Signaalireleiden perusteet

Releet ovat laajalti käytettyjä ja hyödyllisiä sähkölaitteita, joita on hyödynnetty jo vuodesta 1835. Iästään huolimatta ne ovat edelleen tärkeässä roolissa eri toimialoilla. Niiden avulla virtapiiriä voidaan ohjata kauempaa, mikä tekee niistä hyödyllisiä useissa erilaisissa sovelluksissa. Ensimmäisten tietokoneiden totuusarvologiikka jopa toteutettiin käyttämällä suuria määriä releitä. Yksi releiden merkittävä alalaji on signaalirele, jolla on erityinen ja tärkeä rooli tiedonsiirrossa. Tässä artikkelissa tutustutaan signaalireleisiin, niiden eroihin muihin releisiin nähden, tärkeisiin valintakriteereihin ja muihin seikkoihin.

Signaalireleiden perusteet

Signaalireleet ovat pohjimmiltaan sähköisesti ohjattavia sähkömekaanisia kytkimiä, joilla ohjataan sähkövirtaa virtapiirissä. Niissä käytetään magneettista voimaa, joka tuotetaan kosketinten läheisen käämin läpi syötetyllä ohjausvirralla sisäisten osien tai kosketinten liikuttamiseksi avoimen ja suljetun asennon välillä. Tämä mahdollistaa suuremman signaalin ohjaamisen pienemmällä signaalilla. Ne muistuttavat tehoreleitä, mutta ne on suunniteltu alhaisemmalle jännitteelle ja virralle, tyypillisesti 2 ampeeria, ja niillä kytketään pienitehoisia signaaleja, joiden jännite on tyypillisesti 5 V_DC – 30 V_DC. Siksi ne tunnetaan myös piensignaalireleinä.

Kuten edellä mainittiin, signaalireleet ovat sähkömekaanisia releitä, jotka sopivat parhaiten matalan jännitteen ja virran sovelluksiin ja joiden koskettimet on suunniteltu erityisesti alhaista tehoa varten. Korkeampia virtoja ja jännitteitä kestävät tehoreleet voivat olla taloudellisempia eräissä sovelluksissa, mutta ne voivat myös heikentää ääni- ja videopiirien pienitehoisia signaaleita, joten signaalireleet sopivat paremmin tällaiseen käyttöön. Signaalireleitä on saatavilla pienissä koteloissa, jotka sopivat täydellisesti piirilevyasennukseen ja tarjoavat nopeammat kytkentäajat. Ne ovat tyypillisesti halvempia kuin puolijohdereleet, transienttijännitteet ja -virrat eivät vaikuta niihin ja ne sietävät hyvin EMI-/RFI-häiriöitä. Koska niiden teholuokitus on pienempi, ne synnyttävät myös vähemmän lämpöä kuin puolijohdereleet eikä piirissä yleensä tarvitse lämmönhallintaratkaisua.

Kuva 1: Matalan ja korkean tason releiden perusvertailu. (Kuvan lähde: Same Sky)

Signaalireleiden hyödyt

Signaalireleet tarjoavat muiden sähkömekaanisten releiden tavoin lukuisia hyötyjä, kuten

• yksinkertaisempi suunnittelu
• sähköinen eristys
• luotettava toiminta
• kustannussäästöt pitkän kantaman johdotuksessa
• useita kotelo- ja ominaisuusvaihtoehtoja
• EMI-/RFI-häiriönsieto.

Kun signaalireleet sovitetaan piirin tehovaatimuksiin oikein, ne tarjoavat muitakin hyötyjä, kuten

• helppokäyttöisyys
• pieni koko
• edullisuus
• mekaanisten rasitteiden sieto
• sisäisen käämin ja kosketinten välinen korkea eristys.

Signaalireleiden keskeisiä teknisiä tietoja ja valintakriteerejä

Signaalirelemallin valinnassa sovellusta varten on huomioitavia useita tekijöitä, kuten seuraavat:

• jänniteluokitus: releen suurin kytkentäjännite, jonka mittausyksikkö on tyypillisesti V_DC tai V_AC
• virtaluokitus: releen suurin kytkentävirta mitattuna ampeereina
• kosketinresistanssi: kuormituspiiriin lisättävä resistanssi mitattuna ohmeissa
• käämin jännite: releen käämin ohjausjännite
• käämin virta: ohjausjännitteen käämiin luoma sähkövirta
• kosketinmuoto: releen kytkinkonfiguraatio (napojen määrä, normaalisti avoin vai normaalisti suljettu konfiguraatio). Esimerkiksi SPDT (1 muotoa C) tai DPDT (2 muotoa C)
• kosketinten luokitukset: releen suorituskyvyn takaava virta ja jännite. Tämä ilmaistaan tyypillisesti muodossa 1 A @ 30 V_DC
• kytkentäaika: releen toimintanopeus, eli aika ohjausvirran syötöstä kosketinten sulkeutumiseen ja toisin päin
• asennustyyppi: miten rele asennetaan kohteeseen. Tämä on tyypillisesti läpiasennettava tai pinta-asennus piirilevylle.
• dielektrinen lujuus: releen vaurioitumatta sietämä tietyn pituinen enimmäisjännite
• käyttölämpötila: nimellislämpötila-alue, jolla rele toimii turvallisesti ja oikein ilman toiminnan heikkenemistä.

Näiden tekijöiden pohjalta voidaan aloittaa signaalireleen valintaprosessi projektia varten. Aluksi on määritettävä tarvittava jännite- ja virtaluokitus piirin enimmäiskytkentäkuorman perusteella. On tärkeää pitää mielessä, että signaalireleillä kytketään tyypillisesti enintään 2 A:n virtaa.

Seuraavaksi on tunnistettava vaadittu ohjausjännite ja sen tyyppi, joko AC tai DC, sekä määritettävä kytkettävien napojen/piirien määrä. On myös päätettävä, tuleeko piirin/kytkennän olla normaalisti avoin (NO) vai normaalisti suljettu (NC).

Lopuksi on huomioitava miten laite asennetaan piiriin, esimerkiksi paneeliasennus, DIN-kisko, pinta-asennus tai läpiasennus. Kun vaaditut parametrit on määritetty, voidaan tunnistaa rele, joka riittää täyttämään järjestelmän vaatimukset ilman turhaa ylimääräistä kapasiteettia.

Kuva 2: Signaalireleen valinnan yleiset vaiheet.(Kuvan lähde: Same Sky)

Signaalireleiden sovellukset

Signaalireleitä on käytetty niiden matalan virran kytkentäkapasiteetin vuoksi mitä erilaisimmissa kuluttajille suunnatuissa ja kaupallisissa sovelluksissa. Ne tarjoavat tehokkaan ratkaisun verkkolaitteisiin, joissa tarvitaan pitkän kantaman signaaleja, joiden jännite ja virta ovat korkeampia kuin mitä useimmat sähkölaitteet vakiona pystyvät kestämään. Signaalireleet ovat myös hyödyllisiä nopean vasteen sovelluksissa, joiden teho ei vaadi tehorelettä. Lisäksi jokapäiväisissä ympäristöissä, kuten asunnoissa ja toimistoissa, saatetaan käyttää matalan jännitteen ja virran termostaattia, jonka pitää lähettää signaali lämmitys- tai ilmastointilaitteelle. Signaalirele voi vastaanottaa pienen matalatehoisen ohjaussignaalin ja lähettää viestin lämmitys- tai ilmastointilaitteelle, joka voi sitten aktivoida asianmukaisen toiminnon.

Yhteenveto

Sähköjärjestelmien jatkuvan kehityksen myötä voidaan usein tarvita täydellistä sähköistä eristystä kytkentäsignaalin ja kytkettävän signaalin välillä. Signaalireleet tarjoavat ratkaisun virran ja jännitteen turvalliseen ohjaukseen matkan päästä.

Näitä laitteita käytetään laajalti monenlaisissa kuluttajille suunnatuissa ja teollisissa tuotteissa ja järjestelmissä erityyppisten piirien virtojen kytkentään. Kun suunnitteluvaatimukset on tunnistettu, voidaan tutustua Same Sky -yrityksen tarjoamiin signaalireleisiin, jotka täyttävät matalan tason virran kytkentätarpeet.