Tehoreleiden perusteet

Releet toimivat pääasiassa kytkiminä, jotka ohjaavat muiden kytkimien toimintaa sähköpiireissä. Ne käyttävät pienitehoista tulosignaalia suurempitehoisten piirien ohjaamiseen. Releen pienitehoisen signaalin aktivointi laukaisee sähkömagneetin energisoinnin ja käynnistää ankkurin liikkeen. Tämä liike puolestaan aikaansaa sähkökoskettimien sulkeutumisen ja mahdollistaa tehon siirron ohjattavaan piiriin.

Yksi tämän rakenteen tärkeimmistä eduista on sen kyky erottaa pienitehoinen ohjaussignaali suurempitehoisesta piiristä. Tämä erotus ei ainoastaan suojaa käyttäjiä potentiaalisilta vaaroilta vaan myös suojaa laitteita mahdollisilta vaurioilta. Lisäksi tämä järjestely helpottaa laitteiden tai järjestelmien kauko-ohjausta ja mahdollistaa niiden etäkäytön.

Sähkömekaanisten releiden synty ajoittuu vuoteen 1835. Vaikka niiden komponentit ja monipuolisuus ovat kehittyneet merkittävästi vuosien varrella, perustehtävä on pysynyt samana. Yksi historian tunnetuimmista releistä on tehorele. Vaikka kaikki sähköiset releet ohjaavat luonnostaan tehoa, kaikkia releitä ei kuitenkaan voi kutsua ”tehoreleiksi”. Tässä artikkelissa tarkastellaan lähemmin tehoreleitä sekä niiden etuja, konfiguraatioita ja tärkeimpiä valintaperusteita.

Tehoreleiden perusteet

Tehoreleet ovat tunnettuja niiden erityisestä siitä, että ne voivat kytkeä korkeita virtoja muutamasta ampeerista huomattavasti korkeampiin arvoihin. Tehoreleiden koskettimet kestävät robustin rakenteensa ja suurempien mittojensa ansiosta korkeita virtoja, joten ne ovat ihanteellisia kandidaatteja sellaisiin sovelluksiin, joissa vaaditaan tyypillisesti yli 10 ampeerin virtaa.

Niiden käyttö kasvaa eri teollisuudenaloilla, kuten ajoneuvojärjestelmissä, hissien ohjausyksiköissä, venttiilien aktuaattoreissa ja erilaisissa laitteissa, joissa voi tyypillisesti esiintyä korkeita virtapiikkejä laitetta käynnistettäessä, esimerkkinä moottorit, solenoidit, virtalähteet ja elektroniset virranrajoittimet.

Kuten muillakin sähkökomponenteilla, myös releillä on luontaiset tehorajoituksensa, mitä enempää ne eivät pysty hallitsemaan turvallisesti. Kullekin mallille on määritelty enimmäisteholuokitus, mikä takaa tehokkaan sovittamisen erilaisiin kuormiin aina hehkulamppujen kaltaisista pienitehoisista yksiköistä isojen moottoreiden kaltaisiin robusteihin koneisiin. Määritellyn teholuokituksen ylittyminen voikin aiheuttaa releelle pysyviä vaurioita.

Lisäksi koskettimien virheellinen kohdistus voi aiheuttaa niiden välillä valokaaria, joille on ominaista virran kulku relekoskettimien välisen ilmavälin kautta, kun koskettimet ovat auki mutta lähellä toisiaan. Tämä ilmiö aiheuttaa kipinöiden ja lämmönmuodostuksen lisäksi sellaisia riskejä kuten koskettimien kulumista ja ei-toivottujen sähköisten häiriöiden syntymistä, jotka voivat vahingoittaa lähellä olevia laitteita.

Kuva 1: Valokaaria sähkömekaanisen releen koskettimien välillä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Tehoreleet on suunniteltu erityisesti käsittelemään korkeavirtaisten laitteiden, kuten lämmittimien, moottoreiden, valaisinryhmien ja teollisuuslaitteiden, sähkökuormia. Tehoreleiden korkeammat virta- ja jänniteluokitukset johtuvat suurelta osin tavallisista releistä poikkeavien kytkinkosketinmateriaalien käytöstä. Nämä materiaalit on valittu, koska ne kestävät korkeatehoisten sovellusten korkeita vaatimuksia ja takaavat luotettavan toiminnan ja pitkäikäisyyden vaativissa teollisuusympäristöissä.

Tehoreleiden kosketinmateriaalit

Kun virta kulkee relekoskettimien läpi, se kohtaa koskettimien koosta ja materiaalikoostumuksesta riippuvaisen resistanssin. Korkeampi resistanssi ei ainoastaan kasvata releen tehohäviötä, vaan myös lisää lämmönmuodostusta. Yksi tapa vähentää kosketinresistanssia on kosketinmateriaalien huolellinen valinta.

Tavanomaisissa releissä koskettimet on tyypillisesti valmistettu hopeanikkelistä, jota on historiallisesti paljon käytetty metalli releiden rakentamisessa. Hopeanikkelikoskettimet sopivat erinomaisesti resistiivisten kuormien kytkentään, kun virta ja jännite ovat samassa vaiheessa.

Sen sijaan korkeammille kuormille suunnitelluissa releissä, kuten tehoreleissä, käytetään esimerkiksi hopeakadmiumoksidista, hopeatinaoksidista tai kultaseoksista valmistettuja koskettimia. Nämä materiaalit soveltuvat ihanteellisesti sellaisten induktiivisten kuormien käsittelyyn, joille on ominaista epäsynkroninen virta ja jännite, mikä voi aiheuttaa huomattavia virta- tai jännitepiikkejä. Sekä hopeakadmiumoksidi- että hopeatinaoksidikoskettimet tarjoavat pienemmän sähköisen resistanssin ja vähentävät korkeista virtapiikeistä aiheutuvaa koskettimien hitsautumisen riskiä. Hopeatinaoksidin käytöllä vältetään erityisesti kadmiumpohjaisiin seoksiin liittyvät ympäristöongelmat. Niiden käyttö onkin kielletty eräiden maiden lakisääteisissä standardeissa.

Tehoreleiden ja signaalireleiden välinen vertailu

Tehoreleet ja signaalireleet edustavat kahta suosittua vaihtoehtoa releiden alalla. Vaikka tehoreleissä huomio onkin keskitetty korkeampiin jännitteisiin ja virtoihin, niiden elinkaari kestää tyypillisesti vähemmän kytkentäsyklejä. Signaalireleiden elinkaari on sitä vastoin suunniteltu korkeammalle syklimäärälle, mutta ne toimivat alhaisemmilla jännitteillä ja minimaalisella virralla.

Vaikka tehoreleissä käytettävät kosketinmateriaalit soveltuvat hyvin korkeatehoisten skenaarioiden hallintaan, ne eivät ole ihanteellisia pienitehoiseen kytkentään. Tämä johtuu siitä, että koskettimien välinen fyysinen liitäntä on ensiarvoisen tärkeää alhaisemmilla jännitteillä, jolloin ratkaisevia tekijöitä ovat pikemminkin kosketinpaine ja puhtaus eikä kosketinmateriaali.

Lisäksi signaalireleen käyttöön tehosovelluksissa liittyy luontaisia riskejä, jotka voivat johtaa ylijännitteen tai ylivirran aiheuttamaan katastrofaaliseen vikaantumiseen. Vaikka tällainen rele säilyisikin ehjänä, siitä puuttuisivat ratkaisevan tärkeät toiminnot, kuten valokaarisuojaus ja koskettimien itsepuhdistus, mikä heikentää sen luotettavuutta pitkällä aikavälillä.

Teho- ja signaalireleiden väliseen päätöksentekoprosessiin liittyy olennaisen tärkeä perusohje: kytkettävä tehotaso täytyy aina sovittaa releen teholuokituksen mukaan. Näin varmistetaan optimaalinen suorituskyky, vähennetään vikaantumisriskejä sekä säilytetään releen ja siihen liittyvien järjestelmien eheys. Signaalireleistä voi lukea lisää toisesta Same Sky -yrityksen artikkelista nimeltä Signaalireleiden perusteet.

Tehoreleiden tyypit

Tehoreleitä, kuten tavallisia releitäkin, on saatavana kahta päätyyppiä: sähkömekaanisia ja puolijohdereleitä.

Sähkömekaaniset tehoreleet perustuvat sähkökäämien, magneettikenttien, jousien, liikkuvien ankkureiden ja koskettimien yhdistelmään, jolla säädellään virran syöttöä laitteeseen.

Puolijohdereleissä ei sitä vastoin käytetä liikkuvia osia. Ne hyödyntävät sen sijaan puolijohdekomponentteja, kuten SCR-tyristoreita (Silicon-Controlled Rectifier), triakkeja (TRIAC, Triode for Alternating Current) tai kytkentätransistoreita AC- ja DC-virtojen kytkemiseen. Puolijohdereleet tarjoavat sähkömekaanisiin releisiin verrattuna sellaisia etuja kuten nopeammat kytkentänopeudet ja paremman luotettavuuden. Niiden kustannustehokkuus kuitenkin heikkenee tehontarpeen kasvaessa, koska robusteihin tehopuolijohteisiin ja ylimääräisten lämmönhallintakomponenttien integrointiin liittyvät kustannukset ovat korkeammat.

Kuva 2: Esimerkki puolijohdereleestä yhdistettynä jäähdytyslevyyn. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yleiset konfiguraatiot ja luokitukset

Tehoreleet, kuten myös ei-tehoreleet, luokitellaan niiden kosketinkonfiguraation perusteella, joka ilmaisee, kuinka montaa laitetta ne voivat ohjata samanaikaisesti. Yleisiä luokituksia ovat:

• SPST (Single Pole, Single Throw) – yksi napa, yksi kytkentäpiste
• DPDT (Double Pole, Double Throw) – kaksi napaa, kaksi kytkentäpistettä
• 3PDT (Three Pole, Double Throw) – kolme napaa, kaksi kytkentäpistettä
• SP3T (Single Pole, Three Throw) – yksi napa, kolme kytkentäpistettä

Relekoskettimet ovat joko normaalisti avoimia (NO) tai normaalisti suljettuja (NC) sen mukaan, mikä niiden tila on, kun releeseen ei syötetä virtaa.

Releluokitukset ilmaisevat suurimman tehon, jonka rele voi kytkeä turvallisesti ja tehokkaasti. Nämä luokitukset ilmaistaan yleensä ampeereina sekä AC- että DC-virroille. On ratkaisevan tärkeää, että releluokitus ylittää kytkettävän laitteen luokituksen, turvamarginaalia unohtamatta.

Ei-tehoreleiden tapaan myös tehoreleitä voidaan kuvata käyttämällä termiä ”muodot”. Lauseet kuten ”1 muoto A” tai ”2 muoto C” antavat tietoa releen ominaisuuksista. ”Muotoa” edeltävä numero ilmaisee releessä käytettävissä olevien koskettimien määrän. ”Muoto A” tarkoittaa normaalisti avointa relettä, kun taas ”muoto B” tarkoittaa normaalisti suljettua relettä. ”Muoto C” ja ”Muoto D” koskevat SPDT-releitä, ja ne ilmaisevat, kumpi asento katsotaan normaalisti suljetuksi ja onko releessä vaihtokoskettimet vai juontokoskettimet. Vaikka on olemassa lukuisia muitakin muotoja, nämä neljä ovat yleisimmin käytettyjä.

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

Muita näkökohtia

Relettä valittaessa huomioon on otettava mm. seuraavat lisäseikat:

• Syöttövirtapiikit: Tietyt releet voivat synnyttää merkittäviä virtapiikkejä käynnistyksen aikana. On tärkeää tunnistaa nämä virtapiikit ennen releen valintaa, jotta vältetään komponentin vaurioituminen.
• Käämin vaimennus: Releiden tilanvaihto voi tuottaa korkeita transienttijännitteitä. Käämin vaimennuksessa piiriin lisätään komponentteja releiden suojaamiseksi näiltä transienteilta. Tämä saattaa kuitenkin lyhentää releen elinkaarta. Määritä, tarvitaanko halutussa sovelluksessa jotain kääminvaimennusstrategiaa.
• Salpaaminen: Salparele säilyttää viimeisimmän kosketinasentonsa myös sen jälkeen, kun aktivointivirta katkaistaan. Tämä ominaisuus voi olla tarpeen tietyissä sovelluksissa.
• Kohina: Releet voivat synnyttää sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) tai radiotaajuushäiriöitä (RFI), jotka voivat olla korkeatehoisissa laitteissa voimakkaampia. Määritä etukäteen laitteen tai järjestelmän herkkyys tälle kohinalle.
• Kosketinvärähtely: Kun releen tila vaihtuu, sen koskettimissa voi syntyä lyhyitä avautumis- ja sulkeutumissyklejä, joita kutsutaan kosketinvärähtelyksi ja joka tuottaa sähköpulsseja. Tämä värähtely voi sovelluksen herkkyydestä riippuen aiheuttaa ei-toivottuja vaikutuksia, joten ennen releen valintaa on tärkeää määrittää, vaikuttaako kosketinvärähtely sovellukseen.

Kuva 3: Esimerkki kosketusvärähtelystä ja nopeasti muuttuvista jännitteistä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yhteenveto

Releet ovat tehokkaita ja luotettavia laitteita, jotka mahdollistavat järjestelmien ja laitteiden turvallisen sähköisen ohjauksen sekä erottavat käyttäjän turvallisesti käyttövirrasta. Tehoreleiden ominaisuudet, olipa kyseessä sitten sähkömekaaniset tai puolijohdereleet, on erityisesti suunniteltu korkeampien jännitteiden ja virtojen kytkentää varten.

Same Sky tarjoaa suunnittelijoille monipuolisen valikoiman teho- ja signaalireleitä tuotteiden virtakytkentätarpeiden arviointiin. Same Sky -yrityksen releratkaisut täyttävät erilaiset tarpeet tehokkaasti ja tuloksellisesti, olipa kyse sitten alhaisen tai korkean virran kytkennästä.