Przemysłowa rzeczywistość jest nierozerwalnie związana z dynamicznym rozwojem technologicznym, który prowadzi do ciągłych innowacji i udoskonaleń w dziedzinie sterowania i automatyzacji procesów przemysłowych. Wraz z pojawianiem się coraz bardziej zaawansowanych technologii, przedsiębiorstwa stają przed wyborem nowych rozwiązań, które mogą zapewnić im konkurencyjność, większą efektywność i bezpieczeństwo operacyjne. W tym kontekście przekaźniki odgrywają bardzo ważną rolę. To właśnie one umożliwiają przekazywanie sygnałów, odpowiadają za ochronę maszyn i zapewniają bezpieczeństwo pracownikom.

Czym jest przekaźnik?

Przekaźnik elektryczny lub elektroniczny pełni funkcję izolowanego przełącznika. Po przekroczeniu na wejściu sterującym określonej wartości napięcia, natężenia prądu, ciśnienia lub temperatury, przekaźniki mogą skokowo zmienić stan obwodu wyjściowego. Ta zdolność do szybkiego otwarcia lub zamknięcia obwodów wyjściowych i dystrybucji różnych sygnałów sprawia, że przekaźniki są niezwykle użytecznymi urządzeniami w różnych zastosowaniach – od prostych układów elektronicznych po zaawansowane systemy automatyki przemysłowej.

Typy przekaźników

Przekaźniki można sklasyfikować według różnych kryteriów, takich jak sposób działania, zastosowanie czy technologia wykonania. Każdy rodzaj ma własne cechy i zalety, które determinują jego odpowiednie zastosowanie w danej aplikacji. Wyróżnia się dwa główne typy przekaźników.

Przekaźnik elektromechaniczny EMR

Przekaźnik elektromechaniczny (Electromechanical Relays – EMR) działa na zasadzie typowego elektromagnesu. Kiedy na wejście sterujące zostanie podana odpowiednia wartość napięcia, prąd płynący przez cewkę elektromagnesu generuje pole magnetyczne, które przyciąga zworę (kotwicę) przekaźnika do rdzenia. Ruchomy element pokonuje opór sprężyny i dokonuje zamknięcia zestyków w obwodzie wyjściowym przekaźnika. Po rozłączeniu napięcia sterującego następuje zanik pola magnetycznego, a sprężyna powrotna odciąga zworę od rdzenia, co powoduje rozwarcie styków przekaźnika.

Sygnał sterujący jest pewnego rodzaju strażnikiem, który inicjuje działanie przekaźnika. To on decyduje o momentach otwarcia lub zamknięcia styków przekaźnika, zapewniając jednocześnie separację galwaniczną między obwodem sterującym małej mocy a obwodem wykonawczym dużej mocy. Dzięki odizolowaniu cewki przekaźnika od styków minimalizowane jest ryzyko zakłóceń i zagrożenia elektryczne. Ma to kluczowe znaczenie w zapewnieniu bezpieczeństwa i niezawodności działania układów sterujących obwodami elektrycznymi.

Przekaźnik półprzewodnikowy SSR

Przekaźnik półprzewodnikowy (Solid State Relay – SSR) jest elektronicznym przełącznikiem, który umożliwia bezstykowe załączanie urządzeń. W przeciwieństwie do przekaźnika elektromechanicznego przekaźnik SSR nie ma ruchomych elementów mechanicznych. Zamiast tego wykorzystuje właściwości optyczne i elektryczne dyskretnych elementów półprzewodnikowych.

Zasada działania przekaźników półprzewodnikowych polega na zmianie stanu sygnału wyjściowego w odpowiedzi na zmianę wartości sygnału wejściowego. Po podaniu na wejście sygnału małej mocy obwód sterujący za pomocą transoptorów lub optotriaków generuje sygnał optyczny, który przekazywany jest do obwodu wzmocnienia po stronie obwodu roboczego. Dzięki zastosowaniu optoelektronicznego przełącznika możliwe jest uzyskanie separacji galwanicznej między obwodem wejściowym a obwodem wykonawczym.

Izolacja między blokami funkcyjnymi jest istotna dla zapewnienia bezpieczeństwa i wyeliminowania ryzyka zakłóceń między poszczególnymi komponentami elektronicznymi lub sąsiednimi modułami. Najistotniejszym elementem przekaźnika SSR jest jednak  półprzewodnikowy przełącznik, który nie ma mechanicznych części ruchomych. Najczęściej stosowanymi elementami wykonawczymi są tranzystory bipolarne, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) i IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oraz triaki, tyrystory lub alternistory.

Tranzystory bipolarne stosowane są w miniaturowych przekaźnikach SSR i przeznaczone są do pracy w obwodach prądu stałego o natężeniu nieprzekraczającym 0,5 A. Z kolei przekaźniki z tranzystorami MOSFET z izolowaną bramką są wykorzystywane do przełączania niewielkich napięć i prądów zarówno w obwodach prądu przemiennego, jak i stałego. Przekaźniki SSR z tranzystorami IGBT zalecane są tam, gdzie wymagane jest przełączanie dużych prądów i napięć DC. Natomiast triaki, tyrystory i alternistory spotkamy w przekaźnikach półprzewodnikowych, które pracują głównie w obwodach zasilanych prądem zmiennym.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Przekaźniki i regulatory

Styczniki czy przekaźniki bezpieczeństwa? Charakterystyka i typowe zastosowania

Projektowanie układów napędowych stawia przed inżynierami wyjątkowe wyzwania, ponieważ nie tylko muszą zapewnić odpowiednią wydajność i efektywność, ale także zagwarantować, że urządzenia będą pracowały w sposób bezpieczny dla ludzi i otoczenia.

Zastosowanie przekaźników półprzewodnikowych

Przekaźniki półprzewodnikowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach i aplikacjach, w których niezbędne jest bezpieczne, niezawodne i szybkie przełączanie obciążeń. Jednym z głównych obszarów ich zastosowania są systemy automatyki przemysłowej, w których przekaźniki SSR pozwalają na sterowanie silnikami, urządzeniami grzewczymi, oświetleniem i innymi obciążeniami elektrycznymi.

Są stosowane również w urządzeniach gospodarstwa domowego, sprzęcie informatycznym, systemach kontroli oświetlenia, ogrzewania, wentylacji, a także w systemach fotowoltaicznych i zabezpieczeń. Dzięki swojej niezawodności i szybkiemu czasowi reakcji przekaźniki półprzewodnikowe znajdują również zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i medycznym.

Zalety i wady przekaźników SSR

Przekaźniki półprzewodnikowe oferują wiele korzyści w porównaniu z tradycyjnymi przekaźnikami elektromagnetycznymi. Są odporne na wstrząsy i wibracje, nie generują łuku na stykach i charakteryzują się wysoką odpornością na pracę w środowiskach agresywnych. Wpływa to na zwiększenie bezpieczeństwa i ograniczenie ryzyka wybuchu w środowiskach zagrożonych wybuchem.

Ponadto, dzięki brakowi ruchomych części mechanicznych, przekaźniki SSR odznaczają się cichym i szybkim przełączaniem obciążenia oraz dużą trwałością i niezawodnością w działaniu. Mają również niższe straty mocy i mniejsze wymiary, co pozwala na zwiększenie gęstości montażu oraz obniżenie kosztów instalacji i konserwacji.

Przekaźniki półprzewodnikowe nie są jednak pozbawione wad. Jednym z głównych problemów jest wytwarzanie ciepła. Aby temu zaradzić, często konieczne jest
stosowanie radiatorów lub innych systemów chłodzenia. Dodatkowo przekaźniki półprzewodnikowe są bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane przepięciami, co wymusza stosowanie układu RC lub warystora jako elementów zabezpieczających.

W niektórych aplikacjach, po wyłączeniu urządzenia półprzewodnikowego w obwodzie sterowanym, można zaobserwować prąd upływu. W takich sytuacjach, dla zapewnienia przerwy galwanicznej, konieczne jest zastosowanie łączników mechanicznych. Ponadto, przekaźniki SSR charakteryzują się większą wrażliwością na zakłócenia elektromagnetyczne.

Przekładając genezę przekaźników półprzewodnikowych na współczesność, widzimy wyraźne dążenie do doskonalenia technologicznego, którego celem jest zastąpienie bardziej tradycyjnych przekaźników elektromagnetycznych. Ich rosnąca popularność wynika nie tylko z zalet (takich jak większa niezawodność, szybsze działanie i oszczędność energii), ale także z coraz bardziej konkurencyjnych kosztów eksploatacji. Choć przekaźniki półprzewodnikowe nie zawsze są w stanie całkowicie zastąpić elektromechaniczne odpowiedniki, to rozwój technologii półprzewodnikowych otwiera nowe perspektywy dla wielu branż i aplikacji. Prowadzi je w kierunku bardziej wydajnych, trwałych i zrównoważonych rozwiązań w dziedzinie automatyki przemysłowej, energii odnawialnej, motoryzacji i wielu innych obszarach.