Expertgids voor elektronische relais-schakelingen: NPN, PNP- en N/P-kanaalontwerpen

Elektronische relais-schakeling: schema en werking

Er zijn diverse elektrische en elektronische apparaten die worden geclassificeerd als uitgangsapparaten; deze besturen of bedienen een externe fysieke proces van een machine of toestel. Zulke uitgangsapparaten worden vaak actuatoren genoemd.

Actuatoren converteren elektrische energie naar fysieke grootheden als kracht en snelheid. Een relais is een binaire actuator met twee stabiele toestanden. In dit artikel bespreken we de details van relais-schakelingen, hun ontwerpen en kenmerken.

Wat zijn elektrische relais?

Elektrische relais zijn elektrisch bediende schakelaars die in diverse vormen, afmetingen en vermogensklassen beschikbaar zijn. Ze zijn geschikt voor bijna elke toepassing. Een relais kan één of meerdere contacten in een enkele behuizing hebben. Zwaardere krachtrelais (contactoren) worden hoofdzakelijk gebruikt voor netspanning of hoge-stroomschakeling.

Elektromechanische relais

Elektromechanische relais zijn elektromagnetische apparaten. Ze converteren een magnetische flux, gegenereerd door een elektrische sturingssignaal, in een mechanische trekracht die de elektrische contacten in de relais bedient. De eenvormigste vorm bestaat uit een opwekkingsspoel om een permeabel ijzeren kern. Deze spoel wordt ook de primaire schakeling genoemd.

Deze relais worden gebruikt in algemene elektrische en elektronische besturing of schakelschakelingen. Ze worden direct op printplaten gemonteerd of als losstaande units. In losstaande configuratie bedragen de belastingstromen normaal enkele amperes.

Constructie van een elektromechanisch relais

Relais zijn geconfigureerd in twee modi: Normaal Open (NO) of Normaal Gesloten (NC). Een paar contacten heet NO (maakcontacten), de andere NC (breekcontacten).

In de normaal open stand sluiten de contacten pas wanneer de veldstroom AAN is. In de normaal gesloten stand worden de contacten naar de spoel getrokken wanneer de spoel geenergiseerd is. De spoel is een kritisch onderdeel: het zet elektrische stroom om in een elektromagnetische flux die de contacten mechanisch bedient. Het grootste probleem is dat relaisspoelen zeer inductieve belasting zijn. Bij uitschakelen ontstaat een hoge terugloopspanning (back EMF) die halfgeleiders (transistors, FETs, microcontrollers) kan beschadigen.

Let op: De termen „Normaal Open” en „Normaal Gesloten” verwijzen naar de toestand van de contacten wanneer de relaisspoel niet geenergiseerd is (geen voedingsspanning).

Belangrijk: het is niet raadzaam relaiscontacten parallel te schakelen voor hogere belastingstromen. Bijvoorbeeld: twee 5A-contacten parallel voor een 10A-belasting is onveilig.

Contacten bestaan uit geleidende stukken die stroom doorlaten bij contact. Bij open contacten wordt de weerstand zeer hoog (open schakeling). Na verloop van tijd slijten bewegende delen of maakt boogvorming/erosie het relais onbruikbaar. Ook zijn ze elektrisch ruisgevoelig met contacttrilling (contact bounce). Om deze nadelen te overwinnen zijn solid-state relais ontwikkeld.

Solid State Relay (SSR)

Een solid-state relais heeft geen bewegende delen. De mechanische contacten zijn vervangen door krachttransistors, thyristoren of triacs. Het ontbreken van bewegende delen maakt de relais betrouwbaarder, langlevender en vermindert elektromagnetische storingen. SSRs zijn sneller en nauwkeuriger dan elektromechanische relais. De invoereisen zijn laag genoeg voor compatibiliteit met de meeste IC-families.

Omdat het uitschakelapparaat een halfgeleider is, is de spanningsval over de uitgangsterminals bij „AAN” hoger (typisch 1,5–2,0 V) dan bij elektromechanische relais. Bij hoge stromen is een extra koelrib nodig. SSRs hebben geen drivers/versterkers nodig, maar moeten wel op een geschikte koelplaat gemonteerd worden om oververhitting te voorkomen.

Een relais kan één of meer polen schakelen, vergelijkbaar met een eenvoudige schakelaar. Elke pool heeft contacten die op drie manieren kunnen worden geschakeld:

• Normaal Open (NO) / Maakcontact: sluit de schakeling bij activering, opent bij inaktivering.
• Normaal Gesloten (NC) / Breekcontact: opent de schakeling bij activering, sluit bij inaktivering.
• Omschakelcontact (CO) / Dubbele Worp (DT): bestuurt een NO- en een NC-contact met een gemeenschappelijke terminal. Ze worden „break before make” of „make before break” genoemd.

Belangrijk: Relais zijn ontworpen voor twee basisoperaties: lage spanning (ruisreductie) en hoge spanning (boogvorming reductie).

Veelvoorkomende schakelwijzen: In/uitvoer interface module relais (I/O modules) zijn solid-state relais specifiek voor interfacing van computers, microcontrollers of PIC's met belastingen en schakelaars. Er zijn vier basistypen: AC/DC-ingang naar TTL/CMOS-logica uitgang, en TTL/CMOS-logica invoer naar AC/DC-uitgang. Elke module bevat alle benodigde schakelingen voor volledige isolatie. Beschikbaar als losse modules of geïntegreerd in 4, 8 of 16 kanaals units.

NPN relais-schakeling

Een typische NPN relais-schakeling drijft de spoel via een NPN-transistor. Wanneer de basisspanning 0 V is, zit de transistor in afsnijgebied (open schakel). Er vloeert geen collectorstroom en de spoel is geenergiseerd. Bij een grote positieve basisstroom (verzadiging) loopt stroom van basis naar emitter en activeert de relais.

PNP relais-schakeling

De PNP relais-schakeling vereist een andere polariteit van de voedingsspanning. Het werkt vergelijkbaar met de NPN-schakeling, maar de collector-emitter spanning moet negatief zijn om stroom van emitter naar collector te laten lopen.

N-kanaal MOSFET relais-schakeling

MOSFET-schakelen lijkt op BJT-schakelen, maar MOSFETs zijn spanningsgestuurd. De gate is elektrisch geïsoleerd van de drain-source kanaal. N-kanaal Enhancement MOSFETs zijn het meest gebruikt. Een positieve gatespanning schakelt de MOSFET AAN, een negatieve UIT. Dit maakt ze ideaal voor relaisdrijving.

P-kanaal MOSFET relais-schakeling

In tegenstelling tot de N-kanaal werkt de P-kanaal alleen met negatieve gatespanningen. De source wordt aangesloten op +Vdd, de drain via de relasspoel op massa. Een HOOG gatespanningsniveau schakelt de P-kanaal MOSFET UIT.

Keuzepunten voor een geschikt relais

• Zorg voor goede spoel- en contactbescherming.
• Kies relais met regelmatige keurmerken.
• Selecteer hoge-snelheidsschakelende relais.
• Kies verstandig het type contacten.
• Controleer galvanische scheiding tussen spoelschakeling en contacten.

Voorbeeld: CFL-lamp aansturen met een relais

Componenten: 5V relais, lampfassung, CFL-lamp, drukknop, printplaat, 9V batterij, AC-voeding.

De 5V relais wordt gevoed door de 9V batterij. Bij open drukknop vloeert geen stroom door de spoel; de gemeenschappelijke poort (COM) verbonden met NO → lamp UIT. Bij gesloten knop vloeert stroom, magnetisch veld trekt de anker, COM verbindt met NC → lamp AAN.

Nadelen van solid-state relais

Hogere kosten, enkel enkelpolig enkelwerp (SPST) beschikbaar, lekkagestroom in UIT-toestand, hoge spanningsval en warmteproductie in AAN-toestand (extra koeling), niet geschikt voor heel kleine belastingstromen of hoogfrequente signalen (audio/video). Speciale solid-state schakelaars zijn wel beschikbaar voor dergelijke toepassingen.

Zowel elektromechanische als solid-state relais zijn van groot belang. De keuze hangt af van de toepassing. SSRs hebben een hogere aanschaffingsprijs, maar superieure prestaties door elektromagnetische krachten van een laagvermogen invoersignaal. Elektromechanische relais zijn oudere technologie met eenvoudig mechanisch ontwerp.

Toepassingen

• Realiseren van logische functies.
• Veiligheidskritieke logica.
• Tijdfuncties (vertraging).
• Hoge-stroomschakelingen besturen met lage-stroomsignalen.

Na dit artikel kunt u zelf een relais-schakeling ontwerpen.

Gerelateerde elektronische projecten:

• PNP Transistor
• NPN Transistor
• Automatische badkamerlichtschakeling
• Autosnelheidsdetector
• Slimme huishoudautomatisering
• Eenvoudige aanraakgevoelige schakeling met 555-timer & BC547
• LED Roulette met 555-timer & 4017-teller