Essentiële gids voor relais: Typen, toepassingen en geschiedenis

De meeste elektronische en mechanische apparaten vereisen relais om kleine elektrische ingangen om te zetten in een hoge-stroomuitgang die ze ontvangen. Traditioneel werden relais gebruikt in lange-afstand telegraafschakelingen als seinherhalers. Dat wil zeggen, het sein dat van de ene schakeling binnenkomt, wordt ververst door het op een andere schakeling te transmisseren. Relais werden uitgebreid gebruikt in telefonische centrales en vroege computers om logische operaties uit te voeren.

Er zijn veel typen relais beschikbaar om aan de eisen van diverse toepassingen te voldoen. Vandaag leer je de definitie, functies, toepassingen, selectieoverwegingen, componenten, diagram, typen en werking van een relais. Je wordt ook blootgesteld aan hun voor- en nadelen.

Wat is een relais?

Een relais is een elektrische schakelaar die met elektromagnetisme werkt om kleine elektrische prikkels om te zetten in grotere stromen. Deze conversie vindt plaats wanneer een elektrische ingang elektromagneten activeert om bestaande schakelingen te maken of te breken.

Door zwakke ingangen te benutten om sterkere stroom te voeden, kunnen relais effectief fungeren als een schakelaar of een versterker voor de elektrische stroom. Dit hangt af van de gewenste toepassingen.

Relais worden ook gedefinieerd als een magnetisch bediende schakelaar die activeert en deactiveert wanneer een elektromagneet geenergiseerd wordt. De spanning die aan de relais-ingangsklemmen wordt aangelegd, energiseert de elektromagneet.

De relais werd uitgevonden door de Amerikaanse wetenschapper Joseph Henry in 1835.

Functies van relais

Hieronder staan de functies van relais in hun diverse toepassingen:

• De primaire functie van een relais is om te dienen als een schakelaar waar schakelingen gecontroleerd moeten worden.
• Sommige relaientypen gebruiken een elektromagneet om contacten te sluiten en openen,
• Het beschermt elektrische schakelingen tegen overbelasting of fouten, dienend als beschermingsrelais.
• Relaisfuncties stellen ook een systeem in staat om alleen voor een ingestelde tijd te draaien of pas na een ingestelde tijd te starten, bekend als tijdvertragingsrelais.
• Een ander doel van relais is het schakelen van elektricemotoren en verlichtingsbelasting.
• Een enkele relais kan dienen als connector van meerdere contacten, zodat ze allemaal samen bewegen wanneer de relaisspoel geenergiseerd of gede-energiseerd wordt. Als een van de contacten in de relais stopt met bewegen, kunnen de overige contacten niet bewegen. Relais met dit effect zijn ook bekend als veiligheidsrelais.
• Sommige typen relais hebben grote functies waar radiozenders en ontvangers één antenne delen. De relais fungeert als zend-ontvang, wat de antenne van de ontvanger naar de zender schakelt.

Toepassingen van relais

Hieronder staan toepassingen van relais:

• Relaischakelingen worden gebruikt om logica-functies te realiseren, wat een belangrijke rol speelt bij het bieden van veiligheidskritische logica.
• Zoals eerder gezegd, bieden relais tijdvertragingsfuncties, omdat ze de vertraging van openen en sluiten van contacten timen.
• Relais worden gebruikt om hoogspanningschakelingen te regelen met een laagspanningssignaal. Ze gebruiken ook lage stroomsignalen om hoogstroomschakelingen te regelen.
• Relais dienen als bescherming voor apparaten, omdat ze ontvangst detecteren en isoleren tijdens transmissie.

Een overbelastingrelais is een electromechanisch apparaat dat gebruikt wordt om motoren te beveiligen tegen stroomstoring of overbelasting. Ze worden vaak in motoren gebruikt om de motor te beschermen tegen plotselinge stroompieken die schade kunnen veroorzaken.

Een overbelastingrelais-schakelaar werkt als de stroom over tijd, maar verschilt van stroomonderbrekers en zekeringen, waar een plotselinge storing de motor uitschakelt. Thermisch overbelastingrelais is het meest gebruikte type, waar een bi-metalstrip gebruikt wordt om de motor uit te schakelen. Deze strip maakt contact met een contactor door zichzelf te buigen door stijgende temperaturen door overmatige stroomstroom.

Het contact tussen de strip en contactor zorgt ervoor dat de contactor gede-energiseerd wordt en stroom van de motor weerhoudt, wat het systeem uitschakelt.

Selectieoverwegingen van een relais

Hieronder staan factoren die overwogen moeten worden bij het selecteren van een relais voor een systeem:

• Bescherming – Bij het selecteren van een relais voor een specifiek project, moet men overwegen hoe het relais het systeem beschermt tegen overbelasting of plotselinge stroompieken. Sommige andere bescherming zoals contactbescherming en spoelbescherming moeten overwogen worden. Contactbescherming helpt boogvorming in schakelingen met spoelen te verminderen. Terwijl spoelbescherming helpt piekspanning te verminderen die ontstaat tijdens schakelen.
• Standaardrelais met alle regelmatige goedkeuringen moeten overwogen worden.
• Hogeesnelheidsschakelrelais zijn vitaal voor de schakeltijd, je hebt er misschien een nodig.
• Relais stroom- en spanningswaarden moeten overwogen worden. De stroomwaarden variëren van enkele ampères tot ongeveer 300 ampères, terwijl de spanningswaarden variëren van 300 volt AC tot 600 volt AC. Sommige hoogspanningsrelais van ongeveer 15.000 volt zijn ook beschikbaar.
• Isolatie tussen een spoelschakeling en contacten moet ook overwogen worden.
• Ken het type contact dat het draagt, of het NC of NO of gesloten contact is.
• Weet of 'Make Before Break' of 'Break Before Make' contact de beste optie is voor je systeem.

Componenten van een relaysysteem

Hieronder staan componenten van de diverse typen relaysystemen en hun functies:

Frame – is een behuizing of zwaar frame dat de diverse onderdelen van de relais bevat en ondersteunt.

Spoel (Coil) – is een draad gewonden om een metalen kern. Het is het deel dat een elektromagnetisch veld veroorzaakt.

Anker (Armature) – is een bewegend deel dat de contacten openen en sluiten. Er is een veer bevestigd die het anker terugbrengt naar zijn oorspronkelijke positie.

Contacten – het is het geleidende deel dat ervoor zorgt dat de relais maakt (sluit) of breekt (open) een schakeling.

Relais hebben twee schakelingen: energiserende schakeling en contactschakeling. De energiserende kant heeft de spoel, terwijl de relaiscontacten de contactkant hebben. Een relaisspoel wordt geenergiseerd wanneer de stroom door de spoel vloeit en een magnetisch veld creëert. In een AC-apparaat verandert de polariteit 120 keer per seconde; polariteit is ook vast in een DC-systeem.

Een magnetische spoel trekt een ferromagneetplaat aan, een deel van het anker. Een deel van dit anker is bevestigd aan het metalen frame, wat gevormd is zodat het anker kan kantelen. Het andere uiteinde opent en sluit de contacten, die in verschillende configuraties komen.

Deze configuraties hangen af van het aantal onderbrekingen, polen en wissels van de relais. D.w.z. een relais kan single-pole, single-throw (SPST) of double-pole, single-throw (DPST) genoemd worden.

Onderbreking (Break):

Een onderbreking is het aantal afzonderlijke plaatsen of contacten die een relais gebruikt om een enkele elektrische schakeling te openen of te sluiten. Deze contacten zijn ofwel enkel of dubbel; enkel contact (SB) breekt een elektrische schakeling op één plek. Terwijl een dubbel contact (DB) het in twee plekken breekt.

Een enkel contact wordt normaal gebruikt bij het schakelen van lagere vermogensapparaten zoals indicatielampen. Terwijl een dubbel contact gebruikt wordt bij het schakelen van hoogvermogensapparaten zoals solenoïden.

Pool (Pole):

Pool is het aantal geïsoleerde schakelingen dat een relais door een schakelaar kan laten doorlopen. Een enkel-pool contact (SP) kan stroom door slechts één schakeling tegelijk laten lopen. Terwijl een dubbel-pool contact (DP) stroom door twee geïsoleerde schakelingen tegelijk kan laten lopen. Wel, het maximum aantal polen dat een relais kan dragen is 12, afhankelijk van het ontwerp.

Wissel (Throw):

Een wissel is het aantal gesloten contactposities per pool die beschikbaar zijn op een schakelaar. Een enkel-wissel schakelaar kan slechts één schakeling regelen, terwijl een dubbel-wissel er twee kan regelen.

Kortom, een elektromagnetische relais bestaat uit een spoel draad om een zachte kern (een solenoïde), een ijzeren joch die een lage reluctante pad voor magnetische flux biedt, een bewegend ijzeren 'anker', en een of meer sets contacten. Al deze zijn hierboven uitgelegd, ik hoop dat je het hebt begrepen.

Diagram van een relais:

[Diagram zou hier geplaatst worden]

Typen relais

Hieronder staan de diverse typen relais die gebruikt en geschikt zijn voor verschillende toepassingen:

Bistabiele relais (Latching relays):

Bistabiele typen relais behouden hun toestand na activering. Daarom worden ze ook impulsrelais, houd-relais of blijf-relais genoemd. Ze worden in de meeste toepassingen gebruikt om stroomverbruik en -dissipatie te beperken.

Bistabiele relaientypen bestaan uit interne magneten, zodat wanneer stroom aan de spoel wordt geleverd, de interne magneet de contactpositie vasthoudt. Hierdoor vereist het systeem geen stroom om zijn positie te behouden. Dit is waarom na activering, het de laatste contactpositie kan behouden, zelfs als de stroom van de spoel wordt verwijderd.

Solid-state relais (SSRs)

Solid-state typen relais gebruiken componenten zoals BJTs, thyristoren, IGBTs, MOSFETs en TRIACs. Deze componenten voeren schakeloperaties uit. Vergeleken met electromechanische relais, is het vermogen in solid-state relais veel hoger, omdat het benodigde vermogen om de schakeling te regelen veel lager is. Deze relais kunnen werken voor zowel AC- als DC-voeding.

Solid-state typen relais hebben hoge schakelsnelheden, omdat er geen mechanische contacten zijn. Er is een sensor in een solid-state relais, wat ook een elektronisch apparaat is. Deze sensor helpt om de stroom naar de belasting in- of uit te schakelen na reageren op een regelsignaal.

Rietrelais (Reed relays):

Net als electromechanische typen relais, werken rietrelais ook met mechanische actuatie van fysieke contacten om een schakelpad te openen of te sluiten. Echter, rietrelais hebben een lage massa en veel kleinere contacten vergeleken met de electromechanische typen.

Rietschakelaar is gewonden omdat het als anker fungeert. Het is een glazen buis of capsule gevuld met een inert gas, bevat in twee overlappende rieten of ferromagnetische bladen, wat hermetisch afgedicht is.

Differentieel relais (Differential relays):

Differentieel typen relais gaan werken wanneer de fasordifferentie van twee of meer gelijke electrische grootheden een vooraf bepaalde waarde overschrijdt. Stroomdifferentieel relais werken wanneer het systeem een vergelijking ervaart tussen de grootte en fasverschil van de stromen die het te beschermen systeem binnenkomen en verlaten.

Als het systeem onder normale werkomstandigheden werkt, zijn de in- en uitgaande stromen gelijk in grootte en fase. Dit zorgt ervoor dat de relais inactief is. Maar als een fout in het systeem optreedt, zijn de stromen niet meer gelijk in grootte en fase.

Gepolariseerde relais (Polarized relay):

Net zoals de naam zegt, zijn gepolariseerde typen relais erg gevoelig voor de richting van een stroom waarmede ze geenergiseerd worden. Het is een DC-elektromagnetische relais voorzien van een additionele bron van een permanent magnetisch veld om het anker in de relais te bewegen.

In gepolariseerde relais zijn magnetische circuits gebouwd met permanente magneten, elektromagneten en een anker. In plaats van veerkracht, gebruiken deze typen relais magnetische kracht om het anker aan te trekken of af te stoten. Dit anker is een permanente magneet, gepositioneerd tussen de poolvlakken gevormd door een elektromagneet.

Buchholz relais (Buchholz relays):

De Buchholz typen relais zijn gas-gebediende of geactiveerde relais. Ze worden wijd gebruikt om incipiente fouten of interne fouten te detecteren, die initieel klein zijn, maar na verloop van tijd grote fouten kunnen veroorzaken. Deze relais worden voornamelijk gebruikt voor transformatorbescherming en zijn gemonteerd in een kamer tussen de transformatortank en conservator.

Deze relaientypen worden alleen gebruikt voor een olie-onderdompelde relais die specifiek gebruikt wordt voor energie-overdracht en distributiesystemen. De onderstaande figuur toont de werking van een Buchholz relais.

Inverse definite minimum time relais (IDMT Relais):

Inverse definite minimum time relais zijn typen relais die definite-time stroomkenmerken van een foutstroom bij een hogere waarde bieden. En ook, een inverse tijd-stroom kenmerk van een foutstroom bij een lagere waarde.

Deze IDMT relais worden wijd gebruikt voor het beschermen van distributielijnen en helpen om limieten te stellen voor stroom- en tijlinstellingen. In deze typen relais is hun werktijd ongeveer omgekeerd evenredig met de foutstroom in de buurt van de oppikwaarde.

Overbelastingbeschermingsrelais:

Overbelastingbescherming typen relais zijn expres ontworpen om overstroombescherming te bieden aan elektricemotoren en schakelingen. Deze overbelastingrelais zijn van verschillende typen, zoals vast bi-metalstrip type, en elektronisch of uitwisselbare verhitings-bi-metal, enz.

Wanneer een elektricemotor overbelast is, zal zo'n motor deze relaientypen vereisen om het systeem te beschermen tegen overstroom. Om die reden moet overbelastingzend toestel zoals warmte-gebediende relais worden ingezet. Deze warmte-gebediende relais bevat een spoel die een bi-metalstrip of soldeerpot opwarmt, wat dan smelt.

Werkingsprincipe

Het werkingsprincipe van een relais hangt af van het type en waar het voor ontworpen is. Echter, een eenvoudig elektromagnetisch relais bestaat uit een spoel draad om een zacht ijzeren kern (een zachte ijzeren kern). Het bevat ook een ijzeren joch die een lage reluctante pad voor magnetische flux biedt, een beweegbaar ijzeren anker, en een of meer sets contacten.

Dit anker is gescharnierd aan de joch en mechanisch gekoppeld aan een of meer sets bewegende contacten. Een veer helpt het anker op zijn plaats te houden, zodat wanneer de relais gede-energiseerd is, er een luchtspalt in het magnetische circuit is. In sommige typen relais is één van de twee sets contacten gesloten, en de andere set open.

Sommige relais kunnen meer of minder sets contacten hebben, afhankelijk van hun gebruiksdoel. Er is een draad die het anker met de joch verbindt, wat de continuïteit van het circuit tussen de bewegende contacten op het anker waarborgt. Wanneer een elektrische stroom door de spoel passeert, genereert het een magnetisch veld dat het anker activeert, en de gevolglike beweging van de bewegende contacten maakt of breekt een verbinding met een vast contact.

Als de set contacten gesloten was toen relais gede-energiseerd waren, dan opent de beweging de contacten en breekt de verbinding, en vice versa als de contacten open waren. Wanneer de stroom naar de spoel niet geenergiseerd is, wordt het anker teruggebracht door een kracht, ongeveer half zo sterk als de magnetische kracht, naar zijn ontspannen positie. De kracht wordt meestal geleverd door een veer; zwaartekracht wordt ook gebruikt in industriële motorstarters.

Bekijk de video voor meer over de werking van relais:

[Video zou hier ingebed worden]

Voor- en nadelen van relais

Voordelen:

• Het stelt een extern apparaat in staat om te worden geregeld.
• Contacten veranderen gemakkelijk.
• Isoleert het activerende deel van een activerend deel.
• Het werkt goed bij hoge temperaturen.
• Het kan geactiveerd worden met een lage stroom en grote machines van groot vermogen activeren.
• Een enkel signaal kan gebruikt worden om verschillende contacten tegelijk te regelen.
• Gelijkstroom of wisselstroom kan geschakeld worden.

Nadelen:

Ondanks de goede voordelen van relais, zijn er nog beperkingen. Hieronder de nadelen van relais in hun diverse toepassingen:

• Contacten in het systeem beschadigen na verloop van tijd. Het ondervindt vaak slijtage, oxidatie, enz.
• Schakeltijd is hoog.
• Geluiden van activering en deactivering van contacten kunnen storend zijn.

Conclusie

Relais zijn geweldige componenten die een verscheidenheid aan doeleinden dienen op apparaten, afhankelijk van het relais-effect dat nodig is. In dit diepgang artikel hebben we de definitie, functies, toepassingen, selectieoverwegingen, typen en werking van relais behandeld. We hebben ook hun voor- en nadelen gezien.

Ik hoop dat je de lezing genoten hebt; als zo, reageer dan op je favoriete sectie van deze post. En vergeet niet te delen met andere technische studenten. Dank je wel!