku.

Bardzo ważną rolę w budowie przekaźnika pełni niewielka sprężyna, najczęściej metalowa, która odciąga kotwiczkę do jej pierwotnego położenia po zaniku prądu płynącego przez elektromagnes. Bez niej przekaźnik byłby bezużyteczny, ponieważ nie rozłączałby obwodu po wyłączeniu elektromagnesu.

Nazwy styków

Typowy przekaźnik ma 5 wyprowadzeń o charakterystycznych nazwach. Są to:

• 2 wyprowadzenia elektromagnesu, typowo A1 i A2
• 1 wyprowadzenie wspólne (styk ruchomy) COM
• 1 wyprowadzenie styku normalnie otwartego NO
• 1 wyprowadzenie styku normalnie zamkniętego NC

Przedstawia to symbol schematowy, który dobrze odwzorowuje rzeczywistą budowę tego podzespołu.

Elektromagnes jest oznaczany na schematach elektrycznych jako prostokąt z jedną przekątną. Styk wspólny COM (common) - zwany również ruchomym - jest umieszczony pod skosem i dotyka do styku normalnie zamkniętego NC (normally closed). Między nimi może płynąć prąd w momencie, kiedy do elektromagnesu nie jest doprowadzony prąd. Ich położenie jest podtrzymywane przez siłę naciągu sprężyny, zatem mogą trwać w tym stanie dowolnie długi czas.

Kiedy kotwiczka zmieni swoje położenie, a to za sprawą prądu płynącego przez uzwojenie elektromagnesu, styk wspólny przemieszcza się i zaczyna dotykać do styku NO - normalnie otwartego (normally open). Prąd będzie płynął między COM i NO tak długo, jak długo cewka pozostaje zasilona. Po jej wyłączeniu, sprężyna odciąga kotwiczkę i przepływ prądu znowu jest możliwy między COM i NC.

Przekaźniki mają zazwyczaj 1 lub 2 komplety styków. Mają wtedy, odpowiednio, 5 i 8 nóżek. W niektórych zastosowaniach, zwłaszcza w telekomunikacji, były spotykane przekaźniki liczące 4 i więcej kompletów przełączanych jednocześnie. Dzisiaj są rzadziej spotykane. Ponadto, w wielu przekaźnikach pomija się styki NC - są tylko NO i COM.

Przekaźnik bistabilny

Opisany wyżej przekaźnik pracuje monostabilnie - tylko jedna jego pozycja jest stabilna i może trwać nieskończenie długo bez jakichkolwiek bodźców zewnętrznych. Utrzymanie go w innym położeniu wymaga doprowadzenia do niego pewnej energii, a po jej zaniku styki wracają na swoje pierwotne położenie.

Jednak istnieje przekaźnik, który działa trochę tak, jak wyłącznik na ścianie - to przekaźnik bistabilny, posiadający dwie pozycje stabilne. Zasilenie cewki jest potrzebne tylko do zmiany położenia kotwiczki. Pomiędzy tymi procesami przekaźnik nie wymaga jakiegokolwiek zasilania i może trwać w tym stanie dowolnie długo.

Istnieją dwa rodzaje przekaźników bistabilnych:

• z jedną cewką, w której przełączenie styków wymaga podania impulsu prądu o odmiennym kierunku,
• z dwiema cewkami, z których każda ustawia styki w innym położeniu (bez zmiany kierunku prądu zasilania)

Ich udział w rynku przekaźników staje się coraz istotniejszy, ponieważ pozwalają znacznie zredukować pobór energii elektrycznej przez urządzenia. Zamiast tracić moc na ciągłe podtrzymywanie kotwiczki w danym położeniu, wystarczy tylko podać impuls o krótkim czasie trwania, rzędu kilkudziesięciu milisekund. Raz ustawiony przekaźnik nie pobiera później jakiejkolwiek mocy, więc mogą być zasilane na przykład z baterii lub niewielkiego akumulatora ładowanego ogniwem słonecznym.

Przekaźniki a styczniki

W urządzeniach pobierających znaczną moc możemy spotkać się nie z przekaźnikami, lecz ze stycznikami. Na czym polega różnica między tymi elementami?

Zasada ich działania jest taka sama: elektromagnes porusza kotwiczkę, która z kolei przesuwa styki. Jednak inna jest budowa głównie samych styków. Otóż styczniki są przystosowane do przewodzenia prądu o bardzo wysokim natężeniu, rzędu dziesiątek amperów i więcej. Stosuje się je głównie w obwodach sterowania transformatorami i silnikami indukcyjnymi. Niekiedy pobór mocy przez cewki styczników jest tak duży, że muszą być one załączane przez przekaźniki, a te z kolei są sterowane przez układ elektroniczny.

Styczniki mogą mieć kilka kompletów styków, a nawet mogą być one łatwe do wymiany, jak zwykła część eksploatacyjna. Przekaźniki są, na ogół, zwartym monolitem - po uszkodzeniu któregoś styku trzeba wymienić cały element. Wyróżniamy styki robocze, przez które płyną prądy o znacznym natężeniu oraz styki pomocnicze, służące do przełączania niewielkich obciążeń.

Mogą one służyć do wysyłania informacji zwrotnej o położeniu styków, na przykład do sterownika PLC. W ten sposób można wykryć przerwę w obwodzie zasilania elektromagnesu (styki powinny się zewrzeć, a pozostają rozwarte) lub dowiedzieć się o zespawaniu styków (elektromagnes został wyłączony, lecz styki pozostają zwarte).

Styczniki są zazwyczaj produkowane jako samodzielne moduły, które można przykręcić do obudowy lub umieścić na szynie DIN w szafie sterowniczej. Nie mają zacisków do lutowania, lecz śruby, którymi przykręca się przewody.

Zalety przekaźników

Gdyby te elementy nie miały zalet, nie byłyby produkowane. A są nadal, chociaż w coraz większej liczbie zastosowań wypierają je specjalizowane elementy półprzewodnikowe, jak triaki i tyrystory.

Izolacja galwaniczna

Między wyprowadzeniami elektromagnesu a stykami jest izolacja, zdolna wytrzymać napięcie rzędu wielu setek woltów lub wyższe. Dlatego możemy przekaźnikami załączać obwody zasilane z sieci 230V, a cała reszta układu elektronicznego pozostaje odizolowana od sieci, więc można jej bezpiecznie dotykać, bez ryzyka porażenia.

Każdy przekaźnik posiada tę funkcję. Ma to działanie dwustronne: mogą przełączać bardzo silne sygnały (wysokie napięcia) bez ich wpływu na układ sterujący. I odwrotnie: sygnały bardzo słabe lub łatwe do zaburzenia (np. mikrofalowe) mogą być przewodzone bez wprowadzania do nich większych zakłóceń ze strony elektroniki sterującej przełączaniem.

Małe straty

Rezystancja zwartych styków przeciętnego przekaźnika wynosi nie więcej niż 100mΩ. W przypadku styczników jest to jeszcze mniej. Oznacza to małe straty mocy w przypadku przewodzenia prądów o wysokim natężeniu. Tranzystory czy inne elementy półprzewodnikowe mogą uzyskiwać porównywalne rezultaty tylko w niektórych sytuacjach. Na przykład niskonapięciowe tranzystory MOSFET mogą mieć niższą rezystancję otwartego kanału, ale już dla wyższych napięć dren-źródło nie stanowią one konkurencji dla zwykłych przekaźników.

Tak samo jest z przewodzeniem słabych sygnałów, co realizują przekaźniki małosygnałowe. Rezystancja styków zaburzy je w mniejszym stopniu niż typowy klucz analogowy.

Brak wymagań

Przez tranzystory MOSFET i bipolarne prąd może płynąć tylko w jedną stronę. Z kolei triaki i tyrystory powinniśmy zasilać napięciem przemiennym, aby ulegały wyłączaniu w momencie przejścia przez zero. A co zrobić w sytuacji, kiedy nie wiemy, jaki prąd zostanie zaaplikowany?

Najprostszym rozwiązaniem jest użycie przekaźnika, ponieważ metalowym stykom jest wszystko jedno, czy płynie przez nie prąd stały czy zmienny, tętniący czy odfiltrowany, zmieniający polaryzację czy też nie. Można je traktować (po zwarciu) jak kawałek drutu. Są również znacznie bardziej odporne na krótkotrwałe przeciążenia.

Jednak istnieją tutaj pewne ograniczenia, o których dalej.

Wady przekaźników

Nie byłoby ognia bez dymu - tak samo nie ma elementu, który nie miałby jakichś wad.

Wysoki pobór mocy

Cewka typowego przekaźnika potrzebuje około 100mW do prawidłowej pracy. Dzisiejsze urządzenia elektroniczne są w stanie pracować pobierając zdecydowanie mniejszą moc. Dlatego mogą być stosowane w urządzeniach zasilanych z sieci lub posiadających inny dostęp do zasilania. Alternatywą są przekaźniki bistabilne, redukujące ten problem.

Hałas

Kotwiczka stukająca o czoło elektromagnesu wydaje charakterystyczny dźwięk. Nie robi to większej różnicy w przypadku urządzeń wydających z siebie dźwięki - pralki albo piły tarczowej. Ale sprzęt, co do zasady, nie powinien wydawać z siebie jakichkolwiek niepożądanych odgłosów. Przykładem mogą być wzmacniacze audio.

Ograniczona liczba przełączeń

Przekaźniki zawierają elementy mechaniczne, jak chociażby sprężynkę, które ulegają naturalnemu zużyciu. Również same styki nie są wieczne. Po pewnym czasie pokrywają się grubą warstwą niepożądanych produktów ich utleniania lub, po prostu, ich powierzchnia zostaje zniszczona od ciągłego uderzania o siebie nawzajem.

Dlatego przekaźniki trzeba co pewien czas wymieniać. W urządzeniach przemysłowych są montowane w specjalnych podstawkach, które ułatwiają tę czynność bez użycia lutownicy. To ważne, bo te elementy są niekiedy wymieniane obligatoryjnie, co ustalony czas, dla utrzymania pożądanej niezawodności całego systemu.

Najważniejsze parametry

Należy pamiętać o kilku zasadach, aby przekaźniki służyły nam możliwie długo. Przekroczenie parametrów dopuszczalnych nie musi skutkować natychmiastowym zniszczeniem elementu, lecz może drastycznie skrócić jego żywotność.

Cewka

Podstawowe parametry cewki są następujące:

• rezystancja w ustalonej temperature (typowo 20°C),
• nominalne napięcie zasilania,
• maksymalne napięcie załączenia,
• minimalne napięcie podtrzymania,
• maksymalne napięcie pracy,
• rodzaj prądu (stały DC / zmienny AC).

Rezystancja cewki wpływa na pobór prądu oraz mocy, o czym mówi Prawo Ohma. Jednak znacznie bardziej zagadkowa jest mnogość różnego rodzaju napięć.

Nominalne napięcie zasilania jest zazwyczaj nadrukowane na obudowie przekaźnika. Po jego podaniu na wyprowadzenia cewki, ta na pewno włączy się. Maksymalne napięcie załączenia oznacza taką wartość napięcia (niższą od nominalnego), która spowoduje załączenie przekaźnika - po prostu napięcie nominalne uwzględnia pewien zapas, głównie z uwagi na wyższą rezystancję drutu cewki w wyższej temperaturze.

Spadek napięcia poniżej nominalnego nie spowoduje jego natychmiastowego rozłączenia. Stanie się to dopiero po obniżeniu napięcia poniżej minimalnego napięcia podtrzymania. Wtedy pole magnetyczne generowane przez cewkę jest na tyle słabe, że kotwiczka wraca na swoje miejsce.

Maksymalne napięcie pracy wynika z ciepła wydzielanego w cewce. Jest ono wyższe od napięcia nominalnego. Powyżej tej wartości może dojść do przegrzania i przepalenia cienkiego drutu nawojowego. Rodzaj prądu (stały/zmienny) również jest istotny dla cewki. W przypadku napięcia zmiennego, chodzi o jego wartość skuteczną.

Oto przykład z noty katalogowej przekaźnika RM96

Można się z niego dowiedzieć, że przekaźnik z cewką przystosowaną do zasilania stałym napięciem 5V załączy się po podaniu na zaciski elektromagnesu 3,5V, a wyłączy po spadku napięcia poniżej 0,5V. Maksymalne napięcie zasilające tę cewkę to aż 12V, a jej rezystancja wynosi około 110Ω. Dlatego cewki przekaźników można zasilać napięciem wyższym od nominalnego, ale należy zachować przy tym pewien umiar.

Styki

Tutaj sprawa również nie jest taka prosta, bowiem inne są parametry maksymalne dla obciążeń rezystancyjnych, a inne dla indukcyjnych. Dopuszczalny prąd i napięcie różnią się również w zależności od ich charakteru: stały lub zmienny. Typowe przekaźniki są przystosowane do przewodzenia prądu zmiennego, zaś ze stałym radzą sobie gorzej (niższe prądy, niższe napięcia) - to za sprawą nieprzyjemnej natury prądu stałego, który ma tendencję do ciągnięcia łuku elektrycznego między rozwierającymi się stykami.

Jednak styki mają też pewne wymagania minimalne co do prądu i napięcia. Chodzi o efekt ich samooczyszczania, który zachodzi dopiero przy przewodzeniu prądu o natężeniu powyżej określonego. Powstająca podczas przełączania iskra musi być na tyle silna, aby usunąć z powierzchni styków warstwę tlenków.

Dlatego do przewodzenia sygnałów bardzo słabych są dedykowane przekaźniki małosygnałowe, które mają styki wykonane z innego materiału - na przykład z dodatkiem palladu.

I tutaj znowu przykład z noty katalogowej przekaźnika RM96:

Pomimo napisu na obudowie przekaźnika, według którego może on przewodzić prąd o natężeniu do 8A przy napięciu 250V, maksymalna moc silnika indukcyjnego, jaki może być nim załączany, tylko tylko 370W. Powodem są przepięcia oraz udary prądowe, jakie towarzyszą jego załączaniu i wyłączaniu.

Dla prądu stałego sprawa również wygląda inaczej niż sugerowałaby to skrótowa informacja na obudowie: prąd 8A jest możliwy do przewodzenia tylko przy napięciu do 24V, zaś przy 250V wynosi on zaledwie 0,1A.

Minimalna moc łączeniowa oraz minimalny prąd zestyków mogą nam dać informację o napięciu, jakie musi panować między rozwartymi stykami. To wybitnie nie jest przekaźnik małosygnałowy, ponieważ do prawidłowego działania musi przewodzić prąd o natężeniu kilku miliamperów.

Podsumowanie

Przekaźniki to użyteczne komponenty elektroniczne, lecz trzeba stosować je świadomie, aby służyły nam przez długie lata. Może im szkodzić nie tylko zbyt wysoki prąd, lecz nawet zbyt mały. Dlatego trzeba zaaplikować odpowiednie przekaźniki, na przykład małosygnałowe. W miejscach wymagających przełączania wysokich prądów stosujemy styczniki, czyli “większych kuzynów” przekaźników.