HÍRADÁSTECHNIKA Elektromechanikai kapcsolóelemek az elektronikában A technika h a l a d á s á n a k megváltozott körülményei mind a műszaki fejlesztőkre, mind a g y á r t ó k r a ál landóan új feladatokat rónak. Ez a folyamat soha nem zárul le. A közelmúltban legjelentősebb i r á n y z a t n a k az elektronika felfutása bizonyult. Ez a meredek folya m á t főleg a félvezető technika ugrásszerű fejlődésé ből a d ó d o t t . Ez az a d o t t s á g a h a g y o m á n y o s elektro mechanikai alkatrészek, elsősorban az elektromecha nikus relék számára nemcsak a funkciók k o n c e n t r á lását szabta meg feladatul, hanem azt is, hogy az á t alakult követelményekhez illesztve be kell törniök az elektronikai építő elemek sorába. A technikai fejlő dés szükségessége mellérendelt feladatkört jelölt k i számukra. A félvezetők hegemóniája nem jelenthet olyan i r á n y ú kategorikus elhatározást, hogy minden lehet séges szolgáltatást — mindenáron — csak félvezetők kel oldjunk meg. A z elméletileg — „teljesen elektro nikus" — kapcsolásokban is megvan a megfelelően a d a p t á l t elektromechanikus kapcsolóelemek helye. P é l d a k é n t bemutatjuk a N é m e t Szövetségi K ö z társaság össz-elektrotechnikai g y á r t m á n y a i n a k fej lődését, p á r h u z a m o s a n az elektromechanikai elemekr kel (relé) rendelkező berendezésekkel ( 1 . á b r a ) . Beérkezett: 1979. V. 2.
MiHio DM
Elektromechanikai elemekkel rendelkező berendezések
Aj/V
^O^sz-elektrotechnikai gyártmányok
i 0 1965
i
i
19751978
. Évjárat
ÜÍ668-GL1 1. ábra. Összehasonlítás össz-elektrotechnikai és elektrome chanikai kapcsolóelemekkel rendelkező berendezések között
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
GUDENUS LÁSZLÓNÉ B H G Híradástechnikai V á l l a l a t
Elektromechanikus relék helyzete és létjogosultsága az elektronikában, előnyös tulajdonságaik alapján Régebben v o l t olyan felfogás, hogy a relétechriika fejlődésének a félvezető technológia h a l a d á s a m i a t t vissza kell szorulnia. A z ú n . tiszta elektronikus megoldás elmélete téves felfogáshoz vezethet. Nem elhanyagolható a relék feszültségoldó és biztonságos kapcsolást létrehozó — mindamellett — gazdaságos működési tulajdonsága. Például a ' n a g y m é r t é k b e n i n tegrált félvezető kapcsolásokból felépülő mikropro cesszor mind széles k ö r ű b b alkalmazást nyer. M i n d e n ü t t , ahol a mikroprocesszorral külső végrehajtó szerveket kell vezérelni, külön kapcsoló szervre van szükség. Ez pedig éppen a relé lehet. Magasabb biztonsági követelmények melletti kap csolásoknál mindig nagy jelentőségű a hálózati fe szültségek leválasztása az emberek és technikai be rendezések védelmére. Biztonsági berendezések és jelzések céljaira — m u n k a g é p e k n é l — egy rövidzár megakadályozása — külső kapcsolásokkal — élet védelmet jelent. Természetesen a relék t a r t o m á n y á b a n nem rejle nek olyan tulajdonságok, hogy a messzemenően i n tegrált félvezető elemekkel teljesen egyenrangúvá t e h e t ő k . De megvannak az a d o t t s á g o k arra, hogy mellérendelt építőelemek legyenek, megfelelő techno lógiai és konstrukciós kialakításban. Ehhez tartozik a műszaki adatoknak és a mechanikai felépítésnek a modern elektronikai követelményekhez való illeszté se. A z alkatrészek integrációjának fejlődésével m i n dig komplexebb kapcsolások kerülnek előtérbe. Ezen mértékkel m é r v e a relék felé t á m a s z t o t t kapcsolási követelmények mindig differenciáltabbak lesznek. Ez adódik a különböző felhasználási területek sze rint: — — — — — — — — —
légi közlekedés; híradástechnika; méréstechnika; járműipar; hőmérséklet-szabályozók; h á z t a r t á s i gépek; adatfeldolgozás (számítógépes technika); irodagépek; orvosi műszerek;
121
— — — —
kémiai felhasználás; stúdióberenclezések; erősáramú közlekedési berendezések; j á t é k a u t o m a t á k stb.
Világviszonylatban s z á m t a l a n felépítésű relétípus él. E b b ő l kell a legmegfelelőbbet kiválasztani (az optimális méretezés szerinti kiválasztás elvét lásd később, számítógépes modellen). A kiválasztást be folyásolja még, hogy nemzetközi és országos elő írások őrködnek a biztonságos galvanikus b o n t á s felett, amely az emberéleteket is védi. Legfejlettebb az elektronikai felhasználású relé t e c h n i k á b a n : Ja p á n , USA és az NSZK. Az elektronikával e g y ü t t m ű k ö d ő relé, illetve elekt romechanikus kapcsolóelemmel szemben t á m a s z t o t t követelmények és jellemzők: — — — — — — — — — — — — — —
nyomtatott á r a m k ö r i kivitel, kis geometriai méretek, optimális szigetelés, :~ villamos szilárdság tekercs és kontaktus k ö z ö t t : felhasználási területtől függően 0,5—4 K V eff. erősáramú alkalmazás esetén ennél is nagyobb, csekély teljesítményfelvétel, magas kapcsoló áramimpulzusok ( p l . l á m p a és C-terhelésre), magas tartósáram-igénybevétel az érintkező kön, •> a nemzetközi és hazai szabványok biztonsági előírásainak való megfelelőség, különböző érintkező anyagok, amelyeknél az optimális illesztés az e x t r é m kapcsolási fel adatokat is kielégíti, széles hőmérsékleti t a r t o m á n y , magas érintkező n y o m á s , szigorú rázás és ütésállóság, nagy é l e t t a r t a m (mech. és terhelés alatti), gazdaságosság. /
Felhasználási területek A felsorolt tulajdonságokat a megfelelő helyen fel használva az elektronikához a d a p t á l t elektrp-nrechanikai relének a legfontosabb felhasználási területeit vázoljuk fel (2. ábra). Ez a nagy felhasználási terület mindig Összetet tebb, vagy differenciáltabb feladatokat ró a relékre, ha az elektronika melletti létjogosultságát fenn akar ja tartani. Ilyen reléváltozatok, illetve tulajdonságok a következők: — relék' igen nagy jeladási biztonsággal, főleg vasútbiztosító berendezéseknél vagy j á r m ű v e k vezérlésénél, ahol egy téves m ű k ö d é s életveszé lyes helyzetet teremtene; — magas teljesítményerősítésű relék. H a a logikai vezérlésben meghibásodás áll elő, p l . egy mikro processzornál, akkor fizikai beavatkozás eléré sére érzékeny teljesítménykapcsolók szüksége sek ('alarm és átkapcsoló á r a m k ö r ö k n é l ) ; — relék, melyek egy központi információt k ö n y nyen és gazdaságosan, t ö b b független kimeneti á r a m k ö r b e t o v á b b í t a n a k : p l . a híradástechni kában;
122
\Elektrómech.relé [Közszükségleti felhas
híradástechnika
T \Hdzt.gépek]
efónia \t1unkagepek\
\Kózbautóipar
\
uatekautamafák]
Tai/iro berend. j
Vegylpa
| Stúdió
berendezés]
XAdatfeldoíq.ber. \KozL
Keskenyfitm kamera
jelzések] [tíektron/kus
musz\
{Zenegépek (ctut.) VOSÍ
| Jrodctgép
Deréní\
[számítógépes
mér. ]
Repülés
|H 668-GL2|
2. ábra. Az elektromechanikai relé főbb felhasználási terü leteinek tömbvázlata
— relék, amelyek e x t r é m fizikai körülmények k ö z ö t t képesek kapcsolni: alacsony és magas kapcs. feszültség és k ö r n y . hőmérséklet mel lett, ami p l . elkerülhetetlen a j á r m ű i p a r b a n ; — relék, melyek információkat tudnak energiaodavezetés nélkül tárolni, és zavaró frekvenci á k k a l szemben igen érzéketlenek. Ez fontos a nem hálózati (teleppótlós) táplálású berendezé seknél vagy körvezérlésű helyeken. Az elektronikával e g y ü t t m ű k ö d ő reléknek egyér telmű közvetlen kapcsolási kritériumaik vannak: a digitáltechnika éppen ilyen építőelemet kíván. — A relé optimálisan illeszthető legyen adott kap csolási feladatokhoz: egy relékontaktus kap csolhat egyen-, v á l t ó vagy éppen, H F - (nagy fr.) á r a m o k a t , ohmos vagy i n d u k t í v terhelést. — Nem utolsósorban játszik azonban szerepet a technika mellett a gazdaságosság. Optimális á r a m k ö r i kialakításban, amely a teljesítmény re, minőségre, megbízhatóságra, árra, de főleg az elektronikus áramkörökben alkalmazható felépítésre vonatkozik, a relé a jövőben is el kerülhetetlen építőelemnek látszik a kapcsolá si feladatok realizálásánál. T o v á b b i alkalmazási t e r ü l e t e k : — A rohamosan fejlődő közlekedési sűrűség a jel zőtechnika elé mindig komplexebb feladatokat állít. A z erősáramú közlekedési berendezések elektronikájában is feltalálhatók a relék a fo kozatkapcsolónál, fényszórók kapcsolásánál, b e n z i n p u m p á k n á l *és villogó jelzéseknél. — A távolbalátó t e c h n i k á b a n , színes televízió készülékeknél video-rekorderekben, stereo be rendezéseknél és hangrögzítő egységekben. — A h á z t a r t á s i gépek modern technikájában a mosó- és mosogatógépeknél lassan kizárólag elektronikus programkapcsolókat találunk, amelyek szintén elektromechanikai kapcsoló elemek. K i m e n e t ü k ö n relék alkalmazása célsze rű, nem utolsósorban a magas biztonsági k ö vetelmények miatt. ' Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
— A légi forgalom biztonságos szolgálatában is relék m ű k ö d n e k k ö z r e : segítik a navigációt, vezérlik a repülőtér-megvilágítást, a repülőtéri biztonsági berendezéseket, de közvetlenül a repülőgép vezérlési és kapcsolási folyamatai ban is részt vesznek (amelyek m á r jórészt ma elektronizálva vannak). — Modern alkalmazási területe a reléknek az adatfeldolgozás. Biztonságosan kapcsolják a perifériaegységeket az adatfeldolgozó berende zéseknél. — Gyógyászati berendezésekben, orvosi elektro mos, illetve elektronikus eszközöknél, mint közvetlen' betegellátó, vizsgáló műszereknél vagy röntgenberendezéseknél a legmagasabb megbízhatóság igénye áll fenn a relékkel szem ben, amelyek azt képesek kielégíteni. A gazdaságosan is gondolkodó elektronikus mér nököt a következő kérdések is foglalkoztatják:
— Mennyi energiát igényel egy biztonságos kap csolási folyamat? , — Milyen a megengedett hőmérséklet-interval lum? — A z elektromechanikus építőelem melegedése zavarja-e a szomszédos teljesen elektronikus alkatrészeket? — Milyen működési igénybevétel u t á n v á r h a t ó k téves kapcsolások ? A legtöbb adatszolgáltatás nem ad lehetőséget e kérdések megválaszolására, annak ellenére, hogy igen magas információs é r t é k e t képvisel. A relék hatásosságukban és hasznosságuk értéké ben erősen különböznek m á s szerelvényektől. Egy relé hatásossági tényezője: maximális kontaktus terhelés, az érintkezők száma és a teljesítménnyel öszszefüggő konstrukciós felépítésének figyelembevéte lével, a következő formulából a d ó d i k :
E kapcsolt teljesítmény a kontaktusokra ( V A ) disszipált igénybevételi teljesítmény ( W ) X reléköb tartalom ( c m ) 3
A relé é l e t t a r t a m a e hatásossági tényezőnek a függ vénye. A fő oka, hogy a relétechnika sok v o n a t k o z á s b a n előtérbe kerül az, hogy t ö b b integrált funkcióra k i használható. Csak miniatürizálni és ősrégi koncep ciókat fenntartani nem érdemes, de kontaktusnyo mással mágneses energiát m e g t a k a r í t a n i , hőmérsék letérzékeny építőelemek helyett alkalmazni: gazda ságos felhasználás. A mikroelektronikában jól hasznosítható é r t é k e k : — — — —
kapcs. és pergési idő <0,3 ms, kapcs. s z á m > - 1 0 működés, ütésállósága-100 g, igénybevételi telj. < 4 0 m W . 8
A kapcsolási időknek msec, vagy az alatti tarto m á n y b a n kell lenniük, és ha az érintkezők nem el v á l a s z t h a t ó k , nem integrálhatók kívánság szerint, a félvezetős kapcs. rendszerben nincs létjogosultsá guk. A relé lexikon az alábbi címszavak szerint h a t á rozza meg, milyen alapvető tulajdonságokkal kell az elektronikában versenyképes relének rendelkeznie: — magas k o n t a k t u s á t a d á s - s z á m ( m ű k ö d é s s z á m ) , — kicsiny kontaktusadás-ellenállás ( á t m e n e t i el lenállás), — hatásos mágneskör, — polarizált relé, — reed relé, — gazdaságos kilátások, — magas megbízhatóság, — sokrétű megbízhatósági tényezők. Ezek u t á n legszemléletesebben egy összehasonlító t á b l á z a t b a n t e k i n t h e t j ü k á t mindazokat a műszaki p a r a m é t e r e k e t és tulajdonságokat, amelyek -legin k á b b tükrözik egy építőelem létjogosultságát és fél vezetőkhöz m é r t helyét az elektronikában ( 1 . t á b l á zat). Ezen sokrétű tulajdonságokon kívül el kell is Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
merni, hogy az elektromechanikai kapcsolóelem (relé) hatásossága nemcsak a bevitt elektromos energiának a mechanikai m u n k á b a (kapcsolás) való á t m e n e t é ből, hanem azokból a tényezőkből is adódik, ame lyek a k o n t a k t u s a d á s biztonságát és megbízhatósá g á t befolyásolják. A hatásosság és a megbízhatóság emelése a modern konstrukciójú, miniatürizált, nyomtatott á r a m k ö r i szerelésre alkalmas elektromechanikai kapcsolóele mek (főleg relék) á r á t természetszerűleg a r á n y o s a n megnövelik. Gondos mérlegelés t á r g y á t kell t e h á t képeznie, hogy relés vagy tiszta félvezetős kapcsolások kerül jenek esetenként alkalmazásra. Ez az elvégzendő kapcsolási feladattól függ: — Melyik kapcsolóelemmel, milyen hatásfokkal oldható meg ú g y , hogy a g y á r t m á n y szempont jából gazdaságos is legyen. Az elektromechanikus kapcsolóelemek konstruk ciókialakításában a v á l t o z t a t á s szükségszerűsége az elektromos berendezéseknél b e k ö v e t k e z e t t t e r m é k v á l t á s természetes folyománya. (Beleértve a híradás technikát.) A régi és új rendszerek közötti lényeges k ü l ö n b ségek, amelyek főleg rendszertechnikai, strukturális, technológiai, helyszükségleti,
alkalmazástechnikai, rugalmasságig modularitásr, megbízhatósági
szempontból jelentkeznek, új feladatokat és új konst r u k t í v formákat k í v á n n a k az elektromechanikai kap csolóelemektől. Ezen gyűjtőnéven: — alacsony és nagyfrekvenciás dugaszokat, csat lakozókat, — n y o m ó g o m b o k a t , billentyűket, érintkezős kap csolókat,
123
1. táblázat
összehasonlító táblázat a klasszikus-modern elektronikus relé és a tranzisztor között Modern, elektronikával együttműk. Klasszikus relé
Műszaki tulajdonság, jeli. paraméter
norm. rugós
Tranzisztorpár
Reed-relé
Keed-relé 1 záró
modem kártyatfelfogó
Reed 1 váltó
Célszerű alkal mazás
<= 0,05
0,05
5
0,15
0,06
-=0,03
relé, spec.
Kont. kapcs. p F
-=5
-=1
-=10
-=1,5
-=3
-=4
relé, spec.
Kapcsolási idő ms
-=10
-=1
-= 0,001
-=0,5
-=0,7
*5
relé, spec.
Pergési idő ms
-=10
-=1
o
-=0,3
-=0,1— —0,2
-=0,1
tranzisztor
Kapcsolási teljesítmény W
*30
<10
<=0,1
-=5
*20
-=100
relé, spec.
Kapcsolásiidő-befolyásolhatóság
nehézkes
kiválóan lehetséges
lehetséges
-=10
>20
védő diód.
nem megh., magas
-=10
-=100
<30
-=100
-=50
tranzisztor
Átmeneti ellenállás £2 -
i
Tartós terhelés mW Elektromos szilárdság Ütésállóság g
=•100 magas, nem megh.
•
s
tranzisztor >20—0
=-20—0
relé, spec. relé
Helyszükséglet cm /koht.
8
5
0,5—2,5
0,8
1
0,8
tranzisztor relé, spec.
Kontaktusváltozatosság
igen
igen
nem
igen
igen
igen
relé
>100
-=10
-=1,3
2,5
1,75
relé
8
Súly/kont. p Nyák- felhasználhatóság
nehezen kivihető
spec. kónst. relé tranzisztor
jól megoldható
jól megoldható
Beolvadás a mikroelektronikába
nem lehetséges
igen jó
lehetséges, de nem integrálható
Működési élettartam
10«—10
nincs el használódás
2.108—10
tranzisztor
Túlterhelhetőség
lehetséges
igen behatá rolt
lehetségew
relé
Sugárzási befolyás
nem észrevehető
jelentős
nem figyelemreméltó
relé
Kapcsolási viszony Rzáró/Rátm.
lO"
2x1011
2-10«
6,6 x l 0 »
1,6710"
3,31012
relé, spec.
101° .
10
10»
101°
10i
relé
>100
1—100
60
40—70
40—80
könnyű
könnyű
spec. relé tranzisztor
majdnem korlátlan
relé
-
8
Záróellenállás
7
tranzisztor
v
8
2
tranzisztor
Igénybevételi teljesítmény mW
100—2000
Kábelezhetőség
nehézkes
Hasznos/zavaró áram
majdnem korlátlan
Energiabefolyás-irány
egysíkú
nem azonos
egysíkú
relé
Bemenet/kimenet telj.
kiváló
legtöbbször galv. össze kötve
kiváló
relé, spec.
A kapcs. állapot táplálása Hatásosság tf
124
beszűkített dinamika
korlátozott 37
20
^2—200
jó 104
Híradástechnika
j 225— —500
XXXI.
relé, spec.
jó 1540— —3125
relé, spec.
évfolyam 1980. 4. szám
zésének közelítő eljárását (számítógépes szimulációs eljárással). Nem lenne teljes ez a t a n u l m á n y , ha f i gyelmen kívül h a g y n á n k korunk teljesen elektroni kus relétípusát: a Solid State Relay-t. Az elektronikában legáltalánosabban felhasznált relétípusok a különböző miniatürizált, nyomtatott á r a m k ö r r e szerelhető típusok. (Kartenrelais.) — Ezek monostabil és bistabil kivitelben készülnek, az alkal mazott szigetelési és kontaktuskiképzési módtól füg gően a k á r 15 A kapcsolható á r a m r a . A méretek csökkentésével a vasmaghorgony tömegének csök kentése lényeges gyorsulást jelent a működésben, de ez természetesen t o v á b b i technológiai fejlesztést igényel. A biztonságos k o n t a k t u s a d á s , illetve az érintkezők áramterhelhetősége ugyancsak b e h a t á rolja a k ö r ü l t e k i n t ő érintkezőanyag kiválasztását. Ugyanez áll a szigetelőanyagok megválasztására is.
— de elsősorban reléket és ezeknek a megválto zott körülményeknek megfelelően á t a l a k í t o t t formáját ( p l . Solid State Relay) kívánok értelmezni. Mindezekből az elektronikus (félvezető) elemek mellé rendelve csakis m é r e t ü k ben, megbízhatóságban, formai és esztétikai k i v i t e l ben és a rendeltetéshez m é r t szolgáltatásokban be illeszkedő elem vagy szerelvény a l k a l m a z h a t ó . A to v á b b i a k b a n n é h á n y , az elmondott feltételek kielégí tését jól közelítő t í p u s t i s m e r t e t ü n k .
Elektronikus vezérléssel működő jellemző relétípusok Az elektronika valódi partnerévé fejlődött elektro mechanikai kapcsolóelemeket leginkább egy-egy jel lemző, elektronikával e g y ü t t m ű k ö d ő t í p u s bemuta tásával tudjuk érzékeltetni. Először a leglényege sebb szerelvény, a relé"fejlődését kísérjük figyelem mel, majd egyéb, kevésbé összetett szerelvényekkel is foglalkozunk: pl. kapcsoló, n y o m ó g o m b , billen t y ű , taster stb. Nemcsak miniatürizált nyomtatott á r a m k ö r i kivitelű vagy gyorsított időműködésű (vagy reed) jelfogókat t á r g y a l u n k , hiszen ezek á l t a l á b a n m á r ismertek, hanem egy elektronikus vezérlésű relé optimális működési paraméterekkel t ö r t é n ő mérete
Tájékoztatásul t á b l á z a t b a foglalt összehasonlító adatokat mutatunk be n é h á n y tipikusan elektroni kus áramkör-felhasználásra tervezett, lapos, új nyom tatott á r a m k ö r i m i n i a t ű r reléről. (Hazai hasonló konstrukciók h i á n y á b a n a bemutatott típusok kül földiek.) Az elektronika és az automatika mechanikai relépartnere a reed-relé. Ez a típus m á r nem ú j , eleinte quasielektronikus relének is nevezték. Részletes t á r Sí. táblázat
Kontaktusaiiyagok fizikai tulajdonságai Sűrűség tg
Anyag
,
Rugalmas sági modu lus N m
Brinell keménység N '
2
Fajlagos elektromos ellenállás Q.cm
Hővezető képesség W m-K
Olvadási hőmérs. °0
Oxidációs hajlam
6,9-10io
- 3-10-«
210
658
5
7-10 "
2,3-10-«
310
1063
0
10,8-10io
1,75-10-a
372
1083 i
4
10,8-10io
18-10-6
50
950
2
23,6-10"
12,3-10">
8-10-6
150
8 900
6.9-10
16,7-1010
50-10-6
1270
3
8 400
9,8-106
9,8-101°
8,5-10-6
90
Nikkel Ni
8 800
14,7-10«
19,6-1010
8,6-10-6
57,1
1455
Krómnikkel 62 Ni 15 Cr 23 I-'e
8 200
7,75 -10
112-10-6
.12
1390
Platina Pt
14 000 19.000
6,4-10
8
12,8-lQio
12-10-6
71,2
Rhódiurn Rli
12 400
.15,3-108
Ezüst Ag
10 500
4,2-10
Cink Zn
7 130
4,4-10
Óh Sn
7 280
0,52-10
Alumínium
2 700
4,9-10
8
Arany Au
19 290
"6.4-10
8
8 300
4,1-10
;8 700
6,9-10
97,6 Cu Beryll Br 2,4 lle
8 200
Konstantán 54 Cu 46 Ni
Réz Cu Bronz
90 Cu 10 Sn
Messing
60 Cu 40 Zn
Híradástechnika
XXXI.
1
8
8
8
8
22,6
2,94-1010
5,1-10-6
84
8
6,9.10io
1,65-10-6
410
8
8,8-10io
6,2-10-6
4,9-101°
11,2-10-6
8
évfolyam 1980. 4. szám
(
900
1773
. :
'
5 4
0
1966 960
12,77
419
64
232
125
5. táblázat Szigetelőanyagok fizikai tulajdonságai Kémiai állóképesség, különb, anyagokra
•a •8 S LZOl
1 • s
S PQ
+
O O
+
o o o o oo
+ +
•Mi!ax. vízSzig. anyag típus
•o
+ +. + + '+ +
,3 -g
O A!<ü
+ +
S
+ + + + + + +
-f-
+ +
- - + - o - - -
o o o o -+ -
+ +
+ + + + + '+
o
3
+ + + +
+
a. o S
Belső el lenállás
íelvétel
Tartós igénybe vétel °C
Megnevezés
a• '«
+, + + + •+
Sűrűség
mg
raz Q
nedv. £2
Típus—31
1400
100
180
lOio
Típus—31,5
1400
100
180
10^2
Típus—157
1700
200
Melamin üvegszálas
1850
70
Diait. Nr. Fs80
1880
245
Típus—501
105,5
65
Típus—502
1050
75
Lupaion 81—OH
918
79
Hostalon GG 6400
960
80
= 0,2
10
Hostalon P P N
900
100
0,09
Plexigumi 6N
1180
75
TJltromid S
1070
90
Durethon B K 2 — 8 F
1130
120
345
Makrolon 3000
1200
135
10
gyalása helyett néhány, világviszonylatban ismert cég által g y á r t o t t típus főbb adatait foglaljuk össze. Számtalan esetben alkalmaznak elektronikus ve zérlést valamely elektromechanikus kapcsolóelemre, ezért levezetünk — modell alapján — egy számító gépes szimulációs és optimalizálási eljárást elektro mechanikus szerelvények tervezéséhez. A z elektro mechanikai kapcsolóelemeknél teljesítmény- és meg bízhatósági követelmények a méretezésüknél meg kívánják, hogy nem lineáris elemekkel és pergési fo lyamatokkal is számoljunk. A formulákkal való szá molásnak a statikus leképezésnél t ö b b jelentése nem lehetséges. E z é r t hasznos és szükségesnek látszik a dinamikus folyamatok méretezéséhez nem — lineá ris differenciál — egyenletekhez folyamodni. Mód szerkent kínálkozik a digitális szimuláció az optimá lis kiválasztás elvével kapcsolatban. P é l d á u l : a program kidolgozásánál célkitűzésként vehetjük, hogy a horgony „ X " mozgása magas frekvenciával történik. Ehhez h á r o m kapcsolódó funkcionális rész paramétereinek figyelembevétele szükséges (3. á b r a ) :
Elektroni kus vezérlő
U „ J -
Dielektr. veszt, tényező
10-
10
ia
800 Hz
Villamos szilárd-
1 MHz
30 10 50
10
11
0,2
50
= 0,1 2'
0,81 -10
14
-10
14
-10" 4:0,04
0,03
-10
14
-10
14
-0,05
10"
-10
14
-0,09
10"
.lOio
3,6
-lO"
-10
0,13
10"
0,4
1,1
18
15
= 0,03
: 0,03
0,033
= 0,03
1,1
— elektronikus vezérlés, — elektromechanikus energiahordozó kör), . — terhelési rendszer.
(mágnes
A 4. ábra szerinti C k o n d e n z á t o r t R ellenálláson á t az U megemelt feszültségre kötjük. A T tran zisztor bekapcsolása u t á n magas / áramimpulzus adódik, és ezáltal az „ m A " - t ö m e g ű horgony nagy kezdősebességre tesz szert, ami a meghúzási idő le csökkentéséhez vezet. Miután a C kondenzátor k i sült, beáll a tartófeszültség (U ) az R ellenálláson és D diódán á t , hogy a horgony t o v á b b t a r t v a maradjon. T tranzisztor lekapcsolódása u t á n be következik a csak erre az i d ő p o n t r a ' működő D dióda nyitása, és a £> Zener-dióda közelítőleg kons tans U feszültséget állít be. Ez csökkenti az á t mágnesezési időt, és elnyomja a zavarfeszültséget, a tranzisztornál, kikapcsoláskor. A terhelési rendszert az A és A mozgó felület képezi, és a horgonyt C előfeszített rugó terheli (majd kiinduló helyzetbe
Blektromechhajíómu (Mágneskör)
r
E
x
T
3
3
1
x
2
z
1
2
F fi^**
B
Rugá-iómeg x(t) terh. rendszer 1H.668-6L3I
3. ábra. Elektronikusan vezérelt elektromechanikus modell tömbvázlata
126
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám,
4, táblázat
5 o
összeállítás korszerű nyomtatott áramköri kivitelű KARTENRELA1S miniatűr jelfogók műszaki jellemzőiről
öv
(5* 3
I
Blektr.
4
3
4
V
2z 3z 2b 3b
3
3
8
5
6
10
2 110(220)
2 220
2 220
2. 30(125)
3 30(250)
20(30)
30(50)
60(100)
60(125)
6 50
8__ 50
2 '
Pergési idő ms
5 100 609 S 420 S 0,03 S —120 S cca 0,2
Érint, anyag
Megh. idő ms Eleng idő ms
Tekercs fesz. V(n) Tekercsek száma Élettartam Szig. ellenállás Cl Villamos szilárdság é/é V Villamos szilárdság tek/tes Villamos szilárdság é/tek Ütésállóság g Rázásállóság g/Hz Geometr. méretek m/mNévleges műk. fesz. V Klíma °C Működés/sec Terhelhetőség W
4z
\
S
4
4
2V
te
KABTBKBELAIS (Kártyajelfogó)
NOa, N0aL;N0 Sa; SaL; Sg—La S ; S ;.S L; SDS NOé-L; N0 -La Elektro SDS Blektr.
HA-relé SDS Blektr.
2V 4V
Max. bekapcs. áram A Tartós áram A Max. kapcs. fesz. V Max. kapcs. telj. W (VA) Érint, nyomás cN Érintk. átm. ell. mQ
3
2
2
2V .
Érintkezők száma
o.
HBi; HBa SDS Eléktr.
NF SDS
DX relé SDS Blektr.
V
k
Oo
TE-relé SDS Elekfr.
Eelétípus a gyártó cég megnevezésével
P
|
HH
|
SP
|
B
SIEMENS
Kártyajelfogó KABTENBELAIS | IMP B E L E BAV 121, 122 LM EBIOSSOíf
2 V
2 V
6 V
6V
1 V
1 V
(4z) 2z, 2b
15
120; 0,2
2, 0, 2
3, 0, 2
3, 0, 2
15
15
2
5 250
8 250
1—2 110, 24
1—2 110, 24
1—2 250, 24
1—2 250, 24
8 250
8 250
1 60
90(750)
100(1000)
120(1250)
30,5
30,5
100,5
100,5
35—310
35—310
50
10
15
15
15
100
15 30
10
100
50
12
5
10
5
1
6
5
10
1,5
1,5
Rh
Ag+Au
Ag+Au
AgNi
24(220) 1 .
3 5,6,12 18, 24 1(2)
10«—10«
107
10
1010
6, 12, 24 48, 60 1 102— 5-10 10
500
750
9
500
1000 50 20/2000 31,2 x 21,8 X 10,7
-20 + 65
r
,1000 50 20/2000 20 X 12 x 6
-.65 + 125
6
9
4V
10
8
8
8
7
6
Imp. idő A •
2
5
6
7
2
6
4
0,01—20 5 sec.
0,2
2
AgNi
Ag+An
AgNi+ Au
Ag ara nyozva Au
Ag ara nyozva Au
Ag ara nyozva Au
AgCdO
AgCdO
3, 5,6 12, 24 1 2-10« 7-10« 10
3—24 (6—115) 1 6—10« 1,5-108 108
1,5,3, 5, 6,9 12, 24, 48 „ 1 3-107 5-10 10 "
60,110,3,5,6 12, 24, 48 1,2
2
2
1
2
1
2
108—5.105
2-106
108
108
107
2-10'
107
500
750
750
500
500
1000
1000
750
500
500
500
500
s-750
1000
1000
8
5
6
1
1000
1000j
1500
1500
8 8/55 29,6 x 19,6 x 10,8
10 10 20 x llx 15,5
10 10 26,3 x ^L4x 16,9
50 20/1000 28 X 12X 10,1
-40 + 65
2 V
-40 + 65
-40 + 65
-55/+65
-
4
10
Ag ara, nyozva Au
AgPd
.
6,2—77 2
-
9
1000
1500
-
10 5/55 25,4 X 38,1 x 30,6 x 25,4 x 25,4 x 20,8 x 10,9 10,9 11,3 6,12,24 36,48,60 -40/ -40 -40 + 70 + 55 + 70 50 1,7 (2,2)
29,6 x 19,8 x 11,3 6, 12, 24 48 -25 + 70 1,7 (2,3)
39,7 x 37,4 x 10,2 6,12, 24 48, 60 -40 + 70 30 2,5 (3,4)
2500
39,7 x 37,4 10,2 6,12,24 48, 60 -40 + 70 40 2,2 (3) X
27,9 X 24,7 x 10,4 6,12,24 48, 60 -40 + 70 20 1,2 (1,7)
2500 500ms-2 200ms-2 27,9 x 24,7 X 10,4 6,12,24 48, 60 -40 + 70 1,2 (1,7)
30 x 30x 14,7 6,9,12,24,48 60
2
5. táblázat Különböző Iteed-relék műszaki adatai
ee SDS ELEKTBO
Belétípus a gyártó cég megnevezésével
A
DAi
DA
BAG . 603
2
BAG 611-613
0,018
0, 5, 0, 25
0,25
0,5
0,025
0,0064
0,0084
0,5; 0,7
0,75
0,010
5,12
24,48
18
250
0,5
0,5
Max. kapcs. fesz. V
50
100
Max. kapcs. telj. W
3(5)
10
0,8
Tartós áram A
IÍT-LUSTB
lz-z, lb, I V 0,025
0,0095
Max. bekapcs. áram A
2z
V6
3z
5,12,24 48
2V 0,059—0,016
lz, lb, 2z
IV
0,5
0,5^0,250
0,5
0,007—0,034
28
200
100,28
100
200
10, 10, 3
10
10
10—50
3
3—10
3—10
200
200
200
1,0
150
150
200; 150
250
kb. 200
250
Megh. idő ms
0,5
0,5
200—400 fis
700 fis
1
-=0,5
0,5
0,5
Eleng. idő ms
0,1
0,3
100—250 fis
500 fis
0,2
0,5
0,5
0,5
Pergési idő ms
0,7
0,3
100—250 fis
300 fis
0,2
Érintk. átm. ell. m£l
HAMLDJ HE 621, 622
. HE621 822Z
HE 831 A05
DUAL-
lz
1,0
lz
DLB
Miniatűr védőgázrelé
lz, lb
lz
lz
BAG 601-602
lz, 2z, 1 V
lz
Érintkezők száma
HAMLIS miniatűr Beed-relé
SIEMENS
L M EBIOSSON
Érintk. nyom. cN
Rh
Rh
Rh
Rh/Au
Tekercs fesz. V
5,12,24
5,6,12,15,24
12,5
24
Tekercsek száma
1
1
1
1
Élettartam Szig. ellenállás (1
Érint, anyag
a a, a.
é/é a a
Villamos
a
5-W
10
9
10
250 500
9
250
.
500
é/test
X X
tek/tést
10
6
Geom. méretek Vizsg. fesz.
09,5x20
18,8 x 7,2 x 6,2 18,8 x 9,2 x 6,2
AuHRh
1 1
0,2
0,2
0,8
Rh
Rh
Rh
'
6, 12, 24
5,12,24
5,12,24
5,12,24 '.
5,12,24
1
1
1
1.
1
1
1
108-3
10«
10
>2.10«
=-2.10
>2-106
10»
10
10
250
250
250
250—320
250
250
250
250—320
10
9
9
10io
6
ÍOW
10io
10™
10
750
750
750
750
750
750
750
350
750
750
750
350
500
1500
250
250
250
250—320
54i6x 14,8 x 14,3
33,3 x 9,3 x 8,0
33,3 x 14,3 x 8,0
19,6 x 6,4 x 6,6
26,2 x 11 X 11
30x15x10
19,05x 6,60x6,98
23x8,9x
23x8,9x 8,9
38,1 x 11,43 x 12,70
750 V
750 V
750V
750
750 250
10"
10
250
250
1000 ms-
00
Rázásbiztonság
200 ms-
Klíma °G
-25 + 70
Műk./sec
0,2 Rh
24
Ütésállóság
a.
1,0
5, 12, 15
3
3
- •
2
2
500 ms-
2
500 ms-
2
250 ms-
2
200 ms-
2
-25' + 70. 500
-25 + 70
8,9
+ 5/250 °G
I
;
9
9
Urí T
t o t t m á g n e s k ö r geometriai adatai. Ha a típuskiválasz tás geometriai adatai és a tekercs adatai elő vannak készítve, kezdődik egy t o v á b b i elemzés. Ez az elő program ( p l . különböző variációk megkeresésére), a következő szimulációs résztől függetlenül is végre hajtható.
A± u]
c
U
0 io-
—
ÖV ?
* K
—
Közelítő eljárások és csatolási program
| | \Elektromech\Terhelési rendszer , ,, , ,, átviteli \ rezgő alkatrészekElektronikus vezérlés I szerelvény j kei. (Rugók) \(Magneskör) r
4. ábra. Szimulációs modell <elvi kapcsolása
A mágnes geometriájától való függetlenség céljá ból a szimulációs programban a mágnes jellemzésére általánosított modellt v á l a s z t u n k k é t polimom h á nyadosa formájában, amellyel a szimulációs futta t á s b a n k ö n n y ű számolni, és nem vesz igénybe nagy számítási időket. Legyen a mágneses vezetőképesség:
hozza). A horgonyon és a rugókon rezgési jelensé gek mennek végbe. Ezeket c„ és c rugó rezgési konstansok és K és K„ csillapítási e g y ü t t h a t ó k a horgonnyal e g y ü t t m ű k ö d v e okozzák. Mialatt a felsorolt folyamatok a rövid kapcsolási idők mellett m i n d h á r o m funkcionális részben köze lítőleg azonos átmeneti időkkel lefutnak, oly erősen befolyásolják egymást, hogy leképzésük csaknem lineáris differenciálegyenlet z á r t modelljén t ö r t é n het. Ilyen rendszerek modellezése a k o n s t r u k t ő r n e k általában fokozott nehézségeket okoz, amelyek meg nehezítik a szimulációs program elkészítését. A következőkben egy példán bemutatüftk egy öszszesített f u t t a t á s t az igénybevételi Rendszerek szá mításához. Közönséges nem lineáris differenciálegyénletek le képezésére általában hasznos programmódszerek áll nak rendelkezésre, de az előirányzott értékekből adódó felépítési paraméterek explicit kiszámítása a differenciálegyenlet egzakt megoldása útján nem le hetséges. A méretezésre iteratív optimalizálási el járást h a s z n á l h a t u n k . Szimulációs eljárások viszony lag magas számítási időket igényelnek. E z á l t a l ki^ bővíthető a leképzés minden lehetséges variációra. A megoldási t a r t o m á n y beskatulyázására és egyide jűleg egy elfogadható kezdeti megoldás elérésére, kétlépcsős optimalizáció a l k a l m a z h a t ó :
G(X)--
G l-/! X -/2 ^-/í x|-A X* ' 0
1
r
Statikus méretezés — előprogram
2
a
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 19S0. 4. szám
4
—x,
m
t o v á b b á x a k i t ü n t e t e t t légrést jelenti, x pedig a p i l lanatnyi légrést. m
Nagyvonalú méretezés és alapanalizálás az elektromágneses körhöz
Az
előprogram adatai
Közelítés a G(k)- mágneses vezetőké pességhez és a deriváltjához dG/dx-hez Csatolási Szimuláció
program
és optimalizálás a mágneses rendszerhez 1
Az előprogramban a mágneskör meghatározása történik, valamint a tekercsadatoké — a meghúzási és elengedési időre való tekintettel, a szükséges húzóerőre és a megengedett hőmérsékletre számít va. A programban előkészítést nyernek a kiválasz
3
ahol: x =x
r
1. Először következik egy durva meghatározás egyszerű statikus közelítő formulák felhasználásá val. 2. Ezt. követi a dinamikus lefolyás optirnalizációja nonlineáris differenciálegyenletekre alapozva. Ezen k é t feldolgozási lépés k ö z ö t t áll egy adat beviteli lépés. Ennek során a mágneskörhöz t a r t o z ó geometriai méretek közlésre kerülnek a dinamikus modell szimulációs programjához. A program t ö m b v á z l a t á t az 5. ábra mutatja.
a
—:—;
~
;—-—T
Eredmény-adatok az optimalizálástól és a szimulációból ( STOP )
H 66Ő-ÖL5J
5 ábra. Összesített szimulációsprogram-futtalás
129
A mágneses vezetőképesség kijelölt helyeken fel v e t t értékeiből és ezen pontokban v e t t deriváltjából a „ ^ ' - p a r a m é t e r e k n e k jó közelítése adódik ( 4 . á b r a ) . ' í g y minden k i v á l a s z t o t t mágneskörhöz a k i t ü n t e t e t t x légrés tartozik és a h m'odellparaméterek. Ezek e g y ü t t az előprogramban s z á m í t o t t követelmények kel és m á s szükséges adatokkal a szimulációs és optimalizációs program számára input a d a t k é n t á t a d á s ra kerülnek. m
Az elektromágnesekre viszonylag nagy légrésnél az alábbi a d ó d i k : U=IR +L ~ CU
+ /•
m
t
Szimuláció
és
dL(X) dx
dx_ dt
Ezzel egy általános szimulációs modell állítható fel az elektromágnesekre (7. ábra), és feltételezzük,
optimalizáció
A fennálló diszkontinuitások ( s z a k a d á s o k ) m i a t t egy mérsékelt Gauss—Seidel-elj á r á s a l k a l m a z h a t ó (6. á b r a ) . A szimuláció alapjául a dinamikus rend szer egy viszonylag h ű leképezési modellje szolgál. ( START
} [Hg6ő-~GL7l
A mágneskör
szimulációja
7. ábra. Elektromágnes szimulációs modellje
I
További tulajdonságok meghatározása a körülmények vizsgálata
hogy L a működési t a r t o m á n y b a n az / - á r a m t ó l függetlenül modellezhető. Kihasználva L értelmezé sénél a tekercs menetszámtól ( n ) és a mágneses eldL(x) lenállástól való függését, ezt —^^"he helyettesítjük,
és
és a mágneses ellenállás helyett a vezetőképes séget (G(x)) helyezzük, ekkor az egyenlet az á r a m deriváltjára így írható fel: , dt
[
"'
dt
dx
v u
A 7. á b r a alapján I felírható: C STOP
)
| 668-Gi. 6[ M
/-/.+'/
6. ábra. Méretezés optimalizáció és szimuláció alapján
Ennek — a h a t á r é r t é k e k számítására és a célfügg v é n y meghatározására — járulékos — ( p ó t ) — mo dellekkel kell kiegészítve lennie az optimális megol dás érdekében. A következőkben a szimulációs modell analízisébe mélyebben b e t e k i n t ü n k . A z elektronikus vezérlésű matematikai modell (lásd 4. á b r a , ahol a tranzisztorok és diódák m i n t ideális kapcsolók sze repelnek) a k ö v e t k e z ő :
Mivel az ú t megtételéhez szükséges mágneses húzó erő: s
í
0,
'*
\(U -U )/R , T
Í0,
=
t/ St/ l
S
ha
C/ <Í/ J'
ha
fét&Q
C
' U
h-
ha
ha
'
u =u +± c
C
ha
T
dx'
i
F
-11
„2
d G
'
2
d
c
+ Rl
130
x
•
Az elektromágnes szimulációs modelljének blokk sémáját a 7. á b r a mutatja. A mechanikai mozgatott rendszer matematikai leírá s á t a 8. á b r a mutatja.
<>í
a
}'
*
X-—*»•
\-(Uz , ),
<*)
t
jr dt,
co
T
2
}'
1 A-f/a, ' • -'
c
-
szimulációs modeílünknél ennek analógiájára:
^mágn. j
dl_ dt. dt
ha
f>í
fl
J'
|H66g-Glff1
8. ábra. Rezgőrugók leképezése
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
^ A terhelési rendszer, pergési lehetőségekkel, egy rugó—tömeg n y o m á s t jelent. A rugó mozgását jellemző gyorsulás: dx 2
mágn." F -F D
m +m A
F ),
S
R
AE
ahol F a csillapító e r ő ; F a rugóerő; F§ súrlódási erő. Lineáris rugópergésnél (C„ és C rezgési állan dók értéke v á l t o z a t l a n ) és konstans K és K csil lapítási e g y ü t t h a t ó k mellett h e l y e t t e s í t h e t ő : A rugónyomás : D
R
N
— magas számú kapcsolási lehetőség, — logikai- k o m p a t i b i l i t á s azonos vezérlő teljesít ményekkel, — elvileg korlátlan é l e t t a r t a m , — pergés nélküli m ű k ö d é s , — z a v a r á s mentes kapcsolás, — külső egyéb h a t á s o k r a érzéketlenség, — a váltófeszültség O-pontjánal való kapcsolási lehetőség.
r
v
F =C (x+d) R
0, c x,
+
B
ha ha
r
Osxsa; x<0
B
ahol az x légréskoordináta a légrés középvonalától s z á m í t (lásd 4. á b r a ) , és d — rugó előfeszítés. C előfeszített terhelőrugó. A csillapító erő :
B
K, v
+
o, K, r
ha ha ha
x>x
m
ahol K = csillapítási terhelés, K tási e g y ü t t h a t ó k . A súrlódási e r ő : B
az
v
A félvezetőtechnika nagy előrelépésével realizálód hattak a Solid State Relék, amelyeknél elektronikus elemek vezetik a kapcsolási funkciókat ú g y , hogy mozgó alkatrészek nem m ű k ö d n e k . Vezérlő és kap csoló á r a m k ö r ö k — m i n t az elektromechanikai relé nél —' galvanikusan szét vannak v á l a s z t v a , mivel az SSR-nél a vezérlő és kapcsoló, körök felépítése fél vezetőkkel t ö r t é n i k , leggazdaságosabb a kapcsoló körben csak egy z á r á s t realizálni. H a s o n l í t s u k öszsze egy E M R és egy SSR elvi felépítését ( E M R elektromechanikai relé). A vezérlő k ö r zavarmentesítőből és optoelektronikus csatoló fokozatból áll. A rövid ( p l . ' 1 ms) feszültsegcsúcsok által keltett, n e m k í v á n a t o s kapcsolásokát szünteti meg, és egyben az egyen feszültségű vezérlésnél polaritásvédelmül is szolgál.
csillapí-
és K
r
Terhelés
Fs^fiF* Az előprogramban beadott adatok a feszültség ada t a i : Uj7, U , U és az ellenállások: fí , í ? , J? . Másrészt előrelátható típusériékek kerülnek b e a d á s ra ( p l . pergés - konstans vagy be- és kikapcsolási idők) adott x légrés függvényében. Összefoglalva: . A konstrukciónak gyorsabb, elektronikus vezér léssel való mágnesköri igénybevehetősége céljából a terhelő rendszer rezgési folyamatait figyelembe vevő program k e r ü l t kidolgozásra. Ez lehetővé teszi a glo bális méretezést és a finom analízist a dinamikus folyamatok digitális szimulációja útján. " A bemutatott szimulációs modellen a rezgőru gókkal rendelkező elektromágneses relé dinamikus működési folyamatokat megközelítő — méretezési — leképezését programoztuk. A mechanikus mozgás, horgony- és rugórezgések m i n d e n k é p p e n nehezítik az elektronikával való e g y ü t t m ű k ö d é s t : számos egyéb fizikai t é n y e z ő t hoznak be. Ilyenek : működési idők, kapcsolás, anyagfáradás és v á n d o r l á s (kon taktusok) rezgésjelenségek, b e h a t á r o l t é l e t t a r t a m , villamos és mechanikus zaj stb. Ezek jelentőségét megszünteti, viszont m á s szempontokat tesz mérle gelés t á r g y á v á a Solid State Relay (SSR), mely teljesen elektronikus, kontaktus nélküli relé, galva nikus elválasztással. T
z
x
?
4
Kapésolc'feszültség
m
Az SSR-k, m i n t teljesen elektronikus relék, lénye-gesen különböznek az elektromechanikai reléktől, ezeket nem helyettesítik, hanem' a váltófeszültségek kapcsolásának új lehetőségeit nyitják meg. K ü l ö n b ö ző felhasználási t a r t o m á n y o k b a n adnak kapcsolási lehetőséget. F ő előnyeik: Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
•
<.
|H'6ffŐ^GLg]
9. ábra. Elektromechanikai relé elvi felépítése
Vezérlő feszültség
Terhelés
:
Kapcsolási feszültség \U 668-GL 10 j 10. ábra. Solid State Relay működési blokksémája
LÉD Vezérlő fesz:
Zavaró irapelnyomó
j .
Foiovevo
^LJ
>r«|
Null-pont Kap-
Öptoelektronikus: csatolófokozat •
(
Túlfeszültség vedelem
l
Antiparallel kapcsqlf telj.
thyrisforck
1 Terhelés
I Kapcs. , feszültség
11. ábra. Solid State Relay szerkezete
131
Az optoelektronikus csatolóegység, amely egy L E D ből (világítódióda) és egy fotóvevőből (fotodióda vagy fototranzisztor) áll, galvanikusan elválasztja a vezérelt á r a m k ö r t ő l a kapcsolót. A L E D (luminesz cencia dióda) körben fellépő á r a m fényt vagy infra vörös sugárzást bocsát k i , és ismét á r a m o t kelt a fotovevőkörben. A kapcsolókörben kapcsolóelemként a terhelési oldalon egy antiparallel b e k ö t ö t t tirisztor p á r , vagy triac áll. Triac a tirisztorral ellentétben m i n d k é t i r á n y b a n tud á r a m o k a t kapcsolni. T ú l feszültséget és i n d u k t í v terhelést a tirisztor jobban elbír. A nullpontkapcsoló jelentősége abban áll, hogy váltófeszültségeknél a nullpontátrnenetnél is lehe tővé teszi az SSR kapcsolását. A nullpontkapcsoló mindig a feszültség nulla átmeneténél kapcsol, nem pedig az áraménál. E m i a t t az SS-relé kiválasztásá nál ügyelni kell az á r a m és feszültség fáziseltolás mértékére, p l . magas induktív vagy k a p a c i t í v ter helésnél, amelyeknél az á r a m - és feszültségnullpontá t m e n e t e k nem fedik egymást. A 12. á b r á n bemutatjuk az SS-relé jellegzetes nyllpontkapcsoló működésének hullámformáit. Végül á t t e k i n t ü n k egy összehasonlító t á b l á z a t o t az SSR és az E M R között, és n é h á n y tipikus fel használási területet jelölünk még (a + jel a kedve zőbb tulajdonságú relétípust jelenti).
6. táblázat SSB
Rázás és ütésállóság
+
Hőmérséklet állóság
-
Logikai kompatibilitás
+
Kontaktusféleségek
feszültség
Kapcsoló feszültség
~Terhelo aram
Pillanatnyi feszültség értékek az átkapcsolás p/llanafdban.
[Hg66-£L12|
12. ábra. Solid State Relay mint nullpontkapcsoló működési fázisai i'
'
A felhasználók galv. kiválasztása
—
'+
Nullpont-kapcsoló
+
-
Élettartam
+
-
Mérések
-
+
Túlterhelhetőség (kapcs. áram)
-
+
Zajmentesség
+
-
Zavarvédettség Túlfeszültség-biztonság
-
+
Hibadiagnózis
-
+
+
Kenőáram zárt állapotban Egy relévél való különböző terhelések melletti kapcsolás
_
+
Bistabil kivezetések
-
+
Robbanásbiztonság
+
-
—
-+
Vezérlőtelj.
+
Pergési szabadság
+'
-
Biztonság
-
+
"
Árhelyzet
időbeli
Tipikus felhasználási területek a Solid State-reléhez: — Lámpaterhelések gyakori kapcsolása. A magas lámpa hidegáramok miatt nagyon gyakori kapcsolás nál az elektromechanikai kontaktusokat a berende zések é l e t t a r t a m a alatt rutinszerűen le kell cserélni, pl. fotomásoló vagy jelző berendezéseknél. í g y mér legelve a gazdaságosságot, az üzemkiesés, v á r á s és csere m i a t t az SSR magasabb ára megtérül. — Perifériaberendezések adatfeldolgozáshoz. A za v a r á s m e n t e s és zajtalan ü z e m m ó d , a logikai kompati bilitás és a gyakorlatilag b e h a t á r o l a t l a n é l e t t a r t a m miatt az SSR ideális kapcsoló adatfeldolgozó-perifé riák részére. — Ipari vezérlések. A bekapcsolási idő egzakt m ó don kijelölhető azonosan pl. hőmérséklet-szabályo zásra az ipari k á l y h á k n á l (égető kemencék, hőkeze lés stb.).
132
•
Átkapcsolók (váltók)
Fesz. esfes átkapcsolt állapotban
I / Feszültség folyamai az \/ SSR- kimeneten, , induktív terhelesnél
-
+
•
!
Vezérlő
, EME '
A 4. és 5. t á b l á z a t b a n bemutatott modern konstrukciójú relék egyik különleges felhasználási területe a mikroprocesszor. A mikroprocesszor beve zetése 1971 óta t ö b b konvencionális elektronikus kapcsolást helyettesít, és új lehetőségeket nyit meg az elektronika feladatkörében. E z á l t a l megbízható építőelemekre is szüksége van, amelyek biztosítják az á r a m k ö r ö k galvanikus szétválasztását. Érzéketle neknek kell lenniük a periférián fellépő zavaró fe szültségekkel és túlterhelésekkel szemben. Univerzá lis felhasználásra egyen- és v á l t ó á r a m r a , néhány milliwatt-tól kilówatt nagyságrendig nagy záró és kis áteresztő ellenállással kell kapcsolniuk. A mikro processzorból kiadott jelek direkt nem használhatók fel relék vezérlésére". A processzor csak kb. 0,5 jtts-ig küldi a (vezérlő) jeleket az a d a t t á r b a . Címkód bekódolással kell meghatározni, mikor vannak a je lek a relé vezérlésére kijelölve. A jeleket felerősítik (kivezérlők) úgy, hogy az á r a m és a feszültség a relé működtetésére alkalmas legyen. A relé elengedésekor Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
fellépő kikapcsolási feszültségcsúcsot le kell vágni, zavaró impulzusok elkerülése és az erősítő védelme érdekében. (Legtöbbször diódákkal.) Az 5V -tal m ű k ö d ő mikroprocesszor-rendszereknél ez a jelenség erősebben zavaró, i t t az erősítőt a meg felelő relétekercset és a vágódiódák módszerét^ gon dosan kell megválasztani, összekapcsolni. K e d v e z ő b b a helyzet a 12 V-tal m ű k ö d ő mikroprocesszorok nál. Nagyszámú relé használatánál a feszültség 24 V , amihez a meghajtón (erősítőn) kívül logikai lépcsők is szükségesek. Egyik lehetőség sok polarizált, b i stabil relé vezérlésére: egy egyszerű matrixkapcsolás. N é h á n y milliszekundumos gerjesztés mellett megtartják kapcsolási á l l a p o t u k a t teljesítményfel-
Adatbank
tól leválasztott csatlakozóval. A relé t e h á t i t t is egy általános építőelem, ha nem szükséges igen nagy kapcsolási sebesség. Gazdaságos, nem érzékeny k o m pakt elválasztó tag a logikai és a terhelő körök között.
Különféle kapcsoló (összekötő) elemek az elektronikus berendezésekben Ebbe a t a r t o m á n y b a sorolhatjuk a dugaszokat, csatlakozókat, n y o m ó g o m b o k a t , billentyűket, tastereket, kijelzőket stb. Világviszonylatban ebben a t á r g y k ö r b e n az első konferenciát Londonban tartot-
Kivezérío kioldó
< j. Á
Cl
mk d ada
(8)
Cím köd Adekódoló V VezerlS kód Taroló kioldó
Tároló Tároló 1 (6)
Relé
áram eti.
(B)
V^
i
I W
W
W
'^y*^' '^r ^ '^r^ 1
1
YP. Oszlop-
kivezérlő
n
' jEí^L ' J ^ L '^IliT 'Tl/T' "WrWtWjjj^ n>h rWl k h rW^
1
"^ty^ 'TyT ' ^ j T 1
'^t\jT'
|H668-gL13|
Sor- ki vezérlő 13. ábra. 32 db polarizált relé mátrix kapcsolása két 8-bites vezérlő Utasítással
vétel nélkül, amíg éllengerjesztést nem kapnak. Bemutatunk egy 32 db polarizált, kéttekercses relé vel és 64 helyett 16 meghajtóval (kivezérlővel) ren delkező kapcsolást. Ciklikus vezérlésnél, stabil áramlökésvíszonyok mel lett, polarizálatlan relék is alkalmazhatók. Zavaró mellék- (vissza-) h a t á s o k n a k a rendszertől való t á voltartására a magasabb terhelést kapcsoló kontak tusoknak le kell zárva lenniük egy, a vezérlő oldalHíradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
t á k , és a csatlakozó elemekre a legfontosabb k ö v e telmény azóta is a nagyfokú biztonság. T o v á b b i főbb szempontok: ' — oldható elektromos kötést teremteni, — oldható mechanikai érintkezést tereinténi, — elektromos vezetőket szigetelni, — mechanikai stabilitást előállítani, — a huzalozás egyesítését biztosítani, — huzalok kötési egyesítését biztosítani,
133
— nyomtatott á r a m k ö r i csatlakozást biztosítani stb. Legismertebb fejlesztő és g y á r t ó cégek az I T T Cannon (szalagkábelek, m e g h a t á r ö z o t t szélességre v á g h a t ó kivitelben, IC-méretezésű csatlakozók 10— 64-pontos), A M P , Siemens, Knitter, Valvo, L M E Ericsson stb. A különböző csatlakozók főbb felhasználási terü letei : — — — — —
híradástechnika, haditechnika, ipari elektronika, közlekedéstechnika, közszükségleti cikkek.
m a x
A nyomtatott á r a m k ö r ö k elterjedésével csökkent az a nehézség, amely a nemzetközi egységesítés gond ja v o l t : nevezetesen gyakran a legelegánsabb meg oldású berendezésnek egy másik rendszerhez való csatlakoztatásánál legtöbbször adapterek használata v á l t szükségessé ( p l . 22-féle CB-csatlakozás, spec. mikrofoncsatlakozók, a u t ó a n t e n n a - a d a p t e r e k stb.). A VALVO-cég például a D I N 41612 nyomtatott á r a m k ö r i dugasz előírások szerint nagy választékú programot állított össze, mely alapján az elektro nikus felhasználásra széles körű adaptálás nélküli elemek kiválaszthatók. Az Amphenol-Tuchel kidol gozta az ASR nyomtatott á r a m k ö r i dugasz indirekt módszert. A késes vezetők érintkezői szilárdan be vannak fogva, a t a r t ó vezetők érintkezői pedig be fogó flanschnival vagy anélkül, egyénileg dugaszol hatok a rasterpontokban. Különlegesen lapos szige telő testű miniatűrdugasz-rendszert is kidolgoztak, 18 csatlakozási ponttal. Ugyancsak széles skálájú a variációs választék a Siemens, K n i t t e r és egyéb külföldi cégeknél. Ü j a b b a n a lengyel Unitra-Dolam is foglalkozik fejlesztésükkel. T o v á b b i kapcsolóele mek során i t t is nézzük meg, mint a reléknél, a miniatürizált, elektronikus, j o b b á r a nyomtatott á r a m k ö r i kivitelben k o n s t r u á l t , egyéb kapcsolóele mek létjogosultságához tartozó követelménykritériu mokat (melyeket a nemzetközi szabványok, i l l . IEC-ajánlások is előírnak): — ütésállóság, rázás, egyéb dinamikus igénybevé telek; — klimatikus igénybevételek (hőmérséklethatá rok, nedvességértékek); — igénybevételi frekvencia (reflexiófaktór 0,1 le gyen); — igénybevételi feszültség, á r a m ; — polaritás egyértelműségének biztosítása; — á t m e n e t i ellenállás; — szigetelési ellenállás, szigetelőanyagok; — kontaktusanyagok megfelelő kiválasztása (gaz daságosság, áramterhelés, igénybevétel-oxidá ció és sulfidáció szempontjából: p l . kis telje sítménynél 10 m W - n á l és 1 mA-nél csak arany vagy aranyozott kontaktus (vezetőképesség: pl. A g - x = 6 2 Sm/mm , A u = 4 2 Sm/mm ). — é l e t t a r t a m (kapcsolásszám, dugaszolásszám); — vizsgálati feszültségek (jóval magasabban, mint az igénybevételi feszültség); — r a s t e r m é r e t e k ( c s a k szabványosan); — esetleg, kötésmód ( p l . wire-wrap). 2
134
Mindezek a szempontok fokozottan előtérbe kerül nek az elektronikus elemekkel való közvetlen együtt működés mellett, amit t ö b b e k között kapcsolási se besség, a frekvenciatartomány kiszélesedése (különö sen HE-felé), a m ű k ö d t e t ő áramok, feszültségek kor látozása, teljesítménycsökkenése indokol. Csak n é h á n y ismertebb építőelemet t á r g y a l u n k : Az LM-Ericsson elektronikus nyomtatott áramköri felhasználásra ajánlott kapcsolóelemeit az IEC 68—2 híradástechnikai ajánlásainak figyelembevételével k o n s t r u á l t a . Ide tartoznak: világítódiódás miniegy ségek, nyomó-, ugró kapcsolók, biztonsági kapcso lók, vizsgálótokok. A kapcsolók V = 60 V-tal és max/0,5—1,0 A á r a m m a l működnek. LM-Ericsson mini-matrix programmező, 10X10 dugaszpont le hetőséggel, aranyozott berilliumbronz kontaktusok kal, polikárbonát szigetelővel, 100 db dióda dugaszolására alkalmas, IC lábkiképzéssel. A speciális nyom tatott á r a m k ö r i matrixmező méretei a rasztertávol ságból a d ó d n a k : 70x70x45 m m . A z előzőkben v á zolt szempontok érvényesek a különböző típusú miniatűr kapcsolókra és tasterekre is. I t t megemlítjük az ITT-Schadow világító diódás ( 1 v 2 L E D ) kivitelű nyomógombját (híradástech nikai célra). A szórakoztató elektronika céljaira Schadow kifejlesztette a „ F O X " modellt, amelynek mű ködtetéséhez 2,5 mm elmozdulás és k o n t a k t u s o n k é n t . 3—6N erő szükséges, é l e t t a r t a m a 10 működés, 60 V fesz. és 0,2 A max. á r a m mellett. A Telefonbau und Normalzeit 15x15x31 mm-es kis alapterületű világító tasztert jelenít meg telefo nos, közvetlen nyomtatott áramkörre szerelhető k i vitelben. Kapcsolófeszültség: 48 V , teljesítmény: 3 V A . Érintkezési ( á t m e n e t i ) ellenállás: 50 mű. Modern konstrukció a Siemens elektronikus beren dezésekhez ajánlott nyomtatott áramköri kapcsoló (Albis Printtaste) 1 és 2 váltós kivitelben, világító diódával é s anélkül. AgPd kontaktusokkal, 19X19X 13 mm, vagy 19x27,9x13 mm-es kivitelben. Ada tait p a r a m é t e r k é n t az é l e t t a r t a m o t tekintve a 14. ábra szemlélteti. Ugyancsak Siemens produkció a numerikus és alfanumerikus (digitális) kijelző rend szerre vivő, nyomtatott á r a m k ö r r e dugaszolható kódoló, kijelző rendszer (Codier Anzeige System). Programkapcsolójuk magas követelményű híradás technikai berendezésekhez készült. Lépcsős forgó kapcsolóval is k o m b i n á l h a t ó , így lehetőséget nyújt
2
5
'•csalás ,> csolás aS
Kapcsolás
0,1 0,2 0,3 Ö,k 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 /" \H 668-GL1k] 14. ábra. Albis kapcsoló élettartama a feszültség és az áram függvényében
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
elektromechanikai feladatoknak kis helyszükséglettel technikailag is gazdaságosan optimális megoldására. A híradásipari elektronika művelői közül p l . a fran cia Sigma Industries m á r Hali-effektusra épülő vagy Reed-kontaktusos kapcsolókat is előállít.
vagy g y á r a k problémája, hanem nemzetközi munka megosztást igénylő. Különösen fontos ez szocialista országokban. A szellemi m u n k a i g é n y e k türelmet lenséget teremtenek, és ennek kielégítésére ma m é g egyetlen ú t az import, mely a késztermék korsze rűsítésének biztosítására szükséges.'
Hazai vonatkozások, felhasználási adatok Összefoglalás A bemutatott kapcsolóelemek különbözőek, fel használásuk az elektronikában sokrétű. E g y közös v o n á s u k van: mind külföldiek. Az elektronizálódás elterjedésével az elektronikus berendezések száma hazai viszonylatban is rohamosan n ő . De ugyan ilyen mértékben nő a felhasználásra kerülő alkat részek és az e g y ü t t m ű k ö d ő elektromechanikai kap csolóelemek a r á n y a . Elektromos berendezéseket fej lesztünk k i számos területen, amelyekre a 2. á b r á n és a hozzá tartozó fejezetben utalunk. De ezekhez a berendezésekben az összimporthányad és ebből a t á r g y a l t elemekre j u t ó rész is figyelemreméltó. Tájé k o z t a t ó a d a t k é n t közöljük egyik jelentős külkeres kedelmi vállalatunk, az E L E K T R O M O D U L 1978-as elektronikus berendezésekhez felhasznált elektro mechanikai kapcsolóelemekre vonatkozó tőkés i m port h á n y a d á t . A z adatok a Kartenrelaist nem tar t a l m a z z á k . Ennek alapján az é r i n t e t t t ő k é s i m p o r t behozatal 302 millió F t . P é l d a k é n t véve a B H G új fejlesztésű (QA-típ.) elektronikus telefonközpontját, i t t az abszolút elekt ronikus félvezető alkatrészekhez képest a b e é p í t e t t elektromechanikai kapcsolóelemek a r á n y a s z á m o t t e v ő . A z erre eső i m p o r t h á n y a d ez esetben szeren csésnek m o n d h a t ó . Ez abból adódik, hogy nyomta t o t t áramköri csatlakozó dugaszként a K O N T A K T A t e r m é k é t használja fel. Másrészt az i m p o r t h á n y a d abszolút értékét csökkenti a n y u g a t n é m e t T. u . N . céggel k ö t ö t t kölcsönös építőelemekre és t e r m é k r e vonatkozó e g y ü t t m ű k ö d é s i megállapodás. Mindezek ellenére fennáll a mini jelfogó, billentyű mini kapcsoló tőkés import igénye. Nem véletlen, hogy legfelsőbb szinteken t á r g y a l j á k az elektronikai ipar fejlesztését. Ez a problé ma, és főleg az elektronika elvi fejlesztését meg valósító alkotóelemek konstruálása világviszonylat ban infrastrukturális — nem egyes szakágazatok,
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 4. szám
A t a n u l m á n y a n y a g á t összevetve ismételten sze r e t n é k utalni arra, mennyire fontos kapcsolóelemet jelentenek az elektromechanikai építőelemek az elekt ronika s z á m t a l a n á g á b a n . Csak n é h á n y felhasználási példát ragadtunk k i ( p l . mikroprocesszor), de ez is mutatja jelentőségüket. Viszont relé, kapcsoló, taster stb. csak akkor v á l hat az elektronika méltó p a r t n e r é v é , ha konstruk cióban, működési adatainak illesztésében megbíz h a t ó s á g á b a n a felhasznált anyagok műszaki para métereinek m e g v á l a s z t á s á b a n az elektronika igé nyeit k i tudja elégíteni. IRODALOM [1] Gordos Grisby-Barton Inc: Designer's handbook of Sob'd State Relays. Bulletin N ° SS 501—6/76 [2] Grayhill: Handbook of Solid State Relays. Bulletin 241 R32 (1974) Grayhill Inc. [3] Jentsch, W.: Digitale Simulation. München/Wien; R . Oldenburg Verlag, 1969. [4] Schwarze, G.: Simulation-kontinuierliche Systeme. Technik. 1976. Reihe Automatisierungstechnik, Band 177. Berlin, V E B "Verlag. [5] Sauer, H.: Relays -Lexikon, Abs. Zuverl&ssigkeitsmerkmale. Univ. Buchhandlung Lachner, Theresien Strasse 43.8 München 2. [6] Hausen, F.: Konstruktionswissenschaft. C. Hanzen Ver lag, München, Wien. [7] Holm, R.: Die Technische Physik der elektrischen Kon takté. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 1958. £8] Meckh, H.: Mehrfachsteckverbinder für die Automatisierung. Dr. Alfréd Hüthig Verlag, Heidelberg. [9] Ketsch, P.: Stufenschalter und Programmschalter. -ein lückenloses Paketschalter-programm für Leiterplatten, Siemens Bauteile-Inform. 7. (1969) S. 12 bis 14. [10] Gnostic Concepts Inc: Relay Industry, Forecast, 1977. Volume 1. U . S. Departement of Commerce: Electric Gurrent Abroad. [11] Dr. SchafeT, E. dr.: Broschüre des IEZ-Lehrganges vom 6/7. 5. 1974. Liss, D.: „Hybrid-Relays"... etz-b 16/76.
135
