Przekaźniki elektryczne można podzielić na dwie kategorie, a mianowicie przekaźniki elektromechaniczne i przekaźniki półprzewodnikowe.
Przekaźniki elektromechaniczne
Przekaźniki elektromechaniczne to urządzenia o charakterze elektromagnetycznym, które przekształcają strumień magnetyczny generowany przez sygnał DC lub AC o niskiej mocy wejściowej wokół przekaźników w siłę mechaniczną wykorzystywaną do obsługi styków elektrycznych w przekaźnikach. Najczęściej stosowane przekaźniki elektromechaniczne posiadają obwód; owinięty wokół chłonnego żelaznego rdzenia; który jest znany jako obwód pierwotny.
Żelazny rdzeń ma zarówno stałą część zwaną jarzmem, jak i zworę, która jest ruchomą częścią obciążoną sprężyną, która zamyka szczelinę powietrzną pomiędzy ruchomą zworą a stałą cewką elektryczną, w ten sposób dopełniając obwód pola magnetycznego. Twornik zamyka przymocowane do niego styki i może swobodnie poruszać się pomiędzy generowanym polem magnetycznym dzięki swojemu położeniu obrotowemu lub zawiasowemu. Sprężyna lub sprężyny są połączone pomiędzy zworą a jarzmem w celu wygenerowania skoku powrotnego i przywrócenia połączeń do ich pierwotnego położenia, gdy cewka przekaźnika jest pozbawiona zasilania lub znajduje się w stanie wyłączonym.
Budowa przekaźnika elektromechanicznego
Powyższy rysunek przedstawia prosty przekaźnik, który ma dwa zestawy styków przewodzących prąd elektryczny. Przekaźniki mogą być „normalnie otwarte” lub „normalnie zamknięte”. Para styków jest scharakteryzowana jako styki normalnie otwarte lub zwierne, a jedna para jest scharakteryzowana jako styki normalnie zamknięte lub zrywane. W stykach normalnie otwartych styki są otwarte, gdy nie ma zasilania wejściowego, są zwarte tylko wtedy, gdy występuje prąd polowy, natomiast w stykach normalnie zamkniętych styki są zwarte, gdy nie ma zasilania wejściowego, są otwarte tylko wtedy, gdy jest prąd pola. Terminy te są domyślnie używane w odniesieniu do obwodów pozbawionych napięcia, które znajdują się w stanie wyłączonym.
Styki przekaźników to przewodzące elektrycznie kawałki metalu, które stykając się ze sobą uzupełniają obwód i przewodzą przepływ prądu przez obwód podobnie jak przełączniki. W stanie otwartym mają bardzo wysoką rezystancję w megaomach i działają jak obwód otwarty, natomiast w stanie zamkniętym działają jak zamknięty przełącznik i w idealnym przypadku powinny mieć zerową rezystancję, ale zawsze jest pewna rezystancja styku co jest określane jako „opór włączenia”.
Nowe styki i przekaźniki mają bardzo niską rezystancję włączenia, ponieważ ich końcówki są schludne i nowe, ale z biegiem czasu rezystancja ta będzie rosnąć. W stykach obserwuje się zjawisko łukowatości, określane jako uszkodzenie końcówek styków, jeśli nie są one odpowiednio zabezpieczone przed dużymi obciążeniami pojemnościowymi i indukcyjnymi. Ponieważ prąd będzie przepływał przez styki, gdy są one połączone, a efekt łuku, jeśli nie jest kontrolowany, będzie stale wzrastał, powodując duży opór, co ostatecznie spowoduje rozdarcie i nieprzewodzące styki, nawet gdy są w stanie zamkniętym.
Aby zmniejszyć efekt wyginania się przewodów i wysoką „oporność na włączenie” przewodów oraz wydłużyć ich żywotność, nowoczesne końcówki przewodzące są wykonane z różnych stopów srebra lub powlekane nimi. Niektóre z nich obejmują Ag (drobne srebro), AgCu (srebrna miedź), AgCdO (srebrny tlenek kadmu), AgW (srebrny wolfram), AgNi (srebrny nikiel), platynę, złoto i stopy srebra oraz AgPd (srebro pallad).
Długą żywotność styków przekaźnika można osiągnąć stosując technikę filtrowania, która polega na dodaniu sieci kondensatorów rezystorowych zwanej obwodem tłumiącym równolegle z końcówkami styków przekaźnika. Ten obwód RC spowoduje zwarcie wysokiego napięcia, co ostatecznie stłumi efekt łuku.
Klasyfikacja przekaźników elektromechanicznych ze względu na rodzaj styków
Ponieważ NO i NC opisują sposób połączenia styków, można je również klasyfikować na podstawie ich działania. Można je wykonać łącząc jeden lub więcej styków przełączających, zwanych także biegunami, które można dalej łączyć poprzez zasilanie cewek przekaźników, tworząc cztery różne typy styków, określane jako:
| Typ | Opis | Aplikacja |
| Jednobiegunowy pojedynczy rzut (SPST) | Posiada jeden biegun i jedno wyjście. Będzie albo zamknięty, albo całkowicie odłączony, nie ma pomiędzy. | Doskonale nadają się do włączania i wyłączania. |
| Jednobiegunowy podwójny rzut (SPDT) | Ma jedno wejście i dwa różne wyjścia. Może sterować dwoma różnymi obwodami za pośrednictwem jednego wejścia. | Stosowane są w obwodach sterujących i przełącznikach wyjściowych systemów PLC. |
| Pojedynczy rzut dwubiegunowy (DPST) | Posiada dwa wejścia i dwa wyjścia. Każdy z jego zacisków może znajdować się w pozycji wyłączonej (otwarty) lub w pozycji włączonej (zamknięty). | Stosowane są jako termostaty do sterowania obciążeniami ogrzewania elektrycznego. |
| Podwójny rzut dwubiegunowy (DPDT) | Posiada dwa wejścia i cztery wyjścia. Każde z wejść odpowiada dwóm wyjściom. Może sterować jednocześnie dwoma różnymi obwodami. | Stosowane są przy doborze zasilania, sterowaniu oświetleniem itp. |
Przekaźniki półprzewodnikowe
Przekaźniki półprzewodnikowe nie mają żadnych ruchomych części, ale wykorzystują właściwości optyczne i elektryczne półprzewodników półprzewodnikowych do tworzenia izolacji i wykonywania funkcji przełączania. Ponieważ w przeciwieństwie do przekaźników elektromechanicznych nie mają ruchomych części, elementy nie ulegają zużyciu. Zapewniają również pełną izolację pomiędzy stykami wyjściowymi i wejściowymi, mając bardzo wysoką rezystancję w stanie otwartym i bardzo niską w stanie przewodzenia. Pod względem funkcjonalności przypominają przekaźniki elektromechaniczne, ponieważ wykonują również operacje przełączające. Są kompatybilne z większością rodzin układów logicznych układów scalonych bez konieczności stosowania dodatkowych wzmacniaczy, sterowników lub obwodów buforowych ze względu na ich niskie wymagania dotyczące mocy wejściowej sterowania. Wymagają jednak odpowiedniego montażu na radiatorach, aby uniknąć przegrzania.
Przekaźnik półprzewodnikowy
W punkcie przejścia przez zero przebiegu sinusoidalnego prądu przemiennego, przekaźnik półprzewodnikowy typu AC włącza się i zapobiega wysokim prądom wejściowym. Podczas przełączania obciążeń o dużej pojemności i indukcyjności obwód RC Snubber służy do eliminacji szumów i przejściowych skoków napięcia. Ponieważ urządzeniem przełączającym wyjście jest półprzewodnikowy przekaźnik półprzewodnikowy, spadek napięcia na wyjściu jest bardzo duży, co powoduje zapotrzebowanie na nakładkę grzejną, aby uniknąć przegrzania i uszkodzenia obwodu.
Moduły interfejsu wejścia/wyjścia
Moduły interfejsu wejścia/wyjścia to specjalna konstrukcja półprzewodnikowych przekaźników półprzewodnikowych do łączenia mikrokontrolerów, komputerów i układów PIC z przełącznikami i obciążeniami w świecie rzeczywistym. Istnieją cztery podstawowe typy modułów we/wy, wyjście poziomu logicznego CMOS lub napięcie wejściowe AC/DC do TTL, wejście logiczne CMOS do napięcia wyjściowego AC lub DC i TTL. Moduły te zawierają wszystkie obowiązkowe obwody zapewniające izolację i kompletny interfejs w jednym małym urządzeniu. Dostępne są jako osobne moduły półprzewodnikowe lub integrowane w urządzenia 4, 8 lub 16-kanałowe.
Tabela porównawcza przekaźników elektromechanicznych i półprzewodnikowych
Przekaźniki elektromechaniczne wykorzystują styki mechaniczne do przełączania i mają ruchome części, podczas gdy przekaźniki półprzewodnikowe półprzewodnikowe wykorzystują do przełączania urządzenia półprzewodnikowe i nie mają żadnych ruchomych części.
| Przekaźniki elektromechaniczne | Przekaźniki półprzewodnikowe półprzewodnikowe |
| Do przełączania wykorzystują pola magnetyczne, cewki, sprężyny i styki mechaniczne. | Nie wykorzystują ruchomych części, zamiast tego wykorzystują właściwości optyczne i elektryczne półprzewodników półprzewodnikowych. |
| Ze względu na ruchome części ulegają one uszkodzeniu. | Nie ulegają zużyciu podzespołów. |
| Mają ograniczony cykl życia kontaktu i zajmują duży pokój. Mają także niską prędkość przełączania. | Nie ma takich ograniczeń związanych z większą przestrzenią i małą prędkością. |
| Napięcie o małym wejściu można wykorzystać do sterowania dużym napięciem wyjściowym. | Napięcie o małym wejściu można wykorzystać do sterowania dużym napięciem wyjściowym. |
| Są opłacalne. | Są drogie. |
| Mogą przełączać obciążenia o niskim napięciu i sygnały o wysokiej częstotliwości, takie jak sygnały audio i wideo. | Nie mogą przełączać sygnałów obciążeń o wysokiej częstotliwości i niskim napięciu, takich jak sygnały wideo i audio. |
| Mają najczęstsze zastosowania w samochodach i domowych urządzeniach elektronicznych itp. | Mają najczęstsze zastosowania w przełączaniu obciążeń prądu przemiennego, takich jak przyciemnianie światła, kontrola prędkości silnika itp. |
Wniosek
Przekaźnik elektryczny to przełącznik, który włącza i wyłącza obwód elektryczny za pomocą zewnętrznego sygnału elektrycznego. Mogą kontrolować wysoki prąd elektryczny za pomocą sygnału o małej mocy, klasyfikowanego również jako przetworniki, ze względu na ich zdolność do zmiany jednej wielkości fizycznej na inną. Przekaźniki elektromechaniczne wykorzystują pola magnetyczne, cewki, sprężyny i styki mechaniczne do przełączania. Ze względu na ruchome części ulegają one uszkodzeniu.
Mają ograniczony cykl życia styków i zajmują dużo miejsca, a także mają małą prędkość przełączania, podczas gdy przekaźniki półprzewodnikowe półprzewodnikowe nie wykorzystują ruchomych części, zamiast tego wykorzystują właściwości elektryczne i optyczne półprzewodników półprzewodnikowych. Nie ulegają zużyciu podzespołów, ale są drogie.