Przekaźnik półprzewodnikowy i elektromechaniczny

Przekaźniki odgrywają kluczową rolę kiedy chcemy sterować bardzo dużymi mocami za pomocą niewielkich napięć i prądów sterujących np. z mikrokontrolera. Ponadto ich budowa zapewnia separację galwaniczną między stroną zimną, czyli układem sterującym oraz gorąca tj. odbiorniki wysokich napięć i prądów. 

Rodzaje przekaźników

Wśród elektroników hobbystów w zdecydowanej większości wykorzystywane są przekaźniki :

  • elektromagnetyczne
  • elektroniczne (półprzewodnikowe)

Pierwsze z nich wykorzystują zjawisko pola magnetycznego powstające w jego cewce powodując przesunięcie zwory (kotwicy), a zatym zwarcie styków (normalnie otwarte -NO) i przepływ prądu lub rozwarcie (normalnie zamknięte-NC). Dużą zaletą jest mały spadek napięcia spowodowany małą rezystancją styków, a także możliwość załączania dużych mocy (typu styczniki). Niestety elementy te mają sporo wad w porównaniu do ich elektronicznych odpowiedników.

Przekaźniki elektroniczne jak sama nazwa wskazuje do sterowania odbiornikami nie wykorzystuje zjawiska pola magnetycznego połączonego z mechaniką, lecz elementem załączającym obwód mocy jest półprzewodniki np. tyrystor lub triak. Za pomocą odpowiedniej konfiguracji układ taki również zapewnia separację między obwodami zimnym i gorącym. Umożliwiają to odpowiednio transoptor lub optotriak dzięki czemu sygnał sterujący jest przekazywany światłem podczerwonym sterując odbiornikiem np. grzejnikiem.

Porównanie przekaźników elektronicznych z elektromechanicznymi  

Bilans mocy

Aby uruchomić przekaźnik elektroniczny potrzeba kilka mA w celu zadziałania diody transoptora lub optotriaka. Natomiast elektromechaniczne zużywają  więcej energii potrzebnej do przesunięcia kotwicy i zmianę położenia styków zwłaszcza w obwodach dużych mocy. Wadę tą rekompensuje bardzo małe straty oraz zniekształcenie sygnału na elemencie dzięki dobremu wykonaniu styków roboczych. Jest to zaletą przy wykorzystaniu w wszelakich czujnikach, termoparach itp. Pod tym względem gorzej prezentują się przekaźniki półprzewodnikowe, które potrafią zmieniać parametry sygnałów pod wpływem nagrzewania. Ich niezerowa rezystancja powoduje też przegrzewanie przez co mają one ograniczony zakres obciążenia prądowego.

Przekaźniki elektromechaniczne mają dłuższy czas załączenia od elektronicznych, a także generują niepożądane drgania styków powodujące iskrzenie oraz  ich wypalanie przy dużych prądach załączanych.

Kolejną wadą konstrukcji elektromechanicznych jest ich żywotność ograniczona mechaniczną konstrukcją jak również wyżej wspomnianym obciążeniem styków. Nisko sygnałowe przekaźniki zapewniają  kilka milionów przełączeń podczas gdy elektroniczne mogą pracować nawet ponad 10 lat ciągłej pracy. Jest to jedna z największych zalet tych elementów zwłaszcza w urządzeniach wymagających bardzo częstych przełączeń.

Kolejnym parametrem do analizy przekaźników jest ich rezystancja w stanie włączania. W  elektromechanicznych tlenki powstające na polach styków mogą zwiększyć opór. Kilka cykli przełączeń pod obciążeniem dopiero pozwala powrócić do wartości znamionowej oporu usuwając niepożądaną warstwę. Natomiast w przekaźnikach elektronicznych rezystancja jest niezależna od obciążenia i pozostaje stała przez okres użytkowania przekaźnika. Wadę stanowi większa wartość oporu niż elektromechanicznych (złącze półprzewodnikowe), a także uzależnienie od temperatury otoczenia.

Na koniec porównań wspomnę również o izolacji galwanicznej opisywanych elementów. Przekaźniki elektroniczne zapewniają izolację optyczną między obwodem sterującym, a obwodem obciążenia. Nieprzewodzący półprzewodnik nie zapewnia izolacji galwanicznej. Natomiast przekaźniki elektromechaniczne umożliwiają separację obwodów zarówno od strony sterowania (odseparowane obwody sterowania i obciążenia) oraz strony obciążenia (rozwarcie styków). co stanowi zwiększone bezpieczeństwo w niektórych aplikacjach.

Wnioski

Jak wyżej opisałem każdy z tych elementów ma swoje wady i zalety. W zależności od konkretnego zastosowania warto zastanowić się nad zadaniami  w projekcie przekaźnika elektronicznego oraz elektromechanicznego i optymalnie dobrać do tworzonej aplikacji.

Projekt prostego przekaźnika 230V AC.  

Układ został stworzony do projektu trawiarki płytek PCB w celu sterowania pompą napowietrzającą roztwór. Poniżej przedstawiam schemat powstałego projektu:

Obwód sterujący połączony z mikrokontrolerem wysyła sygnał do optotriaka uruchamiając w ten sposób wewnątrz diodę podczerwoną i jej sygnał umożliwia zadziałanie optotrika i wysterowanie w ten sposób Triaka BT136 , a ten z kolei załącza obwód odbiornika. Układ jest prosty a mi zależało na czasie, tak więc układ wykonałem na płytce uniwersalnej.

Po pojawieniu się stanu niskiego na pinie mikrokontrolera katoda diody LED zwierana jest do masy. Dzięki temu, że rezystor przekaźnika jest podciągnięty do zasilania +5V następuje przepływ prądu. Dioda LED zaświeci, a więc (sprawny) optotriak uruchomi triak BT136 i pompa zacznie pracować.

 

Podsumowanie

Koszty wykonania są porównywalne do ceny konkretnego przekaźnika. Układ jest niewielki, zapewnia cichą pracę oraz dużą niezawodność w porównaniu do przekaźnika elektromechanicznego. Można go uruchomić bardzo małym prądem ( 15mA) bezpośrednio z mikrokontrolera. Zapewnia separację między stroną gorącą oraz zimną. Dodatkowo układ MOC3041 umożliwia załączenie triaka w momencie przejścia napięcia przez zero co zapewnia ograniczenie zakłóceń sieciowych. Ma to szczególne znaczenie przy układach z uC bez odpowiedniego zabezpieczenia ekranowaniem.

Custom Gallery: obrazów nie znaleziono

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *