Sähkömekaanisten releiden valinta ja käyttö monipuoliseen ja luotettavaan signaalien kytkentään

Tietoliikenne- ja verkkolaitteiden, automaattisten testauslaitteiden (ATE) ja turvalaitteiden kaltaisissa käyttökohteissa tarvitsee yhä useammin luotettavasti kytkeä ja reitittää yksi tai useampia matalan tai keskitason DC-, AC- (analogisia) ja radiotaajuisia (RF) signaaleja. Sähkömekaaniset releet (EMR) sopivat hyvin tähän tarkoitukseen.

EMR-releet tarjoavat erinomaisen on/off-suorituskyvyn sekä tulon ja lähdön erotuksen. Tämän lisäksi niitä on saatavana useissa erilaisissa napakonfiguraatioissa, mikä tarjoaa suunnittelijoille joustavuutta ja monipuolisuutta. Lisäksi yksi rele voi tukea eri signaalityyppejä (AC, DC, matalataajuus, RF) samassa laitteessa, mikä lisää niiden arvoa.

Vaikka niissä on liikkuvia osia ja fyysisiä koskettimia, niiden ominaisuudet tunnetaan hyvin pitkän käyttöhistorian vuoksi. Tämän vuoksi ne ovat luotettavia ”ongelmanratkaisijoita”, joita voidaan käyttää useiden vuosien ajan ongelmitta. Vaikka EMR-releet ovatkin luonnostaan kestäviä laitteita, suunnittelijoiden on valittava sopiva rele (sekä kelan että koskettimen luokitusarvot) ja käytettävä sitä oikein mahdollisimman pitkän käyttöiän saavuttamiseksi.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti signaalireleiden tyyppejä ja käyttökohteita. Sen jälkeen artikkelissa kuvaillaan EMR-releen valintaa ja käyttöä. Esimerkkeinä käytetään Omron Electronic Components -yrityksen komponentteja.

Releiden tyypit ja niiden väliset erot

EMR viittaa komponenttiin, jolla on useita sovelluskohtaisia alatyyppejä. Esimerkiksi tehoreleiden koskettimien virtaluokitus on 2 A tai korkeampi, kun taas signaalireleet on suunniteltu tätä pienempiä kosketinvirtoja varten.

Signaalireleet voidaan jakaa kahteen ryhmään: muut kuin radiotaajuiset signaalit ja radiotaajuiset signaalit. Vaikka kaikkien releiden perusominaisuuksiin kuuluvatkin johtavuusparametrit sekä virran ja jännitteen maksimiluokitukset, radiotaajuusreleillä on näiden lisäksi muitakin suorituskykymittareita. Näitä ovat esimerkiksi:

• Erotus: korkeataajuiset signaalit vuotavat koskettimien läpi hajakapasitanssin vuoksi, vaikka koskettimet ovat erillään. Erotus mitataan desibeleinä (dB).
• Kytkentähäviö: korkeilla taajuuksilla syntyy signaalihäiriöitä itseinduktion, resistanssin ja dielektristen häviöiden sekä impedanssieroista aiheutuvien heijastusten takia. Myös kytkentähäviö mitataan desibeleinä.
• Jännitteen seisovan aallon suhde (VSWR): tämä aiheutuu tulosignaaliaallon ja heijastuneen signaalin konstruktiivisesta/destruktiivisesta interferenssistä. Tämä arvo on yksikötön numero, joka ilmaisee aaltomuodon maksimiarvon suhteessa sen minimiarvoon.

Tuoterakenteen yksinkertaistaminen

Relekonfiguraatio määritellään koskettimien tai napojen (P) lukumäärän perusteella ja sen perusteella, onko rele normaalisti (virrattomana) avoin vai suljettu (kuva 1). Vaihtoehdot ovat normaalisti avoin (NO) ja normaalisti suljettu (NC). Yksinapaiset (SP) ja kaksinapaiset (DP) konfiguraatiot ovat yleisimpiä, vaikka myös useammalla navalla varustettuja laitteita on saatavilla. Kytkentäpiste (T) on toimilaitteen ääriasento.

Kuva 1: Kuvassa esitetään kosketinjärjestykset ja alan vakionimitykset erityyppisille EMR-releille. 2C-releen katkoviivat ilmaisevat, että molemmissa ankkureissa on ei-johtava linkki, joka liikuttaa molempia koskettimia samanaikaisesti, kun releen käämiin syötetään virtaa. (Kuvan lähde: Sealevel Systems, Inc.)

EMR-releet tukevat useita napoja ja NO/NC-kytkentäpisteitä, mikä korostaa niiden kykyä yksinkertaistaa piirejä, säästää tilaa piirilevyltä, karsia tuoterakennetta ja laskea kustannuksia. Syynä on se, että yksi rele voi kytkeä useita virtapiirejä kaikki päälle tai pois (tai näiden kombinaatioita) napojen ja kytkentäpisteiden konfiguraation mukaan. Sama rele voi myös kytkeä sekä AC- että DC-signaaleja, mikä mahdollistaa samanaikaiset operaatiot useiden virtapiiripolkujen kesken.

Joissain tapauksissa ylimääräisellä napaparilla varustettua EMR-relettä voidaan käyttää ohjaamaan esimerkiksi ledivirtapiiriä ja ilmoittamaan käyttäjille, että rele on aktivoitu ja saavuttanut halutun kosketustilan. Lisäksi jotkut kokeneet suunnittelijat käyttävät DPDT-releitä (Double Pole, Double Throw), kun he tarvitsevat vain SPDT-releen (Single Pole, Double Throw) (SPDT- ja DPDT-releet vaativat usein saman tilan piirilevyltä), minkä ansiosta heillä on varalla kosketinpari suunnittelun jatkuessa mahdollisesti havaitun ongelman tai epähuomion korjaamiseksi.

Omronin G6J-2P-Y DC12 (kuva 2) on erittäin ohut DPDT-rele (2C-muoto), jossa on 977 ohmin (Ω) kela, ja sen ohjausjännite ja virta ovat 12 V ja 12,3 mA. Huomaa, että muut tämän tuoteperheen jäsenet tarjoavat erilaisia kelajännite- ja virtapareja (maksimi 24 V_DC), joten ne ovat yhteensopivia lähes minkä tahansa käyttöpiirin tai tilanteen kanssa.

Kuva 2: G6J-2P-Y DC12 on erittäin ohut DPDT-rele 12 V:n ja 12,3 mA:n kelalla. Se on osa releperhettä, joiden koko- ja kosketusarvot ovat samat, mutta joissa on erilaiset kelajännite- ja virtayhdistelmät. (Kuvan lähde: Omron)

Tämä pienikokoinen rele sopii suuritiheyksisille piirilevyille, koska se on kooltaan vain 5,7 × 10,6 × 9 millimetriä. G6J-2P-Y DC12 on läpiasennettava, mutta tarjolla on identtisiä versioita lyhyillä ja pitkillä pintakiinnitysliittimillä maksimaalista joustavuutta varten. Tämän ja kaikkien muiden tämän tuoteperheen releiden koskettimien virtaluokitus on 0,3 A / 125 V_AC ja 1 A / 30 V_DC.

Releet ja radiotaajuus

Releiden käyttö ei rajoitu pelkästään ”kuivien” koskettimien sulkemiseen tai DC-jännitteiden/virtojen ja matalataajuisten AC-signaalien käsittelyyn. Jotkin mallit on suunniteltu nimenomaisesti erittäin korkeita taajuuksia käyttäviin sovelluksiin, kuten ATE.

Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 on pienikokoinen DPDT-pintaliitosrele, joka tukee differentiaalimuotoisten signaalien kytkentää. Tämän 11,7 × 7,9 × 7,1 mm:n releen kytkentähäviö on enintään 3 dB 8 gigahertsin (GHz) taajuudella. Sitä voidaan käyttää myös korkeammilla taajuuksilla, kuten sen silmäkuvio osoittaa 200 mV:n differentiaalisignaalille 25 pikosekunnin (ps) nousuajalla (kuva 3).

Kuva 3: Minikokoinen G6K-2F-RF-V DC -DPDT-pintaliitosrele käyttää differentiaalimuotoista signaalikytkentää, ja se on suunniteltu yli 8 GHz:n taajuuksille, kuten näistä silmäkuvioista 8,1; 10 ja 12,5 Gbit/s:n signaalille näkyy. (Kuvan lähde: Omron)

Tämä gigahertsialueen suorituskyky on osittain luonnostaan differentiaalisignaaleja tukevan sähkö- ja mekaniikkasuunnittelun ansiota. Tämä auttaa varmistamaan halutun suorituskyvyn, jonka määrittelevät RF-erotus (ei liity galvaaniseen erotukseen), kytkentähäviö ja VSWR (kuva 4).

Kuva 4: G6K-2F-RF-V-gigahertsireleessä käytetään luontaisesti differentiaalista rakennetta, joka helpottaa piirilevyn fyysistä layoutia ja minimoi kyseisen layoutin haitallisen vaikutuksen RF-suorituskykyyn. (Kuvan lähde: Omron)

Releessä on kehittynyt sisäinen rakenne, joka yksinkertaistaa piirilevyn layoutia ja poistaa tarpeen RF-suorituskykyä heikentävälle monimutkaiselle monikerroksiselle signaalipolun reititykselle. Hartsikotelon käyttäminen metallikotelon sijaan estää mittapään nastoja muodostamasta oikosulkua metallikotelon kautta ja vaurioittamasta piirilevyä ja komponentteja releen asennusta tarkistettaessa.

Releet ja virrankulutus

Virrankulutus on kriittinen parametri lähes kaikissa virtapiireissä ja järjestelmissä. Se määrää teholähteen koon ja vaikuttaa akkukäyttöisten järjestelmien toiminta-aikaan, minkä lisäksi siihen liittyvä lämpö vaikuttaa lämpötekniseen suorituskykyyn. Tällä on vaikutuksia perinteisiin lukkiutumattomiin releisiin, joissa kelaan pitää syöttää virtaa koko sen ajan, kun releen on oltava aktiivinen.

Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä perinteisestä päällä/pois-rakenteesta (muodollinen nimi yksipuolisesti stabiili) poikkeavaa arkkitehtuuria. Lukkiutuva rele (jota kutsutaan myös pitoreleeksi) on suunniteltu siten, että kun siihen on syötetty virtaa, se pysyy samassa asennossa, vaikka kelan virransyöttö katkeaa.

Lukkiutumistoiminto voidaan toteuttaa useilla tavoilla. G6JU-2P-Y DC3-releessä ja muissa tämän tuoteperheen releissä käytetään yksikäämistä lukitustekniikkaa, jossa asetuspulssi säilyttää toimintatilan releen viereen asennetun kestomagneetin avulla. Nollauspulssi (tulo, jonka napaisuus on käänteinen asetuspulssiin verrattuna) asettaa releen lukitsemattomaan tilaan.

Releet ja luotettavuus

Releissä on liikkuvia osia ja fyysisiä sähkökoskettimia, joten on normaalia olettaa, että niiden luotettavuus kärsii kohtuullisen käyttömäärän jälkeen. Näin ei kuitenkaan ole.

Ensinnäkin koskettimien avaamisen ja sulkemisen erilaiset vaikutukset eritasoisilla AC- ja DC-virroilla tunnetaan hyvin, ja ne kuvaillaan yksityiskohtaisesti releen teknisissä tiedoissa. Koskettimien ennenaikaisen kulumisen ei pitäisi olla ongelma, jos olosuhteet vastaavat releen spesifikaatiota.

Yhtä tärkeää on, että vuosikymmenten käyttö, kokemus lukemattomista kentällä käytössä olevista laitteista, metallurginen tutkimus ja kehitystyö, mallinnus ja analysointi, kontrolloidut käyttöikätestit, tuotannon ja valmistuksen parannukset sekä muut tekniset tekijät ovat muuttaneet kelojen ja koskettimien suunnittelun ja valmistuksen hyvin ymmärretyiksi, kypsiksi ja sofistikoituneiksi prosesseiksi, mikä näkyy valmiissa komponenteissa.

Releen kestävyys liittyy koskettimien ja kelan kestävyyteen. Kelan kestävyyden vakioarvo on 40 000 käyttötuntia. Tämä johtuu siitä, että kun kelaan syötetään jatkuvasti virtaa nimellisjännitteellä, sen eristysominaisuudet heikkenevät generoidun lämmön vuoksi. Jos releen käyttö on ajoittaista, kelan kestävyys on paljon pidempi.

Kestävyyttä arvioidaan myös kahdella teknisissä tiedoissa usein esitetyllä tekijällä:

• Mekaaninen kestävyys tarkoittaa sitä montako kertaa rele voi avata ja sulkea koskettimen ilman kuormaa, ja sen määrityksessä huomioidaan mekaaniset toimintahäiriöt ja ominaisuudet.
• Sähköinen kestävyys tarkoittaa sitä montako kertaa rele voi avata ja sulkea koskettimen nimelliskuormalla (kuten 125 V_AC, 0,3 A / 30 V_DC, 1 A).

Relekoskettimia on saatavilla erilaisissa konfiguraatioissa, jotka esitetään tässä kasvavassa luotettavuusjärjestyksessä: yksittäiskosketin, kaksoiskosketin ja ristikytkentäkaksoiskosketin (kuva 5). Ristikytkentäkaksoiskoskettimen rakenne tarjoaa erittäin stabiilin kosketinresistanssin ja minimoi kosketusviat. G6J-2P-Y-tuoteperheen releissä käytetään haaroitettua ristikytkentää (samankaltainen kuin ristikytkentäkaksoiskosketin), ja sen hopeiset koskettimet on kultapinnoitettu.

Kuva 5: Releiden koskettimet ovat parantuneet ja kehittyneet perusmallisista yksittäiskoskettimista pitkäkestoisempiin ristikytkentäkaksoiskoskettimiin, jotka tarjoavat tasaisen suorituskyvyn ja stabiilin kosketinresistanssin. (Kuvan lähde: Omron)

Nämä releet tunnetaan luotettavuudestaan ja tämä tekee niistä hyvän valinnan mihin tahansa sovellukseen, jossa käyttökatkokset tai palvelukatkokset eivät ole hyväksyttäviä tai joissa releiden suorituskyky on tehtävän kannalta kriittistä.

Yhteenveto

EMR-releet ovat tärkeitä ongelmanratkaisukomponentteja monissa nykypäivän järjestelmissä, ja ne ratkaisevat monia signaaliväylää koskevia ongelmia. Ne tarjoavat uniikit ja korvaamattomat signaalinkäsittelyominaisuudet, hyvin määritellyn suorituskyvyn ja pitkäkestoisen luotettavuuden. Signaalireleitä on saatavana DC-, matalataajuus- ja jopa RF-sovelluksiin aina gigahertsitaajuuksiin saakka, mikä laajentaa niiden käytettävyyttä.