Wstęp - Przekaźniki i styczniki

Przekaźnik a stycznik: różnice

Przekaźniki półprzewodnikowe (z ang. SSR – Solid State Relay) są to podzespoły służące do sterowania obciążeniem prądowym przy zastosowaniu półprzewodnika sterowanego odseparowanym obwodem elektronicznym. Separacja galwaniczna odbywa się za pomocą elementu optoelektronicznego takiego jak dioda emitująca promieniowanie podczerwone, fotodioda, fototranzystor, fototyrystor lub fototriak. W stanie spoczynkowym przekaźnika, gdy przez diodę LED w obwodzie wejściowym nie płynie prąd, element optoelektroniczny pozostaje wyłączony i jego zastępcza rezystancja jest bardzo duża. Po uaktywnieniu diody następuje napromieniowanie fotoelementu i zaczyna on przewodzić załączając obwód obciążeniowy. Takie rozwiązanie pozwala znacznie zwiększyć częstotliwość wyłączania, eliminuje zjawisko łuku elektrycznego oraz umożliwia uzyskanie trwałości rzędu 10⁹ .

Schemat blokowy przekaźnika półprzewodnikowego

Załączenie przekaźnika, w zależności od typu, może nastąpić poprzez podanie do obwodu wejściowego napięcia stałego (od 3V do 32V) lub napięcia przemiennego (od 90V do 280V przy 50Hz). Istnieje także możliwość wyzwalania przekaźnika prądowo. W zależności od przeznaczenia budowane są do załączania prądów stałych i przemiennych. Produkowane są również przekaźniki trójfazowe stosowane na przykład do załączania elektrycznych silników trójfazowych.

Jakie są rodzaje i zastosowania przekaźnika?

Wyróżniamy przekaźniki:

Przekaźniki załączające w „zerze” napięcia – przewodzenie następuje w momencie przejścia napięcia zasilania przez zero. Dzięki takiemu rozwiązaniu narasta ono stopniowo nie powodując zakłóceń radioelektrycznych. Stosowane do sterowania obciążeniami o charakterze indukcyjnym i rezystancyjnym (grzałki oporowe, żarówki).
Przekaźniki załączające „natychmiast” – moment załączenia następuje natychmiast po doprowadzeniu napięcia sterującego. Ten rodzaj sterowania przeznaczony jest do rozwiązań gdzie wymagany jest krótki czas odpowiedzi.
Przekaźniki załączające w „szczycie” napięcia - zadziałanie przekaźnika następuje w momencie osiągnięcia napięcia zasilania wartości szczytowej. Stosowane przy obciążeniach silnie indukcyjnych (transformatory).
Przekaźniki załączające analogowo – sterowane sygnałem analogowym (0-10V DC lub 4-20mA DC). Stosowane do płynnego sterowania natężeniem światła, ogrzewaniem itp.

Jakie parametry charakteryzują przekaźniki półprzewodnikowe?

Obwód wejściowy

• zakres napięcia sterującego – zakres napięć doprowadzonych do wejścia, w których przekaźnik pozostaje włączony (np: 3-32VDC, 9-280VAC),
• zakres prądu wejściowego – określa maksymalny prąd wejściowy dla stanu włączenia i wyłączenia przekaźnika,
• czas załączania i wyłączania – czas, jaki upływa od momentu doprowadzenia/ odłączenia sygnału sterującego do pełnego włączenia/wyłączenia przekaźnika.

Obwód wyjściowy

• zakres napięcia obciążenia – zakres napięć doprowadzonych do zacisków wyjściowych,
• maksymalne napięcie – maksymalna dopuszczalna wartość przepięcia w sieci zasilającej nie powodująca uszkodzenia przekaźnika,
• prąd obciążenia – maksymalna dopuszczalna wartość prądu płynącego w obwodzie wyjściowym,
• maksymalny niepowtarzalny prąd przeciążeniowy – maksymalna wartość impulsu prądowego o czasie trwania jednej połówki sinusoidy,
• maksymalna I² t – wartość całki Joula, stosowana przy doborze bezpieczników.

Parametry użytkowe

• napięcie izolacji – wartość skuteczna napięcia sieci zasilającej jaka może występować pomiędzy zaciskami wejściowymi a wyjściowymi przekaźnika,
• rezystancja izolacji – minimalna wartość rezystancji mierzonej przy użyciu sygnału stałoprądowego o napięciu 500V,
• pojemność pomiędzy wejściem a wyjściem – mierzona pomiędzy zaciskami wejściowymi a wyjściowymi,
• zakres temperatury otoczenia podczas pracy.

Chłodzenie przekaźnika

Żywotność przekaźników półprzewodnikowych jest właściwie nieograniczona pod warunkiem, że są one odpowiednio chłodzone. Dlatego należy zwrócić szczególna uwagę na dobór radiatora, stosować pastę termoprzewodzącą oraz zapewnić odpowiedni obieg powietrza. Dobrym rozwiązaniem jest mocowanie przekaźnika z radiatorem na szynie DIN pozostawiając wokół wolną przestrzeń.

Zabezpieczenie przekaźnika

Inną ważną rzeczą jest zabezpieczenie przed skutkami zwarcia lub przeciążenia. Zwłoczne bezpieczniki nie są w stanie zabezpieczyć przekaźników półprzewodnikowych dlatego w celu odpowiedniej ochrony należy zastosować bezpieczniki ultraszybkie, których wartość całki Joula jest mniejsza od wartości całki półprzewodnika. Dla pełnego zabezpieczenia przekaźnika należy na wyjściu wpiąć warystor służący do ochrony przepięciowej.

Jaka jest zasada działania przekaźników elektromagnetycznych?

Zasada działania przekaźników elektromagnetycznych jest podobna do zasady działania stycznika elektromagnetycznego. Zestyki przekaźników mają stosunkowo niewielką obciążalno ść prądową, rzędu kilku amperów. W związku z tym przekaźnik jest wyposażony w znacznie mniejszy elektromagnes niż stycznik, a styki nie mają dodatkowych urządzeń do gaszenia łuku.

Wymiary przekaźnika są mniejsze niż wymiary stycznika, natomiast trwałość przekaźnika jest bardzo wysoka i dochodzi do kilkudziesięciu milionów łączeń. Przekaźniki w zależności od przeznaczenia mają jedną lub wiele par zestyków. Mogą działać pod wpływem zmian natężenia prądu, napięcia, kierunku przepływu prądu, częstotliwości, przesunięcia fazowego itp. Zasadę działania przakaźnika wyjaśnia rysunek:

Przepływ prądu przez uzwojenie cewki powoduje przyciąganie zwory. Po przyciągnięciu zwory zamykają się zestyki zwierne: (1), (2), (3) a otwierają rozwierne (4). Po odłączeniu napięcia i opadnięciu zwory otwierają się zestyki: (1),(2),(3) a zamykają rozwierne (4). W najczęściej spotykanych rozwiązaniach konstrukcyjnych przekaźników napięcie cewki wynosi 230VAC lub 24VDC, prąd roboczy zestyków - od 1 do 10A, ilość zestyków – od jednej do czterech par przełączalnych.

Co to jest stycznik?

Stycznik jest to łącznik, którego zestyki robocze są zamykane przy pomocy elektromagnesu i utrzymywane w takim stanie, dopóki napięcie cewki jest odpowiednio wysokie. Po przerwaniu obwodu cewki elektromagnesu następuje opadnięcie zwory (pod wpływem działania sprężyny) i otwarcie zestyków roboczych.

Budowa stycznika

Działanie i budowa stycznika podobna jest do budowy i działania przekaźników elektromagnetycznych. Różnica polega na tym, że styczniki służą do łączenia obwodów głównych (np. silników), natomiast przekaźniki elektromagnetyczne mają za zadanie łączenie obwodów pomocniczych (np. sterowniczych, sygnalizacyjnych). Styczniki oprócz styków głównych mogą mieć kilka styków pomocniczych służących do sygnalizacji lub blokady. Zasadę działania stycznika wyjaśnia rysunek:

Pod wpływem prądu przepływającego przez cewkę stycznika S powstaje siła przyciągająca zworę K, co powoduje zwarcie zestyków głównych Z1, Z2, Z3 i pomocniczych z1, z2. Styczniki przeznaczone są głównie do zdalnego łączenia trójfazowych obwodów prądu przemiennego w warunkach określonych kategorią użytkowania AC3 i AC4 (łączenie silników klatkowych). Mogą być również stosowane do łączenia silników pierścieniowych (kategoria AC2) lub urządzeń grzejnych (kategoria AC1).

Oprócz styczników prądu przemiennego dostępne są także styczniki prądu stałego. Mają one napęd elektromagnesowy lub pneumatyczny, przy czym zarówno elektromagnesy jak i elektrozawory sterowane są prądem stałym. Główne zastosowania tych styczników to trakcja kolejowa, tramwajowa i akumulatorowa (wózki).

Oferowane przez firmę DACPOL styczniki dostępne są dla cewek AC w zakresie mocy od 1,5 do 238kW oraz cewek DC w zakresie mocy od 2,2 do 11kW. Oprzyrządowanie obejmuje szeroki asortyment styków pomocniczych i przekaźników zwłocznych zaciskowych, modułów interfejsowych oraz elementów RC. Opcjonalnie można także zamontować przekaźniki termiczne do zabezpieczenia silników elektrycznych.