Hogyan (ne) tönkretegyük egy relét

A relét általában a kontaktusok működtetéséhez szükséges névleges tekercsfeszültség, valamint a kontaktusokra tervezett, és a gyártó által (legalább megadott számú kapcsolási ciklusra) garantált maximális kapcsolási feszültség és áram jellemzi.

Ha a relé már egy eszközbe, például programozható vezérlőegységbe van beépítve, főleg a kimenetek (kontaktusok) maximális kapcsolási feszültsége és árama érdekel minket. Ezeket az értékeket azonban általában ohmos terhelésre adják meg, amit a gyártó jó szándékú figyelmeztetésként tesz a kontaktusok tönkremenetelének megakadályozására.

A kontaktus terhelése

A relékontaktuson fellépő hatások nagymértékben függnek a terhelés méretétől és típusától, az áramtól, a kontaktus méretétől és anyagától, a működési időtől és a kontaktusprelléstől.
Egyenáramú terheléseknél a maximális kapcsolási áram általában alacsonyabb, mint váltakozóáramú terheléseknél. Míg a váltakozóáram periodikusan nullára csökken, az egyenáram nem; ezért egyenáram esetén a kontaktusok szétválásakor kialakuló elektromos ívet nagyon nehéz eloltáni. Az ívkisülés egyenáramú körben tovább tart, mint váltakozóáramú körben. Ezért fontos az adatlapon megkülönböztetni a maximális kapcsolási terhelés adatait egyenáramú és váltakozóáramú terhelésekre.

A névleges terhelési feszültség és áram (azaz az állandósult állapotú értékek) mellett a relé élettartamát nagymértékben befolyásolja a bekapcsolási áramrántgás és a kikapcsoláskor fellépő feszültségcsúcsok is, amelyek a terhelés csatlakoztatásakor/bekapcsolásakor, illetve lecsatlakoztatásakor/kikapcsolásakor keletkeznek. Kapacitív és induktiv terheléseken ezek nagyságrendekkel magasabbak lehetnek a névleges értékeknél, és egy alúlméretezett relé vagy a megfelelő korlátozó áramkör hiánya könnyen a kontaktusok tönkremeneteléhez vezethet.

Ohmos terhelés kapcsolása

Ha egy tisztán ohmos terhelés csatlakozik a relékimenetre, a feszültség és az áram teljes megengedett tartománya probléma nélkül kihasználható. Ohmos terhelésnek azt az eszközt nevezzük, amelynek bekapcsolási és kikapcsolási áramai megegyeznek az állandósult állapotú értékekkel. Vagyis olyan terhelés, amelynek elektromos ellenállása mindig ugyanakkora, és időben nem változik; ezért az áram is állandó a bekapcsolás pillanatától a kikapcsolás pillanatáig.

Általában csak az ellenállások – az erre a célra tervezett, tisztán ohmos alkatrészek – mutatják ezt a viselkedést. Azok az eszközök is ohmos terhelésnek tekinthetők azonban, amelyek ellenállása nem állandó, de csak lassan változik az idővel.

Az általában ohmos terhelésként viselkedő eszközök közé tartoznak:

• Izzólámpák
• Különféle LED-világítások
• Fűtőelemek
• Mérőműszerek feszültségbemenetei (multiméterek, oszcilloszkópok, PLC-k stb.)

A fenti ohmos terhelések példái nem feltétlenül mutatnak ténylegesen állandó elektromos ellenállást (az idővel kissé változhat); ha azonban a relékontaktusokat megfelelően túlméretezzük (körülbelül 2–4-szeresre), általában nem okoznak problémát vagy kontaktuskárosodást.

Kapacitív terhelés kapcsolása

Az ohmos terheléssel ellentétben kapacitív terhelés esetén a helyzet teljesen más. Amikor egy kapacitív terhelést tápforráshoz csatlakoztatnak, az nagyon nagy áramot kezd felvenni, amely gyorsan csökken. Ezért kapacitív terhelés bekapcsolásakor nagy bekapcsolási áramrántgás lép fel, amely jelentősen meghaladhatja a relékontaktusok maximális megengedett kapcsolási áramát. Ha a terhelés kapacitása teljesen ki van ürítve, ezt a bekapcsolási áramrántgást csak a kontaktus és a kapacitív terhelés közötti parazita ellenállás korlátozza. A terhelés feltöltődésével az áram csökken.

A relé számára a bekapcsolás pillanata jelenti a legnagyobb problémát: a kontaktusokon a legnagyobb áram folyik, és akár össze is hegedhetnek, ha ez az áram még rövid időre is meghaladja a megengedett maximumot. Úgyeljen arra, hogy kondenzátorral rendelkező körben a bekapcsolási áramrántgás 20–40-szer magasabb lehet az állandósult állapotú áramnál.

A bekapcsolási áramrántgások jelentőségét a kapcsolóüzemű tápegységek vagy más készülékek műszaki adataiban szereplő „Inrush current” értékek mutatják. Még egy kis kapcsolóüzemű tápegység vagy átalakító (pl. körülbelül 30 W kimenő teljesítménnyel) esetén is a bekapcsolási áram elérheti a tíz amperes nagyságrendet (a 32 A sem kivétel). Ilyen áramot egy teljesen kiürült (azaz hosszú ideje lekapcsolt) tápegység vehet fel a bekapcsolás után akár 100 ms-ig. Mivel az áram ezután gyorsan a névleges értékre csökken, a bekapcsolási áramrántgás hosszú távon nem jelentős. Hatása azonban megfigyelhető, amikor egy kapcsolóüzemű tápegységet (vagy egy ilyet tartalmazó készüléket) alúlméretezett áramkör-védőre csatlakoztatnak: a készülék bekapcsolásakor a megszakító gyakran kiold. Gyakori az is, hogy a bekapcsolási áramrántgás hatása szikrák (néha igen látványos szikrák) formájában jelentkezik, ha egy hosszú ideje lekapcsolt kapcsolóüzemű tápegységet dugaszolnak a konnektorba.

Ideális esetben a relékontaktusok (vagy bármilyen kapcsolók) maximális kapcsolási áramának közel kell lennie a megadott bekapcsolási áramrántgáshoz, vagy a bekapcsolási áramrántgást korlátozni kell.

Kapacitív terhelésként viselkedő eszközök példái:

• Kapcsolóüzemű tápegységek – minél nagyobb a kimenő teljesítmény, annál nagyobb a bekapcsolási áramrántgás
• Hosszú távvezetékek vagy kábelek – a kábelek ereinek közötti parazita kapacitások miatt, körülbelül 10 m-nél hosszabb kábeleknél
• Különféle feszültségszűrők – pl. hangszóró-választószűrők
• A kapacitív terhelések bekapcsolási áramrántgása különféle elemek sorba kötésével csökkenthető:

Ellenállás / NTC-termisztor sorba kötése: a bekapcsolási áramrántgást az elemen eső feszültségesés csökkenti (a kapacitív terhelés feszültsége fokozatosan nő, nem hirtelen). Állandósult állapotban azonban további veszteségek vannak.
Fojtótekercs (induktivitás) sorba kötése: a bekapcsolási áramrántgást kiegyenlíti (csökkenti), ugyanakkor nincsenek nagy állandósult állapotú veszteségek (a fojtó csak kis vezetékellenállást mutat).

Induktiv terhelés kapcsolása

A hagyományos relé legnagyobb „ellensége” az induktiv terhelés, például egy szolenoid vagy egy elektromágnes. Viselkedése a legkárosabb: képes teljesen tönkretenni (összehegeszteni vagy kifústolni) a relékontaktusokat. A kapacitív terheléssel ellentétes módon viselkedik. A bekapcsolási hatások nem jelentenek problémát; az áram fokozatosan nő az alkatrészre megadott névleges áramig (ez idő alatt az induktiv terhelés fojtótekercsként viselkedik).

A problémák azonban akkor kezdődnek, amikor a relékontaktusok kinyitnak, és az induktiv terhelést lekapcsolják. A mögöttes fizikai elv miatt az induktiv terhelés igyekszik ugyanazt az áramot fenntartani, amely a lekapcsolás előtt folyt rajta. Ennek érdekében az induktiv terhelés kapcsain átmenetileg olyan nagyságú és polaritású feszültség induklódik, amely ennek az áramnak a fenntartásához szükséges.

Ezért induktiv terhelés kikapcsolásakor feszültségcsúcs lép fel, amely károsíthatja magát a terhelést (a tekercs szigetelését), valamint a lekapcsoló relé kontaktusait is. A feszültségcsúcsot befolyásolja az induktivitás (minél nagyobb az induktivitás, annál nagyobb a feszültségcsúcs), valamint a kikapcsolás ideje és módja. A kikapcsolási csúcs akkor a legmagasabb, ha egy eszközt gyorsan, elektronikusan (pattanó működéssel) kapcsolnak le, és nincs csúcskorlátozó áramkör. A hatás különösen káros nagy induktivitások, magasabb tápfeszültségek és magasabb kitöltési tényezők (az elektromágnes bekapcsolt idejének aránya a ciklusidőhöz) esetén. A gyakorlatban a névleges tápfeszültség (vagy kapcsolt feszültség) akár 30-szorosa is gyakori.

Ha az induktiv terhelést a relékontaktusok nyitásával pattanó működéssel kapcsolják le, a korlátozó áramkör hiánya több száz volt feszültség keletkezéséhez vezethet, amely képes elektromos ívet gyújtani a kontaktusok között. Ez a kontaktusok károsításának, sőt végleges tönkretevésének „megbízható” módja.

Induktiv terhelésként viselkedő eszközök példái:

• Szolenoidok / elektromágneses szelepek
• Elektromágnesek
• Elektromotorok
• Transzformátorok
• Ventilátorok
• Relétekercsek

A csúcsfeszültségek korlátozhatók, ha az induktiv terheléssel párhuzamosan különféle elektromos alkatrészeket kötünk, hogy az induktiv terhelés (tekercs) kapcsain keletkező kikapcsolási csúcsfeszültséget rövidre zárják:

• Egy dóda és egy ellenállás (egyenáramú körökhöz) – a dódát és az ellenállást a kapcsolási frekvenciához, a csúcsfeszültséghez és a terhelés bemeneti teljesítményéhez kell méretezni. A dóda áttörési feszültségének magasabbnak kell lennie az áramkör tápfeszültségénél, a maximális nyitóirányú áramnak pedig nagyobbnak kell lennie a terhelésen (induktivitáson) bekapcsolt állapotban átfolyó áramnál.
• „Szikraoltó kondenzátor” (váltakozóáramú körökhöz) – a kontaktussal párhuzamosan kapcsolt RC-tag, ahol R = RL és C = L/RL2
• Két Zener-dódából vagy egy transilból álló áramkör – a Zener-dódák vagy a transil a csúcsfeszültséget a megadott küszöbfeszültségre korlátozzák. Hátránya, hogy túlterhelés esetén meghibásodnak, és tartósan nyitva maradnak, rövidre zárva a terhelést.
• Varisztoros áramkör – a terheléssel párhuzamosan kapcsolt feszültségfüggő ellenállás, amely teljesíti a 2 < Umax/Uj < 4 feltételt (ahol Umax a varisztor feszültsége, Uj a tápfeszültség).

A relékontaktusok védelmének különféle módjai az induktiv terhelés kapcsolásának hatásai ellen – balról jobbra: dóda, szikraoltó kondenzátor, Zener-dódák vagy transil, varisztor.

Összegzés

A következtetés az, hogy a kapcsolt terhelés nem mindig követi a névleges áram- és feszültségadatokat. Ezek csak ohmos terhelésekre / készülékekre érvényesek, amelyek a gyakorlatban inkább kivételek, mint a szabály. Ezért a relé (vagy más) kontaktusait mindig megfelelően túlméretezzük (a kapcsolt feszültség és a várható áram tekintetében), a terhelést pedig viselkedésétől függően további áramkörrel kell kiegészíteni – vagyis attól függően, hogy a terhelés általában kapacitív (szűrők, kapcsolóüzemű tápegységek) vagy induktiv (szolenoidok és elektromágnesek). Néhány eszköznél a műszaki adatok a maximális kontaktusterhelést így adják meg: „Maximális kapcsolási áram 16 (4) A, 250 V~”. Ebben az esetben a 16 A ohmos terhelésre, a 4 A induktiv terhelésre érvényes.

Ha a kapacitív vagy induktiv terhelésből hiányzik a megfelelő korlátozó áramkör, az könnyen károsíthatja vagy tönkreteheti a relét, valamint azt a vezérlőeszközt is, amelybe a relé be van építve – szenzort, PLC-t, távolról vezérelt egységet stb.

Letölthető fájlok