Selecteren en toepassen van elektromechanische relais voor veelzijdige en betrouwbare signaalschakeling

Toepassingen zoals telecom- en netwerkapparaten, automatische testapparatuur (automatic test equipment, ATE) en beveiligingsapparaten moeten steeds vaker op betrouwbare wijze enkelvoudige of meervoudige DC-, AC- (analoge) en radiofrequente (RF) signalen van laag tot middelhoog niveau schakelen en routeren. Elektromechanische relais (EMR’s) zijn zeer geschikt voor deze taak.

EMR’s bieden uitstekende aan- en uitschakelprestaties samen met ingangs-/uitgangsisolatie en zijn verkrijgbaar in meerpolige configuraties om ontwerpers flexibiliteit en veelzijdigheid te bieden. Bovendien kan één relais verschillende signaaltypes ondersteunen (AC, DC, laagfrequente, RF) in hetzelfde apparaat, wat hun waarde nog meer verhoogd.

Ondanks hun bewegende delen en fysieke contacten zijn ze volledig gekarakteriseerd vanwege hun jarenlange toepassingsgeschiedenis. Als zodanig zijn het betrouwbare ‘probleemoplossers’ die vele jaren trouwe dienst kunnen bewijzen. Hoewel EMR’s van nature ook robuuste apparaten zijn, moeten ontwerpers een geschikt relais kiezen (zowel spoel- als contactwaarden) en dit op de juiste manier gebruiken om een maximale levensduur te garanderen.

Dit artikel bespreekt in het kort de typen signaalrelais en bijbehorende toepassingen. Vervolgens wordt beschreven hoe EMR’s kunnen worden geselecteerd en toegepast aan de hand van voorbeelden van Omron Electronic Components.

Relaistypen en verschillen

EMR verwijst naar een component met veel toepassingsspecifieke subtypes. Voedingsrelais hebben bijvoorbeeld contacten van 2 A of meer, terwijl signaalrelais zijn ontworpen voor lagere contactstromen.

Signaalrelais kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: niet-RF-signalen en RF-signalen. Hoewel alle relais gekarakteriseerd worden door algemene continuïteitsparameters en maximumwaarden voor stroom- en spanningsafgifte, zijn er aanvullende prestatieparameters voor RF-relais. Dit zijn:

• Isolatie: hoogfrequente signalen lekken door de zwerfcapaciteit tussen de contacten, zelfs als de contacten gescheiden zijn. Isolatie wordt gemeten in decibel (dB).
• Doorgangsdemping (insertion loss): bij hoge frequenties ontstaan signaalstoringen door zelfinductie, weerstand en diëlektrisch verlies, maar ook door reflecties als gevolg van impedantieverschillen. Doorgangsdemping wordt ook gemeten in dB.
• Voltage staande golfverhouding (VSWR): dit is het gevolg van constructieve/destructieve interferentie tussen een ingangssignaalgolf en een gereflecteerd signaal. Dit is een getal zonder eenheid dat de verhouding aangeeft tussen de spanning op het maximumpunt van de golfvorm en het minimumpunt.

De stuklijst vereenvoudigen

Relaisconfiguraties worden gedefinieerd door het aantal contacten of polen (P) en normale (d.w.z. zonder voeding) open/dicht-contactsituaties (afbeelding 1). Ze kunnen normaal open (NO) of normaal gesloten (NC) zijn. Enkelpolige (SP) en dubbelpolige (DP) configuraties komen het meest voor, hoewel er ook eenheden met meerdere contactpolen verkrijgbaar zijn. De ‘throw’ (T) is de uiterste positie van de actuator.

Afbeelding 1: Contactopstellingen en industriestandaardbenamingen voor verschillende typen EMR’s. De stippellijn in het relais Form 2C geeft aan dat beide armaturen een niet-geleidende verbinding hebben die beide contacten gelijktijdig beweegt wanneer de relaisspoel stroom ontvangt. (Bron afbeelding: Sealevel Systems, Inc.)

Het vermogen van EMR’s om meerdere polen en NO/NC-throws te ondersteunen, benadrukt hoe ze circuits kunnen vereenvoudigen, printplaatruimte kunnen besparen, de stuklijst (BOM) kunnen verkleinen en de kosten kunnen verlagen. De reden hiervoor is dat een enkel relais meerdere circuitpaden kan schakelen naar alles aan, alles uit of een combinatie hiervan, afhankelijk van de pool- en throwconfiguratie. Datzelfde relais kan ook zowel AC- als DC-signalen schakelen, waardoor gelijktijdige werking over meerdere circuitpaden mogelijk is.

In sommige gevallen worden EMR’s met een extra poolpaar gebruikt om een hulpcircuit te voeden, zoals een LED-circuit om gebruikers te laten weten dat het relais bekrachtigd is en de gewenste contacttoestand heeft. Verder gebruiken sommige ervaren ontwerpers een DPDT-relais (double pole, double throw) wanneer ze slechts een SPDT-relais (single pole, double throw) nodig hebben (SPDT- en DPDT-relais hebben in veel gevallen dezelfde voetafdruk), waardoor ze een reservecontactpaar hebben om een probleem of nalatigheid op te lossen die later in de ontwerpcyclus wordt ontdekt.

De G6J-2P-Y DC12 (afbeelding 2) van Omron is een ultradun DPDT-relais (Form 2C) met een spoel van 977 ohm (Ω) en is ontworpen om te worden gevoed door 12 V bij 12,3 mA. Merk op dat andere leden van deze serie verschillende combinaties van spoelspanning/-stroom bieden tot 24 V_DC voor compatibiliteit met bijna elk aandrijvingscircuit of elke situatie.

Afbeelding 2: De G6J-2P-Y DC12 is een ultradun DPDT-relais met een spoel van 12 V, 12,3 mA. Het relais maakt deel uit van een relaisserie met identieke afmetingen en contactwaarden, maar verschillende combinaties van spoelspanning en -stroom. (Bron afbeelding: Omron)

Dit verkleinrelais is geschikt voor high-density printplaten, aangezien het slechts 5,7 × 10,6 × 9 millimeter (mm) is. De G6J-2P-Y DC12 wordt geleverd met doorvoerklemmen, maar identieke versies bieden korte en lange opbouwklemmen voor maximale flexibiliteit. De contacten van dit relais en alle andere in deze serie kunnen tot 0,3 A verwerken bij 125 V_AC en 1 A bij 30 V_DC.

Relais en RF

Het gebruik van relais is niet beperkt tot het bieden van eenvoudige ‘droge’ contactsluitingen of het verwerken van DC-spanningen/-stromen en laagfrequente AC-signalen. Sommige modellen zijn speciaal ontworpen voor toepassingen met ultrahoge frequenties, zoals ATE.

De G6K-2F-RF-V DC4.5 van Omron is een miniatuur DPDT-relais voor opbouwmontage dat het schakelen van differentiële transmissiesignalen ondersteunt. De doorgangsdemping voor dit relais van 11,7 × 7,9 × 7,1 mm is 3 dB of minder bij 8 gigahertz (GHz). Het relais kan ook worden gebruikt bij hogere frequenties, zoals het oogdiagram laat zien voor een differentieel signaal van 200 mV met een stijgtijd van 25 picoseconden (ps) (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het G6K-2F-RF-V DC miniatuur DPDT-opbouwrelais maakt gebruik van differentiële transmissiesignaalschakeling en is gespecificeerd tot meer dan 8 GHz, zoals te zien is in deze oogdiagrammen met 8,1, 10 en 12,5 gigabit per seconde (Gbit/s) signalen. (Bron afbeelding: Omron)

Deze GHz-prestaties zijn deels te danken aan een elektrisch en mechanisch ontwerp dat inherent differentiële signalen ondersteunt. Dit garandeert mede de gewenste prestaties, zoals gedefinieerd door RF-isolatie (niet gerelateerd aan galvanische isolatie), doorgangsdemping en VSWR (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het G6K-2F-RF-V gigahertz-relais maakt gebruik van een inherent differentieel ontwerp dat problemen met de fysieke lay-out van printplaten vereenvoudigt en de nadelige invloed van die lay-out op RF-prestaties minimaliseert. (Bron afbeelding: Omron)

Het relais maakt gebruik van een geavanceerde interne lay-out die de lay-out van de printplaat vereenvoudigt en complexe meerlagige signaalpadroutering op de printplaat, die de RF-prestaties vermindert, overbodig maakt. Door het gebruik van een harsbehuizing in plaats van een metalen behuizing wordt voorkomen dat tasterpennen door een metalen behuizing kortsluiting maken en schade veroorzaken aan de printplaat en componenten tijdens het inspecteren van de relaisbevestiging.

Relais en stroomverbruik

Stroomverbruik is een kritieke parameter in bijna alle circuits en systemen. Het bepaalt de grootte van de voeding en beïnvloedt de bedrijfstijd voor batterijgevoede ontwerpen. Daarnaast beïnvloedt de warmteontwikkeling de thermische prestaties. Dit heeft gevolgen voor conventionele niet-vergrendelende relais, waarbij de spoel gedurende de hele tijd dat het relais bekrachtigd moet worden, op de voeding moet zijn aangesloten.

Alternatieve architecturen voor het basis aan/uit-ontwerp (formeel ‘single-side stable’ genoemd) pakken dit probleem aan. Het vergrendelrelais (ook wel houdrelais genoemd) is zo ontworpen dat wanneer het eenmaal bekrachtigd is, het in die positie blijft staan, zelfs nadat de spoel spanningsloos wordt.

Er zijn verschillende manieren om de vergrendelingsfunctie te implementeren. De G6JU-2P-Y DC3 en andere modellen uit deze serie maken gebruik van een vergrendelingstechniek met enkele wikkeling waarbij de ‘set’-ingangspuls ervoor zorgt dat de bedrijfstoestand gehandhaafd blijft via een aangrenzende permanente magneet. De ‘reset’-ingangspuls (een ingang met de omgekeerde polariteit van de set-ingang) zet het relais in een niet-vergrendelde toestand.

Relais en betrouwbaarheid

Relais hebben bewegende onderdelen en fysieke elektrische contacten, dus het is normaal om aan te nemen dat ze na een redelijk aantal aan/uit-cycli onbetrouwbaar worden. Dat is echter niet het geval.

Ten eerste zijn de verschillende effecten van het openen en sluiten van contacten bij AC versus DC op verschillende niveaus goed bekend en worden ze in detail genoemd op het gegevensblad van het relais. Voortijdige contactslijtage zou geen probleem moeten zijn als de gedefinieerde voorwaarden worden gerespecteerd.

Net zo belangrijk is dat na tientallen jaren gebruik, ervaring met ontelbare eenheden in het veld, metallurgisch onderzoek en ontwikkeling, modellering en analyse, gecontroleerde levensduurtests, productie- en fabricageverbeteringen en andere technische factoren het ontwerp en de fabricage van spoelen en contacten hebben geleid tot welbekende, goedontwikkelde en verfijnde processen en resulterende componenten.

De duurzaamheid van een relais is gekoppeld aan de duurzaamheid van contacten en spoelen. De duurzaamheid van de spoel begint met een standaardwaarde van 40.000 uur, omdat de isolatie-eigenschappen afnemen door de warmte die wordt gegenereerd wanneer de nominale spanning continu op de spoel wordt gezet. Als het relais met tussenpozen wordt gebruikt, is de levensduur van de spoel veel langer.

Duurzaamheid wordt ook bepaald aan de hand van twee factoren die vaak op datasheets worden genoemd:

• Mechanische duurzaamheid: dit is het aantal keren dat een relais het contact kan openen en sluiten zonder belasting, rekening houdend met mechanische storingen en karakteristieken.
• Elektrische duurzaamheid: dit is het aantal keren dat een relais het contact kan openen en sluiten bij een nominale belasting (zoals 125 V_AC, 0,3 A / 30 V_DC, 1 A).

Relaiscontacten zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties met oplopende niveaus van betrouwbaarheid op lange termijn: enkelvoudig contact, twincontact en cross-bar twincontact (afbeelding 5). Het ontwerp van de cross-bar zorgt voor een uitzonderlijk stabiele contactweerstand en minimaliseert contactstoringen. Leden van de G6J-2P-Y-serie hebben een gespleten cross-bar (vergelijkbaar met het cross-bar twincontact) met een zilverkleurig contact dat verguld is met een goudlegering.

Afbeelding 5: Relaiscontacten zijn verbeterd en geëvolueerd van eenvoudige enkelvoudige contacten naar cross-bar twincontacten met een langere levensduur die consistente prestaties en een stabiele contactweerstand bieden. (Bron afbeelding: Omron)

De bekende betrouwbaarheid van deze relais maakt ze een goede keuze voor elke toepassing waarbij uitvaltijd of serviceonderbrekingen niet-acceptabel zijn, of waarbij de prestaties van het relais een bedrijfskritieke overweging zijn.

Conclusie

EMR’s zijn cruciale probleemoplossende componenten in veel hedendaagse systemen, die veel signaalpadproblemen aanpakken en oplossen. Ze bieden unieke en onvervangbare signaalverwerkingseigenschappen, goed gedefinieerde prestaties en betrouwbaarheid op lange termijn. Signaalrelais zijn verkrijgbaar voor DC-, laagfrequente en zelfs RF-toepassingen tot in het GHz-bereik, waardoor ze breder toepasbaar zijn.