Een inleiding tot relais

Relais spelen een essentiële rol in talloze consumenten-, commerciële en industriële toepassingen en systemen. Ze worden vaak ongemerkt gebruikt in alledaagse systemen. Relais worden bijvoorbeeld gebruikt bij het afstellen van een huishoudelijke oven, het klikken op een afstandsbediening van een tv of het bedienen van een lift. Relais werden oorspronkelijk in 1835 ontwikkeld voor het tot stand brengen van telegraafverbindingen over lange afstanden, maar werden vervolgens aangepast voor gebruik in telefooncentrales en werken nog steeds betrouwbaar, onopvallend en met een hoge efficiëntie.

Vanuit een pragmatisch perspectief functioneren relais als elektrische schakelaars. Ze gebruiken een signaal met een laag vermogen om een circuit met een hoog vermogen te besturen, of ze zich nu in de buurt bevinden of op afstand. Hun inherente ontwerp vergemakkelijkt effectieve isolatie tussen het signaal met laag vermogen en het circuit met hoog vermogen, vaak galvanische isolatie genoemd. Deze isolatie zorgt voor een veilige en robuuste werking van elektrische systemen voor gebruikers. Relais zijn veelzijdig, omdat ze kunnen worden gebruikt om een enkel circuit of meerdere circuits te regelen en ze kunnen dienen als versterkers of stroomonderbrekers.

De mogelijkheid om het vermogen van apparaten op afstand te regelen, vertaalt zich ook in verbeterde veiligheidsmaatregelen, vooral in industriële processen die fysieke gevaren kunnen opleveren voor operators. Deze veelzijdige apparaten zijn verkrijgbaar in een groot aantal pakketten, met verschillende stroomcapaciteiten, montagemogelijkheden en fysieke voetafdrukken, waardoor ze net zo gangbaar zijn als de alledaagse, alomtegenwoordige schakelaar.

Relais - hoe ze werken

Voor een beter begrip van het onderwerp kunnen relais worden onderverdeeld in twee basistypen: elektromechanisch (EMR) en solid-state (SSR). Het belangrijkste onderscheid ligt in de aan- of afwezigheid van bewegende onderdelen.

De oudste van de twee typen is elektromechanisch, dat bestaat uit contacten, een anker, een veer en een elektromagneet. In zijn meest basale werking houdt een veer het anker in positie. Bij het aanleggen van stroom oefent de elektromagneet een aantrekkingskracht uit op het anker, waardoor het beweegt en een reeks contacten sluit, waardoor er stroom door het circuit kan stromen.

Afbeelding 1: De interne basisstructuur van een elektromechanisch relais. (Bron afbeelding: Same Sky)

Solid-state relais daarentegen, die eind jaren 1950 opkwamen, dienen hetzelfde fundamentele doel als elektromechanische relais, maar zijn volledig elektronisch zonder bewegende delen. Ze bestaan uit een ingangscircuit, een regelcircuit en een uitgangscircuit om de stroom te regelen. Wanneer een spanning boven de gespecificeerde pickupspanning wordt toegepast, activeert het stuurcircuit het relais. Zodra de spanning onder de uitvalsspanning komt, wordt het relais gedeactiveerd.

Elektromechanische vs. solid-state relais vervolg

Zoals bij elke technologie voor elektronische componenten, hebben elektromechanische en solid-state relais elk hun eigen voor- en nadelen die overwogen moeten worden.

Dankzij hun twee eeuwen oude ontwerp zijn elektromechanische relais robuuste apparaten met een ongecompliceerde werking, die hun betrouwbaarheid bewijzen in een reeks toepassingen, waaronder toepassingen met een hoge stroomsterkte en gevaarlijke omgevingen. Ze bieden volledige elektrische isolatie, zijn bestand tegen hoge stroom- en spanningspieken en zijn ongevoelig voor elektrische ruis, zoals elektromagnetische interferentie en radiofrequentie-interferentie (EMI/RFI).

Maar omdat elektromechanische relais bewegende delen hebben, treedt er na verloop van tijd fysieke degradatie op en kunnen de contacten verslechteren door corrosie en oxidatie. Ze kunnen gevoelig zijn voor contactbogen, wat leidt tot putjes en kortsluiting. Hun mechanische aard maakt ze kwetsbaar voor contactstoten door schokken en trillingen en ze kunnen hun eigen EMI/RFI ruis genereren. Bovendien kunnen externe magnetische velden de werking beïnvloeden.

Solid-state relais bieden daarentegen een langere levensduur en werken met een aanzienlijk lager regelvermogen dankzij hun ontwerp zonder bewegende delen. Ze bieden snellere aan/uit-frequenties, elimineren vonken en contactstuit en worden niet beïnvloed door externe mechanische schokken, trillingen of magnetische velden. Solid-state relais werken binnen een lager spanningsbereik dan elektromechanische relais, waardoor ze geschikt zijn voor elektronische apparaten, maar minder geschikt voor toepassingen met een hoog vermogen.

Door hun unieke ontwerp kunnen solid-state relais echter gevoelig zijn voor spannings- of stroomtransiënten en EMI/RFI-ruis. Ze genereren meestal meer warmte dan hun mechanische tegenhangers en kunnen gevoelig zijn voor omgevingstemperaturen. Het bereiken van volledige elektrische isolatie tussen het besturingssignaal en de belasting is inherent niet mogelijk met standaard halfgeleiderschakelaars, maar kan wel worden bereikt met opto-elektronische componenten in foto-gekoppelde apparaten, die de ingangs- en uitgangssignalen isoleren.

Afbeelding 2: Het interne basisschema van solid-state relais. (Bron afbeelding: Same Sky)

Algemene relaistypen

Er is een breed scala aan relaistypen beschikbaar, elk afgestemd op specifieke toepassingsvereisten. Het is goed om op te merken dat fabrikanten een iets andere terminologie kunnen gebruiken voor hun productaanbod, maar hier volgt een algemene samenvatting van de belangrijkste relaistypen:

• Relais voor algemeen gebruik: Dit zijn gewone elektromechanische relais die werken op wissel- of gelijkstroom in het bereik van 12 tot 230 volt en stromen kunnen regelen van 2 tot 30 ampère.
• Signaal: Signaalrelais worden gebruikt om belastingen met een laag vermogen te regelen, meestal minder dan 2 ampère. Voor meer informatie kun je het artikel "Signal Relays - Understanding the Basics" van Same Sky raadplegen.
• Vermogen: Vermogensrelais zijn speciaal ontworpen om belastingen met een hoog vermogen te beheren, de warmteontwikkeling te minimaliseren en boogvorming te verminderen. Voor meer informatie kun je het artikel "An Introduction to Power Relays" van Same Sky raadplegen.
• Machinebesturing: Dit zijn robuuste relais voor zwaar gebruik, bedoeld voor gebruik in grote industriële toepassingen.
• Vergrendeling: Vergrendelende relais behouden hun instel- of reset-toestand (AAN of UIT) totdat ze een inverterend spanningssignaal ontvangen.
• Reed: Reed-relais zijn compact en werken snel. Ze gebruiken een elektromagneet om een of meer hermetisch afgesloten reed-schakelaars aan te sturen, waardoor ze ongevoelig zijn voor externe verontreinigingen of vocht.
• Nulschakeling: Deze relais activeren de belasting wanneer de stuurspanning wordt toegepast en de belastingsspanning bijna nul is. Ze deactiveren de belasting wanneer de stuurspanning wordt verwijderd.

Afbeelding 3: Basisprincipe van nulschakeling met relais. (Bron afbeelding: Same Sky)

• Piekschakeling: Piekschakelrelais activeren de belasting wanneer een stuurspanning wordt toegepast en de belastingsspanning op zijn piek is. Ze deactiveren de belasting wanneer de stuurspanning wordt verwijderd en de huidige belasting nul nadert.
• Onmiddellijk ingeschakeld: Instant AAN relais activeren de belasting onmiddellijk wanneer de pick-up spanning wordt toegepast.
• Tijdvertraging: Tijdvertragingsrelais hebben een ingebouwde timer om gebeurtenissen op basis van tijd te regelen.
• Analoog schakelen: Analoge schakelrelais beheren de uitgangsspanning als functie van de ingangsspanning, waardoor oneindige uitgangsspanningen mogelijk zijn binnen de nominale waarde van het relais.
• Optisch gekoppeld: Dit zijn solid-state relais die isolatie bieden tussen het besturings- en voedingscircuit door te schakelen in reactie op een interne lichtbron.
• Militair/Hi-Rel: Deze relais zijn speciaal ontworpen om te werken in veeleisende en ruwe omgevingen.

Relais kunnen verder worden gecategoriseerd als normaal open (NO), waarbij de contacten open zijn en er geen spanning op het circuit staat, of normaal gesloten (NC), waarbij de contacten gesloten zijn wanneer er geen spanning op het circuit staat. Samengevat worden relais meestal gespecificeerd als NO of NC wanneer er geen spanning op staat.

Ratings en configuraties

Relais worden gewaardeerd op basis van hun capaciteit om veilig elektrische stroom door het apparaat te schakelen. Deze nominale vermogens worden gecategoriseerd als AC of DC en worden meestal uitgedrukt in ampère. Het is cruciaal dat de nominale waarde van het relais gelijk is aan of groter is dan het apparaat dat het moet aansturen.

Relais kunnen meerdere circuits tegelijk aansturen en worden aangeduid met specifieke kenmerken. Als je bekend bent met polen en worpen, zijn deze aanduidingen SPST, DPDT, 3PDT en SP3T.

Naast het aantal polen en worpen kunnen relais belangrijke kenmerken beschrijven met de term "vormen". Zinnen als "1 Formulier A" of "2 Formulier C" benadrukken twee belangrijke stukjes informatie. Het vormtype geeft aan of de schakelaar normaal open of normaal gesloten is en in het geval van SPDT-schakelaars of ze "break-before-make" of "make-before-break" zijn. Het getal (1 of 2) voor de vorm geeft aan hoeveel contacten van die stijl beschikbaar zijn in het relais. Enkele veelvoorkomende stijlen zijn:

• Vorm A - Normally Open
• Vorm B - Normally Closed
• Vorm C - Break-Before-Make SPDT-schakelaars
• Vorm D - Make-Before-Break SPDT-schakelaars

Conclusie

Door hun eenvoudige ontwerp en betrouwbare werking worden relais gebruikt in apparaten en systemen in een groot aantal industrieën en markten. Relais zijn ontstaan als basiscomponenten in telegraafsystemen en hebben zelfs bijgedragen aan de vroege ontwikkeling van computers. Tegenwoordig spelen ze nog steeds een essentiële rol en zorgen ze voor een veilige en efficiënte bediening van elektrisch aangedreven apparaten vanaf een externe locatie.

Om te voldoen aan de eisen van een ingenieur voor het schakelen van stromen op laag of hoog niveau, biedt Same Sky een uitgebreide selectie vermogens- en signaalrelais met verschillende nominale waarden en configuraties.