วิธีการเลือกและใช้รีเลย์ไฟฟ้าเชิงกลเพื่อการสลับสัญญาณที่หลากหลายและเชื่อถือได้

การใช้งานต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์โทรคมนาคมและเครือข่าย, อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) และอุปกรณ์รักษาความปลอดภัย จำเป็นต้องมีการสวิตช์และกำหนดเส้นทางสัญญาณ DC, AC (แอนะล็อก) และความถี่วิทยุ (RF) ระดับต่ำถึงปานกลางเพียงสัญญาณเดียวหรือหลายสัญญาณได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้นเรื่อยๆ รีเลย์ไฟฟ้าแบบกล (EMR) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดการกับงานนี้

EMR มีประสิทธิภาพการเปิดและปิดที่โดดเด่น พร้อมกับการแยกอินพุต/เอาต์พุต และมีให้เลือกหลายรูปแบบ เพื่อความยืดหยุ่นและความหลากหลายของนักออกแบบ นอกจากนี้ รีเลย์ตัวเดียวสามารถรองรับสัญญาณประเภทต่างๆ (AC, DC, ความถี่ต่ำ, RF) ในอุปกรณ์เดียวกันได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มมูลค่าให้กับอุปกรณ์

ถึงแม้จะมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและมีการสัมผัสทางกายภาพ แต่ก็มีลักษณะเฉพาะครบถ้วนเนื่องจากมีประวัติการใช้งานที่ยาวนาน ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์นี้จึงเป็น "ผู้แก้ปัญหา" ที่เชื่อถือได้และใช้งานได้อย่างสม่ำเสมอได้นานหลายปี แม้ว่า EMR จะเป็นอุปกรณ์ที่ทนทานอย่างแท้จริง แต่ผู้ออกแบบจะต้องเลือกรีเลย์ที่เหมาะสม (ทั้งคอยล์และหน้าสัมผัส) และใช้ให้ถูกต้องเพื่อให้มั่นใจถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานที่สุด

บทความนี้จะกล่าวถึงประเภทและการใช้งานของรีเลย์สัญญาณโดยย่อ จากนั้นอธิบายวิธีการเลือกและนำ EMR ไปใช้โดยใช้ตัวอย่างจาก Omron Electronic Components

ประเภทรีเลย์และการแยกความแตกต่าง

EMR หมายถึงส่วนประกอบที่มีประเภทย่อยเฉพาะการใช้งานประเภทต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น รีเลย์ไฟฟ้ากำลังจะมีหน้าสัมผัสที่กำหนดไว้ที่อย่างน้อย 2 A ในขณะที่รีเลย์สัญญาณได้รับการออกแบบสำหรับกระแสไฟสัมผัสที่ต่ำกว่าค่าดังกล่าว

รีเลย์สัญญาณสามารถแบ่งได้เป็นสองกลุ่มคือ รีเลย์สัญญาณที่ไม่ใช่ RF และรีเลย์สัญญาณ RF แม้ว่ารีเลย์ทั้งหมดจะมีลักษณะเฉพาะตามพารามิเตอร์ความต่อเนื่องพื้นฐานและค่าสูงสุดของการควบคุมกระแสและแรงดันไฟฟ้า แต่รีเลย์ RF ยังมีลักษณะประสิทธิภาพเพิ่มเติมอีกด้วย ได้แก่:

• การแยก: สัญญาณความถี่สูงรั่วไหลผ่านความจุรบกวนระหว่างหน้าสัมผัส แม้ว่าหน้าสัมผัสจะแยกจากกันก็ตาม โดยการแยกมีหน่วยวัดเป็นเดซิเบล (dB)
• การสูญเสียการแทรกใส่: ณ ความถี่สูง สัญญาณรบกวนเกิดขึ้นเนื่องจากการเหนี่ยวนำภายใน, ความต้านทาน, และการสูญเสียทางไฟฟ้า รวมทั้งจากการสะท้อนเนื่องจากความไม่ตรงกันของค่าอิมพีแดนซ์ ซึ่งการสูญเสียการแทรกใส่มีวัดเป็น dB เช่นกัน
• อัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า (VSWR): เกิดจากการรบกวนที่ส่งผลดี/ส่งผลเสียระหว่างคลื่นสัญญาณอินพุตและสัญญาณสะท้อนใดๆ การวัดนี้เป็นตัวเลขที่ไม่มีหน่วยซึ่งระบุอัตราส่วนของค่ารูปคลื่นสูงสุดกับค่าต่ำสุด

การลดความซับซ้อนของรายการวัสดุ

รูปแบบของรีเลย์จะถูกกำหนดโดยจำนวนหน้าสัมผัสหรือขั้ว (P) และสถานะหน้าสัมผัสปกติเปิด/ปิด (เมื่อไม่ได้รับพลังงาน) (รูปที่ 1) อาจเป็นแบบปกติเปิด (NO) หรือแบบปกติปิด (NC) ก็ได้ การกำหนดค่าขั้วเดี่ยว (SP) และขั้วคู่ (DP) เป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุด แม้ว่าจะมีรีเลย์ที่มีขั้วสัมผัสมากขึ้นให้เลือกก็ตาม โดยเส้นทางไฟฟ้า (Throw, T) คือตำแหน่งสุดท้ายของตัวกระตุ้น

รูปที่ 1: แสดงรูปแบบหน้าสัมผัสและการกำหนดมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับ EMR หลายประเภท เส้นประในรีเลย์แบบฟอร์ม 2C บ่งชี้ว่าอาร์เมเจอร์ทั้งสองมีลิงก์ที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งจะเคลื่อนย้ายหน้าสัมผัสทั้งสองพร้อมกันเมื่อคอยล์รีเลย์ได้รับกระแสไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: Sealevel Systems, Inc.)

ความสามารถของ EMR ในการรองรับขั้วหลายขั้วและเส้นทาง NO/NC เน้นย้ำถึงวิธีการลดความซับซ้อนของวงจร ประหยัดพื้นที่บอร์ด ตัดรายการวัสดุ (BOM) และลดต้นทุน ซึ่งเหตุผลก็คือรีเลย์ตัวเดียวสามารถสลับเส้นทางวงจรหลายเส้นทางให้เป็นแบบเปิดทั้งหมด ปิดทั้งหมด หรือแบบผสมผสานทั้งสองแบบ ขึ้นอยู่กับการรูปแบบขั้วและเส้นทาง รีเลย์ตัวเดียวกันนี้สามารถสวิตช์สัญญาณทั้ง AC และ DC ได้ ช่วยให้สามารถทำงานพร้อมกันตามเส้นทางวงจรหลายเส้นทาง

ในบางกรณี EMR ที่มีคู่ขั้วพิเศษจะถูกใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรเสริม เช่น วงจร LED เพื่อระบุแก่ผู้ใช้ว่ารีเลย์ได้รับการจ่ายพลังงานและสร้างสถานะการติดต่อที่ต้องการแล้ว นอกจากนี้ นักออกแบบที่มีประสบการณ์บางคนใช้รีเลย์แบบสองขั้วสองทาง (DPDT) ในขณะที่สิ่งที่พวกเขาต้องการคือรีเลย์แบบหนึ่งขั้วสองทาง (SPDT) (รีเลย์ SPDT และ DPDT มีขนาดเท่ากันในหลายกรณี) ซึ่งช่วยให้มีคู่หน้าสัมผัสเผื่อไว้ "ในกรณีฉุกเฉิน" เพื่อแก้ไขปัญหาหรือข้อผิดพลาดที่พบในภายหลังการออกแบบ

G6J-2P-Y DC12 (รูปที่ 2) จาก Omron เป็นรีเลย์ DPDT (ฟอร์ม 2C) แบบบางพิเศษพร้อมคอยล์ 977 โอห์ม (Ω) และได้รับการออกแบบให้ขับเคลื่อนด้วย 12 V ที่ 12.3 mA โปรดทราบว่าในรุ่นอื่น ๆ ของตระกูลนี้ให้การจับคู่แรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าของคอยล์ที่แตกต่างกันถึง 24 V_DC เพื่อให้เข้ากันได้กับวงจรไดรฟ์หรือสถานการณ์เกือบทุกประเภท

รูปที่ 2: G6J-2P-Y DC12 เป็นรีเลย์ DPDT แบบบางพิเศษพร้อมคอยล์ 12 V, 12.3 mA เป็นส่วนหนึ่งของตระกูลรีเลย์ที่มีขนาดและค่าการสัมผัสเท่ากัน แต่มีการรวมแรงดันไฟ/กระแสไฟของคอยล์ที่ต่างกัน (แหล่งที่มาภาพ: Omron)

รีเลย์ขนาดเล็กนี้เหมาะสำหรับแผงวงจรพิมพ์ (พีซี) ความหนาแน่นสูง เนื่องจากมีขนาดเพียง 5.7 × 10.6 × 9 มิลลิเมตร (มม.) G6J-2P-Y DC12 มาพร้อมกับขั้วต่อแบบรูทะลุ แต่รุ่นที่เหมือนกันจะมีขั้วต่อแบบติดตั้งบนพื้นผิวแบบสั้นและยาวเพื่อความยืดหยุ่นสูงสุด หน้าสัมผัสของรีเลย์นี้และรีเลย์อื่นๆ ทั้งหมดในตระกูลนี้มีพิกัดที่รองรับได้ถึง 0.3 A ที่ 125 V_AC และ 1 A ที่ 30 V_DC

รีเลย์และ RF

การใช้งานรีเลย์ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการปิดหน้าสัมผัสแบบ "Dry" ธรรมดา หรือการจัดการแรงดันไฟ/กระแสไฟ DC และสัญญาณ AC ความถี่ต่ำเท่านั้น รุ่นบางรุ่นได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานความถี่สูงพิเศษ เช่น ATE

Omron G6K-2F-RF-V DC4.5 เป็นรีเลย์ DPDT ขนาดเล็กแบบติดตั้งบนพื้นผิวที่รองรับการสลับสัญญาณการส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล การสูญเสียการแทรกใส่สำหรับรีเลย์ขนาด 11.7 × 7.9 × 7.1 มม. มีค่าเท่ากับ 3 dB หรือต่ำกว่าที่ 8 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในความถี่ที่สูงขึ้นได้อีกด้วย ตามที่แผนภาพรูปตาแสดงไว้สำหรับสัญญาณต่างความถี่ 200 mV ที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 25 พิโควินาที (ps) (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: รีเลย์ DPDT แบบติดพื้นผิวขนาดเล็กรุ่น DC G6K-2F-RF-V ใช้การสวิตช์สัญญาณการส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับ 8 GHz ขึ้นไป ดังที่เห็นได้จากแผนภาพนี้ที่มีสัญญาณ 8.1, 10 และ 12.5 กิกะบิตต่อวินาที (Gbit/s) (แหล่งที่มาภาพ: Omron)

ประสิทธิภาพในช่วงความถี่ GHz นี้เป็นผลมาจากการออกแบบทางไฟฟ้าและทางกลที่รองรับสัญญาณเชิงอนุพันธ์ ซึ่งจะช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่พึงประสงค์ตามที่กำหนดโดยการแยก RF (ไม่เกี่ยวข้องกับการแยกกัลวานิก) การสูญเสียการแทรกใส่ และ VSWR (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: รีเลย์กิกะเฮิรตซ์ G6K-2F-RF-V ใช้การออกแบบแบบแยกส่วนซึ่งช่วยลดปัญหาด้านเค้าโครงทางกายภาพของแผงวงจร และลดผลกระทบเชิงลบของเค้าโครงนั้นต่อประสิทธิภาพ RF ให้เหลือน้อยที่สุด (แหล่งที่มาภาพ: Omron)

รีเลย์ใช้เค้าโครงภายในขั้นสูงที่ทำให้เค้าโครงบอร์ด PC ง่ายขึ้นและขจัดความจำเป็นในการกำหนดเส้นทางสัญญาณหลายชั้นที่ซับซ้อนบนบอร์ดซึ่งทำให้ประสิทธิภาพ RF ลดลง การใช้เคสเรซินแทนเคสโลหะช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาที่พินโพรบลัดวงจรผ่านเคสโลหะ และทำให้บอร์ดและชิ้นส่วนเสียหายได้ในขณะที่ตรวจสอบการติดตั้งรีเลย์

รีเลย์และการใช้พลังงาน

การใช้พลังงานถือเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในวงจรและระบบเกือบทั้งหมด กำหนดขนาดของแหล่งจ่าย ส่งผลต่อระยะเวลาการทำงานของการออกแบบที่ใช้แบตเตอรี่ และความร้อนที่เกี่ยวข้องส่งผลต่อประสิทธิภาพความร้อน ซึ่งส่งผลต่อรีเลย์ที่ไม่มีการล็อกแบบดั้งเดิม โดยที่คอยล์จะต้องยังคงจ่ายไฟอยู่ตลอดเวลาที่ต้องการจ่ายไฟให้กับรีเลย์

สถาปัตยกรรมทางเลือกสำหรับการออกแบบเปิด/ปิดพื้นฐาน (เรียกอย่างเป็นทางการว่า Single-side Stable) จะแก้ไขข้อกังวลนี้ รีเลย์แบบล็อค (เรียกอีกอย่างว่ารีเลย์เก็บพลังงาน) ได้รับการออกแบบเพื่อให้เมื่อมีกระแสไฟเข้ามา รีเลย์จะยังคงอยู่ในตำแหน่งนั้นต่อไป แม้ว่าขดลวดจะถูกตัดไฟไปแล้วก็ตาม

มีหลายวิธีในการใช้งานฟังก์ชันการล็อค โดย G6JU-2P-Y DC3 และรุ่นอื่น ๆ ในตระกูลนี้ใช้เทคนิคการล็อกแบบม้วนเดียว ซึ่งพัลส์อินพุต “เซ็ต” ทำให้สภาพการทำงานได้รับการรักษาไว้โดยผ่านแม่เหล็กถาวรที่อยู่ติดกัน พัลส์อินพุต "รีเซ็ต" (อินพุตที่มีขั้วกลับของอินพุตที่ตั้งไว้) จะทำให้รีเลย์อยู่ในสถานะปลดล็อก

รีเลย์และความน่าเชื่อถือ

รีเลย์มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและมีหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า ดังนั้นจึงถือเป็นเรื่องปกติที่จะถือว่ารีเลย์จะไม่น่าเชื่อถือหลังจากเปิด/ปิดไปจำนวนหนึ่ง อย่างไรก็ตาม นั่นไม่ใช่สิ่งที่น่ากังวล

ประการแรก ผลกระทบที่แตกต่างกันของการเปิดและปิดหน้าสัมผัสเมื่อมีการจ่ายไฟ AC เทียบกับ DC ที่ระดับต่างๆ นั้นเข้าใจเป็นอย่างดี และมีการระบุอย่างละเอียดในเอกสารข้อมูลของรีเลย์ การสึกหรอจากการสัมผัสก่อนเวลาอันควรไม่ควรเป็นปัญหาหากเป็นไปตามเงื่อนไขที่กำหนด

สิ่งที่มีความสำคัญเท่าเทียมกันก็คือประสบการณ์การใช้งานหลายทศวรรษ ประสบการณ์กับหน่วยงานที่นับไม่ถ้วนในภาคสนาม การวิจัยและการพัฒนาทางโลหะวิทยา การสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์ การทดสอบอายุการใช้งานที่ควบคุม การปรับปรุงการผลิตและการผลิต และปัจจัยทางเทคนิคอื่นๆ ได้เปลี่ยนการออกแบบและการผลิตคอยล์และหน้าสัมผัสให้กลายเป็นกระบวนการและเป็นส่วนประกอบที่ได้ผลลัพธ์ที่เข้าใจได้ดี ครบถ้วนสมบูรณ์ และซับซ้อน

ความทนทานของรีเลย์เกี่ยวข้องกับความทนทานของหน้าสัมผัสและคอยล์ ความทนทานของคอยล์เริ่มต้นด้วยค่ามาตรฐาน 40,000 ชั่วโมง เนื่องจากคุณสมบัติของฉนวนลดลงเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดถูกจ่ายไปยังคอยล์อย่างต่อเนื่อง หากการใช้รีเลย์ไม่ต่อเนื่อง ความทนทานของคอยล์จะยาวนานขึ้นมาก

ความทนทานยังได้รับการประเมินโดยปัจจัยสองประการที่มักระบุไว้ในเอกสารข้อมูล:

• ความทนทานทางกลคือจำนวนครั้งที่รีเลย์สามารถเปิดและปิดหน้าสัมผัสโดยไม่มีโหลด โดยคำนึงถึงความผิดปกติและลักษณะเฉพาะทางกล
• ความทนทานทางไฟฟ้าคือจำนวนครั้งที่รีเลย์สามารถเปิดและปิดหน้าสัมผัสด้วยโหลดที่กำหนด (เช่น 125 V_AC , 0.3A / 30V_DC , 1 A)

หน้าสัมผัสรีเลย์มีการกำหนดค่าที่แตกต่างกันโดยมีระดับความน่าเชื่อถือในระยะยาวที่เพิ่มมากขึ้น ได้แก่ หน้าสัมผัสเดี่ยว หน้าสัมผัสคู่ และหน้าสัมผัสคู่แบบคานขวาง (รูปที่ 5) การออกแบบของหน้าสัมผัสแบบแท่งขวางช่วยให้มีความต้านทานการสัมผัสที่เสถียรเป็นพิเศษและลดความล้มเหลวของการสัมผัสให้เหลือน้อยที่สุด รีเลย์ในตระกูล G6J-2P-Y มีคานขวางแบบแยกสองแฉก (คล้ายกับหน้าสัมผัสคานขวางแบบแฝด) พร้อมหน้าสัมผัสเงินชุบด้วยโลหะผสมทองคำ

รูปที่ 5: หน้าสัมผัสรีเลย์ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาจากหน้าสัมผัสแบบเดี่ยวพื้นฐานไปเป็นหน้าสัมผัสแบบคู่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ซึ่งมีสมรรถนะที่สม่ำเสมอและความต้านทานหน้าสัมผัสที่เสถียร (แหล่งที่มาภาพ: Omron)

ความน่าเชื่อถือที่ชัดเจนของรีเลย์เหล่านี้ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานต่าง ๆ ที่เวลาหยุดทำงานหรือการหยุดชะงักของบริการไม่สามารถยอมรับได้ หรือประสิทธิภาพของรีเลย์เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญต่อภารกิจ

สรุป

EMR เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการแก้ไขปัญหาในระบบต่างๆ ในปัจจุบัน โดยทำหน้าที่จัดการและแก้ไขปัญหาเส้นทางสัญญาณต่างๆ มากมาย อุปกรณ์เหล่านี้ให้คุณลักษณะการจัดการสัญญาณที่เป็นเอกลักษณ์และไม่สามารถทดแทนได้ ประสิทธิภาพที่กำหนดไว้ชัดเจน และความน่าเชื่อถือในระยะยาว รีเลย์สัญญาณมีไว้สำหรับ DC ความถี่ต่ำ และแม้แต่ RF ในช่วง GHz จึงทำให้การใช้งานมีขอบเขตกว้างขึ้น