1SERWIS ELEKTRONIKI

Przekaźnik – „stary ale jary”

Przekaźnik – „stary ale jary”Przekaźnik, czy to element elektroniczny, czy

elektryczny? Właściwie, elektromechaniczny! Przekaźniki były stosowane, gdy elementy elek-troniczne jeszcze raczkowały. Zatem, jest być może starszy aniżeli elektronika, jednaj wciąż „ma się dobrze”. W wielu aplikacjach stosowany jest do dzisiaj, I choć obecnie istnieje alterna-tywa zastąpienia przekaźnika „kluczem w pełni elektronicznym”, relay okazuje się wyborem optymalnym.

Element ten, „liczy sobie” blisko 200 lat, wy-daje się, że był wynaleziony na potrzeby tele-grafu Samuela Morse-a. Trudno zaprzeczyć, że to element w istocie cyfrowy (rozróżnia jedynie dwa stany, on i off), i we wczesnej technice komputerowej, także znalazł zastosowanie.

Tyle wstępu. Najprostszy driver relay-a po-kazuje rysunek 1. To tranzystor w konfiguracji wspólnego emitera. Równie dobrze można za-stosować high side switch, nie ma to istotnego znaczenia.

e

cb

masa

wej.2k7R1

R2

RLA1 RLA1a

k

1N4148D1

+5 do 24V200

doobciążenia

BC337

1k2

TR1

Rys. 1 Prosty driver przekaźnika z wyko-rzystaniem tranzystora w konfiguracji OE.

Rezystancja cewki jest rzędu 50-ciu do kilku-set Ω. Do załączenia wystarczy prąd rzędu

100mA (typowo)Przekaźnik wykorzystuje elektromagnes

w celu przyciągnięcia „styków roboczych”. Cew-ka jest elementem rezystancyjno-indukcyjnym. Składowa rezystancyjna jest duża. Każdy, kto rozbierał przekaźnik (typowy) zauważył, iż za-wiera ona zwykle sporo zwojów nawiniętych cienkim drutem. Dzięki temu, wymagany prąd dla załączenia przekaźnika może być niewielki. Kłopoty sprawia składowa indukcyjna. Induk-

cyjność „nie znosi” gwałtownej przerwy prądu. Wygenerowane napięcie może z powodzeniem uszkodzić tranzystor, dlatego dioda widoczna na rysunku 1 jest obowiązkowa.

Zaletą przekaźnika jest pełna izolacja ob-wodu styków od cewki. Ta izolacja galwanicz-na jest często wykorzystywana w układach, w których do dzisiaj przekaźnik jest stosowany. Najczęściej obwody wykonawcze znajdują się na „potencjale sieci”, zaś elektronika związana z driverem jest bezpiecznie izolowana. Nie ma także problemu, jeśli potrzeba kilku styków lub styków typu NO czy NC. Normalnie otwarty lub normalnie zamknięty, gdzie „normalnie” ozna-cza, bez wysterowania cewki.

Prostota, pewność działania i dobra izolacja, to zalety, których liczba, na wyżej wymienionych się kończy.

Więcej można powiedzieć „po stronie” wad.„Pierwszą widoczną” jest wielkość elemen-

tu, i choć bywają przekaźniki miniaturowe, to elementy bardzo duże jak na standardy współ-czesnej elektroniki. Przekaźnik jest elemen-tem wolnym, a styki jednak się zużywają. Moc po stronie drivera, nie jest zwykle znacząca w przypadku jednego przekaźnika, jeśliby jed-nak konsekwentnie wykonać urządzenie na wielu przekaźnikach, okazałoby się, że jest bardzo energochłonne.

Poza tym, przekaźnik „stuka”, a więc takie urządzenie byłoby głośne. Dawne centrale te-lefoniczne były dużymi pomieszczeniami, w któ-rych „stuki” były denerwujące i męczące. Poza tymi oczywistymi wadami, są jeszcze gorsze. Styki „drgają”! Zanim „się połączą”, zdążą się kilka razy „odbić”, co urządzenie elektroniczne zdąży „zliczyć”, lub fałszywie rozpoznać, iż im-pulsów było „więcej niż jeden”.

„Przekaźnik przekaźnikowi nierówny”. I mimo, że to element, który należy nazwać archaicznym, produkuje się ich obecnie, co najmniej kilkaset typów. Wybierając przekaźnik dla konkretnego zastosowania, należy wziąć pod uwagę nastę-pujące parametry:

Napięcie i rezystancia cewkiRzadko podaje się - prąd cewki. Częściej,

napięcie i rezystancję, a prąd można sobie

SERWIS ELEKTRONIKI 2

obliczyć! Napięcie (cewki) ma także zwykle „bezpieczny zapas”. Z reguły, przekaźnik załą-czy przy wartości znacznie poniżej katalogowej, zaś górna dopuszczalna granica uwarunkowana jest mocą.

Dopuszczalne napięcie i prąd styków

Co można powiedzieć o parametrach sty-ków? Zwykły „kontakt mechaniczny”. A jednak, to decydujący parametr przy wyborze dla danej aplikacji. Dla styków, podaje się, i prąd i napię-cie. I to oddzielnie napięcie AC i DC. Zaś do obowiązku konstruktora, należy wiedzieć, że wybierając przekaźnik, który będzie „łączył” ob-ciążenie o charakterze indukcyjnym (np. będzie załączał silnik), parametry te należy znacznie zaniżyć. Istnieją przekaźniki, które „wytrzymają bardzo dużo”.

Jednak, te, które mogą sterować obciąże-niem dużej mocy, są zwykle spore gabarytami, głośne, drogie, a ich obwód cewki wymaga znacznego prądu. Dlatego zalecane jest właści-we rozpoznanie własnych potrzeb, i możliwości danego egzemplarza/typu elementu. A także wybór takiego (przekaźnika), który tylko z bez-piecznym minimum-zapasem „zaspokoi nasze potrzeby”.

Będąc przy stykach, należy powtórzyć to, co było sygnalizowane we wstępie. Iż może ich być więcej, i/lub mogą być typu NO i NC. Bywa ważna jeszcze jedna cecha. Jeśli jest para styków, przełącznik (NO i NC jednocześnie), to jest to zwykle przełącznik typu BBM (Break Before Make).

Najpierw rozłącza, a „potem łączy”. To zna-czy, istnieje przedział czasu, krótka chwila, (która dla „elektroniki” może być długa), kiedy styk nie łączy do żadnego wyjścia (ani NO ani NC), jest „w powietrzu”. W nielicznych zasto-sowaniach, może to mieć znaczenie. Wtedy jest alternatywa. Istnieją przekaźniki typu MBB (Make Before Break), jednak nie istnieją takie, które mają „zerowy czas przełączania”.

Relay driver – obwód sterowania cewki

Istnieją przekaźniki, które można sterować wprost z wyjścia cyfrowego układu scalone-go. Zwykle, wyjścia typu „otwarty kolektor”, o ew. podwyższonych zdolnościach prądowych względem popularnych TTL-i. Jednak, to na ogół

miniaturowe przekaźniki, których obciążalność też jest niewielka. Na szczęście, dobrze spraw-dza się prymitywny obwód z jednym tranzysto-rem, jak np. na rysunku 1. Taki „tranzystorowy driver”, może być już z powodzeniem sterowany, z cyfrowego wyjścia nie mal dowolnego typu.

Należy także pamiętać o diodzie (równoległej, antyrównoległej) do obciążenia którym tu jest cewka przekaźnika, gdyż potrzeba jej stosowa-nia, może nie być na pierwszy „rzut oka” oczy-wista. Produkowane są także specjalizowane układy scalone relay-drivery. Ich stosowanie ma na ogół sens w skomplikowanych obwodach sterowania silników.

Często, do sterowania małych przekaźników można wykorzystać układy scalone przewidzia-ne jako „bufory” w układach cyfrowych, aczkol-wiek rozwiązanie z dyskretnym tranzystorem wydaje się proste, tanie, pewne, i przez to optymalne. Stosowanie „scalonego suplementu” może mieć sens, gdy na płytce jest wiele prze-kaźników, i tym samym, ich driverów.

Aplikacje „dużych mocy”

Sens wykorzystania w układzie przekaźnika, narzucają na ogół wymagania „typu mocy” i/lub izolacji galwanicznej. W pierwszym przypadku, przekaźnik jest elementem o bardzo dużym wzmocnieniu, porównując prąd/napięcie w ob-wodzie styków i drivera. Należy dodać zastrze-żenie, iż aplikacja nie może wymagać dużej szybkości i/lub liczby przełączeń przewidzianych na „cały czas życia” urządzenia/elementu.

Relay może być „wzmacniaczem między stykiem a stykiem”, a dobrym przykładem jest motoryzacja. Nie „puszcza się” prądu żaró-wek wprost przez styki „wygodnie ulokowane” w okolicy kierownicy samochodu. Niewielu dziś pamięta, jak np. we Fiacie 126p, klakson nie miał „pośredniczącego” przekaźnika, i po paru latach usterka była powszechna. Autor pozwoli sobie dodać, iż przycisk klaksonu był „low side switch-em”, to znaczy na klaksonie „wisiał” cały czas „plus akumulatora”.

To była poważniejsza przyczyna awarii od ograniczonej obciążalności styków przycisku w „centrum kierownicy”. Korodowały „konekto-ry”. Zatem wtajemniczeni, po wyjeździe „z sa-lonu” dokonywali szeregu przeróbek, między innymi dobudowanie przekaźnika w obwodzie

Przekaźnik – „stary ale jary”

3SERWIS ELEKTRONIKI

Przekaźniki „elektroniczne”

Mimo, iż przekaźnik, jako element elektro-mechaniczny „broni się twardo”, współczesna technika pozwala wykonać jego „elektroniczny suplement”. Element zachowujący wszystkie cechy i zalety „zwykłego przekaźnika”, jednak pozbawiony szeregu jego wad.

Rysunek 4 pokazuje rozwiązanie alternatyw-ne. To układ mogący zastąpić porządny relay. Aczkolwiek, składa się z trzech części. Tranzy-storowy driver, podobny jak na rys.1. Tranzystor BC547 (na rys.1 BC337), jest nawet „uboższy” parametrami. Dioda (D1) niepotrzebna, za to, wymagany rezystor ograniczający prąd, po-nieważ driver steruje transoptorem, w którego obwodzie wejściowym pracuje (podczerwona) dioda LED.

Kluczowym elementem jest IC1 MOC3020M. To transoptor podobny do popularnych, aczkol-wiek na wyjściu nie zawiera tranzystora (foto-tranzystora), a triac. Właściwie diac, gdyż ma jedynie dwa wyprowadzenia, aczkolwiek należy pamiętać, że „trzecim” jest – strumień światła (choć podczerwonego) emitowanego przez diodę. Bariera pola magnetycznego w zwykłym przekaźniku, została zastąpiona barierą optycz-ną. Aby układ ten w pełni zastępował „porząd-nego relay-a”, potrzebny jest trzeci element.

Taka „rozbudowa” wydaje się komplikacją, lecz wykorzystanie klucza w postaci zewnętrz-nego triaka, daje „dodatkowy stopień swobody” jego wyboru, w zależności od „aktualnych po-trzeb”. Jeśli układ będzie włączał obciążenie zasilane wprost z sieci 230VAC, triac powi-nien mieć dopuszczalne napięcie (w stanie wyłączenia) ok. 400V. A prąd? W zależności od obciążenia. Jeśli obciążenie wymusi prąd powyżej jednego ampera, to należy uwzględnić, iż spadek napięcia na triaku może być rzędu 1V. A to 1W, więc triac może wymagać niewielkiego radiatora. A jakie zdolności prądowe ma obwód wyjściowy samego elementu MOC3020M? To raptem 60mA. A więc nie jest to element „po-myślany” jako replacement relay-a. Zewnętrzny klucz jest wymagany.

Na rys.: Na koniec dodajmy, iż „zabawa” z obwodami

podłączonymi bezpośrednio do sieci energe-tycznej (jak wtórny obwód z rys.4) wymaga za-

klaksonu. Autorowi zebrało się „na wspomnie-nia”, wracamy do nurtu tematu.

Jeśli aplikacja nie wymaga izolacji, a obcią-żenie nie jest zbyt energochłonne, stopień jego włączania, może pełnić sam driver przekaźnika, po co przekaźnik? Czyli wprost tranzystorem możemy włączać obciążenie. Tak możemy zro-bić włączając mały silnik, oświetlenie led-owe, żarówki zasilane napięciem DC, itp. To żaden wynalazek! Jeśli chcemy sterować obwód nie-wielkim prądem, można wykorzystać tranzystor typu Darlingtona, jak pokazuje rysunek m2 i 3. Jednak, mimo to, wykorzystanie przekaźnika czasem ma sens.

e

cb

masa

wej.1k

2k7

R1

R2

a

k

1N4148D1

+5 do 50V

TR1

TIP122TR1

obciążenie

-

+

Rys. 2 Ten obwód może włączać obciążenie DC do 4A, ale napięcie na Tr1 może sięgać

2V ; już przy prądzie powyżej 0.5A wymagany jest radiator

bce

TO-220

TIP122

Rys. 3 Wyprowadzenia tranzystora mocy typu Darlington TIP122 ; obudowa TO-220

Tranzystorem TIP122 można w ten sposób kluczować do 4A prądu. Ale, ... . Spadek na-pięcia na nim, może wtedy wynieść nawet 2V. A moc? Zastosowanie relay-a może być lepszą alternatywą!

Przekaźnik – „stary ale jary”

SERWIS ELEKTRONIKI 4

R5470Ω

R4360Ω

MT2 MT2

IC

MT1

MT1

6

5

43

2

1

NC

k

a

IC1MOC3020M

R31k

+5V

TR1BC547

R21k2

masa

e

cb

R12k7

G

TriacC147n

wyj2

wyj1

wej.

chowania standardowych środ-ków bezpieczeństwa, i może być przeprowadzana przez osoby świadome, i zapoznane z tymi zasadami. K. Ś

Rys. 4 Obwód zastępujący przekaźnik, włączający obcią-żenia zasilane wprost z sieci 230VAC ; w tym przypadku

dopuszczalne napięcie triaka musi być co najmniej 400V,

a parametr prądowy stosowny do obciążenia

Przekaźnik – „stary ale jary”