Elektromechanische Relais sicher auswählen und nutzen

Anwendungen wie Telekommunikations- und Netzwerkgeräte, automatische Testgeräte (ATE) und Sicherheitsgeräte müssen zunehmend zuverlässig einzelne oder mehrere DC-, AC- (Analog) und Radiofrequenzsignale (HF) auf niedriger bis mittlerer Ebene schalten und weiterleiten. Elektromechanische Relais (EMR) sind für diese Aufgabe gut geeignet.

EMRs bieten eine hervorragende Ein- und Ausschaltleistung sowie eine Eingangs-/Ausgangsisolierung und sind in mehrpoligen Konfigurationen erhältlich, um Flexibilität und Vielseitigkeit zu bieten. Darüber hinaus kann ein einziges Relais verschiedene Signaltypen (AC, DC, Niederfrequenz, HF) mit ein und derselben Komponente unterstützen, was seinen Wert noch erhöht.

Obwohl sie bewegliche Teile und physische Kontakte haben, sind sie aufgrund ihrer langen Anwendungsgeschichte vollständig charakterisiert. Als solche sind sie zuverlässige „Problemlöser“, die viele Jahre lang ihren Dienst tun können. Auch wenn EMRs von Natur aus robuste Geräte sind, müssen geeignete Relais ausgewählt (sowohl für die Spulen- als auch für die Kontaktnennwerte) und richtig eingesetzt werden, um eine maximale Langlebigkeit zu gewährleisten.

In diesem Artikel werden Signalrelaistypen und ihre Anwendungen kurz erläutert. Anschließend wird anhand von Beispielen von Omron Electronic Components beschrieben, wie man EMRs auswählt und verwendet.

EMR bezieht sich auf eine Komponente mit vielen anwendungsspezifischen Untertypen. Beispielsweise haben Leistungsrelais Kontakte für einen Nennstrom von 2 A oder mehr, während Signalrelais für Kontaktströme unterhalb dieses Wertes ausgelegt sind.

Signalrelais können bezüglich zweier Signaltypen unterteilt werden: Nicht-HF-Signale und HF-Signale. Während alle Relais durch grundlegende Durchgangsparameter und Maximalwerte für Strom und Spannung charakterisiert sind, gibt es für HF-Relais zusätzliche Leistungskennzahlen. Dazu gehören:

• Isolierung: Hochfrequenzsignale entweichen durch die Streukapazität zwischen den Kontakten, selbst wenn die Kontakte getrennt sind. Die Isolierung wird in Dezibel (dB) gemessen.
• Einfügedämpfung: Bei hohen Frequenzen entstehen Signalstörungen aufgrund von Selbstinduktion, Widerstand und dielektrischem Verlust sowie durch Reflexionen aufgrund von Impedanzfehlanpassungen. Die Einfügedämpfung wird ebenfalls in dB gemessen.
• Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR): Dies ist auf die konstruktive/zerstörerische Interferenz zwischen einer Eingangssignalwelle und einem reflektierten Signal zurückzuführen. Bei diesem Maß handelt es sich um eine einheitenlose Zahl, die das Verhältnis eines maximalen Wellenformwerts zu seinem minimalen Wert angibt.

Vereinfachung der Stückliste

Relaiskonfigurationen werden durch die Anzahl der Kontakte oder Pole (P) und die normalen (d. h. nicht bestromten) Öffnungs-/Schließsituationen definiert (Bild 1). Sie können normal offen (NO, Schließer) oder normal geschlossen (NC, Öffner) sein. Am häufigsten werden einpolige (SP) und zweipolige (DP) Konfigurationen verwendet, obwohl auch Komponenten mit mehreren Kontaktpolen erhältlich sind. Der Stellweg (T für das englische „Throw“) ist die Endstellung des Aktuators.

Die Fähigkeit von EMRs, mehrere Pole und NO/NC-Optionen zu unterstützen, macht deutlich, wie sie die Schaltung vereinfachen, Platz auf der Leiterplatte sparen, die Stückliste reduzieren und die Kosten senken können. Der Grund dafür ist, dass ein einzelnes Relais je nach Pol- und Auslösekonfiguration mehrere Stromkreispfade ein- oder ausschalten oder eine Kombination aus beiden schalten kann. Dasselbe Relais kann sowohl Wechsel- als auch Gleichstromsignale schalten und ermöglicht so den gleichzeitigen Betrieb über mehrere Stromkreispfade.

In einigen Fällen werden EMRs mit einem zusätzlichen Polpaar zur Versorgung eines Hilfsstromkreises verwendet, z. B. eines LED-Stromkreises, der dem Benutzer anzeigt, dass das Relais erregt wurde und den gewünschten Kontaktzustand hergestellt hat. Darüber hinaus verwenden einige erfahrene Entwickler ein DPDT-Relais (Double Pole, Double Throw), wenn sie nur ein SPDT-Relais (Single Pole, Double Throw) benötigen (SPDT- und DPDT-Relais haben in vielen Fällen den gleichen Footprint), so dass sie ein Kontaktpaar für den Fall der Fälle haben, um ein Problem oder ein Versehen zu beheben, das später im Konstruktionszyklus entdeckt wird.

Das G6J-2P-Y DC12 (Bild 2) von Omron ist ein ultraflaches DPDT-Relais (Form 2C) mit einer 977 Ω Spule, das mit 12 V bei 12,3 mA betrieben werden kann. Zu beachten ist, dass andere Mitglieder dieser Familie verschiedene Spulenspannungs-/Strom-Paarungen bis zu 24 V_DC anbieten, um mit fast jedem Antriebskreis oder jeder Situation kompatibel zu sein.

Dieses winzige Relais mit Abmessungen von nur 5,7 × 10,6 × 9 mm³ eignet sich für Leiterplatten mit hoher Packungsdichte. Das G6J-2P-Y DC12 wird für die Durchkontaktierung geliefert, aber identische Versionen bieten auch kurze oder lange oberflächenmontierbare Anschlüsse für maximale Flexibilität. Die Kontakte dieses Relais und aller anderen in dieser Familie sind für bis zu 0,3 A bei 125 V_AC und 1 A bei 30 V_DC ausgelegt.

Relais und HF

Die Einsatzmöglichkeiten von Relais beschränken sich nicht nur auf das einfache Schließen von „trockenen“ Kontakten oder das Schalten von Gleichspannungen/-strom und niederfrequenten Wechselstromsignalen. Einige Modelle sind ausdrücklich für Ultrahochfrequenzanwendungen, wie z. B. ATE, konzipiert.

Das G6K-2F-RF-V DC4,5 von Omron ist ein oberflächenmontierbares DPDT-Miniaturrelais, das die Schaltung von Differenzsignalen unterstützt. Die Einfügedämpfung für dieses 11,7 × 7,9 × 7,1 mm³ große Relais beträgt 3 dB oder weniger bei 8 GHz. Es kann auch bei höheren Frequenzen eingesetzt werden, wie sein Augendiagramm für ein 200mV-Differenzsignal mit einer Anstiegszeit von 25 ps zeigt (Bild 3).

Diese Performance im GHz-Bereich ist zum Teil auf ein elektrisches und mechanisches Design zurückzuführen, das von Haus aus Differenzsignale unterstützt. Dies trägt dazu bei, die gewünschte Performance zu gewährleisten, wie sie durch HF-Isolation (unabhängig von galvanischer Isolation), Einfügungsdämpfung und VSWR definiert ist (Bild 4).

Das Relais verwendet ein aktuelles internes Layout, das das Leiterplattenlayout vereinfacht und die Notwendigkeit einer komplexen mehrlagigen Signalpfadführung auf der Leiterplatte eliminiert, die die HF-Leistung beeinträchtigt. Durch die Verwendung eines Kunststoffgehäuses anstelle eines Metallgehäuses wird das Problem vermieden, dass Prüfstifte durch ein Metallgehäuse kurzgeschlossen werden und bei der Prüfung der Relaishalterung Schäden an der Platine und den Bauteilen verursachen.

Relais und Stromverbrauch

Der Stromverbrauch ist bei fast allen Schaltungen und Systemen ein kritischer Parameter. Sie bestimmt die Dimensionierung der Stromversorgung, wirkt sich auf die Laufzeit von batteriebetriebenen Designs aus und die damit verbundene Wärme beeinflusst die thermische Performance. Dies hat Auswirkungen auf herkömmliche nicht selbsthaltende Relais, bei denen die Spule während der gesamten Zeit, in der das Relais erregt sein muss, unter Spannung bleiben muss.

Alternative Architekturen zum grundlegenden Ein/Aus-Design (formell als einseitig stabil bezeichnet) tragen diesem Problem Rechnung. Das selbsthaltende Relais (auch Halterelais genannt) ist so konstruiert, dass es, wenn es einmal erregt ist, in dieser Stellung verbleibt, auch wenn die Spule stromlos ist.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Haltefunktion zu implementieren. Das G6JU-2P-Y DC3 und andere Komponenten dieser Familie verwenden eine Einzelwicklungs-Verriegelungstechnik, bei der der „Set“-Eingangsimpuls die Aufrechterhaltung des Betriebszustands über einen benachbarten Permanentmagneten bewirkt. Der „Reset“-Eingangsimpuls (ein Eingang mit der umgekehrten Polarität des „Set“-Eingangs) versetzt das Relais in einen nicht angezogenen Zustand.

Relais und Zuverlässigkeit

Relais haben bewegliche Teile und physische elektrische Kontakte, so dass man davon ausgehen kann, dass sie nach einer bescheidenen Anzahl von Ein- und Ausschaltzyklen unzuverlässig werden. Das ist jedoch nicht der Fall.

Erstens sind die unterschiedlichen Auswirkungen des Öffnens und Schließens von Kontakten bei der Übertragung von Wechselstrom und Gleichstrom mit verschiedenen Pegeln gut bekannt und werden im Datenblatt des Relais ausführlich beschrieben. Vorzeitiger Kontaktverschleiß sollte kein Thema sein, wenn die festgelegten Bedingungen eingehalten werden.

Ebenso wichtig ist, dass die jahrzehntelange Nutzung, die Erfahrung mit zahllosen Einheiten in der Praxis, die metallurgische Forschung und Entwicklung, die Modellierung und Analyse, die kontrollierten Lebensdauertests, die Verbesserungen in der Produktion und Fertigung und andere technische Faktoren dazu geführt haben, dass die Konstruktion und Fertigung von Spulen und Kontakten zu gut verstandenen, ausgereiften und hochentwickelten Prozessen und den daraus resultierenden Komponenten geworden sind.

Die Lebensdauer von Relais hängt mit der Lebensdauer von Kontakten und Spulen zusammen. Die Lebensdauer der Spulen beginnt mit einem Standardwert von 40.000 Stunden, da die Isolationseigenschaften aufgrund der Wärmeentwicklung abnehmen, wenn die Nennspannung kontinuierlich an die Spule angelegt wird. Wenn das Relais intermittierend eingesetzt wird, ist die Lebensdauer der Spule viel länger.

Die Langlebigkeit wird auch anhand von zwei Faktoren beurteilt, die häufig in den Datenblättern genannt werden:

• Die mechanische Lebensdauer gibt an, wie oft ein Relais den Kontakt ohne Last öffnen und schließen kann, wobei mechanische Fehlfunktionen und Eigenschaften berücksichtigt werden.
• Die elektrische Lebensdauer ist die Anzahl der Male, die ein Relais den Kontakt mit einer Nennlast (z. B. 125 V_AC, 0,3 A / 30 V_DC, 1 A) öffnen und schließen kann.

Relaiskontakte gibt es in verschiedenen Konfigurationen mit zunehmendem Niveau der Langzeitzuverlässigkeit: Einzelkontakt, Doppelkontakt und Kreuzschienen-Doppelkontakt (Bild 5). Das Design des Kreuzschienen-Doppelkontakts bietet einen außergewöhnlich stabilen Kontaktwiderstand und minimiert Kontaktausfälle. Die Mitglieder der Familie G6J-2P-Y haben einen gegabelten Querbalken (ähnlich dem Kreuzschienen-Doppelkontakt) mit einem Silberkontakt, der mit einer Goldlegierung beschichtet ist.

Die bekannte Zuverlässigkeit dieser Relais macht sie zu einer guten Wahl für alle Anwendungen, bei denen Ausfallzeiten oder Betriebsunterbrechungen nicht akzeptabel sind oder bei denen die Performance der Relais eine entscheidende Rolle spielt.

Fazit

EMRs sind entscheidende Problemlösungskomponenten in vielen der heutigen Systeme, die sich mit vielen Problemen des Signalwegs befassen und diese lösen. Sie bieten einzigartige und unersetzliche Signalverarbeitungseigenschaften, eine genau definierte Leistung und langfristige Zuverlässigkeit. Signalrelais sind für Gleichstrom-, Niederfrequenz- und sogar für Hochfrequenzanwendungen bis in den GHz-Bereich erhältlich, was ihre Einsatzmöglichkeiten erweitert. (na)

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