Slik velges og brukes elektromekaniske reléer for å gi allsidig og pålitelig signalveksling

Utrustninger som telekom- og nettverksenheter, automatisk testutstyr (ATE) og sikkerhetsenheter må i økende grad veksle og rute enkle eller flertallige DC-signaler på lavt til moderat nivå, AC-signaler (analogt) og radiofrekvenssignaler (RF-signaler), på en pålitelig måte. Elektromekaniske reléer (EMR-er) er godt egnet til å håndtere denne oppgaven.

EMR-er tilbyr enestående på/av-ytelse og inngangs-/utgangsisolering, og de er tilgjengelige i konfigurasjoner med flere poler for å levere fleksibilitet og allsidighet til konstruktører. Videre kan ett enkelt relé støtte forskjellige signaltyper (AC, DC, lavfrekvens, RF) i samme enhet, noe som gjør dem mer verdifulle.

Selv om de har bevegelige deler og fysiske kontakter, er de fullstendig karakterisert på grunn av deres lange brukshistorie. Som sådan er de pålitelige «problemløsere» som kan gi mange års konsekvent drift. Selv om EMR-er også er iboende robuste enheter, må konstruktører velge et egnet relé (både spole- og kontaktklassifiseringer) og bruke det på riktig måte for å sikre maksimal levetid.

Denne artikkelen tar kort for seg signalrelétyper og -bruksområder. Den beskriver deretter hvordan EMR-er kan velges og brukes ved hjelp av eksempler fra Omron Electronic Components.

Relétyper og differensiering

EMR refererer til en komponent med mange utrustningsspesifikke undertyper. For eksempel har effektreléer kontakter som er klassifisert til 2 A eller høyere, mens signalreléer er konstruert for kontaktstrømmer under denne verdien.

Signalreléer kan deles inn i to grupper: ikke-RF-signaler og RF-signaler. Selv om alle reléer er karakterisert av grunnleggende kontinuitetsegenskaper og maksimumet for strøm- og spenningshåndtering, finnes det ytterligere ytelsesmålinger for RF-reléer. Disse omfatter:

• Isolasjon: Høyfrekvente signaler lekker gjennom strøkapasitansen over kontakter, selv om kontaktene er separate. Isolering måles i desibel (dB).
• Innsettingstap: Ved høye frekvenser oppstår signalforstyrrelser på grunn av selvinduksjon, motstand og dielektrisk tap, samt fra refleksjoner på grunn av impedansuoverensstemmelser. Innsettingstap måles også i dB.
• Ståbølgeforhold (VSWR – voltage standing wave ratio): Dette skyldes konstruktiv/destruktiv interferens mellom en inngangssignalbølge og et reflektert signal. Denne målingen er et enhetsløst tall som angir forholdet mellom en maksimal bølgeformverdi og minimumsverdien.

Forenkling av materiallisten

Relékonfigurasjoner defineres av antall kontakter eller poler (P) og normale (dvs. ikke-drevne) situasjoner med åpne/lukke-kontakter (figur 1). De kan være normalt åpne (NO – normally open) eller normalt lukkede (NC – normally closed). Enpolede (SP) og topolede (DP) konfigurasjoner er mest vanlige, men enheter med flere kontaktpoler er også tilgjengelige. Vei (T – throw) er den ytterste posisjonen til aktuatoren.

Figur 1: Her vises kontaktsammenstillinger og industristandardbetegnelser for flere typer EMR-er. De stiplede linjene i reléet i diagram (Form) 2C angir at begge magnetankerne har en ikke-ledende forbindelse som flytter begge kontaktene samtidig når reléspolen mottar strøm. (Bildekilde: Sealevel Systems, Inc.)

EMR-ens evne til å støtte flere poler og NO/NC-veier fremhever hvordan de kan forenkle kretser, spare kortplass, trimme materiallisten (BOM) og redusere kostnadene. Årsaken er at ett enkelt relé kan veksle flere kretsbaner til alle-på, alle-av eller en kombinasjon av hver, avhengig av pol- og veikonfigurasjonen. Det samme reléet kan også veksle både vekselstrøms- og likestrømssignaler, noe som gir parallell drift på tvers av flere kretsbaner.

I noen tilfeller brukes EMR-er med et ekstra polpar til å drive en driftsstrømkrets (auxiliary circuit), for eksempel en lysdiodekrets for å fortelle brukere at reléet har blitt aktivert og har opprettet ønsket kontakttilstand. Videre bruker noen erfarne konstruktører et DPDT-relé (DPDT – double pole, double throw – topolet endevender) når alt de trenger er en SPDT-enhet (SPDT – single pole, double throw – endevender) (SPDT- og DPDT-reléer har i mange tilfeller samme fysiske størrelse), noe som gir dem et redundant kontaktpar i tilfelle de skulle trenge det senere for å fikse et problem eller på grunn av en forglemmelse som oppdages senere i konstruksjonssyklusen.

G6J-2P-Y DC12 (figur 2) fra Omron er et ultratynt DPDT-relé (diagram 2C) med en spole på 977 ohm (Ω), og det er konstruert for å drives av 12 V ved 12,3 mA. Vær oppmerksom på at andre medlemmer av denne familien tilbyr forskjellige spennings-/strømkombinasjoner på opptil 24 V_DC for å gi kompatibilitet med nesten alle drivkretser eller situasjoner.

Figur 2: G6J-2P-Y DC12 er et ultratynt DPDT-relé med en spole på 12 V og 12,3 mA. Det er en del av en relé-familie med identiske størrelser og kontaktklassifiseringer, men som har forskjellige spennings- og strømkombinasjoner for spolen. (Bildekilde: Omron)

Dette ørlille reléet er egnet for kretskort med høy tetthet, siden det måler kun 5,7 × 10,6 × 9 millimeter (mm). G6J-2P-Y DC12 leveres med terminaler for hullmontering, men identiske versjoner tilbyr korte og lange overflatemonterte terminaler for å gi maksimal fleksibilitet. Kontaktene til dette reléet og alle andre i denne familien er klassifisert for å håndtere opptil 0,3 A ved 125 V_AC og 1 A ved 30 V_DC.

Reléer og RF

Relébruk er ikke begrenset til å gi enkle «tørre» kontaktlukkinger eller håndtering av signaler med DC-spenning/-strøm og AC-signaler med lavere frekvenser. Noen modeller er utformet eksplisitt for utrustninger med ultrahøye frekvenser, for eksempel ATE.

Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 er et DPDT-relé i miniatyr med overflatemontering som støtter veksling av signaler med differensialoverføring. Innsettingstapet for dette reléet på 11,7 × 7,9 × 7,1 mm er 3 dB eller mindre ved 8 gigahertz (GHz). Det kan også brukes ved høyere frekvenser, slik øyediagrammet viser for et 200 mV differensialsignal med en stigetid på 25 pikosekunder (ps) (figur 3).

Figur 3: G6K-2F-RF-V DC miniatyr-DPDT-reléer for overflatemontering bruker signalveksling med differensialoverføring og er spesifisert til 8 GHz og høyere, som vist i disse øyediagrammene med signaler på 8,1; 10 og 12,5 gigabit per sekund (Gb/s). (Bildekilde: Omron)

Denne ytelsen i GHz-området skyldes delvis en elektrisk og mekanisk konstruksjon som iboende støtter differensialsignaler. Dette bidrar til å sikre ønsket ytelse – som er definert av RF-isolasjon (ikke relatert til galvanisk isolasjon), innsettingstap og VSWR (figur 4).

Figur 4: G6K-2F-RF-V gigahertz-reléet bruker en iboende differensiell konstruksjon som letter kretskortets fysiske layoututfordringer og minimerer den skadelige virkningen av denne layouten på RF-ytelsen. (Bildekilde: Omron)

Reléet bruker en avansert intern layout som forenkler kretskortlayouten og eliminerer behovet for kompleks flerlags signalbaneruting på kortet, noe som forringer RF-ytelsen. Ved å bruke et plasthus i stedet for et metallhus unngås problemet med at probepinnene kortsluttes gjennom et metallhus og forårsaker skade på kortet og delene under inspeksjon av relémonteringen.

Reléer og strømforbruk

Strømforbruk er en viktig parameter i nesten alle kretser og systemer. Den definerer strømforsyningsstørrelsen, påvirker driftstiden for batteridrevne konstruksjoner, og den tilknyttede varmen påvirker den termiske ytelsen. Dette har implikasjoner for konvensjonelle ikke-strømstøt-reléer (non-latching relays), der spolen må forbli strømførende hele tiden reléet må være strømførende.

Alternative arkitekturer til den grunnleggende på/av-konstruksjonen (formelt kalt «ensidig stabil») løser dette problemet. Strømstøtreléet (også kalt et støtterelé) er konstruert slik at når det er strømsatt, forblir det i denne posisjonen selv etter at spolestrømmen er fjernet.

Det er flere måter å implementere strømstøtfunksjonen (latching function) på. G6JU-2P-Y DC3, og andre i denne familien, bruker en teknikk med enkeltvikling der den «angitte» inngangspulsen forårsaker at driftstilstanden opprettholdes via en tilstøtende permanentmagnet. «Nullstilling»-inngangspulsen (en inngang med den inverse polariteten til den angitte inngangen) setter reléet i en ikke-strømstøt-tilstand (unlatched state).

Reléer og pålitelighet

Reléer har bevegelige deler og fysiske elektriske kontakter, så det er normalt å anta at de vil bli upålitelige etter et beskjedent antall av/på-sykluser. Dette er imidlertid ikke tilfellet.

For det første er de forskjellige virkningene av å åpne og lukke kontakter når de fører vekselstrøm kontra likestrøm på forskjellige nivåer, godt forstått, og de er omtalt i detalj på reléets datablad. Tidlig kontaktslitasje skal ikke være noe problem hvis de definerte forholdene overholdes.

Det er også viktig å merke seg at flere tiår med bruk, erfaring med utallige enheter i feltet, metallurgisk forskning og utvikling, modellering og analyse, kontrollerte levetidstester, produksjons- og fabrikasjonsforbedringer og andre tekniske faktorer, har forvandlet konstruksjonen og produksjonen av spoler og kontakter til godt forståtte, modne og sofistikerte prosesser og resulterende komponenter.

Reléets holdbarhet er knyttet til kontaktens og spolens holdbarhet. Spolens holdbarhet starter med en standardverdi på 40 000 timer, siden det er en reduksjon i isolasjonsegenskaper på grunn av varme som genereres når den nominelle spenningen påføres kontinuerlig på spolen. Hvis relébruken er periodisk, er spolens holdbarhet mye lengre.

Holdbarhet vurderes også av to faktorer som ofte nevnes i databladene:

• Mekanisk holdbarhet er antall ganger et relé kan åpne og lukke kontakten uten last, når mekaniske feil og egenskaper tas i betraktning.
• Elektrisk holdbarhet er antall ganger et relé kan åpne og lukke kontakten med en nominell last (for eksempel 125 V_AC, 0,3 A / 30 V_DC, 1 A).

Relékontakter kommer i forskjellige konfigurasjoner med økende nivåer av langsiktig pålitelighet: enkeltkontakt, tvillingkontakt og gitterformet (cross-bar) tvillingkontakt (figur 5). Konstruksjonen av den gitterformede tvillingkontakten gir eksepsjonelt stabil kontaktmotstand og minimerer kontaktsvikt. G6J-2P-Y-familiemedlemmene har en todelt gitterform (lik den gitterformede tvillingkontakten) med en sølvkontakt belagt med gullegering.

Figur 5: Relékontakter har blitt bedre og utviklet seg fra grunnleggende enkeltkontakter, til tvillingkontakter med lengre levetid, som gir konsekvent ytelse og stabil kontaktmotstand. (Bildekilde: Omron)

Den kjente påliteligheten til disse reléene gjør dem til et godt valg for alle utrustninger hvor nedetid eller serviceavbrudd ikke er akseptabelt, eller der reléytelse er en oppgavekritisk faktor.

Konklusjon

EMR-er er kritiske problemløsningskomponenter i mange av dagens systemer, og de adresserer og løser mange signalbaneproblemer. De tilbyr unike og uerstattelige signalhåndteringsegenskaper, veldefinert ytelse og langsiktig pålitelighet. Signalreléer er tilgjengelige for DC-utrustninger, lavfrekvente utrustninger og til og med RF-utrustninger i GHz-området, noe som utvider anvendeligheten deres.