Releele electrice și contactoarelei utilizează un semnal de comandă de nivel scăzut pentru a comuta o sursă de tensiune sau curent mult mai mare utilizând un număr de aranjamente de contacte diferite.

Până acum am văzut o selecție de dispozitive de intrare care pot fi folosite pentru a detecta sau "a simți" o varietate de variabile și semnale fizice și, prin urmare, sunt numite senzori. Există, de asemenea, o varietate de dispozitive electrice și electronice care sunt clasificate ca dispozitive de ieșire utilizate pentru controlul sau funcționarea unui proces fizic extern. Aceste dispozitive de ieșire se numesc actuatoare.

Actuatoarele convertesc un semnal electric într-o cantitate fizică corespunzătoare, cum ar fi mișcarea, forța, sunetul etc. Un actuator este, de asemenea, clasificat ca un traductor deoarece schimbă un tip de cantitate fizică într-altul și este de obicei activat sau operat de un semnal de comandă de joasă tensiune. Actuatoarele pot fi clasificate fie ca dispozitive binare, fie continue, pe baza numărului de stări stabile pe care le produce ieșirea lor.

De exemplu, un releu este un actuator binar deoarece are două stări stabile, fie activate și blocate sau deconectate și decuplate, în timp ce un motor este un actuator continuu deoarece se poate roti printr-o mișcare completă de 360o. Cele mai comune tipuri de actuatoare sau dispozitive de ieșire sunt releele electrice, luminile, motoarele și difuzoarele.

Am văzut anterior că solenoizii pot fi utilizați pentru a deschide electric clapete, uși, supape deschise sau închise și într-o varietate de aplicații robotizate și mecatronice etc. Totuși, dacă plunjerul solenoidului este utilizat pentru a acționa una sau mai multe seturi de contacte electrice, avem un dispozitiv numit releu care este atât de util încât poate fi folosit într-un număr infinit de moduri diferite și în acest tutorial ne vom uita la releele electrice.

Releele electrice pot fi împărțite în relee cu acțiune mecanică denumite "relee electromecanice" și cele care utilizează tranzistoare semiconductoare, tiristoare, triace etc., ca dispozitive de comutare, numite "relee solid-state" sau SSR-uri.

Comanda cea mai fundamentală a oricărui echipament este capacitatea de a îl comuta "ON" și "OFF". Cea mai ușoară modalitate de a face acest lucru este utilizarea comutatoarelor pentru a întrerupe alimentarea electrică. Deși comutatoarele pot fi folosite pentru a comanda ceva, ele au dezavantajele lor. Cel mai important este că trebuie să fie comutate (fizic) manual "ON" sau "OFF". De asemenea, ele sunt relativ mari, lente și comută numai curenți electrici mici.

Releele electrice sunt totuși comutatoare operate electric care vin în numeroase forme, dimensiuni și puteri adecvate pentru toate tipurile de aplicații. Releele pot avea contacte unice sau multiple într-un singur pachet, cu releele de putere mai mari utilizate pentru tensiunea rețelei sau aplicațiile de comutare de curent înalt numite "Contactoare".

În acest tutorial, despre relee electrice, suntem preocupați de principiile de operare fundamentale ale releelor ​​electromecanice de "sarcină redusă" pe care le putem folosi în circuitele de comandă a motoarelor sau în circuite robotizate. Astfel de relee sunt utilizate în circuite generale de comandă sau comutare electrică și electronică fie montate direct pe plăci PCB, fie cu picioare libere conectate și în care curenții de sarcină sunt în mod normal fracțiuni de 1 amper până la 20+ amperi. Circuitul releului este comun în aplicațiile electronice.

După cum sugerează și numele acestora, releele electromecanice sunt dispozitive electro-magnetice care convertesc un flux magnetic generat de aplicarea unui semnal electric de comandă, de joasă tensiune, fie AC sau DC pe terminalele releului, într-o forță mecanică de tragere care acționează contactele electrice din releu. Cea mai comună formă a releului electromecanic constă dintr-o bobină de energizare denumită "circuit primar" înfășurată în jurul unui miez de fier permeabil.

Acest miez de fier are atât o parte fixă ​​numită jugul, cât și o parte mobilă tensionată cu arc numită armătură, care completează circuitul de câmp magnetic prin închiderea spațiului dintre bobina electrică fixă ​​și armătura mobilă. Armătura este articulată sau pivotată, permițându-i să se miște liber în câmpul magnetic generat, închizând contactele electrice care sunt atașate la aceasta. Conectat între jug și armătură este în mod normal un arc (sau arcuri) pentru cursa de retur, pentru a "reseta" contactele înapoi la poziția inițială de repaus atunci când bobina releului se află în starea "dezactivată", adică este comutată OFF.

Construcția releului electromecanic

În releul nostru simplu de mai sus, avem două seturi de contacte electrice conductive. Releele pot fi "normal deschise" sau "normal închise". O pereche de contacte sunt clasificate ca Normal Deschise, (NO) sau fac contacte și un alt set care sunt clasificate ca Normal Închise (NC) sau întrerupte. În poziția normal deschisă, contactele sunt închise numai când curentul de câmp este "ON" și contactele comutatorului sunt trase către bobina inductivă.

În poziția normal închisă, contactele sunt închise permanent când curentul de câmp este "OFF", deoarece contactele comutatorului revin la poziția lor normală. Acești termeni normal deschis, normal închis sau făcut și contacte rupte se referă la starea contactelor electrice atunci când bobina releului este "fără energie", adică nu există tensiune de alimentare conectată la bobina releului. Elementele de contact pot avea modele simple sau duble. Un exemplu al acestui aranjament este prezentat mai jos.

Acest arc sau scânteiere pe contacte va determina creșterea rezistenței de contact a vârfurilor, deoarece vârfurile de contact se vor deteriora. Dacă li se permite să continue, vârfurile de contact pot deveni atât de arse și deteriorate până la punctul în care acestea sunt închise fizic, dar nu trece nici un curent sau foarte puțin curent.

Dacă această distrugere prin arc devine gravă, contactele se vor "suda" în cele din urmă, producând o stare de scurtcircuit și posibile deteriorări ale circuitului pe care îl controlează. Dacă acum rezistența de contact a crescut datorită arcului cu 1 Ω, căderea de tensiune pe contacte pentru același curent de sarcină crește la 1x10=10 volți DC. Această cădere de tensiune mare pe contacte poate fi inacceptabilă pentru circuitul de sarcină, mai ales dacă funcționează la 12 sau chiar 24 de volți, atunci releul defect va trebui înlocuit.

Pentru a reduce efectele arcului de contact și rezistențele-ON ridicate, vârfurile moderne de contact sunt realizate din, sau acoperite cu, o varietate de aliaje pe bază de argint pentru a prelungi durata de viață a acestora, după cum se indică în tabelul următor.

Materiale de contact la relee electrice

Ag (argint fin)

1. Conductivitatea electrică și termică este cea mai mare dintre toate metalele.
2. Expune rezistență scăzută la contact, este ieftin și utilizat pe scară largă.
3. Contactele pot fi oxidate cu ușurință prin influența sulfurării.

AgCu (cupru-argint)

1. Cunoscute ca contacte "de argint tare" și au o rezistență mai bună la uzură și o tendință mai mică de arc și sudare, dar rezistența de contact ușor mai mare.

AgCdO (oxid de cadmiu-argint)

1. Foarte puțină tendință de arc și sudare, rezistență bună la uzură și proprietăți de stingere a arcului.

AgW (tungsten-argint)

1. Duritatea și punctul de topire sunt ridicate, rezistența la arc este excelentă.
2. Nu este un metal prețios.
3. Pentru a reduce rezistența, este necesară o presiune ridicată la contacte.
4. Rezistența de contact este relativ ridicată, iar rezistența la coroziune este slabă.

AgNi (nichel-argint)

1. Este egal cu conductivitatea electrică a argintului, rezistența excelentă la arc.

AgPd (paladiu-argint)

1. Uzură redusă de contact, duritate mai mare.
2. Scumpe.

Aliaje platină, aur și argint

1. Rezistență excelentă la coroziune, utilizată în principal pentru circuite cu curent scăzut.

Foile ​​de date ale fabricanților de relee acordă evaluări maxime contactelor numai pentru sarcini rezistive de curent continuu, iar această evaluare este redusă în mare măsură atât pentru sarcini de curent alternativ, cât și pentru sarcini foarte inductive sau capacitive. Pentru a obține o durată de viață îndelungată și fiabilitate ridicată la comutarea curenților alternativi cu sarcini inductive sau capacitive, este necesară o anumită formă de suprimare sau filtrare a arcului pe contactele releului.

Extinderea duratei de viață a vârfurilor releului, prin reducerea volumului de arc generat în timpul deschiderii, se realizează prin conectarea unei rețele rezistor-condensator, numită RC Snubber Network, electric în paralel cu un vârf de contact electric al releului. Vârful de tensiune, care apare la deschiderea contactelor, va fi scurtcircuitat în siguranță de către rețeaua RC, suprimând astfel orice arc generat la vârfurile de contact. De exemplu:

Circuit Snubber la releu electric

Pe lângă descrierile standard de normal deschis (NO) și normal închis (NC) utilizate pentru a descrie modul în care sunt conectate contactele releelor, aranjamentele contactelor releului pot fi, de asemenea, clasificate prin acțiunile lor. Releele electrice pot fi formate dintr-unul sau mai multe contacte individuale de comutare, fiecare "contact" fiind denumit "pol". Fiecare dintre aceste contacte sau poli poate fi conectat sau "revenit" împreună prin alimentarea bobinei releelor ​​și acest lucru dă naștere la descrierea tipurilor de contact ca fiind:

SPST – Single Pole Single Throw (o singură intrare - o singură ieșire)

SPDT – Single Pole Double Throw (o singură intrare - ieșire dublă)

DPST – Double Pole Single Throw (contact dublu - o singură ieșire)

DPDT – Double Pole Double Throw (contact dublu - ieșiri duble)

cu acțiunea contactelor fiind descrisă ca "Make" (M) sau "Break" (B). Atunci, un releu simplu cu un set de contacte, așa cum este arătat mai sus, poate avea o descriere de contacte ca:

“Single Pole Double Throw – (Break before Make)”, sau SPDT – (B-M)

"un singur contact cu dublă ieșire - (întrerupt înainte de efectuare)" sau SPDT - (BM)

Exemple de doar câteva dintre cele mai comune diagrame utilizate pentru tipurile de contacte electrice de releu pentru a identifica releele în circuite sunt prezentate mai jos, dar există multe alte configurații posibile.

Configurații de contacte ale releului electric

Atunci când sunt prezente simultan un set de elemente de contact M și B, astfel încât cele două contacte să fie conectate electric pentru a produce un punct comun (identificat prin trei conexiuni), setul de contacte este denumit "contacte Formă C" sau contacte de schimbare. Dacă nu există o conexiune electrică între contactele M și B, se va face referire la un contact dublu de schimbare.

Un ultim punct de reținut despre utilizarea releelor ​​electrice. Nu este deloc recomandabil să conectați contactele releului în paralel pentru a manevra curenți de sarcină mai mari. De exemplu, nu încercați niciodată să alimentați o sarcină de 10 A cu două contacte de releu în paralel, care au evaluări de contact de 5 A fiecare, deoarece contactele releului acționate mecanic nu se închid sau se deschid niciodată în aceeași clipă de timp. Rezultatul este că unul dintre contacte va fi întotdeauna suprasolicitat chiar și pentru o scurtă perioadă de timp, rezultând o defecțiune prematură a releului în timp.

Releele electrice pot fi folosite pentru a permite circuitelor electronice, sau de tip calculator, de putere mică să comute curenți sau tensiuni relativ ridicate, atât "ON", cât și "OFF". Nu amestecați niciodată tensiuni de sarcină diferite prin contactele adiacente din cadrul aceluiași releu, cum ar fi, de exemplu, AC de înaltă tensiune (240V) și DC de joasă tensiune (12 V), folosiți întotdeauna relee separate pentru siguranță.

Una dintre cele mai importante părți ale releului electric este bobina acestuia. Aceasta transformă curentul electric într-un flux electromagnetic care este utilizat pentru a acționa mecanic contactele releelor. Principala problemă cu bobinele releului este că acestea sunt "sarcini foarte inductive", deoarece sunt realizate din bobine de sârmă. Orice bobină de sârmă are o valoare de impedanță formată din rezistență (R) și inductanță (L) în serie (circuitul serie LR).

Pe măsură ce curentul trece prin bobină, în jurul acesteia se generează un câmp magnetic indus. Atunci când curentul din bobină este comutat "OFF", se produce o tensiune mare inversă emf (forța electromotoare), deoarece fluxul magnetic se prăbușește în interiorul bobinei (teoria transformatorului). Această valoare indusă de tensiune inversă poate fi foarte mare în comparație cu tensiunea de comutare și poate deteriora orice dispozitiv semiconductor, cum ar fi un tranzistor, un FET sau un microcontroler utilizat pentru a acționa bobina releului.

O modalitate de a preveni deteriorarea tranzistorului sau a oricărui dispozitiv semiconductor de comutare este de a conecta o diodă polarizată invers pe bobina releului.

Atunci când curentul care trece prin bobină este comutat "OFF", este generată o emf inversă indusă deoarece fluxul magnetic se oprește în bobină.

Această tensiune inversă polarizează direct dioda care conduce și disipează energia stocată, prevenind orice deteriorare a tranzistorului semiconductor.

Când se utilizează în acest tip de aplicație, dioda este cunoscută în general ca diodă Flywheel, diodă Free-wheeling și chiar diodă Fly-back, dar toate înseamnă același lucru. Alte tipuri de sarcini inductive care necesită o diodă flywheel pentru protecție sunt solenoizii, motoarele și bobinele inductive.

Pe lângă utilizarea diodelor de blocare pentru protecția componentelor semiconductoare, alte dispozitive utilizate pentru protecție includ rețele RC Snubber, varistoare cu oxizi metalici sau diode MOV și Zener.

Releul solid-state

În timp ce releul electromecanic (EMR) este ieftin, ușor de utilizat și permite comutarea unui circuit de sarcină comandat de un semnal de intrare izolat electric, de mică putere, unul dintre principalele dezavantaje ale unui releu electromecanic este acela că este un "dispozitiv mecanic", adică are părți în mișcare, astfel încât viteza lor de comutare (timpul de răspuns) este lentă, datorată mișcării fizice a contactelor metalice ce utilizează un câmp magnetic.

Într-o anumită perioadă de timp, aceste componente în mișcare se vor uza și cad, sau că rezistența de contact prin arc și eroziuni constante poate face releul inutilizabil și scurtează durata de viață. De asemenea, ele sunt zgomotoase din punct de vedere electric, cu contactele care suferă de lipire de contact care pot afecta orice circuite electronice la care sunt conectate.

Pentru a depăși aceste dezavantaje ale releului electric, a fost dezvoltat un alt tip de releu numit un releu solid state sau (SSR) pe scurt, care este un releu pur electronic fără contacte.

Releul solid state fiind un dispozitiv pur electronic nu are componente în mișcare, deoarece contactele mecanice au fost înlocuite cu tranzistoare de putere, tiristoare sau triacuri. Separarea electrică dintre semnalul de comandă de intrare și tensiunea pe sarcina de ieșire se realizează cu ajutorul unui senzor de lumină de tip opto-cuplor.

Releul Solid State asigură un grad ridicat de fiabilitate, durată lungă de viață și de interferență electromagnetică redusă (EMI), (nici un contact cu arc electric sau câmpuri magnetice), împreună cu un timp de răspuns mult mai rapid, aproape instantaneu, în comparație cu releul electromecanic convențional.

De asemenea, cerințele de putere pentru comanda intrării unui releu solid state sunt, în general, destul de scăzute pentru a le face compatibile cu cele mai multe familii logice IC fără a fi nevoie de buffere, drivere sau amplificatoare suplimentare. Totuși, fiind un dispozitiv semiconductor, ele trebuie montate pe radiatoare potrivite pentru a preveni încălzirea dispozitivului semiconductor de comutare a ieșirii.

Releul solid-state

Releul solid state de tip AC comută ON la punctul de trecere prin zero a formei de undă AC sinusoidale, previne curenții mari de aprindere la comutarea sarcinilor inductive sau capacitive, în timp ce caracteristica de comutare "OFF" a tiristoarelor și a triacurilor oferă o îmbunătățire față de contactele cu arc ale releelor ​​electromecanice.

La fel ca releele electromecanice, în general, este necesară o rețea snubber rezistor-condensator (RC) pe bornele de ieșire ale SSR pentru a proteja dispozitivul de comutare a ieșirii semiconductoare de vârfurile tranzitorii de zgomot și tensiune atunci când sunt utilizate pentru a comuta sarcini foarte inductive sau capacitive. În cele mai moderne SSR-uri, această rețea RC snubber este construită ca standard în releu, reducând nevoia de componente externe suplimentare.

Sunt de asemenea disponibile SSR-uri de tip comutare, fără detectarea trecerii prin zero (instant "ON"), pentru aplicații controlate de fază, cum ar fi diminuarea sau estomparea luminilor la concerte, spectacole, iluminatul disco etc.

Deoarece dispozitivul de comutare a ieșirii unui releu solid state este un dispozitiv semiconductor (tranzistor pentru aplicații de comutare DC sau o combinație Triac/Tiristor pentru comutare AC), căderea de tensiune pe bornele de ieșire ale unui SSR când este "ON" este mult mai mare decât cea a releului electromecanic, de obicei 1,5 - 2,0 volți. Dacă comutați curenți mari pentru perioade lungi de timp, va fi necesar un radiator suplimentar.

Module de interfață intrare/ieșire

Modulele de interfață de intrare/ieșire (Module I/O) sunt un alt tip de releu solid state proiectat special pentru interfața computerelor, microcontrolerului sau PIC-urilor cu sarcini și comutatoare din "lumea reală". Există patru tipuri de bază de module I/O disponibile, tensiune de intrare AC sau DC la ieșire de nivel logic TTL sau CMOS și intrare logică TTL sau CMOS la o tensiune de ieșire AC sau DC, fiecare modul conținând toate circuitele necesare pentru a furniza o interfață completă și izolare într-un dispozitiv mic. Acestea sunt disponibile ca module individuale solid state sau integrate în dispozitive cu 4, 8 sau 16 canale.

Sistem modular de interfață Input/Output

Principalele dezavantaje ale releelor solid state (SSR) comparativ cu cele ale unui releu electromecanic de putere echivalentă sunt costurile lor ridicate, faptul că sunt disponibile numai tipuri cu un singur pol (SPST), au curenți paraziți în stare "OFF", o cădere mare de tensiune în stare "ON" și disipare a puterii, care determină cerințe suplimentare de disipare a căldurii. De asemenea, nu pot comuta curenți de sarcină foarte mici sau semnale de înaltă frecvență, cum ar fi semnale audio sau video, deși sunt disponibile comutatoare speciale solid state pentru acest tip de aplicație.

În acest tutorial despre releele electrice am analizat atât releul electromecanic cât și releul solid state care pot fi folosite ca dispozitiv de ieșire (actuator) pentru a controla un proces fizic. În următorul tutorial vom continua să ne uităm la dispozitivele de ieșire denumite Actuatoare și mai ales unul care convertește un mic semnal electric într-o mișcare fizică corespunzătoare folosind electromagnetismul. Dispozitivul de ieșire se numește solenoid.