ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับรีเลย์

รีเลย์มีบทบาทสำคัญในระบบและการใช้งานในเครืองใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน เชิงพาณิชย์ และอุตสาหกรรมนับไม่ถ้วน ซึ่งจะมักใช้ในระบบในประจำวันโดยที่เราไม่อาจสังเกตเห็น ตัวอย่างเช่น จะใช้รีเลย์เมื่อปรับเตาในครัว ในรีโมททีวี หรือใช้ลิฟต์ เดิมทีกำเนิดขึ้นในปี 1835 เพื่อการเชื่อมต่อโทรเลขระยะไกล ต่อมาได้ดัดแปลงรีเลย์เพื่อใช้ในการเปลี่ยนสายโทรศัพท์ และยังคงทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ แนบเนียบ และมีประสิทธิภาพสูง

จากมุมมองเชิงปฏิบัติ รีเลย์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้า ที่ใช้สัญญาณพลังงานต่ำเพื่อควบคุมวงจรไฟฟ้าสูงไม่ว่าจะอยู่ใกล้หรืออยู่ในระยะไกล โดยการออกแบบช่วยให้สามารถแยกสัญญาณกำลังต่ำและวงจรกำลังสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมักเรียกว่าการแยกสัญญาณไฟฟ้า การแยกทางไฟฟ้านี้รับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและแข็งแกร่งของระบบไฟฟ้าสำหรับผู้ใช้ ซึ่งรีเลย์นั้นมีความหลากหลาย เนื่องจากสามารถใช้เพื่อควบคุมวงจรเดียวหรือหลายวงจร และสามารถใช้เป็นแอมพลิฟายเออร์หรือเซอร์กิตเบรกเกอร์ได้

ความสามารถในการควบคุมพลังงานของอุปกรณ์จากระยะไกลยังแปลเป็นมาตรการความปลอดภัยที่ได้รับการปรับปรุง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่อาจก่อให้เกิดอันตรายทางกายภาพต่อผู้ปฏิบัติงาน อุปกรณ์อเนกประสงค์เหล่านี้มีจำหน่ายในแพ็คเกจที่หลากหลาย โดยนำเสนอความจุกระแสไฟ ตัวเลือกการติดตั้ง และขนาดทางกายภาพที่หลากหลาย ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้แพร่หลายเหมือนกับสวิตช์ที่ที่มีอยู่ทั่วไปในทุกวัน

รีเลย์ – วิธีการทำงาน

เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นในเรื่องนี้ รีเลย์สามารถแบ่งออกเป็นประเภทพื้นฐานได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ ระบบเครื่องกลไฟฟ้า (EMR) และโซลิดสเตต (SSR) ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่การมีหรือไม่มีส่วนประกอบที่เคลื่อนไหว

ประเภทของรีเลย์ที่เก่าแก่ที่สุดในสองประเภทคือระบบเครื่องกลไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยหน้าสัมผัส ขดลวดอาร์เมเจอร์ สปริง และแม่เหล็กไฟฟ้า ในการทำงานขั้นพื้นฐานที่สุด สปริงจะรักษาตำแหน่งของขดลวดอาร์เมเจอร์ เมื่อใช้กระแสไฟฟ้า แม่เหล็กไฟฟ้าจะออกแรงดึงดูดขดลวดอาร์เมเจอร์  ทำให้มันเคลื่อนที่และปิดชุดหน้าสัมผัส จึงทำให้กระแสไหลผ่านวงจรได้

รูปที่ 1: โครงสร้างภายในพื้นฐานของรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

ในทางกลับกัน โซลิดสเตตรีเลย์ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1950 มีจุดประสงค์พื้นฐานเช่นเดียวกับรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า แต่เป็นแบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดโดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ประกอบด้วยวงจรอินพุต วงจรควบคุม และวงจรเอาต์พุตเพื่อควบคุมกระแส เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าเกินแรงดันไฟฟ้าพิกอัปที่ระบุ วงจรควบคุมจะสั่งให้รีเลย์ทำงาน เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่าแรงดันดรอปเอาท์ รีเลย์จะปิดการทำงาน

รีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าและโซลิดสเตต

เช่นเดียวกับเทคโนโลยีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ รีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าและโซลิดสเตตต่างก็มีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นต้องพิจารณา

เนื่องจากการออกแบบที่มีอายุสองศตวรรษ รีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าจึงเป็นอุปกรณ์ที่แข็งแกร่งพร้อมการทำงานที่ไม่ซับซ้อน แสดงให้เห็นความน่าเชื่อถือในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟสูงและสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย มีการแยกทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ สามารถทนต่อกระแสไฟกระชากสูงและแรงดันไฟฟ้า และทนต่อสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า เช่น การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและการรบกวนความถี่วิทยุ (EMI/RFI)

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้ามีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การเสื่อมสภาพทางกายภาพจึงเกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และหน้าสัมผัสอาจเสื่อมสภาพเนื่องจากการกัดกร่อนและออกซิเดชัน โดยอาจไวต่อการสัมผัสอาร์ค ส่งผลให้เกิดรูพรุนและไฟฟ้าลัดวงจร ลักษณะทางกลของรีเลย์ประเภทนี้ทำให้เสี่ยงต่อการเด้งกลับจากการกระแทกและการสั่นสะเทือน และอาจสร้างสัญญาณรบกวน EMI/RFI จากตัวเองได้ นอกจากนี้ สนามแม่เหล็กภายนอกอาจส่งผลต่อการทำงานของรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า

ในทางตรงกันข้าม โซลิดสเตตรีเลย์มีอายุการใช้งานและฟังก์ชันที่ยาวนานขึ้นพร้อมกำลังควบคุมที่ลดลงอย่างมาก เนื่องจากการออกแบบที่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ช่วยให้เปิด/ปิดวงจรได้เร็วขึ้น ลดการอาร์คและการเด้งกลับจากการสัมผัส และไม่ได้รับผลกระทบจากแรงกระแทกทางกลภายนอก การสั่นสะเทือน หรือสนามแม่เหล็ก โซลิดสเตตรีเลย์ทำงานภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่ารีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ไม่เหมาะกับการใช้งานที่มีกำลังสูง

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์ รีเลย์โซลิดสเตตจึงอาจไวต่อแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าชั่วคราว และสัญญาณรบกวน EMI/RFI โดยมีแนวโน้มที่จะสร้างความร้อนมากกว่าชิ้นส่วนเชิงกลและอาจไวต่ออุณหภูมิโดยรอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การแยกทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ระหว่างสัญญาณควบคุมและโหลดนั้นไม่สามารถทำได้โดยสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน แต่สามารถทำได้โดยใช้ส่วนประกอบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในอุปกรณ์ถ่ายเทประจุ ซึ่งแยกสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต

รูปที่ 2: แผนผังพื้นฐานภายในโซลิดสเตตรีเลย์ (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

ประเภทรีเลย์ทั่วไป

มีรีเลย์หลายประเภทให้เลือกใช้งาน แต่ละประเภทได้รับการปรับแต่งให้ตรงกับข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ เป็นที่น่าสังเกตว่าผู้ผลิตอาจใช้คำศัพท์ที่แตกต่างกันเล็กน้อยสำหรับการนำเสนอผลิตภัณฑ์ของตน แต่นี่คือประเภทรีเลย์หลักๆ โดยทั่วไป:

• รีเลย์ทั่วไป: เป็นรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าทั่วไปที่ทำงานด้วยกระแส AC หรือ DC ในช่วง 12 ถึง 230 โวลต์ และสามารถควบคุมกระแสได้ตั้งแต่ 2 ถึง 30 แอมป์
• รีเลย์สัญญาณ: รีเลย์สัญญาณใช้เพื่อควบคุมโหลดที่ใช้พลังงานต่ำ โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 2 แอมแปร์ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่บทความ "รีเลย์สัญญาณ – ทำความเข้าใจความรู้พื้นฐาน" ของ Same Sky
• รีเลย์กำลัง: รีเลย์กำลังได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อจัดการโหลดกำลังสูง ลดการสร้างความร้อนและลดการอาร์ค สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่บทความ "ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับรีเลย์กำลัง" ของ Same Sky
• รีเลย์ควบคุมเครื่องจักร: เป็นรีเลย์สำหรับงานหนักและทนทานซึ่งมีไว้สำหรับใช้ในงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่
• แลตชิ่งรีเลย์ : แลตชิ่งรีเลย์จะคงสภาพที่ตั้งไว้หรือรีเซ็ต (เปิดหรือปิด) จนกว่าจะได้รับสัญญาณแรงดันไฟฟ้ากลับด้าน
• รีดรีเลย์ : รีดรีเลย์มีขนาดกะทัดรัดและทำงานรวดเร็ว รีเลย์ชนิดนี้ใช้แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อควบคุมรีดสวิตช์ที่ปิดผนึกอย่างแน่นหนาตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป ทำให้เกิดการป้องกันสิ่งปนเปื้อนหรือความชื้นภายนอก
• ซีโรสวิตชิ่งรีเลย์: รีเลย์นี้จะเปิดโหลดเมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้าควบคุม และแรงดันไฟฟ้าโหลดใกล้กับศูนย์ โดยปิดโหลดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าควบคุม

รูปที่ 3: หลักการพื้นฐานของการซีโรสวิตชิ่งด้วยรีเลย์ (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

• พีคสวิตชิ่งรีเลย์: พีคสวิตชิ่งรีเลย์จะเปิดโหลดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าควบคุม และแรงดันไฟฟ้าโหลดอยู่ที่จุดสูงสุด โดยจะปิดโหลดเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าควบคุมและโหลดกระแสเข้าใกล้ศูนย์
• รีเลย์แบบ Instant ON: รีเลย์แบบ Instant ON จะใช้โหลดทันทีเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าพิคอัป
• รีเลย์หน่วงเวลา: รีเลย์หน่วงเวลามีตัวจับเวลาในตัวเพื่อควบคุมเหตุการณ์ตามเวลา
• รีเลย์สวิตชิ่งแบบแอนะล็อก: รีเลย์สวิตชิ่งแบบแอนะล็อกจะจัดการแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตตามฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าอินพุต ทำให้แรงดันเอาต์พุตไม่สิ้นสุดภายในพิกัดของรีเลย์
• รีเลย์จับคู่แสง: เหล่านี้เป็นรีเลย์โซลิดสเตตที่ให้การแยกระหว่างการควบคุมและวงจรไฟฟ้าโดยการสลับเพื่อตอบสนองต่อแหล่งกำเนิดแสงภายใน
• รีเลย์สำหรับทางทหาร/Hi-Rel: รีเลย์เหล่านี้ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเป็นพิเศษเพื่อให้ทำงานในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากและรุนแรง

รีเลย์สามารถจัดประเภทเพิ่มเติมได้เป็นแบบปกติเปิด (NO) โดยที่หน้าสัมผัสเปิดเมื่อวงจรไม่ได้รับพลังงาน หรือปกติปิด (NC) โดยที่หน้าสัมผัสจะปิดเมื่อวงจรไม่ได้รับพลังงาน สรุปแล้วโดยทั่วไปแล้วรีเลย์จะถูกระบุเป็น NO หรือ NC เมื่อไม่มีพลังงาน

พิกัดและการกำหนดค่า

รีเลย์กำหนดพิกัดตามความสามารถในการสวิตช์พลังงานไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์ได้อย่างปลอดภัย โดยพิกัดเหล่านี้แบ่งเป็นแบบ AC หรือ DC และโดยทั่วไปจะแสดงค่าเป็นแอมแปร์ พิกัดของรีเลย์จะต้องเท่ากับหรือมากกว่าอุปกรณ์ที่จะควบคุม

รีเลย์มีความสามารถในการควบคุมหลายวงจรพร้อมกันและการกำหนดให้มีการระบุคุณลักษณะเฉพาะของวงจรเหล่านั้น หากคุ้นเคยกับการขั้วและทาง การกำหนดเหล่านี้ได้แก่ SPST, DPDT, 3PDT และ SP3T

นอกจากจำนวนขั้วและทางแล้ว รีเลย์ยังสามารถอธิบายคุณลักษณะที่สำคัญได้โดยใช้คำว่า "ฟอร์ม (Form)" เช่น "1 Form A" หรือ "2 Form C" จะเน้นข้อมูลสำคัญสองส่วน ประเภทของแบบฟอร์มจะระบุว่าสวิตช์จะเป็นแบบปกติเปิดหรือปกติปิด และในกรณีของสวิตช์ SPDT ไม่ว่าจะเป็นสวิตช์แบบ "Break-Before-Make" หรือ "Make-Before-Break" โดยหมายเลข (1 หรือ 2) หน้า "Form" หมายถึงจำนวนหน้าสัมผัสที่พร้อมใช้งานภายในรีเลย์รูปแบบนั้น โดยรูปแบบส่วนหนึ่ง ได้แก่:

• Form A - ปกติเปิด
• Form B - ปกติปิด
• Form C - สวิตช์ SPDT แบบ Break-Before-Make
• Form D - สวิตช์ SPDT แบบ Make-Before-Break

สรุป

เนื่องจากการออกแบบที่เรียบง่ายและการทำงานที่เชื่อถือได้ รีเลย์จึงถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์และระบบในอุตสาหกรรมและในตลาดที่หลากหลาย แต่เดิมรีเลย์เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในระบบโทรเลข และมีส่วนช่วยในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ในช่วงแรกๆ และยังคงมีบทบาทสำคัญในปัจจุบัน ซึ่งทำให้มั่นใจในการควบคุมอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพจากสถานที่ห่างไกล

เพื่อตอบสนองความต้องการของวิศวกรสำหรับการสวิตช์กระแสไฟระดับต่ำหรือระดับสูง Same Sky จึงมีตัวเลือกที่ครอบคลุมรีเลย์กำลังและรีเลย์สัญญาณ ด้วยพิกัดและการกำหนดค่าที่หลากหลาย