Elektroniikan komponentit ja materiaalit Releet - MBnet
Elektroniikan komponentit ja materiaalit Releet - MBnet
Elektroniikan komponentit ja materiaalit Releet - MBnet
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Elektroniikan</strong> <strong>komponentit</strong> <strong>ja</strong> <strong>materiaalit</strong><br />
<strong>Releet</strong><br />
2006 Erkka Koski
Sähkömekaaniset releet<br />
Ominaisuudet<br />
<strong>Releet</strong> ovat yleensä sähkömekaanisia kytkimiä,<br />
joissa kelaan johdettava virta saa aikaan<br />
koskettimia liikuttavan magneettikentän.<br />
Nykyään on myös puolijohteilla toteutettu<strong>ja</strong><br />
Kuva 1 Releen<br />
piirrosmerkki<br />
releitä, joissa galvaaninen erotus<br />
aikaansaadaan optisesti. Näissä kytkimenä<br />
käytetään yleensä mosfette<strong>ja</strong> tai triakke<strong>ja</strong>. Ne<br />
soveltuvat hyvin useasti toistuvaan<br />
kytkemiseen mutta niitä ei käsitellä enempää tässä. Mikrosähkömekaniikan avulla voidaan tehdä<br />
äärimmäisen pieniä kytkimiä esimerkiksi piistä. Tällaisia mems-releitä käytetään esimerkiksi<br />
suurtaajuisten piirien kytkemiseen.<br />
Kuva 2<br />
Rele 12 V 30 A<br />
Perinteisillä sähkömekaanisilla releillä on joitain hyviä ominaisuuksia, joiden<br />
vuoksi niitä kaikkia ei ole korvattu puolijohteilla. Esimerkiksi releiden<br />
oh<strong>ja</strong>usvirtapiiri on käytännössä täysin eristetty työvirtapiiristä. Oh<strong>ja</strong>us- <strong>ja</strong><br />
työvirtapiirin välinen jännitekesto on yleensä suurempi kuin 1 kV,<br />
eristysresistanssi yli gigaohmin <strong>ja</strong> kapasitanssi muutamia pikofarade<strong>ja</strong>. Samoin<br />
myös koskettimien välinen resistanssi niiden ollessa auki on hyvin suuri,<br />
kapasitanssi tavallisilla releillä noin pikofaradi <strong>ja</strong> läpilyöntijännite tyypillisesti<br />
yli 500 volttia. Myös erityisesti suurjännite- <strong>ja</strong> suurtaajuuskäyttöön tehtyjä<br />
releitä on olemassa. Sähkömekaaniset releet eivät tarvitse erillisiä<br />
jäähdytyssiilejä toisin kuin tehopuolijohteet usein. <strong>Releet</strong> isohkoina mekaanisina<br />
laitteina kestävät hyvin satunnaisia ylijännitteitä <strong>ja</strong> ylikuormituksia. Tämän takia<br />
releet soveltuvat hyvin käytettäväksi huonolaatuisissa sähköjärjestelmissä, kuten yleisessä<br />
sähköverkossa tai ajoneuvojen sähköjärjestelmissä. Vastaavissa paikoissa puolijohdekytkimet<br />
vaatisivat paljon paremman suo<strong>ja</strong>uksen ylijännitteitä <strong>ja</strong> häiriöitä vastaan. Sähkömekaaniset releet<br />
ovat yleensä hinnaltaan edullisia vastaavan jännitteen- <strong>ja</strong> virrankeston omaaviin puolijohdereleisiin<br />
verrattuna.<br />
Sähkömekaanisten releiden suurin ongelma on se, että ne kuluvat jokaisella kytkentä- <strong>ja</strong><br />
katkaisukerralla toisin kuin puolijohdereleet. Releiden kestoksi ilmoitetaan yleensä kymmenestä<br />
tuhannesta miljoonaan kytkentäkertaa nimelliskuormalla. Kestoikä riippuu kuitenkin hyvin<br />
voimakkaasti kuormasta. Jos esimerkiksi releen kestoksi on ilmoitettu 100 000 kytkentäkertaa 25<br />
ampeerin 240 voltin vaihtovirtakuormalla, jonka tehokerroin on 0,8, rele saattaa hyvinkin kestää yli<br />
1<br />
miljoona kytkentäkertaa 120 V 5A resistiivisellä kuormalla . Toinen ongelma joillain reletyypeillä<br />
on koskettimien likaantuminen <strong>ja</strong> hapettuminen pitkän käyttämättömyyden aikana.<br />
Kytkentäresistanssi voi nousta tällöin niin suureksi, ettei rele enää luotettavasti kytke. Tällaista<br />
ongelmaa ei ole puolijohdekytkimillä. <strong>Releet</strong> ovat hitaita. Niiltä menee noin millisekunnista<br />
muutamiin kymmeniin millisekunteihin reagoida käskyihin. Koska rele on mekaaninen, se on<br />
2<br />
herkkä iskuille. Yleensä releiden ilmoitetaan toimivan ainakin 100 m/s hetkellisiin kiihtyvyyksiin<br />
asti. Jos isku kuitenkin on riittävän kova, esimerkiksi jos laite tiputetaan, rele voi kytkeä tai<br />
katkaista omia aiko<strong>ja</strong>an. <strong>Releet</strong> napsuvat toimiessaan, tosin joskus se on hyväkin ominaisuus.<br />
Oh<strong>ja</strong>usvirtapiiri<br />
Releitä oh<strong>ja</strong>taan kytkemällä kelaan sopiva jännite.<br />
Releen kela on käämitty hyvin ohuesta käämilangasta.<br />
Jos siihen kytketään liian suuri jännite, kela kuumenee<br />
liikaa <strong>ja</strong> käämikierrosten välinen eriste hajoaa. Releestä<br />
riippuen oh<strong>ja</strong>usjännite voi poiketa muutamia kymmeniä<br />
prosentte<strong>ja</strong> nimellisestä ylös- tai alaspäin. Useimmissa<br />
releissä valmista<strong>ja</strong>t takaavat niiden kytkevän, kun jännite<br />
on vähintään 75 % nimellisestä <strong>ja</strong> päästävän, kun jännite<br />
Sisältö<br />
Ominaisuudet.................... 1<br />
Oh<strong>ja</strong>usvirtapiiri.................. 1<br />
Työvirtapiiri........................ 2<br />
Logiikka............................. 3<br />
Koskettimien <strong>materiaalit</strong>.... 4<br />
Releiden rakenne.............. 5<br />
Kuluminen......................... 5<br />
Katkaisu- Indukt- teho<br />
kyky anssi<br />
G6B 250Vac/8A 1,1 H 200 mW<br />
G5V-1 24Vdc/1A 1,6 H 150 mW<br />
G8JR 12Vdc/50A 3 W<br />
Taulukko 1 Omronin releitä,<br />
nimellisjännite 12 V. Ks.lähde [6]<br />
on alle 10 % nimellisestä. Oh<strong>ja</strong>uksen tehontarve (taulukko 1) on pienillä alle parinkymmenen<br />
1
ampeerin releillä noin sadasta milliwatista<br />
yhteen wattiin.<br />
Yleisimmin käytetyissä releissä koskettimet<br />
palaavat alkuasentoonsa, kun oh<strong>ja</strong>usjännite<br />
poistetaan. Harvinaisemmissa bistabiileissa<br />
releissä on yleensä erilliset nollaus- <strong>ja</strong><br />
asetuskäämit. Tällaiselle releelle riittää noin<br />
kymmenen millisekunnin mittainen pulssi<br />
vastaavaan käämiin tilan muuttamiseksi.<br />
Vielä harvinaisemmat sysäysreleet vaihtavat<br />
tilaansa aina, kun niille annetaan<br />
oh<strong>ja</strong>uspulssi.<br />
Releen kelan induktanssi on suuri, usein<br />
henryjä tai jopa kymmeniä henryjä, lisäksi<br />
vielä osa jouseen varastoituneesta energiasta<br />
muuttuu sähköksi katkaistaessa releen virtaa.<br />
Jos tällaisen induktanssin läpi menevää virtaa<br />
yritetään katkaista transistorilla, jännite<br />
nousee kunnes transistorissa tapahtuu<br />
läpilyönti (kuva 3H). Transistorit yleensä<br />
kestävät tällaisia pienellä virralla tapahtuvia<br />
läpilyöntejä jossain määrin, mutta jotta<br />
kytkennästä tulisi luotettava, tulee jännite<br />
rajoittaa alle transistorin läpilyöntijännitteen.<br />
Koska virran muutosnopeus on suoraan<br />
verrannollinen induktanssin yli vaikuttavaan<br />
jännitteeseen, jännitteen rajoitus väkisinkin<br />
hidastaa magneettikentän heikkenemistä <strong>ja</strong><br />
siten releen koskettimien liikettä. Normaalisti<br />
kiinni (NC) olevissa releissä tämä on<br />
A B C D<br />
E) 20 V zenerdiodiodi<br />
F) 500Ω<br />
vastus<br />
Huomaa koskettimien<br />
liikkeestä johtuva<br />
virran kasvu<br />
G) Diodi<br />
H) Ei mitään vaimennusta<br />
Aluksi hetki oskillointia,sitten<br />
jännite nousi yli 150 voltin<br />
Transistori oli Bc337<br />
Keltainen: jännite transistorin yli<br />
Vihreä: koskettimen asento<br />
1 ms/div 10 V/div, viimeisessä 50 V/div<br />
Kuva 3 Erilaisia tapo<strong>ja</strong> vaimentaa kelan<br />
jännitepiikki <strong>ja</strong> niiden vaikutus releen<br />
päästöaikaan<br />
oikeastaan etu, koska se vähentää koskettimien pomppimista kosketushetkellä <strong>ja</strong> siten vähentää<br />
myös koskettimien kulumista. Normaalisti auki (NO) olevissa releissä se on haitta, koska<br />
koskettimet etääntyvät hitaammin toisistaan <strong>ja</strong> katkaisuvalokaari palaa pitempään. Joissain<br />
tapauksissa koskettimet saattavat jäädä kokonaan avautumatta, kun hitaasti liikkuva koskettimen<br />
varsi ei <strong>ja</strong>ksa murtaa pieniä hitsautumia koskettimien välillä. Näitä hitsaumia muodostuu<br />
normaalisti aina, kun rele kytkee suuria kuormia.<br />
Vähiten releen toimintaan vaikuttava tapa rajoittaa jännitepiikkiä on laittaa kelan yli zener-diodi <strong>ja</strong><br />
lisäksi tavallinen diodi estämään virta zenerin läpi myötäsuuntaan (kuvat 3A&E). Zener voidaan<br />
sijoittaa myös oh<strong>ja</strong>avan transistorin yli, jolloin ei tarvita diodia (kuva 3B). Näissä tavoissa käämin<br />
yli vaikuttaa koko a<strong>ja</strong>n suurehko jännite, <strong>ja</strong> magneettikenttä purkautuu nopeasti. Toinen kohtuuhyvä<br />
tapa on kytkeä vastus <strong>ja</strong> diodi sar<strong>ja</strong>an kelan yli (kuvat 3C&F). Vastuksen resistanssia muuttamalla<br />
voidaan jännitepiikin suuruutta säätää, mutta jännite laskee virran myötä <strong>ja</strong> kenttä heikkenee<br />
hitaammin kuin zenerin kanssa (zenerin kanssa jännite on koko a<strong>ja</strong>n suurin kytkimen kestämä).<br />
Diodi on ainoastaan estämässä virtaa vastuksen läpi, kun rele on vetäneenä. Se voidaan jättää pois,<br />
jos suurempi virrankulutus <strong>ja</strong> lämmöntuotto ei haittaa. Myös pelkkä diodi on mahdollinen, mutta se<br />
helposti moninkertaistaa releen päästöa<strong>ja</strong>n (kuvat 3D&G) <strong>ja</strong> voi aiheuttaa releen satunnaisia<br />
jumittumisia. Se ei ole suositeltu tapa, jos releellä oh<strong>ja</strong>taan suuria kuormia. Releen valmista<strong>ja</strong>t<br />
2<br />
ilmoittavat releen katkaisukyvyn useimmiten ilman mitään jännitepiikin vaimennusta.<br />
Työvirtapiiri<br />
Koskettimien elinikä riippuu suuresti katkaisuhetkellä <strong>ja</strong> kytkettäessä koskettimen pomppiessa<br />
mahdollisesti esiintyvän valokaaren voimakkuudesta. Mitä suurempi valokaari, sitä lyhyempi<br />
elinikä, mutta ei valokaarta ollenkaan hajottaa myös jotkin (hopeapoh<strong>ja</strong>iset) koskettimet.<br />
Valokaaren voimakkuuteen <strong>ja</strong> kestoon vaikuttavat virta, jännite, kuorman induktiivisuus, onko virta<br />
2
Kuva 4<br />
RC-vaimennin<br />
kytkettynä<br />
kytkimen yli<br />
vaihto- vai tasavirtaa <strong>ja</strong> koskettimien nopeus. Jos virta tai jännite jää tietyn<br />
materiaalikohtaisen arvon alle, valokaari ei syty, mutta jotain pientä<br />
kipinöintiä voi silti esiintyä. Tasavirralla valokaari palaa huomattavasti<br />
helpommin, koska virta ei laske välillä nollaan. Tämän takia releen<br />
katkaisukyky voi olla esimerkiksi 10 A/250 V vaihtovirralla, mutta vain 10 A<br />
<strong>ja</strong> 30 V tasavirralla.<br />
Yleensä releiden koskettimet ovat vaihtokoskettimia (form C eli SPDT).<br />
Näissä on yksi yhteinen napa, joka yhdistää toiseen koskettimeen releen<br />
ollessa vetäneenä <strong>ja</strong> toiseen muulloin. Normaalisti avoimissa (form A eli<br />
SPNO tai SPST) releissä rele kytkee, kun oh<strong>ja</strong>uskäämille tuodaan jännite.<br />
Normaalisti suljetuissa (form B eli SPNC tai SPST) releissä vastaavasti avaa, kun käämille tuodaan<br />
jännite. Yhteen käämiin voi olla kytketty myös useita koskettimia. Näistä<br />
kaksoisvaihtokoskettimellinen rele (DPDT) on varsin yleinen.<br />
Induktiiviset laitteet pyrkivät pitämään virran vakiona vaikka rele yrittäisi katkaista sitä. Jos virralle<br />
ei ole mitään helppoa tietä, se menee valokaarena releen koskettimien yli. Yksi yleinen tapa estää<br />
tämä on tarjota virralle vaihtoehtoinen kulkutie releen koskettimien yli sijoitetun vastuksen <strong>ja</strong><br />
kondensaattorin kautta (kuva 4). Vastuksen tarkoituksena on estää kondensaattorin liian nopea<br />
purkautuminen, kun rele kytkee. Tällaisia vastus-kondensaattoriyhdistelmiä on saatavilla valmiina<br />
komponenttina. Toinen tapa vaimentaa valokaarta on laittaa koskettimen yli varistori.<br />
Moottoreissa <strong>ja</strong> muuntajissa on huomioitava induktiivisuuden lisäksi suuri käynnistysvirta, jotteivat<br />
koskettimet hitsaantuisi yhteen. Induktiivisen kuorman kytkeminen vaihtovirralla jännitteen<br />
nollakohdassa voi aiheuttaa normaaliin verrattuna monikymmenkertaisen virtapiikin, jos kuorman<br />
3<br />
rautasydän kyllästyy .<br />
Vaikka hehkulamput ovatkin resistiivisiä, releet eivät kestä nimellisvirran suuruista<br />
hehkulamppukuormaa. Hehkulankojen resistanssi kylmänä on noin kymmenesosa niiden<br />
resistanssista kuumana. Tämän vuoksi releen nimellisvirran on oltava noin kymmenen kertaa<br />
hehkulamppukuorman nimellisvirtaa suurempi. Myös kapasitiiviset kuormat käyttäytyvät samaan<br />
tapaan <strong>ja</strong> vaativat paljon virtaa kestävän releen.<br />
Normaalit releet eivät toimi luotettavasti hyvin pienillä virroilla tai kokonaan ilman kuormaa.<br />
Tällaisiin kytkentöihin tarvitaan erikoisreleitä, joissa on esimerkiksi kultaiset koskettimet.<br />
Lämpösähköisen jännitteen ilmoitetaan releillä olevan yleensä alle 10 µV.<br />
Releiden virrankestoa ei voi helposti kasvattaa kytkemällä niitä rinnan.<br />
Jos esimerkiksi kaksi 10 A relettä kytketään rinnan, niin kytkennän<br />
katkaisukyky ei ole 20 A. Tämä johtuu siitä, että releet aukeavat hyvin<br />
todennäköisesti eri aikaan. Viimeisenä aukeavalle jää näin koko virta<br />
katkaistavaksi. Samoin ensimmäisenä sulkeutuvan kautta kulkee hetken<br />
aikaa koko kuorman virta.<br />
Koska releiden kytkentäresistansseissa on ero<strong>ja</strong>, virta ei <strong>ja</strong>kaudu<br />
tasaisesti koskettimien kesken. Virran saa <strong>ja</strong>kautumaan tasaisemmin<br />
kytkemällä erillisen vastuksen jokaisen koskettimen kanssa sar<strong>ja</strong>an.<br />
Tämä lisää myös kytkennän katkaisukykyä, mutta aiheuttaa<br />
tehohäviöitä. Suurinta katkaisujännitettä sitä vastoin voidaan kasvattaa<br />
kytkemällä koskettimia sar<strong>ja</strong>an.<br />
Kuva 5<br />
Kaksoiskoskettimellisen<br />
releen katkaisukyvyn<br />
lisääminen<br />
kytkemällä koskettimet<br />
sar<strong>ja</strong>an<br />
Logiikkaa<br />
Relelogiikkaa on ennen käytetty paljon teollisuusautomaatiossa, mutta nykyään tietokoneet ovat<br />
korvanneet releet lähes kaikkialla. Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa on esitetty<br />
relelogiikkapiirejä. Itsepitävä rele (releen oh<strong>ja</strong>usvirta oh<strong>ja</strong>taan sen oman koskettimen kautta, kuva<br />
6D) on edelleenkin näppärä, koska sillä voidaan estää koneen päällekytkeytyminen sähkökatkon<br />
jälkeen. Kääntäjä (Ei-piiri) saadaan vaihtoreleen NC-koskettimesta.<br />
4<br />
3
Kuva 6 Relelogiikkaa<br />
A) Ja<br />
Sisään<br />
B) Tai<br />
Koskettimien <strong>materiaalit</strong> 1<br />
C) Poissulkeva tai<br />
Hopea (Ag) johtaa hyvin sähköä, mutta se hapettuu <strong>ja</strong> sulfatoituu helposti. Sulfidikerros ei johda<br />
sähköä, joten koskettimien on rikottava se jokaisella kosketuskerralla. Tähän tarvitaan riittävän<br />
kova kosketuspaine, joka taas kuluttaa koskettimia. Myös katkaisuhetkellä esiintyvät valokaaret<br />
auttavat polttamalla likaa pois koskettimilta. Koskettimien väliin väkisinkin jäävä ohut sulfatoitunut<br />
kerros aiheuttaa muutamien voltin kymmenysten jännitehäviön <strong>ja</strong> kerää itseensä likaa.<br />
Hopeakoskettimet eivät sovellu pienille signaaleille, vaan niitä käytetään lähinnä yli 12 voltin <strong>ja</strong><br />
puolen ampeerin kuormien kytkentään.<br />
Ohut kultaus Hopeakoskettimet voidaan pinnoittaa hyvin ohuella kultakerroksella<br />
sulfatoitumisen estämiseksi, jos releet joutuvat olemaan pitkään käyttämättömänä. Kultapinnoite<br />
takaa hyvän kosketuksen, mutta kuluu nopeasti pois, varsinkin jos releellä oh<strong>ja</strong>taan niin suurta<br />
kuormaa, että koskettimet kipinöivät.<br />
Kultapinnoitteen poiskulumisen jälkeen rele toimii kuin normaali hopeakoskettiminen rele, eli voi<br />
sulfatoitua käyttökelvottomaksi pitkän käyttämättömyyden <strong>ja</strong> sopivien ilmansaasteiden<br />
vaikutuksesta.<br />
Kultaus Kullattu<strong>ja</strong> koskettimia käytetään kullan korroosionkeston takia kytkettäessä pieniä tai<br />
olemattomia virto<strong>ja</strong>, kuten erilaisia analogisia signaale<strong>ja</strong>. Kultakoskettimellisilla releillä ei saa<br />
kytkeä niin suurta kuormaa, että se aiheuttaa valokaaren, koska muutoin kultaus kuluu puhki.<br />
Hopea-nikkeli (AgNi0.15) Lisäämällä noin 0,15 % nikkeliä hopean joukkoon saadaan materiaalin<br />
siirtyminen koskettimelta toiselle tapahtumaan tasaisemmin koko koskettimen alueella. Tällöin<br />
koskettimiin ei muodostu niin suuria kuoppia <strong>ja</strong> kraattereita, joten koskettimet kestävät pidempään.<br />
Ulos<br />
D) Itsepito<br />
E) Kun sisääntuloon kytketään jännite, piiri antaa lyhyen pulssin ulos<br />
Hopeakadmiumoksidi (AgCdO) Kadmiumoksidilla seostettua hopeaa käytetään erityisesti<br />
suurten kuormien kytkennässä, koska aine kestää hyvin valokaaria <strong>ja</strong> vastustaa materiaalin<br />
kulkeutumista koskettimelta toiselle. Kytkentäresistanssi on näissä vastaavaa hopeasta tehtyä<br />
kosketinta suurempi. Koskettimien hopea sulfatoituu niin kuin pelkästä hopeasta tehdyissäkin<br />
koskettimissa, joten releet eivät sovellu pienille kuormille.<br />
Hopeatinaindiumoksidi (AgSnInO) kestää valokaaria <strong>ja</strong> vastustaa materiaalin siirtymistä vielä<br />
hopeakadmiumoksidiakin paremmin. Niiden kytkentäresistanssi on tosin<br />
4
hopeakadmiumoksidikoskettimia suurempi. Hopeatinaindiumoksidikoskettimet soveltuvat<br />
erityisesti suuren käynnistysvirran vieville kuormille, kuten hehkulampuille <strong>ja</strong> kondensaattoreille<br />
Hopeakuparinikkelikoskettimet<br />
(AgCuNi) eivät hitsaannu helposti. Näillä kytketään suuren<br />
käynnistysvirran ottavia tasavirtakuormia, kuten lamppu<strong>ja</strong> <strong>ja</strong> kondensaattoreita.<br />
Kultahopeanikkelikoskettimia<br />
(AgAuNi) käytetään alle ampeerin kuormien kytkentään. Ne<br />
aiheuttavat vähemmän kohinaa katkaistaessa <strong>ja</strong> kytkettäessä kuin vastaavat hopeakoskettimet.<br />
Diffuusiokullatuilla hopeakoskettimilla on samanlaiset ominaisuudet, mutta ne ovat halvempia.<br />
Palladiumkoskettimet<br />
(Pd) eivät hapetu tai sulfatoidu helposti. Niiden elinikä on noin<br />
kymmenenkertainen hopeakoskettimiin verrattuna, mutta huonon johtavuuden vuoksi ne eivät<br />
sovellu suurille virroille.<br />
Volframikoskettimia<br />
(W) käytetään suurilla jännitteillä tarvittaessa tiheästi toistuvia kytkentöjä.<br />
Korkean sulamispisteensä ansiosta ne kestävät hyvin valokaaria. Volframikoskettimille voi<br />
muodostua oksidikerros, varsinkin jos sitä käytetään tasavirralla anodikoskettimena. Tämän vuoksi<br />
releissä usein käytetään volframia katodilla <strong>ja</strong> palladiumseosta anodilla.<br />
Elohopealla (Hg) kostutetuilla koskettimilla ei tapahdu pysyvää materiaalin siirtymistä<br />
koskettimelta toiselle, koska elohopea on nestemäistä. Isotkin elohopeareleet kestävät miljoonia<br />
kytkentäkerto<strong>ja</strong>. Releiden ongelmana on elohopean myrkyllisyys. Luontoon päästessään elohopea<br />
muuttuu metyylielohopeaksi <strong>ja</strong> rikastuu ravintoketjussa. Elohopeareleiden käyttö normaalissa<br />
kulutuselektroniikassa on kielletty.<br />
Releiden rakenne<br />
Releitä voidaan tehdä monella tavalla, mutta esimerkiksi<br />
ankkuri- <strong>ja</strong> kielireleet ovat yleisiä.<br />
Kielirele eli reed-rele muodostuu kahdesta tiiviissä<br />
lasiputkessa olevasta ferromagneettisesta kielestä. Kun<br />
kytkin joutuu magneettikenttään, kielet vetävät toisiaan<br />
puoleensa <strong>ja</strong> koskettimet sulkeutuvat. Kun magneettikenttä<br />
poistetaan, kielet toimivat kuin jouset <strong>ja</strong> palautuvat<br />
alkuasentoonsa. Kielirele on releeksi nopea. Se pystyy<br />
toimimaan alle millisekunnissa, mutta ei kytkemään suuria<br />
virto<strong>ja</strong>. Kielireleitä käytetään lähinnä signaalien kytkentään.<br />
Ankkurireleet ovat paljon kielireleitä raskastekoisempia.<br />
Niissä on käämi, jonka aiheuttama magneettikenttä vetää<br />
ankkuria puoleensa. Releen koskettimet on kytketty ankkuriin<br />
Kuva 7<br />
12V autosähköjärjestelmään<br />
tarkoitettu ankkurirele<br />
joko suoraan tai eristävän vipuvarren välityksellä tarvittavasta eristystasosta riippuen. Ankkurireleet<br />
ovat kielireleitä hitaampia, mutta pystyvät kytkemään kohtuullisen suuria kuormia. Niitä käytetään<br />
paljon ajoneuvojen elektroniikassa.<br />
Kuluminen<br />
Releiden ensimmäisenä hajoavat osat ovat sen koskettimet. Releiden mekaniikan kestävyys on<br />
yleensä yli sata kertaa sähköistä kestävyyttä suurempi.<br />
5<br />
Kun releeseen (NO) kytketään jännite, alkaa magneettikenttä liikuttaa koskettimia toisiaan kohti.<br />
Koskettimet ovat epätasaisia <strong>ja</strong> niiden pinnalla on kalvo epäpuhtauksia, okside<strong>ja</strong> <strong>ja</strong> sulfide<strong>ja</strong>.<br />
Koskettimet koskettavat aluksi vain yhdestä pienestä kohdasta. Tässä kohtaa paine <strong>ja</strong> virta rikkovat<br />
epäpuhtauskalvon koskettimien välistä. Koska koko virta kulkee nyt hyvin pienen pisteen kautta, se<br />
sulaa. Virta kulkee nyt niin pienen alueen kautta, että se pystyy räjäyttämään sulan metallipatsaan<br />
koskettimien väliltä. Jos sähkökenttä räjähdyshetkellä on riittävän voimakas, alkaa ionisoitunut ilma<br />
johtaa sähköä koskettimien välillä <strong>ja</strong> jos virta on tarpeeksi suuri, koskettimien välille syttyy<br />
5
valokaari. Valokaaren syttymiseen tarvittava virta riippuu<br />
koskettimien materiaalista. Valokaari kuumentaa katodia<br />
enemmän kuin anodia <strong>ja</strong> irrottaa katodista ainetta, joka<br />
kulkeutuu viileämmälle anodille. Tapahtuma kestää<br />
kymmenisen nanosekuntia. Valokaari sammuu, kun<br />
koskettimen seuraavat korkeat kohdat ottavat kiinni toisiinsa.<br />
Nämäkin saattavat sulaa virran vaikutuksesta, mutta samalla<br />
resistanssi laskee, kun pehmenneet huiput leviävät. Kun<br />
koskettimet vielä lähenevät, sula metalli saattaa roiskua<br />
ympäriinsä. Tämä aiheuttaa aineshukkaa koskettimissa.<br />
Kohta kosketusresistanssi tippuu niin pieneksi <strong>ja</strong> ala suureksi,<br />
että äsken sulanut metalli alkaa jäähtyä <strong>ja</strong> muuttuu takaisin<br />
kiinteään olomuotoon. Koskettimet hitsaantuvat yhteen,<br />
mutta niin heikosti, että releen jousi pystyy irrottamaan ne<br />
toisistaan.<br />
Kun releen koskettimet alkavat erkaantua toisistaan, virta<br />
kulkee yhä pienemmän <strong>ja</strong> pienemmän alueen kautta. Tämä<br />
kohta lämpenee <strong>ja</strong> sulaa. Koskettimet <strong>ja</strong>tkavat erkanemistaan<br />
<strong>ja</strong> venyttävät mukanaan koskettimien välistä sulaa<br />
metallipatsasta. Patsas <strong>ja</strong>tkaa kuumenemistaan <strong>ja</strong> ionisoi<br />
ympärillään olevan ilman. Lopulta patsas tulee niin ohueksi <strong>ja</strong><br />
kuumaksi, että virta räjäyttää sen. Räjähdys levittää<br />
ympäriinsä metalli-ioneita. Jos jännite on riittävän suuri,<br />
koskettimien väliin syttyy nyt valokaari. Valokaari siirtää<br />
ainetta katodilta anodille. Tasavirralla valokaari sammuu<br />
vasta, kun koskettimet ovat riittävän etäällä toisistaan.<br />
Kuva 8 Aineen siirtyminen<br />
koskettimelta toiselle.<br />
Toiseen koskettimeen<br />
muodostuu piikki<br />
<strong>ja</strong> toiseen kraatteri.<br />
Vaihtovirralla valokaari sammuu, kun virta laskee nollaan, mutta voi syttyä helposti uudelleen<br />
jännitteen taas noustessa, elleivät koskettimet ole ehtineet tarpeeksi kauas toisistaan.<br />
Suurin osa materiaalin siirtymisestä johtuu valokaaresta. Koska tasavirralla sama kosketin toimii<br />
aina katodina <strong>ja</strong> toinen anodina, katodikoskettimelle muodostuu kuoppa <strong>ja</strong> anodille keko metallia<br />
(kuva 8). Vaihtovirralla tätä ei yleensä tapahdu, koska välillä aine siirtyy toiseen suuntaan <strong>ja</strong> välillä<br />
toiseen. Jos releen kytkentä on kuitenkin tahdistettu vaihtovirran kanssa tapahtumaan aina samassa<br />
vaiheessa, ainetta siirtyy koskettimelta toiselle samoin kuin tasavirralla. Ongelma voidaan välttää<br />
tahdistamalla rele avautumaan virran nollakohdassa. Releiden hitauden vuoksi tämä vaatii sopivan<br />
ennakon ottoa. Jos keko kasvaa sopivasti, koskettimet saattavat jumiutua toisiinsa kiinni.<br />
Jos ilmassa on orgaanisia aineita, ne muodostavat hiiltä joutuessaan valokaareen. Hiili kerääntyy<br />
sitten kalvoksi koskettimien päällä. Hiilikalvo ei estä kosketusta täysin, vaan nostaa vain<br />
resistanssin kymmeniin tai satoihin ohmeihin. Valokaaren kuumuudessa ilman typestä, hapesta <strong>ja</strong><br />
vedestä muodostuu typpihappoa, joka syövyttää koskettimia. Platinapoh<strong>ja</strong>isten koskettimien<br />
erityisongelma on, että ne katalysoivat ilmassa olevien orgaanisten yhdisteiden polymerisaatiota.<br />
Polymeroituneet aineet muodostavat koskettimen pinnalla sähköä eristävän kalvon.<br />
Silikoniyhdisteet hajoavat valokaareen joutuessaan piin oksideiksi (lasiksi) <strong>ja</strong> muodostavat<br />
eristävän kalvon koskettimien pinnalle. Hopeapoh<strong>ja</strong>iset koskettimet sulfatoituvat helposti ilmassa<br />
olevan rikkivedyn vaikutuksesta. Näihin ilmasta käsin tuleviin ongelmiin auttaa suljettu rele, mutta<br />
niidenkin muovikuori hengittää jonkin verran.<br />
A<br />
B<br />
16
Lähteet<br />
Kaikki asiakir<strong>ja</strong>t on haettu marras-joulukuussa 2006.<br />
1. Tyco Electronics, Relay Contact Life<br />
Http://relays.tycoelectronics.com/appnotes/app_pdfs/13c3236.pdf<br />
2.Tyco Electronics, The application of relay coil suppression with DC relays<br />
Http://relays.tycoelectronics.com/appnotes/app_pdfs/13c3311.pdf<br />
3.Tyco Electronics, Beware of Zero-Crossover Switching of Transformers<br />
Http://relays.tycoelectronics.com/appnotes/app_pdfs/13c3206.pdf<br />
4.Omron, Relay User’s Guide, julkaistu vuonna 1990<br />
Http://www.components.omron.com/knowledge.shtm->Relays->Tech Notes->Relay Users Guide<br />
5.Tyco Electronics, Contact Arc Phenomenon<br />
Http://relays.tycoelectronics.com/appnotes/app_pdfs/13c3203.pdf<br />
6.Omronin tuoteluettelo<br />
Http://www.omroncomponents.eu/home/products/Relays/<br />
Lisää lukemista aiheesta. Seuraavista löytyvät kaikki releiden käytössä tarvittavat perustiedot<br />
Omronin Relay User’s Guide, yllä [4]<br />
Tyco Electronicsin ohjeet releiden käytöstä<br />
Http://relays.tycoelectronics.com/appnotes/<br />
Panasonic (Matsushita Electric Works) Relay Cautions For Use<br />
Http://www.mew.co.jp/ac/e_download/control/relay/common/catalog/mech_eng_rti.pdf<br />
27.12.2006 Erkka Koski http://koti.mbnet.fi/erkkak<br />
7
![Testpaket för handbollspelare. 2009. [PDF] - MBnet](https://img.yumpu.com/18827179/1/184x260/testpaket-for-handbollspelare-2009-pdf-mbnet.jpg?quality=85)
Change language