Cum să selectați și să aplicați releele electromecanice pentru comutarea versatilă și fiabilă a semnalelor

Aplicațiile precum dispozitivele de telecomunicații și de rețea, echipamentele de testare automată (ATE) și dispozitivele de securitate au din ce în ce mai mult nevoie să comute și să direcționeze în mod sigur unul sau mai multe semnale c.c., c.a. (analogice) și de radiofrecvență (RF) de la nivel scăzut până la moderat. Releele electromecanice (EMR) sunt potrivite pentru gestionarea acestei sarcini.

EMR-urile oferă performanțe remarcabile de pornire și oprire, împreună cu izolare la intrare/ieșire, și sunt disponibile în configurații cu mai mulți poli pentru a oferi proiectanților flexibilitate și versatilitate. Mai mult, un singur releu poate accepta diferite tipuri de semnal (c.a., c.c., joasă frecvență, RF) în același dispozitiv, ceea ce îi sporește valoarea.

Deși au piese mobile și contacte fizice, acestea au caracteristici complete datorită istoriei lor îndelungate de aplicare. Ca atare, acestea sunt „rezolvatoare de probleme” sigure, care pot oferi mulți ani de funcționare constantă. În timp ce EMR-urile sunt, de asemenea, dispozitive intrinsec robuste, proiectanții trebuie să selecteze un releu adecvat (atât bobina, cât și valorile nominale ale contactelor) și să îl utilizeze în mod corespunzător pentru a asigura longevitatea maximă.

Acest articol discută pe scurt tipurile și aplicațiile releelor de semnal. Apoi descrie modul de selectare și aplicare a EMR-urilor folosind exemple de la Omron Electronic Components.

Tipuri de relee și diferențiere

EMR se referă la o componentă cu multe subtipuri specifice aplicațiilor. De exemplu, releele de putere au contacte nominale de 2 A sau mai mari, în timp ce releele de semnal sunt proiectate pentru curenți de contact sub această valoare.

Releele de semnal pot fi împărțite în două grupe: semnale non-RF și semnale RF. În timp ce toate releele sunt caracterizate de parametrii de continuitate de bază și de maximele de manipulare a curentului și tensiunii, există parametri de performanță suplimentari pentru releele RF. Aceștia includ:

• Izolare: semnalele de înaltă frecvență trec prin capacitatea dispersată între contacte, chiar dacă contactele sunt separate. Izolarea este măsurată în decibeli (dB).
• Pierderi la inserție: la frecvențe înalte, perturbările semnalului apar din cauza autoinducției, rezistenței și pierderilor dielectrice, precum și din cauza reflexiilor datorate nepotrivirilor de impedanță. Pierderea la inserție este, de asemenea, măsurată în dB.
• Raportul undei staționare de tensiune (VSWR): acesta se datorează interferenței constructive/distructive dintre o undă de semnal de intrare și orice semnal reflectat. Această măsură este un număr fără unitate care indică raportul dintre o valoare maximă a formei de undă și valoarea sa minimă.

Simplificarea listei de materiale

Configurațiile releelor sunt definite de numărul de contacte sau de poli (P) și de situațiile normale (adică nealimentate) cu contact deschis/închis (Figura 1). Acestea pot fi normal deschise (NO) sau normal închise (NC). Configurațiile unipolare (SP) și bipolare (DP) sunt cele mai comune, deși sunt disponibile unități cu mai mulți poli de contact. Ieșirea (T) reprezintă poziția extremă a actuatorului.

Figura 1: Se prezintă dispunerea contactelor și denumirile standard din industrie pentru mai multe tipuri de EMR; liniile punctate din releul de Formă 2C indică faptul că ambele armături au o legătură neconductoare care mișcă ambele contacte simultan atunci când bobina releului primește curent. (Sursa imaginii: Sealevel Systems, Inc.)

Capacitatea EMR-urilor de a accepta mai mulți poli și mai multe ieșiri NO/NC evidențiază modul în care acestea pot simplifica circuitele, economisi spațiu pe placă, reduce lista de materiale (BOM) și scădea costurile. Motivul este acela că un singur releu poate comuta mai multe căi de circuit la toate pornite, toate oprite, sau o combinație dintre acestea, în funcție de configurația de poli și ieșiri. Același releu poate comuta, de asemenea, atât semnale c.a., cât și c.c., asigurând funcționarea simultană pe mai multe căi de circuit.

În unele cazuri, EMR-urile cu o pereche de poli suplimentară sunt utilizate pentru a alimenta un circuit auxiliar, cum ar fi un circuit de led pentru a indica utilizatorilor că releul a fost activat și a creat starea de contact dorită. Mai mult, unii proiectanți experimentați utilizează un releu cu doi poli și două ieșiri (DPDT) atunci când au nevoie doar de o unitate cu un singur pol și două ieșiri (SPDT) (releele SPDT și DPDT au aceeași amprentă în multe cazuri), având o pereche de contacte „pentru orice eventualitate”, pentru a remedia o problemă sau o omisiune descoperită ulterior în ciclul de proiectare.

G6J-2P-Y DC12 (Figura 2) de la Omron este un releu DPDT ultra-subțire (Forma 2C) cu o bobină de 977 ohmi (Ω) și este proiectat pentru a fi acționat cu 12 V la 12,3 mA. Rețineți că alți membri ai acestei familii oferă diferite perechi de tensiune/curent de bobină de până la 24 V_c.c. pentru compatibilitate cu aproape orice circuit sau situație de acționare.

Figura 2: G6J-2P-Y DC12 este un releu DPDT ultra-subțire cu o bobină de 12 V, 12,3 mA; face parte dintr-o familie de relee cu dimensiuni și valori nominale ale contactelor identice, dar combinații diferite de tensiune/curent ale bobinei. (Sursa imaginii: Omron)

Acest releu micuț este potrivit pentru plăci cu circuite imprimate (PCB) de mare densitate, deoarece măsoară doar 5,7 × 10,6 × 9 milimetri (mm). G6J-2P-Y DC12 vine cu terminale cu orificii de trecere, dar versiunile identice oferă terminale cu montare pe suprafață scurte și lungi pentru flexibilitate maximă. Contactele acestui releu și ale tuturor celorlalte din această familie sunt proiectate pentru a suporta până la 0,3 A la 125 V_c.a. și 1 A la 30 V_c.c.

Relee și RF

Utilizările releelor nu se limitează la furnizarea de închideri simple ale contactelor „uscate” sau la gestionarea tensiunilor c.c./curenților și a semnalelor c.a. de frecvență redusă. Unele modele sunt proiectate în mod explicit pentru aplicații de frecvență ultra-înaltă, cum ar fi ATE.

G6K-2F-RF-V DC4.5 de la Omron este un releu DPDT miniatural montat pe suprafață, care acceptă comutarea semnalului de transmisie diferențială. Pierderea la inserție pentru acest releu de 11,7 × 7,9 × 7,1 mm este de 3 dB sau mai mică, la 8 gigahertzi (GHz). De asemenea, se poate utiliza la frecvențe mai mari, așa cum arată diagrama tip ochi pentru un semnal diferențial de 200 mV cu un timp de creștere de 25 picosecunde (ps) (Figura 3).

Figura 3: Releul miniatural DPDT G6K-2F-RF-V c.c. cu montare pe suprafață utilizează comutarea semnalului de transmisie diferențială și este specificat la 8 GHz și peste, după cum se poate observa din aceste diagrame de tip ochi cu semnale de 8,1, 10 și 12,5 gigabiți pe secundă (Gbit/s). (Sursa imaginii: Omron)

Această performanță în gama GHz se datorează, în parte, unui design electric și mecanic care acceptă în mod inerent semnale diferențiale. Acest lucru contribuie la asigurarea performanțelor dorite, așa cum sunt definite de izolarea RF (fără legătură cu izolarea galvanică), pierderea la inserție și VSWR (Figura 4).

Figura 4: Releul gigahertz G6K-2F-RF-V utilizează un design inerent diferențial care ușurează problemele legate de dispunerea fizică a plăcii de circuite și minimizează impactul dăunător al acestei dispuneri asupra performanței RF. (Sursa imaginii: Omron)

Releul utilizează o dispunere internă avansată care simplifică dispunerea plăcii PCB și elimină nevoia de rutare complexă a căilor de semnal multistrat pe placă, care degradează performanța RF. Utilizarea unei carcase din rășină în locul uneia metalice previne problema scurtcircuitării pinilor sondei printr-o carcasă metalică și deteriorarea plăcii și a pieselor în timpul inspectării montării releului.

Releele și consumul de energie

Consumul de energie este un parametru critic în aproape toate circuitele și sistemele. Acesta definește dimensionarea alimentării, afectează timpul de funcționare pentru modelele cu baterii, iar căldura asociată afectează performanța termică. Acest lucru are implicații pentru releele convenționale fără blocare, unde bobina trebuie să rămână alimentată pe toată durata în care releul trebuie să fie activat.

Arhitecturile alternative la designul de bază de pornire/oprire (denumite formal stabile pe o singură parte) abordează această problemă. Releul de blocare (denumit și releu de menținere) este proiectat astfel ca, odată pus sub tensiune, să rămână în acea poziție chiar și după ce bobina de alimentare este îndepărtată.

Există mai multe modalități de implementare a funcției de blocare. G6JU-2P-Y DC3 și altele din această familie utilizează o tehnică de blocare cu o singură înfășurare în care impulsul de intrare de „setare” determină menținerea stării de funcționare prin intermediul unui magnet permanent adiacent. Impulsul de intrare de „resetare” (o intrare cu polaritatea inversă a intrării de setare) pune releul într-o stare neblocată.

Releele și fiabilitatea

Releele au piese mobile și contacte electrice fizice, astfel încât este normal să se presupună că acestea vor deveni nesigure după un număr modest de cicluri de pornire/oprire. Totuși, nu este cazul.

În primul rând, diferitele efecte ale deschiderii și închiderii contactelor atunci când transportă curent alternativ față de curent continuu la diferite niveluri sunt bine cunoscute și sunt prezentate în detaliu în fișa tehnică a releului. Uzura prematură a contactelor nu ar trebui să fie o problemă dacă sunt respectate condițiile definite.

La fel de important este faptul că zeci de ani de utilizare, experiența cu nenumărate unități pe teren, cercetarea și dezvoltarea metalurgică, modelarea și analiza, testele de funcționare controlate, îmbunătățirea producției și a fabricației și alți factori tehnici au transformat proiectarea și fabricarea bobinelor și a contactelor în procese bine înțelese, mature și sofisticate, și au dus la existența componentelor rezultate.

Durabilitatea releului este legată de durabilitatea contactului și a bobinei. Durabilitatea bobinei începe cu o valoare standard de 40.000 de ore, deoarece există o scădere a proprietăților de izolare din cauza căldurii generate atunci când tensiunea nominală este aplicată continuu la bobină. Dacă utilizarea releului este intermitentă, durabilitatea bobinei este mult mai mare.

Durabilitatea este, de asemenea, evaluată prin doi factori adesea menționați pe fișele tehnice:

• Durabilitatea mecanică arată de câte ori un releu poate deschide și închide contactul fără sarcină, luând în considerare defecțiunile și caracteristicile mecanice.
• Durabilitatea electrică arată de câte ori un releu poate deschide și închide contactul cu o sarcină nominală (cum ar fi 125 V_c.a., 0,3 A/30 V_c.c., 1 A).

Contactele releului sunt disponibile în diferite configurații cu niveluri tot mai mari de fiabilitate pe termen lung: contact simplu, contact dublu și contact dublu cu bară transversală (Figura 5). Designul contactului dublu cu bară transversală asigură o rezistență de contact extrem de stabilă și minimizează defectarea contactului. Membrii familiei G6J-2P-Y au o bară transversală bifurcată (similară cu contactul dublu cu bară transversală) cu un contact de argint placat cu un aliaj de aur.

Figura 5: Contactele releelor s-au îmbunătățit și au evoluat de la contacte simple de bază la contacte duble cu bară transversală, cu durată de viață mai lungă, ce oferă performanțe constante și rezistență stabilă la contact. (Sursa imaginii: Omron)

Fiabilitatea cunoscută a acestor relee le face o alegere bună pentru orice aplicație în care timpii morți sau întreruperile de funcționare nu sunt acceptabile, sau performanța releului este un aspect esențial.

Concluzie

EMR-urile sunt componente esențiale de soluționare a problemelor în multe dintre sistemele actuale, abordând și rezolvând multe probleme legate de calea semnalului. Acestea oferă caracteristici unice și de neînlocuit pentru gestionarea semnalului, performanțe bine definite și fiabilitate pe termen lung. Releele de semnal sunt disponibile pentru aplicații c.c., de joasă frecvență și chiar RF în gama GHz, extinzându-le astfel aplicabilitatea.