Johdanto releisiin

Releillä on tärkeä rooli lukemattomissa kuluttaja-, kauppa- ja teollisuussovelluksissa sekä -järjestelmissä. Niitä käytetään usein arkipäiväisissä järjestelmissä täysin huomaamatta. Releitä käytetään esimerkiksi, kun säädetään lämmitystä kotitaloudessa, painetaan TV-kaukosäätimen painiketta tai käytetään hissiä. Alun perin vuonna 1835 pidempien lennätinyhteyksien rakentamista varten suunniteltuja releitä mukautettiin myöhemmin puhelinvaihdekäyttöön. Ne toimivat edelleen luotettavasti, huomaamattomasti ja erittäin korkealla hyötysuhteella.

Käytännönläheisestä näkökulmasta releet toimivat sähkökytkiminä. Niissä käytetään matalatehoista signaalia suurtehopiirin ohjaamiseen joko lähellä tai kaukana. Niiden luontainen rakenne helpottaa matalatehoisen signaalin ja suurtehopiirin tehokasta erottamista toisistaan. Tätä kutsutaan usein galvaaniseksi erotukseksi. Tämän erotuksen ansiosta sähköjärjestelmiä voidaan käyttää turvallisesti ja luotettavasti. Releet ovat monipuolisia, sillä niitä voidaan käyttää yhden tai useamman piirin säätelyyn, ja ne voivat toimia vahvistimina tai johdonsuojakatkaisijoina.

Mahdollisuus ohjata laitteen virtaa matkan päästä tarkoittaa myös parempaa turvallisuutta, erityisesti teollisissa prosesseissa, joista voi aiheutua fyysisiä vaaroja käyttäjille. Näitä monipuolisia komponentteja on saatavana monenlaisissa koteloissa ja ne tarjoavat erilaisia virtaluokituksia, asennusvaihtoehtoja ja fyysisiä kokoja, minkä ansiosta ne ovat yhtä yleisiä kuin jokapäiväiset kytkimet.

Releet – miten ne toimivat

Aiheen ymmärtämisen helpottamiseksi releet voidaan luokitella kahteen perustyyppiin: sähkömekaaninen (EMR) ja puolijohde (SSR). Tärkein ero on siinä, onko releessä liikkuvia komponentteja vai ei.

Sähkömekaaninen rele on näistä kahdesta tyypistä vanhempi ja sisältää koskettimet, ankkurin, jousen ja sähkömagneetin. Yksinkertaisimmillaan jousi ylläpitää ankkurin halutussa asennossa. Kun releeseen syötetään virtaa, sähkömagneetti vetää ankkuria puoleensa, jolloin se liikkuu ja sulkee koskettimet, mahdollistaen sähkövirran kulkemisen piirin läpi.

Kuva 1: Sähkömekaanisen releen sisäinen perusrakenne. (Kuvan lähde: Same Sky)

Vastaavasti 1950-luvun lopulla markkinoille tulleet puolijohdereleet palvelevat samaa perustarkoitusta kuin sähkömekaaniset releet, mutta ne ovat täysin elektronisia ja vailla liikkuvia osia. Ne koostuvat tulopiiristä, ohjauspiiristä ja lähtöpiiristä virran ohjaamiseksi. Kun releeseen syötetään määritetyn vetojännitteen ylittävä jännite, ohjauspiiri kytkee releen päälle. Kun jännite laskee päästöjännitteen alapuolelle, rele kytkeytyy pois päältä.

Sähkömekaaniset vs. puolijohdereleet, jatkuu...

Kuten kaikissa elektroniikkakomponenttiteknologioissa, sähkömekaanisissa ja puolijohdereleissä on omat etunsa ja haittansa, jotka on otettava huomioon.

Kaksi vuosisataa vanhan rakenteensa ansiosta sähkömekaaniset releet ovat kestäviä ja suoraviivaisesti toimivia laitteita, jotka ovat todistetusti luotettavia monissa erilaisissa käyttökohteissa, myös korkeilla virroilla ja vaarallisissa ympäristöissä. Ne tarjoavat täydellisen sähköisen erotuksen, kestävät korkeita virta- ja jännitepiikkejä, eikä sähköinen kohina, kuten sähkömagneettiset ja radiotaajuiset häiriöt (EMI/RFI), vaikuta niihin.

Koska sähkömekaanisissa releissä on kuitenkin liikkuvia osia, ne kuluvat ajan mittaan, ja koskettimet voivat rapistua korroosion ja hapettumisen vuoksi. Koskettimien väliin saattaa syntyä valokaaria, mikä johtaa pistesyöpymiseen ja oikosulkuihin. Niiden mekaanisen luonteen vuoksi iskut ja tärinä saattavat synnyttää kosketinvärähtelyä, ja ne voivat myös synnyttää EMI-/RFI-häiriöitä. Lisäksi ulkoiset magneettikentät voivat vaikuttaa niiden toimintaan.

Tähän verrattuna puolijohdereleiden käyttöikä on pidempi ja ne toimivat merkittävästi alhaisemmalla ohjausteholla, sillä niiden rakenteessa ei ole liikkuvia osia. Ne tarjoavat nopeamman päälle/pois-kytkennän, eliminoivat valokaaret ja kosketinvärähtelyn, eivätkä ulkoiset mekaaniset iskut, tärinä tai magneettikentät vaikuta niihin. Puolijohdereleet toimivat alhaisemmalla jännitealueella kuin sähkömekaaniset releet, joten ne soveltuvat elektroniikkalaitteisiin paremmin kuin suuritehoisiin sovelluksiin.

Erityisen rakenteensa vuoksi puolijohdereleet voivat kuitenkin olla alttiita jännite- ja virtatransienteille sekä EMI-/RFI-kohinalle. Ne tuottavat yleensä enemmän lämpöä kuin mekaaniset vastineensa ja saattavat olla herkkiä ympäristön lämpötilalle. Ohjaussignaalin ja kuorman välisen täydellisen sähköisen erotuksen saavuttaminen ei ole luonnostaan mahdollista tavallisilla puolijohdekytkimillä, mutta se voidaan toteuttaa valokytketyissä laitteissa optoelektroniikkakomponenteilla, jotka erottavat tulo- ja lähtösignaalit.

Kuva 2: Puolijohdereleiden sisäinen perusrakenne. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yleiset reletyypit

Saatavana on useita erilaisia reletyyppejä, joista jokainen on räätälöity erityisten sovellusvaatimusten mukaan. On syytä huomata, että valmistajat saattavat käyttää tuotetarjonnassaan hieman erilaista terminologiaa, mutta tässä esitetään yleistason yhteenveto releiden päätyypeistä:

• Yleisreleet: nämä ovat tavallisia sähkömekaanisia releitä, jotka toimivat AC- tai DC-virralla 12–230 voltin jännitteellä ja voivat ohjata 2–30 A:n virtoja.
• Signaalireleet: signaalireleitä käytetään ohjaamaan matalatehoisia kuormia, jotka ovat tyypillisesti alle 2 ampeeria. Katso lisätietoja Same Sky -yrityksen artikkelista ”Signaalireleet – Perusteiden ymmärtäminen”.
• Tehoreleet: tehoreleet on suunniteltu erityisesti suurtehokuormien hallintaan, lämmöntuotannon minimoimiseen ja valokaarien vähentämiseen. Katso lisätietoja Same Sky -yrityksen artikkelista ”Tehoreleiden esittely”.
• Koneenohjausreleet: nämä ovat järeitä ja kestäviä releitä, jotka on tarkoitettu käytettäväksi suuren mittakaavan teollisuussovelluksissa.
• Lukittuvat releet: lukittuvat releet säilyttävät vetävän tai päästötilansa (joko PÄÄLLÄ tai POIS), kunnes ne saavat invertoivan jännitesignaalin.
• Kielireleet: kielireleet ovat pienikokoisia ja toimivat nopeasti. Niissä käytetään sähkömagneettia ohjaamaan yhtä tai useampaa hermeettisesti tiivistä kielikytkintä, minkä ansiosta ne ovat immuuneja ulkoisille epäpuhtauksille tai kosteudelle.
• Nollapistekytkentärele: nämä releet aktivoivat kuorman, kun niille syötetään ohjausjännite ja kuormajännite on lähellä nollaa. Ne deaktivoivat kuorman, kun ohjausjännitteen syöttö katkaistaan.

Kuva 3: Releiden nollapistekytkennän perusperiaate. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Huippukytkentäreleet: huippukytkentäreleet aktivoivat kuorman, kun niille syötetään ohjausjännitettä ja kuormajännite on huipussaan. Ne deaktivoivat kuorman, kun ohjausjännitteen syöttö katkaistaan ja kuorman virta lähestyy nollaa.
• Instant ON ‑releet: Instant ON ‑releet aktivoivat kuorman välittömästi, kun niille syötetään vetojännite.
• Aikareleet: aikareleissä on sisäänrakennettu ajastin, joka ohjaa tapahtumia ajan perusteella.
• Analogiset kytkentäreleet: analogiset kytkentäreleet hallitsevat lähtöjännitettä tulojännitteen funktiona, mikä mahdollistaa rajattomat lähtöjännitteet releen nimellisarvojen sisällä.
• Valokytketyt releet: nämä ovat puolijohdereleitä, jotka tarjoavat ohjaus- ja virtapiirien erotuksen kytkemällä sisäisen valonlähteen mukaan.
• Sotilas-/Hi-Rel-releet: nämä releet on suunniteltu toimimaan vaativissa ja haastavissa käyttöympäristöissä.

Releet voidaan luokitella myös sen mukaan, ovatko ne normaalisti auki (NO), jolloin koskettimet ovat auki eikä piirissä ole jännitettä, vai ovatko ne normaalisti kiinni (NC), jolloin koskettimet ovat kiinni, kun piirissä ei ole jännitettä. Yhteenveto: releet määritetään jännitteettömänä yleensä joko tyypiksi NO tai NC.

Luokitusarvot ja konfiguraatiot

Releiden luokitusarvot perustuvat niiden kapasiteettiin kytkeä sähkövirta turvallisesti laitteen läpi. Nämä luokitusarvot luokitellaan joko AC- tai DC-virraksi ja ne ilmaistaan yleensä ampeereina. On tärkeää, että releen luokitusarvo on yhtä korkea tai korkeampi kuin sen ohjaaman laitteen.

Releillä voidaan ohjata useita virtapiirejä samanaikaisesti, ja ne on nimetty niiden ominaispiirteiden mukaisesti. Jos navat ja kytkentäpisteet ovat tuttuja, näitä nimiä ovat SPST, DPDT, 3PDT ja SP3T.

Napojen ja kytkentäpisteiden määrän lisäksi releet voivat kuvata tärkeitä ominaisuuksia termillä ”muodot”. Ilmaukset kuten ”1 muoto A” tai ”2 muoto C” korostavat kahta keskeistä tietoa. Muototyyppi ilmaisee, onko kytkin normaalistu auki vai normaalisti kiinni, sekä SPDT-kytkimien tapauksessa sen, ovatko ne vaihtokoskettimia vai juontokoskettimia. Muotoa edeltävä numero (1 tai 2) ilmaisee, kuinka monta kyseisen tyypin kosketinta releessä on käytettävissä. Joitakin yleisiä tyyppejä ovat seuraavat:

• Muoto A – normaalisti auki
• Muoto B – normaalisti kiinni
• Muoto C – SPDT-kytkimet vaihtokoskettimilla
• Muoto D – SPDT-kytkimet juontokoskettimilla

Yhteenveto

Yksinkertaisen rakenteensa ja luotettavan toimintansa ansiosta releitä käytetään laitteissa ja järjestelmissä useilla eri toimialoilla ja markkinoilla. Releet olivat alun perin lennätinjärjestelmien peruskomponentteja, ja niillä oli jopa osansa tietokoneiden varhaisessa kehitystyössä. Ne ovat säilyttäneet tärkeän roolinsa tähän päivään asti ja varmistavat sähkölaitteiden turvallisen ja tehokkaan etäohjauksen.

Same Sky tarjoaa kattavan valikoiman teho- ja signaalireleitä lukuisilla eri luokitusarvoilla ja konfiguraatioilla täyttääkseen suunnittelijoiden vaatimukset niin matalan kuin korkean virran kytkennässä.