Relee ja selle juhtimine

Kõige esimeses postituses lubasin lähemalt rääkida relee juhtimisest. Relee on küllalt iganenud  komponent. Pooljuhtlülitid on väga odavad ja paindlikud. Nad võtavad releedelt väga palju tööd kohtades, kus toimub masstootmine (koduelektroonika, sõiduautod). Pooljuhtlülitid kannatavad palju rohkem sisse-välja lülitusi ja neid saab lülitada kõrgemal sagedusel.

Aga releel on oma eelised. Samatüübilise releega saab lülitada suurt hulka erinevaid koormuseid. Releega ei pea eriti mõtlema komponendi soojenemisele. Ning relee ise on väga lihtne komponent.

Relee ehitus

Relee südameks on elektromagnet. Elektrivoolu abil konstrueeritakse magnetväli (magnet). Näiteks saab tuua füüsikatunnist tuttava poldiga, millele on traat ümber keritud. Traati läbiv vool tekitab raudpoldis magnetvälja. See magnetväli liigutab eri laenguga laengukandjad poldi eri otstesse. Telib kaks laetud poolust ehk magnet. Magnet paneb liikuma mehhanismi, mis lülitab kontakte ümber. Allolev pilt on vikipeediast.

Elektromehaanilise relee osad: 1 – elektromagneti mähis, 2 – ankur, 3 – kontaktid

Juhtumisi on minu relee väga sarnane sellega, mis ülal näidatud.

Kui elektromagnetile voolu anda lülitab relee kontaktid ümber. Tavaline ühendusdiagramm on alloleval pildil.

Üks kontakt on normaalasendis avatud. Teine on normaalasendis suletud.

Relee konfiguratsioonid ja parameetrid

Üleval pildil olev relee on SPDT tüüpi. See on inglise keelsest mõistest Single-Pole, Double Throw. See tähendab, et sul on üks liigendil olev klemm, mis saab tekitada kaks erinevat kontakti. Ehk siis sul on üks liikuv kontakt ja kaks liikumatut kontakti. Aga et eesti keeles on raske mõistliku akronüümi leida jätkame inglise keelsetega.

SPST: Üks liikuv ja üks liikumatu kontakt

SPDT: Üks liikuv ja kaks liikumatut kontakti

DPST: Kaks liikuvat ja üks liikumatu kontakt

DPDT: Kaks liikuvat ja kaks liikumatut kontakti

Reaalsuses võib elektromagnet lülitil olla mistahes konfiguratsioon liikuvatest ja liikumatutest kontaktidest. Aga ülalmainitud variandid on kõige tavalisemad.Põhiparameetrite jaoks vaatame ühte suvalise relee andmelehte: G5V-1 24DC.

Meile sattus 24V relee. See tähendab, et elektromagneti mähise nominaalpinge on 24V. Nominaalvool on 6,25mA ja mähise takistus on 3,840Ω. Võid oomi seaduse järgi kontrollida.

Antud on ka mähise induktiivsus kahes eri olekus, sõltuvalt sellest kus kohas asub lüliti hoob elektromagneti südamiku suhtes. Induktiivsuse abil saab teha oletusi selle kohta millised voolu ja pinge impulsid mähise lülitusmomendil tekivad.

Must operate voltage ja Must release voltage näitavad vastavalt millisel pingel relee ennast kindlasti sisse lülitab ja millisel pingel ta kindlasti algasendisse tagasi läheb. Seda on lihtsam näidata joonisega.

Joonisel on rohelisega näidatud relee mähise pinge. Oletame, et tõstame seda sujuvalt kuni 24V ja siis liigume sujuvalt tagasi 0V. 80% nominaalpingest ehk 19,2V on see koht kus relee tootja lubab, et relee lülitab ennast kindla peale sisse. Nö tagasiteel peab pinge langema alla 10% nominaalpingest selleks, et relee ennast kindla peale välja lülitaks. Hüsterees on komponenti sisse ehitatud.

Inseneri jaoks on see info väärtuslik selle poolest, et annab sulle selged tingimused millistel pingetel relee midagi teeb.

Antud on ka võimsustarve ning märkusena on öeldud, et kui keskkonna temperatuur on 23 kraadi võib relee mähisele anda ka kahekordse nominaalpinge.

Relee juhtimine

Releed mida ma siin kasutan on mulle natuke tundmatud. Relee karbil on kirjas, kui suurt pinget ja voolu sellega lülitada tohib. Kuid elektromagneti nominaalpinge pole teada. Võtan kätte ja mõõdan selle ära. Kasutan sama põhimõtet, mis eelmisel joonisel. Tõstan pinget relee rakendumiseni. Seejärel vähendan pinget kuni relee välja lülitub. Lülituspunktid annavad meile infot millise pingega releed juhtida tuleks.

All on skeem minu mõõteahelast

Mul on reguleeritav pingeallikas millega jadamisi on minu multimeeter. Pingeallikal on ka voltmeeter, aga ma usaldan oma multimeetrit rohkem.

Sain teada, et relee lülitub sisse 6,8V juures ning välja 2,7V juures. Teen oletuse, et relee nominaalpinge on 9V. Aga see ei olegi väga oluline momendil.

Relee elektromagnet on sisuliselt suur induktor. Induktorit kirjeldab omadus on vastu hakata voolu muutusele. Kui rakendad induktorile pinge, ei teki kohe pingele vastav vool. Vool hakkab kasvama aegamööda. Sama lugu juhtub, kui induktorilt pinge ära võtad- vool tahab edasi voolata. See ei katke momentaalselt.

Demonstratsiooniks ehitan alloleva skeemi.

Lüliti sulgeb vooluringi läbi takisti või läbi elektromagneti. Kui lüliti on ühendatud, tekib läbi komponentide vool. Kui lüliti lahti lasta, paistab ostsilloskoobi pildilt üks induktori lülitamisele iseloomulik nähtus. Kõigepealt aga näide tavalise aktiivkoormusega – takistiga.

Fotolt on näha kuidas pinge läheb 0V ja siis, kui nupu lahti lasen tagasi 9V juurde. See on ootuspärane. Järgmine relee mähisega tehtud katse annab palju huvitavama tulemuse.

Releed välja lülitades tekib lülitile pingeimpulss 132V. Mäletad juttu sellest, et induktiivpool hakkab vastu voolu muutusele? Siin on see näha. Kui vooluringi nuppu alla vajutades sulgen, tekib induktoris vool. Kui nupu lahti lasen tahab vool aga edasi voolata. See surub laetud osakesi edasi samas suunas, sõltumata sellest, et vooluahel on katkestatud. Laetud osakestel pole kuhugi minna ning tekibki pingeimpulss.

Siililegi selge, et kui meil on lülitiks transistor, mille kollektor-emitter või neel-läte pinge on alla selle, võib tekkida probleem. Variant oleks võtta kõrgema pingetaluvusega komponent. Aga need on tavaliselt kallimad ning väljatransistori puhul kasvab pingetaluvusega koos ka paisu laius. See omakorda toob kaasa kõrgema neel-läte takistuse töörežiimis ja suurema paisu mahtuvuse.

Aga möönan, et olukord on keeruline ja ettearvamatu. Hiljem näitan seadeldist, kus seda sama releed juhitakse bipolaartransistoriga, mille kollektor-emitter pinge on vaid 50V. Aga ma ei ole kindel kui kaua see seade töötaks, kui ta pidevalt lülitama jätta.

Elektroonika disaini seisukohast oleks tark see pingeimpulss ära koristada. Tavapäraselt sobib induktiivsetel koormustel selle ülesande jaoks tühijooksudiood, inglise keeles Flyback diood. Seletasin seda pisut ka H-silla postituses. See on diood, mis on ühendatud koormusega paralleelselt nii, et katood on toiteallika pool.

See diood piirab pinge lülitil tasemele toitepinge pluss 0,7V. See tuleneb sellest, et kui pinge lülitil kasvab 0,7V üle toitepinge hakkab vool läbi dioodi uuesti toiteallika poole voolama. Tekib omaette pisike vooluring, mida võib võrrelda sõiduki vabajooksuga. Elektromotoorjõud, mida induktiivsus tekitab, töötab sarnaselt inertsiga. Ning vool, mis sellest tekib, voolab kuni mähisetraadi ja teiste ahela osade oomiline takistus elektrienergia soojuseks muudavad.

Kuigi see lahendus on levinud, ei ole see parim võimalik relee lülitamiseks. See on lausa pisut ohtlik. Kui relee kontaktid hakkavad vooluahelat katkestama ning ahelal on natukenegi induktiivsust, tekib kontaktidel samasugune pingeimpulss nagu releed lülitava lüliti klemmidel. Et lahtilülitamise alguses on vahe kahe klemmi vahel kuitahes väike, ei ole üldse palju pinget vaja selleks, et tekiks kaarleek. See kaarleek aurustab oma kohutava kuumusega kontaktide küljest metalliaatomeid ja põhjustab kontaktide kulumist. Seega oleks tarvis lülitus teha võimalikult reipalt, et hoida kaarleegi eluiga võimalikult tilluke ja kahju kontaktidele minimaalne. 

Hirmsal kombel on pingeimpulsi lubamine lüliti klemmidel parim viis relee võimalikult kiireks lülitamiseks. Kui lüliti kontaktil on pinge 132V ja toitepinge on 9V tekib relee mähisele 123V pinge, mis on mähises oleva vooluga vastasmärgiline. See vastasmärgiline elektriväli hakkab voolule usinasti vastu töötama ja summutab selle kiiresti.

Lahendus on kompromiss kontrollist ja pingeimpulsist. Me lubame impulssi, kuid piirame selle ohutule tasemele. Selleks kasutame zeneri dioodi ehk stabilitroni.

Kui meie lülitiks on 50V kollektor-emitter pingega bipolaartransistor, siis valime zeneri nominaalpingeks näiteks 45V. Sedasi kasvab pinge lülitil maksimaalseks ohutuks pingeks ja transistor lülitab ennast välja kiireimail moel mis selle lülitiga võimalik.

Zeneri dioodi mul kohe käepärast ei ole. Aga saan demonstreerida lülituskiiruse vahet ahelatel, kus ühes on Flyback diood ning teises lubatakse elektromagnetil indutseerida piiramata pingeimpulss. Et näidata, millal toimub kontaktide ümberlülitamine, pingestan “normaalselt suletud” kontakti. See tähendab, et kui relee ennast välja lülitab jääb ahelas olevale takistile toitepinge.

Esimesel ekraanipildil on näha tühijooksudioodiga skeemi käitumine.

Kollane joon on pinge lülitil, sinine on pinge katsetakistil. On näha, et lülitil olev pinge on vaid õige pisut kõrgem, kui toitepinge. Relee väljalülitamine võtab 8ms.

Järgmine on tühijooksudioodita skeemist

Siin skeemil lülitab relee ennast välja 1,62 ms pärast. Põhjuseks on magnetvälja kiirem kokkukukkumine. Et magnetväli kukub kiiremini kokku avanevad ka voolu all olevad kontaktid kiiremini. Tegelikult kui lähedalt vaadata esimese ekraanipildi lülitusmomenti, on näha aeglase lülituse mõjusid. See säbru enne lõpliku lahtiühendamist viitab sellele, et lahtiühendamine oli aeglane.

Teisel juhul aga kiire ja konkreetne

Teine asi mida märgata tasub on vahe selles, kui kiiresti jõuab lülitil olev pinge toitepingega võrdseks. 

Releed H silla asendusena

Viimane peatükk puudutab mootori juhtimist releedega. Ühe liikuva ja kahe liikumatu kontaktiga (SPDT) releede abil saab teha muheda mootorijuhtimis ahela, mis lubab mootorit mõlemat pidi tööle panna.

Imelihtne, kas pole? Mitte eriti intelligentne meetod mootori juhtimiseks. Kuid, kui sul on mõnes automaatika või masina juhtimise rakenduses mootor, mida on tarvis mõlemat pidi lülitada võib see asja ära ajada. Selle üheks heaks omaduseks on, et kui mõlemad releed on väljas lühistatakse mootor läbi väga väikese takistuse. See võib olla oluline ohutuse seisukohast. Võib olla tarvis, et mootor peatuks võimalikult kiiresti, kui elektrivool peaks kaduma.

Kokkuvõte

Hoolimata sellest, et elektroonik releega järjest vähem kokku puutub, on relee jätkuvalt väga populaarne automaatikute seas. See on lihtsaim tööriist millega lülitada 230V AC seadmeid, näiteks Arduino abil. Või kui ehitad temperatuuritundliku lüliti ja tahad sellega elektriradikat juhtida.