Przekaźniki i elementy stykowe – Jak to działa?

Przekaźniki to jeden z najczęściej używanych elementów elektronicznych w robotyce i nie jest to dzieło przypadku. Są niezwykle potrzebne, gdyż ich główną funkcjonalnością jest zmiana stanu napięcia w obwodach wyjściowych po spełnieniu zaprogramowanych warunków wejściowych. Co to oznacza? Zmiana wielkości fizycznej skutkuje skokową zmianą sygnału wejściowego. Warto poznać ten element z bliska i przyjrzeć się jego charakterystyce, właściwościom i przydatności w robotyce.

Formy i rodzaje elementów stykowych

Styki w połączeniu z trzpieniem i klawiszem to przycisk impulsowy, który wywołuje zmianę stanu napięcia po fizycznym naciśnięciu go palcem i charakteryzuje się monostabilną budową. Monostabilność w przypadku przycisku oznacza, iż tylko jedna jego pozycja jest stabilna, zaś druga chwilowa, co łatwo zobrazować funkcjonalnością pilota do TV. Zmianę stanu i drugą pozycję uzyskuje się naciskając na przycisk fizyczną siłą, zaś po jej odpuszczeniu, klawisz wraca do swojej pierwotnej pozycji. Takie elementy stykowe są szeroko stosowane w robotyce jako czujnik przeszkód w postaci microswitcha. Czujnik krańcowy składa się z minimum trzech blaszek – dwóch stanowiących bazę oraz jednej, która stanowi element wykonawczy i styka lub rozwiera wyprowadzenia. Drugim rodzajem elementów stykowych są kontaktrony, które mają bardzo szerokie zastosowanie.

Co to jest kontaktron?

Kontaktron jest rodzajem hermetycznego łącznika elektrycznego, który sterowany jest za pomocą pola magnetycznego. Ciekawostką jest fakt, iż już w 1940 roku pojawiły się na rynku pierwsze urządzenia tego rodzaju, które traktowane były jako zaawansowana forma przekaźników. Ogólnie rzecz biorąc kontaktron charakteryzuje się prostą budową, gdyż składa się z hermetycznej bańki szklanej. W jej wnętrzu, w atmosferze gazu obojętnego lub próżni, zatopione są styki wykonane z materiału ferromagnetycznego, dzięki czemu mogą z łatwością stać się magnetyczne. Właśnie z tego względu pod wpływem odpowiednio ukierunkowanego pola magnetycznego znajdującego się na zewnątrz kontaktronu w stykach umieszczonych w bańce indukuje się własne pole magnetyczne, w wyniku czego zaczynają one na siebie oddziaływać.

Do polepszenia i ustabilizowania pracy styków umieszczonych w kontaktronie pokrywa się ich końce warstwą metalu szlachetnego, między innymi złotem, rodem, wolframem, rutenem czy też powłokami mieszanymi. Takie rozwiązanie stosuje się w zależności od przeznaczenia i warunków pracy urządzenia. Ponadto styki można również zwilżyć rtęcią. Zbliżenie styków do siebie powoduje zamknięcie obwodu, dlatego bardzo często kontaktronów używa się w systemach alarmowych służących do wykrycia otwarcia drzwi lub okien. Co więcej, ze względu na sposób powstrzymania i zwalniania styków możemy wyróżnić dwa typy kontaktronów. Jednym z nich są te należące do grupy nieremanencyjnych. Charakteryzują się tym, iż do podtrzymania jednego ze stanów niezbędna jest energia w postaci pola magnetycznego. Natomiast drugą grupę stanowią kontaktrony remanencyjne. W ich przypadku stan zmienia się pod wpływem działania krótkiego impulsu pola o polaryzacji odwrotnej niż w poprzednim cyklu sterowania. W porównaniu do modeli nieremanencyjnych, tego rodzaju kontaktrony nie potrzebują energii do podtrzymania stanu. Ponadto wszystkie urządzenia są bardzo czułe na pola magnetyczne, co wyrażane jest w amperozwojach oznaczanych symbolem AT. Zwykle typową czułością kontaktronów mieści się w zakresie od 10 do 60 AT. Warto wiedzieć, że im niższa wartość, tym większa czułość.

Przekaźnik tradycyjny, a przekaźnik półprzewodnikowy SSR

Typowy przekaźnik to urządzenie elektromagnetyczne, w którym znajdziemy elektromagnes. Po wytworzeniu pola magnetycznego wspomniany elektromagnes przyciąga kotwicę (zworę) i otwiera lub zamyka styk bądź cały moduł. Przekaźnik składa się łącznie z trzech układów: odbiorczego, pośredniczącego oraz wykonawczego i kilku rodzajów zestyków: zwiernego, rozwiernego oraz przełączającego i bezprzerwowego.

Przekaźnik półprzewodnikowy SSR jest w kwestii budowy zupełnie różny od modelu elektromagnetycznego. Przekaźnik SSR (Solid State Relay) jest elektroniczny, a jego działanie różni się od powyższego wariantu sposobem realizowania pracy. W przypadku typowych przekaźników pracę realizują zwory, które zamykają i otwierają się mechanicznie, zaś w przypadku przekaźnika SSR wszystko odbywa się elektronicznie. Dzięki temu modele SSR charakteryzują się możliwością załączania synchronicznego oraz asynchronicznego, a także krótkim czasem odpowiedzi i brakiem ruchomych części, co skutkuje znacznym podwyższeniem trwałości.

Czym jest przekaźnik?

Przekaźnik jest zwykle niewielkim urządzeniem elektrycznym lub elektronicznym przeznaczonym do wywoływania ustalonej nagłej zmiany stanu w jednym lub kilku obwodach wyjściowych. Do jego poprawnego działania niezbędne jest spełnienie odpowiednich warunków wejściowych. Co to oznacza w praktyce? Otóż każdy przekaźnik reaguje na zmianę wejściowej wielkości fizycznej, którą może być między innymi zmiana napięcia, natężenia prądu, ciśnienia płynu czy temperatury. Po przekroczeniu określonej wartości sygnał wyjściowy zmienia się skokowo na zasadzie włącz/wyłącz. 

Przekaźniki – budowa

Przekaźnik składa się z trzech układów, które odpowiadają za jego poprawną pracę. Układ odbiorczy służy do zasilenia przekaźnika prądem stałym lub przemiennym o niewielkiej częstotliwości. Składa się na niego jedynie zwojnica na stalowym rdzeniu. Kolejnym układem jest układ pośredniczący, który z kolei zmienia energię z układu odbiorczego na strumień magnetyczny i składa się ze zwory, jarzma oraz rdzenia. Strumień magnetyczny przyciąga zworę do rdzenia. Ostatni układ, tym razem układ wykonawczy, ma za zadanie zmienić stan napięcia w jednym lub większej ilości obwodów za pomocą zestawów styków. Co ciekawe, przekaźników ogółem jest bardzo wiele, lecz w robotyce korzysta się jedynie z kilku najbardziej podstawowych. Warto również wymienić takie warianty jak przekaźniki statyczne (SSR – Solid State Relay), cyfrowe, czasowe oraz priorytetowe. Szeroko stosuje się również przekaźniki bezpieczeństwa stanowiące element układów sterowania urządzeń oraz warianty zatrzaskowe, bistabilne. Te modele po zmianie stanu pozostają w nowej pozycji, aż do czasu kolejnej zmiany. Jest to możliwe dzięki użyciu mechanizmu zapadkowego wraz z elektromagnesem.

Przekaźniki mają zazwyczaj kształt kostek o równych bokach o wielkości nie przekraczającej kilku centymetrów długości. Większość miejsca w ich wnętrzu zajmuje cewka, która jest umieszczona centralnie. Cewki są przystosowane do zasilania różnym napięciem, dostosowanym do danego układu. Co ciekawe, przekaźnik działa podobnie do wyłącznika, jednak zmiana stanu następuje nie po fizycznym naciśnięciu, np. po fizycznym dotknięciu się z danym przedmiotem, lecz po kontakcie z prądem o niewielkim natężeniu.

Najważniejsze parametry przekaźników

Każdy przekaźnik ma kilka parametrów, na które zawsze warto zwrócić szczególną uwagę podczas dostosowywania konkretnych modeli do tworzonych przez siebie układów. Otóż pierwszym z nich jest napięcie cewki. Parametr ten wyznacza napięcie, które przyłożone do wyprowadzeń cewki elektromagnesu będzie miało bezpośredni wpływ na zadziałanie przekaźnika. Typowe wartości wspomnianego napięcia wynoszą 3V, 5V, 12V lub 24V. Wybierając odpowiedni model najlepiej jest kierować się napięciem urządzenia zbliżonym do napięcia zasilania układu. 

Kolejnym niezwykle istotnym parametrem jest odporność cewki, która określa prąd pobierany przez przekaźnik podczas działania. Zatem należy wybierać taki, którego prąd zasilania nie przekracza maksymalnej wartości obciążenia wyjścia cyfrowego. Dodatkowym parametrem jest obciążenie prądowe styków określające maksymalny prąd, który może płynąć przez styki przekaźnika. Ważne jest, by nie przekraczać tych wartości, gdyż połączenie styków zawsze ma pewien opór elektryczny, a sam przepływ prądu wytwarza ciepło, zatem zbyt wysoka wartość może doprowadzić do spalenia się styków, czego skutkiem będzie całkowite zaprzestanie pracy przekaźnika i najprawdopodobniej jego awaria. 

Równie istotne jest napięcie pomiędzy stykami, gdyż pominięcie tej kwestii może spowodować, że będzie dochodzić do niebezpiecznych przebić, czyli przeskoku iskry pomiędzy stykami, a takie działanie również może uszkodzić przekaźnik. 

To, na co także warto zwrócić uwagę to szybkość przełączania, gdyż przekaźnik jako urządzenie elektromechaniczne zawiera ruchome części, dlatego często nie działa natychmiast, a z pewnym opóźnieniem. Zatem należy liczyć się z tym, że przekaźnik jest w stanie wykonać jedynie kilka przełączeń w ciągu sekundy. Jeśli występuje konieczność włączania, wyłączania lub przełączania setki razy na sekundę to warto zastosować przekaźnik elektroniczny.

Ostatnim parametrem, który decyduje o wysokiej jakości przekaźnika jest jego trwałość i odporność na uszkodzenia. To niewielkie urządzenie pracuje bardzo intensywnie, przez co włączenie i rozłączenie styków mocno je zużywa. Zatem warto zwrócić uwagę przy wyborze odpowiedniego przekaźnika na gwarantowaną przez producenta liczbę cykli pracy i zestawić ją ze swoimi potrzebami. W ten sposób z pewnością wybierzemy idealny model.

Moduły przekaźników

Moduły przekaźników to kilka sztuk przekaźników połączonych w jeden układ z wieloma ilościami kanałów – do 16 sztuk na jednej płytce. Poszczególne modele występują między innymi z optyczną izolacją (optoizolacją) i umożliwiają sterowanie elementami wykonawczymi za pomocą portów mikrokontrolera lub przy użyciu zestawu uruchomieniowego. Moduły mogą obsługiwać wiele interfejsów, np. Bluetooth lub WiFi. Ponadto, charakteryzują się bardzo łatwym połączeniem – wystarczy podłączyć cyfrowy sygnał sterujący (np. z wyprowadzeń Arduino) oraz zasilenie cewki przekaźnika.

Zastosowanie przekaźników

Przekaźniki to urządzenia niezwykle często wykorzystywane, gdyż charakteryzują się szeroką możliwością zastosowania. Z tego względu największą ich ilość możemy spotkać przede wszystkim w przemyśle, zatem w różnego rodzaju maszynach, urządzeniach i systemach sterowania. Jednak często sterowniki wykorzystywane są również w środowisku domowym i każdy z nas ma z nimi styczność. Dla przykładu stosuje się je między innymi w sterowaniu sygnalizacją świetlną, pracą ruchomych schodów, wiatraków czy wind. W skrócie wszędzie tam, gdzie występują instalacje ułatwiające bezprzewodowe sterowanie urządzeniami. Do przykładów można również dodać obsługę bram garażowych i wjazdowych, systemów kontroli dostępu, a także regulowanie pracy żaluzji i rolet. Ponadto coraz częściej przekaźniki ułatwiają sterowanie ogrzewaniem i wentylacją domową, dlatego jak widać bez tych niewielkich urządzeń ciężko wyobrazić sobie dzisiejszą technologię. W zależności od zastosowania i warunków pracy można wybrać przekaźniki przemysłowe, miniaturowe, czasowe, półprzewodnikowe, z wymuszonym prowadzeniem styków, impulsowe, nadzorcze,  instalacyjne, a także modele przeznaczone do obwodów drukowanych.

Zalety przekaźników

Przekaźniki skrywają w sobie wiele zalet, które zdecydowanie warto poznać jeszcze przez zastosowaniem ich w danym obwodzie. Otóż przez te niewielkie urządzenia elektryczne lub elektroniczne można przepuszczać prąd o znacznej wartości, dochodzącej do kilkunastu amperów, bez jednoczesnego zastosowania dość awaryjnego chłodzenia, które zajmuje bardzo dużo miejsca. To duża przewaga w porównaniu do znacznie większych tranzystorów. Dodatkowo przekaźniki charakteryzują się niskim spadkiem napięcia na zwartych stykach (opór elektryczny wynosi jedynie kilka miliomów), jak i również nieistotny jest kierunek przepływu prądu płynącego przez styki urządzenia, a w przypadku tranzystorów ten właśnie kierunek jest niezwykle istotny, gdyż ma ogromne znaczenie na działanie całego układu. Co więcej, cewka elektromagnesu w przekaźniku jest doskonale odizolowana od styków, co pozwala na przełączenie różnych napięć przy wykorzystaniu jednego sterującego. Dodatkowo przekaźniki charakteryzują się bardzo precyzyjną pracą, dlatego mogą być bez obaw wykorzystywane w przypadku najbardziej wymagających procesów, a kolejną ich zaletą jest niski koszt eksploatacyjny.

Wady przekaźników

Niestety, jak i wszystko, tak i przekaźniki również mają swoje wady. Do najważniejszych z nich należy ograniczona liczba i niewielka trwałość przełączeń, co powoduje, że urządzenia te charakteryzują się niską wydajnością na przestrzeni lat. To bardzo istotne dla robotyków. Słabą stroną tego rodzaju urządzeń jest również fizyczne uszkodzenie styków po pewnym czasie, co wiąże się z koniecznością wymiany przekaźnika na nowy model i idące za tym prace związane z demontażem naszej konstrukcji. Dodatkowo większość modeli mechanicznych działa z dość dużym opóźnieniem, które zupełnie zmienia postać rzeczy w przypadku bardzo precyzyjnych robotów. Podobną wadą jest także fakt, iż przekaźniki zazwyczaj nie są w stanie wykonać kilku przełączeń na sekundę co powoduje, że ich zmiana jest dość długa i czasochłonna, tym samym nie sprawdzą się w konstrukcjach, w których zmiana stanu napięcia przejawia się wielokrotnie w ciągu sekundy. Sposobem na poprawę tego stanu rzeczy są przekaźniki półprzewodnikowe, które charakteryzują się bardzo krótkim czasem dostępu. Kolejną słabą stroną przekaźników mechanicznych jest generowanie charakterystycznego stuknięcia, często dość mocno słyszalnego w chwili pojedynczego przełączania, przez co mogą nie sprawdzić się w niektórych konstrukcjach. Co więcej, przekaźniki w porównaniu z tranzystorami zajmują znacznie więcej miejsca, dlatego nie sprawdzą się dobrze w przypadku niewielkich robotów, o zminiaturyzowanej obudowie, w której nie ma zbyt wiele miejsca. Wady przekaźników trzeba jednak w niektórych przypadkach zaakceptować, gdyż często nie ma możliwości ich obejścia.

Jak podłączyć przekaźnik na płytce stykowej

Pierwszą kwestią podczas montażu przekaźnika na płytce stykowej jest prawidłowe wygięcie jego nóżek. Dla wielu osób jest to problematyczne i czasochłonne zajęcie, a przy tym obarczone ryzykiem zniszczenia, lecz po poprawnym i starannym wykonaniu tego etapu w efekcie montaż będzie schludny i czysty. Wyprowadzenie Common musi znaleźć się we właściwym miejscu na płytce, co jest zadaniem najżmudniejszym. Do przetestowania tej formy montażu stosuje się diodę, która nie powinna świecić po podłączeniu baterii. Powinna się zaświecić jednak wtedy, kiedy podłączymy zasilanie cewki, np. zwierając przewody, co powinno wywołać skutek w postaci dźwięku przełączenia oraz zapalenie diody.

Jest także drugi sposób montażu, który nie należy do schludnych i eleganckich, lecz jest znacznie łatwiejszy niż ten, wspomniany powyżej. Po ręcznym wygięciu wyprowadzenia Common w przód, przekaźnik należy zamontować pod kątem 90 stopni na jednym z jego boków, co spowoduje, że zgięty przez nas pin znajdzie się w wolnej przestrzeni środka płytki. Testowanie warto przeprowadzić korzystając z metody identycznej z powyższą, lecz z niewielkimi zmianami. Otóż trzeba rozpocząć od podłączenia baterii (dioda nie powinna się zapalić), po czym podłączyć zasilanie. Wówczas powinniśmy usłyszeć charakterystyczny dźwięk przełączenia. Po dotknięciu przewodem zasilającym diodę wygiętej nóżki przekaźnika, dioda powinna się zapalić.