Vermogensrelais - De basis begrijpen

Relais functioneren in wezen als schakelaars die de werking van andere schakelaars binnen elektrische circuits regelen. Door gebruik te maken van een ingangssignaal met een laag vermogen, oefenen ze controle uit over circuits met een hoger vermogen. Activering van het signaal met laag vermogen van het relais activeert een elektromagneet en zet de beweging van een anker in gang. Deze beweging zorgt er op haar beurt voor dat de elektrische contacten worden gesloten, waardoor de stroomtoevoer naar het gecontroleerde circuit wordt vergemakkelijkt.

Een van de grootste voordelen van dit ontwerp is de mogelijkheid om het stuursignaal met laag vermogen te isoleren van het circuit met hoog vermogen. Deze isolatie beschermt operators niet alleen tegen mogelijke gevaren, maar beschermt apparatuur ook tegen mogelijke schade. Bovendien vergemakkelijkt deze opstelling de afstandsbediening van apparaten of systemen, waardoor bediening op afstand mogelijk is.

Het ontstaan van elektromechanische relais gaat terug tot 1835 en ondanks de aanzienlijke vooruitgang in hun componenten en diversiteit door de jaren heen, is hun fundamentele functie blijven bestaan. Een van de meest bekende relais in de geschiedenis is het vermogensrelais. Hoewel alle elektrische relais inherent stroom regelen, worden niet alle relais correct "vermogensrelais" genoemd. Dit artikel gaat dieper in op vermogensrelais, inclusief hun voordelen, configuraties en belangrijkste selectiecriteria.

Basisprincipes vermogensrelais

Vermogensrelais staan bekend om hun gespecialiseerde vermogen om stroomschakelingen op hoog niveau te beheren, variërend van enkele ampères tot aanzienlijk hogere magnitudes. Door hun robuustere constructie en grotere afmetingen zijn vermogensrelaiscontacten bestand tegen aanzienlijke stromen, waardoor ze ideale kandidaten zijn voor toepassingen die stromen van meer dan 10 ampère vereisen.

Ze worden steeds meer gebruikt in diverse industrieën, waaronder autosystemen, liftbesturingen, klepactuators en diverse apparaten die worden gekenmerkt door hoge initiële stroompieken, zoals motors, solenoïden, voedingen en elektronische ballasten.

Net als andere elektrische componenten hebben relais inherente beperkingen met betrekking tot het vermogen dat ze veilig kunnen beheren. Aan elk model is een maximaal vermogen toegewezen, zodat het efficiënt kan worden afgestemd op een breed scala aan belastingen, van apparaten met een laag vermogen zoals gloeilampen tot robuuste machines zoals grote motoren. Het overschrijden van het opgegeven vermogen kan echter permanente schade aan het relais veroorzaken.

Bovendien kan een verkeerde uitlijning van contacten contactbogen veroorzaken, die worden gekenmerkt door stroom door de luchtspleet tussen relaiscontacten wanneer ze open zijn maar dicht bij elkaar. Dit fenomeen brengt niet alleen risico's met zich mee op het gebied van vonken en warmteontwikkeling, maar ook op het gebied van erosie van contacten en het genereren van ongewenste elektrische interferentie, waardoor apparatuur in de buurt schade kan oplopen.

Afbeelding 1: Boogvorming in elektromechanische relaiscontacten. (Bron afbeelding: Same Sky)

Maak kennis met vermogensrelais, die speciaal zijn ontworpen om de elektrische belasting van apparaten met hoge stroomsterkte, zoals verwarmingstoestellen, motoren, verlichtingsarrays en industriële apparatuur aan te kunnen. De hogere stroom- en spanningswaarden van vermogensrelais zijn grotendeels het gevolg van het gebruik van andere materialen voor schakelcontacten dan die in gewone relais. Deze materialen zijn gekozen vanwege hun vermogen om de ontberingen van toepassingen met een hoog vermogen te weerstaan, waardoor een betrouwbare werking en een lange levensduur in veeleisende industriële omgevingen worden gegarandeerd.

Contactmaterialen voor vermogensrelais

Wanneer er stroom door relaiscontacten loopt, ondervindt deze weerstand, een factor die afhankelijk is van de grootte en materiaalsamenstelling van de contacten. Een verhoogde weerstand versterkt niet alleen het vermogen dat in het relais wordt gedissipeerd, maar verhoogt ook de warmteontwikkeling. Eén benadering om de contactweerstand te verminderen is de zorgvuldige selectie van contactmaterialen.

Conventionele relais hebben contacten van nikkelzilver, een metaal dat bekend staat om zijn historische alomtegenwoordigheid in de constructie van relais. Zilvernikkelcontacten blinken uit in het schakelen van weerstandsbelastingen, waarbij stroom en spanning in fase zijn.

Relais die zijn ontworpen voor hogere belastingen, zoals vermogensrelais, kiezen daarentegen voor contacten van materialen zoals zilvercadmiumoxide, zilvertinoxide of een goudlegering. Deze materialen zijn ideaal voor het hanteren van inductieve belastingen, die worden gekenmerkt door asynchrone stroom en spanning, die aanzienlijke stroom- of spanningspieken kunnen veroorzaken. Zowel cadmiumzilveroxide- als tinoxidezilvercontacten bieden een verminderde elektrische weerstand en verminderen het risico op contactlassen als gevolg van hoge inschakelstromen. Met name het gebruik van zilvertinoxide omzeilt de milieuproblemen die geassocieerd worden met cadmiumlegeringen, waardoor het voldoet aan de wettelijke normen van bepaalde landen.

Vermogensrelais vergeleken met signaalrelais

Vermogensrelais en signaalrelais zijn twee populaire varianten binnen het domein van relais. Hoewel vermogensrelais bij voorkeur hogere spanningen en stromen verwerken, ondergaan ze doorgaans minder levenscycli. Signaalrelais daarentegen zijn ontworpen voor een hoger aantal levenscycli, maar werken met lagere spanningen en een minimale stroom.

De contactmaterialen die worden gebruikt in vermogensrelais zijn weliswaar geschikt voor scenario's met een hoog vermogen, maar niet ideaal voor schakelen met een laag vermogen. Dit heeft te maken met het feit dat bij lagere spanningen de fysieke verbinding tussen de contacten van het grootste belang is en wordt bepaald door factoren als contactdruk en reinheid, in plaats van het contactmateriaal.

Bovendien brengt het gebruik van een signaalrelais in een vermogenstoepassing inherente risico's met zich mee, die mogelijk uitmonden in een catastrofale storing als gevolg van overspanning of overstroom. Zelfs als zo'n relais zou overleven, zou het cruciale eigenschappen missen, zoals vlamboogpreventie en zelfreiniging van contacten, waardoor de betrouwbaarheid op de lange termijn in gevaar komt.

Bij de keuze tussen vermogens- en signaalrelais is het van cruciaal belang om een fundamentele richtlijn aan te houden: stem het vermogen dat wordt geschakeld altijd af op de vermogenswaarde van het relais. Dit zorgt voor optimale prestaties, beperkt storingsrisico's en handhaaft de integriteit van het relais en de bijbehorende systemen. U kunt meer lezen over signaalrelais in het andere artikel van Same Sky met de titel Signal Relays - Understanding the Basics.

Typen vermogensrelais

Vermogensrelais zijn, net als gewone relais, verkrijgbaar in twee hoofdtypen: elektromechanisch en solid-state.

Elektromechanische vermogensrelais vertrouwen op een combinatie van elektrische spoelen, magnetische velden, veren, beweegbare armaturen en contacten om de stroomtoevoer naar een apparaat te regelen.

Aan de andere kant hebben solid-state relais geen bewegende delen. In plaats daarvan maken ze gebruik van halfgeleiderelementen zoals siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR's), TRIAC's (triode voor wisselstroom) of schakelende transistors om zowel wissel- als gelijkstroom te schakelen. Solid-state relais bieden voordelen zoals hogere schakelsnelheden en een grotere betrouwbaarheid in vergelijking met elektromechanische relais. Hun kosteneffectiviteit neemt echter af naarmate de vraag naar vermogen toeneemt door de hogere kosten die gepaard gaan met robuuste vermogenshalfgeleiders en de opname van extra componenten voor thermisch beheer.

Afbeelding 2: Voorbeeld van een solid-state relais gecombineerd met een koellichaam. (Bron afbeelding: Same Sky)

Algemene configuraties en classificaties

Net als hun niet-vermogensrelais worden vermogensrelais gecategoriseerd op basis van hun contactconfiguratie, die aangeeft hoeveel apparaten ze tegelijkertijd kunnen aansturen. De gangbare classificaties zijn onder andere:

• SPST (Single Pole, Single Throw)
• DPDT (Double Pole, Double Throw)
• 3PDT (Three Pole, Double Throw)
• SP3T (Single Pole, Three Throw)

Relaiscontacten worden aangeduid als normaal open (NO) of normaal gesloten (NC), afhankelijk van hun toestand wanneer er geen stroom op het relais wordt gezet.

Relaiswaarden geven het maximale vermogen aan dat veilig en effectief door het relais kan worden geschakeld. Deze nominale waarden worden meestal uitgedrukt in ampère voor zowel AC- als DC-stromen. Het is cruciaal dat de nominale waarde van het relais hoger is dan de nominale waarde van het apparaat dat wordt geschakeld, waarbij een veiligheidsmarge in acht moet worden genomen.

Net als niet-vermogensrelais kunnen vermogensrelais ook worden beschreven met de term "forms". Zinnen als "1 Form A" of "2 Form C" geven inzicht in de eigenschappen van het relais. Het getal voor "Form" geeft het aantal beschreven contacten aan dat beschikbaar is in het relais. "Form A" staat voor een normaal open relais, terwijl "Form B" staat voor een normaal gesloten relais. "Form C" en "Form D" zijn van toepassing op SPDT-relais en geven aan welke positie beschouwd wordt als normaal gesloten en of het relais respectievelijk "break-before-make" of "make-before-break" is. Hoewel er talloze andere forms zijn, zijn deze vier de meest gebruikte.

• Form A - normaal open
• Form B - normaal gesloten
• Form C - break-before-make SPDT-schakelaars
• Form D - maak-voor-breek SPDT-schakelaars

Aanvullende overwegingen

Enkele extra overwegingen waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van het apparaat zijn:

• Ingangsstroompieken: Bepaalde apparaten kunnen aanzienlijke stroompieken produceren tijdens het opstarten. Het is belangrijk om deze pieken te identificeren voordat je een relais specificeert om schade aan het apparaat te voorkomen.
• Spoelonderdrukking: Relaiscycli kunnen hoogspanningstransiënten genereren. Spoelonderdrukking houdt in dat er extra componenten in het circuit worden gebruikt om apparatuur tegen deze transiënten te beschermen. Dit kan echter de levensduur van het relais verkorten. Bepaal of een specifieke spoelonderdrukkingsstrategie nodig is voor een bepaalde toepassing.
• Vergrendelend: Een vergrendelrelais behoudt zijn laatste contactpositie, zelfs nadat de activeringsspanning is verwijderd. Deze functie kan vereist zijn voor bepaalde toepassingen.
• Ruis: Relais kunnen elektromagnetische interferentie (EMI) of radiofrequente interferentie (RFI) ruis produceren, die meer uitgesproken kan zijn in apparaten met een hoog vermogen. Bepaal vooraf de gevoeligheid van een apparaat of systeem voor deze ruis.
• Contactstuit: Als een relais werkt, kunnen de contacten korte open/dicht-cycli hebben, die bekend staan als "contact bounce" en die elektrische pulsen genereren. Afhankelijk van de gevoeligheid van de toepassing kan deze bounce ongewenste effecten veroorzaken. Het is dus belangrijk om te bepalen of contactbounce van invloed zal zijn op een toepassing voordat er een relais wordt gespecificeerd.

Afbeelding 3: Voorbeeld van contact bounce en de snel veranderende spanningen. (Bron afbeelding: Same Sky)

Conclusie

Relais zijn vertrouwde, efficiënte en betrouwbare apparaten die zorgen voor een veilige elektrische besturing van systemen en apparaten, terwijl de operator veilig wordt geïsoleerd van de bedrijfsstroom. Vermogensrelais, of het nu elektromechanische of solid-state relais zijn, zijn speciaal ontworpen met verbeterde functies om hogere spanningen en stromen te beheren.

Als ontwerpers de vermogensschakelbehoeften van hun product beoordelen, is Same Sky er met een gevarieerd aanbod vermogensrelais en signaalrelais. Of het nu gaat om laag- of hoog-niveau stroomschakeling, Same Sky heeft de relaisoplossingen om effectief en efficiënt te voldoen aan uiteenlopende behoeften.