Hur man väljer och använder elektromekaniska reläer för mångsidig och tillförlitlig omkoppling av signaler

Tillämpningar för t.ex. telekom- och nätverksenheter, automatisk testutrustning (ATE) och säkerhetsenheter kräver allt oftare tillförlitlig omkoppling och dirigering av enstaka eller flera lik- och växelströmssignaler (analoga) samt radiofrekvenssignaler (RF) på låg till medelhög nivå. Elektromekaniska reläer (EMR) är väl lämpade för att hantera denna uppgift.

Elektromekaniska reläer har enastående prestanda för av och på samt in-/utgångsisolering och finns med flera polkonfigurationer för att ge konstruktörer flexibilitet och mångsidighet. Dessutom kan ett enda relä stödja olika typer av signaler (växel- och likström, låga frekvenser och radiofrekvenser) i samma enhet, vilket ökar deras värde.

Även om de har rörliga delar och fysiska kontakter är de oomstridda tack vare sin långa historia av tillämpningar. De är således pålitliga "problemlösare" som kan ge många års stabil drift. Även om elektromekaniska reläer är robusta enheter måste konstruktörer välja ett lämpligt relä (både spol- och kontaktklassificering) och använda det på rätt sätt för att säkerställa maximal livslängd.

Artikeln beskriver kortfattat olika typer av signalreläer och deras användningsområden. Därefter beskrivs hur man väljer och tillämpar elektromekaniska reläer med hjälp av exempel från Omron Electronic Components.

Typer av reläer och uppdelning

Elektromekaniska reläer avser en komponent med många underordnade artiklar för specifika tillämpningar. Till exempel har effektreläer anslutningar som är klassificerade för 2 A eller högre, medan signalreläer är konstruerade för kontaktströmmarsom är lägre än detta värde.

Signalreläer kan delas in i två grupper, för signaler med eller utan radiofrekvens. Alla reläer kännetecknas av grundläggande kontinuitetsparametrar och maxgränser för ström- och spänningshantering, men det finns ytterligare prestandamått för RF-reläer. De omfattar:

• Isolering: Signaler med hög frekvens läcker igenom restkapacitans mellan kontakterna, även om kontakterna är åtskilda. Isolering mäts i decibel (dB).
• Inkopplingsförlust: Vid höga frekvenser uppstår signalstörningar på grund av självinduktion, resistans och dielektrisk förlust samt reflektioner på grund av skillnader i impedans. Inkopplingsförlusten mäts även den i dB.
• Spänningens stående våg-förhållande (VSWR): Denna beror på konstruktiv/destruktiv störning mellan en ingående signalvåg och en reflekterad signal. Måttet är ett enhetslöst tal som anger förhållandet mellan ett maximalt värde för vågformen och dess minimivärde.

Förenkling av materiallista

Reläkonfigurationer definieras av antalet kontakter eller poler (P) och möjliga normala (dvs. potentialfria) brutna/slutna kontakter (figur 1). De kan vara normalt brutna (NO) eller normalt slutna (NC). Konfigurationer med en respektive två poler (SP respektive DP) är vanligast, men det finns även enheter med fler poler. Omkopplaren (T) är ställdonets yttersta position.

Figur 1: Här visas ett urval av kontakter och beteckningar enligt branschstandarder för flera typer av elektromekaniska reläer. De streckade linjerna i reläet Form 2C anger att båda ankarna har en icke-ledande länk som flyttar båda kontakterna samtidigt när reläspolen strömsätts. (Bildkälla: Sealevel Systems, Inc.)

De elektromekaniska reläernas förmåga att stödja flera poler och NO/NC-omkopplingar visar hur de kan förenkla kretsarna, spara utrymme på kretskortet, minska materiallistan (BOM) och sänka kostnaderna. Anledningen är att ett enda relä kan koppla om flera kretsbanor till alla på, alla av eller en kombination av de båda, beroende på pol- och omkopplingskonfiguration. Samma relä kan även koppla om både växel- och likströmssignaler, vilket ger samtidig drift över flera kretsbanor.

I vissa fall används elektromekaniska reläer med ett extra par poler för att driva en extra krets, t.ex. en krets med lysdioder för att visa användaren att reläet har aktiverats och att önskat tillstånd för kontakten uppnåtts. Dessutom använder vissa erfarna konstruktörer tvåpoliga tvåvägsreläer (DPDT) när allt de behöver är enpoliga tvåvägsreläer (SPDT) (enpoliga tvåvägs- och tvåpoliga tvåvägsreläer har i många fall samma storlek), vilket ger dem ett anslutningspar "för säkerhets skull" för att åtgärda ett problem eller en försummelse som upptäcks senare i konstruktionscykeln.

G6J-2P-Y DC12 (figur 2) från Omron är ett mycket litet tvåpoligt tvåvägsrelä (Form 2C) med en spole på 977 Ω som är konstruerat för att drivas med 12 V vid 12,3 mA. Observera att andra medlemmar i denna produktfamilj har olika kombinationer av spänning/ström för spolen på upp till 24 V_DC, för kompatibilitet med nästan alla drivkretsar och situationer.

Figur 2: G6J-2P-Y DC12 är ett mycket litet tvåpoligt tvåvägsrelä med en spole på 12 V, 12,3 mA. Det ingår i en produktfamilj av reläer med identisk storlek och kontaktklassificering men med olika kombinationer av spänning/ström för spolen. (Bildkälla: Omron)

Det lilla reläet är lämpligt för kretskort med hög densitet då det har måtten 5,7 × 10,6 × 9 mm. G6J-2P-Y DC12 levereras för genomgående hålmontering, men identiska versioner har korta och långa ytmonterade anslutningar för maximal flexibilitet. Kontakterna på detta relä och alla andra i denna produktfamilj är klassificerade att klara upp till 0,3 A vid 125 V_AC och 1 A vid 30 V_DC.

Reläer och RF

Reläanvändningen är inte begränsad till att tillhandahålla enkla "potentialfria" slutningar av kontakter eller hantera signaler för likspänning/-ström samt växelström med lägre frekvenser. Vissa modeller är särskilt utformade för tillämpningar med ultrahöga frekvenser, som t.ex. automatisk testutrustning.

G6K-2F-RF-V DC4.5 från Omron är ett mycket litet tvåpoligt tvåvägsrelä för ytmontering som stödjer signalväxling med differentiell överföring. Inkopplingsförlusten är 3 dB eller mindre vid 8 GHz och reläet har måtten 11,7 × 7,9 × 7,1 mm. Den kan även användas vid högre frekvenser, vilket ögondiagrammet visar för en differentialsignal på 200 mV med en stigtid på 25 pikosekunder (figur 3).

Figur 3: G6K-2F-RF-V DC är ett litet tvåpoligt tvåvägsrelä för ytmontering som använder signalväxling med differentiell överföring och är klassificerat för 8 GHz och mer, vilket framgår av ögondiagrammen för signaler på 8,1, 10 samt 12,5 Gbit/s. (Bildkälla: Omron)

Prestandan i GHz-området beror delvis på en elektrisk och mekanisk konstruktion som i sig stödjer differentiella signaler. Detta bidrar till att garantera önskvärd prestanda enligt definitionen för isolering av höga frekvenser (ej relaterat till galvanisk isolering), inkopplingsförlust och förhållandet mellan spänning och stående våg (figur 4).

Figur 4: Reläet G6K-2F-RF-V för GHz har en inbyggd differentiell konstruktion som underlättar fysisk layout på kretskortet och minimerar layoutens negativa inverkan på RF-prestandan. (Bildkälla: Omron)

Reläet har en avancerad intern layout som förenklar layouten för kretskortet och eliminerar behovet av komplexa signalvägar i flera lager på kretskortet som i sig försämrar RF-prestandan. Genom att använda ett hölje av harts i stället för ett i metall undviker man problemet med sondstift som kortsluter genom ett metallhölje och orsakar skador på kretskort och delar vid inspektion av relämontaget.

Reläer och strömförbrukning

Strömförbrukningen är en kritisk parameter i nästan alla kretsar och system. Den definierar strömförsörjningens storlek, påverkar drifttiden för batteridrivna konstruktioner och den tillhörande värmen påverkar den termiska prestandan. Detta har konsekvenser för konventionella icke-växlande reläer, där spolen måste vara strömförande under hela den tid som reläet behöver vara aktiverat.

Alternativa arkitekturer till den grundläggande konstruktionen för på/av (formellt kallad enkelsidigt stabil) löser detta problem. Hållreläet är konstruerat så att när det väl har aktiverats, förblir det i detta läge även efter att spolspänningen har tagits bort.

Hållfunktionen kan implementeras på flera olika sätt. G6JU-2P-Y DC3, och andra i denna produktfamilj, använder en hållteknik med enkel lindning där ingångspulsens "aktivering" gör att driftförhållandet upprätthålls via en intilliggande permanentmagnet. Ingångspulsen för "återställning" (en ingång med omvänd polaritet jämfört med ingången för "aktivering") försätter reläet i ett olåst läge.

Reläer och tillförlitlighet

Reläer har rörliga delar och fysiska elektriska kontakter, så det är normalt att anta att de blir otillförlitliga efter ett blygsamt antal cykler för på/av. Så är dock inte fallet.

För det första är de olika resultaten av brytning och slutning av kontakter vid olika nivåer av växel- respektive likström väl kända och beskrivs i detalj i reläets datablad. Förtida slitage på kontakter bör inte vara ett problem om de definierade villkoren respekteras.

Lika viktigt är att decennier av användning, erfarenhet av otaliga enheter i fält, metallurgisk forskning och utveckling, modellering och analys, kontrollerade livslängdstester, produktions- och tillverkningsförbättringar samt andra tekniska faktorer har omvandlat konstruktion och tillverkning av spolar och kontakter till väl underbyggda, mogna och sofistikerade processer och resulterande komponenter.

Reläets livslängd är kopplad till kontaktens och spolens livslängd. Spolens livslängd börjar med ett standardvärde på 40 000 timmar, eftersom isoleringsegenskaperna försämras på grund av den värme som alstras när spolen kontinuerligt utsätts för märkspänning. Om reläet används intermittent är spolens livslängd mycket längre.

Hållbarheten bedöms även utifrån två faktorer som ofta anges på databladen:

• Mekanisk hållbarhet, det antal gånger som ett relä kan bryta och sluta kontakten utan belastning, med hänsyn taget till mekaniska fel och egenskaper.
• Elektrisk hållbarhet, det antal gånger som ett relä kan bryta och sluta kontakten med en nominell belastning (t.ex. 125 V_AC, 0,3 A/30 V_DC, 1 A).

Reläkontakter finns i olika konfigurationer med ökande nivåer av långsiktig tillförlitlighet; en kontaktpunkt, två kontaktpunkter och två kontaktpunkter med en tvärstång (figur 5). Konstruktionen av kontakten med tvärstången ger en exceptionellt stabilt kontaktresistans och minimerar risken för fel på kontakterna. Medlemmarna i produktfamiljen G6J-2P-Y har en förgrenad tvärstång (liknande reläet med två kontaktpunkter och tvärstång) med en kontakt i silver som är pläterad med en guldlegering.

Figur 5: Reläkontakter har förbättrats och utvecklats, från en kontaktpunkt till två kontaktpunkter med tvärstång samt har en längre livslängd som ger jämn prestanda och stabil kontaktresistans. (Bildkälla: Omron)

Den kända tillförlitligheten hos reläer gör dem till ett bra val för alla tillämpningar där driftstopp eller serviceavbrott inte är acceptabla, eller där reläets prestanda är en verksamhetskritisk faktor.

Sammanfattning

Elektromekaniska reläer är viktiga problemlösande komponenter i många av dagens system och hanterar och löser många problem med signalvägar. De har unika och oersättliga egenskaper för signalhantering, väldefinierad prestanda och långsiktig tillförlitlighet. Signalreläer finns för tillämpningar med likström, låga frekvenser och till och med för RF-tillämpningar i GHz-området, vilket breddar användningsområdet.