พาวเวอร์รีเลย์ – ความเข้าใจพื้นฐาน

รีเลย์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่ควบคุมการทำงานของสวิตช์อื่นๆ ภายในวงจรไฟฟ้าเป็นหลัก โดยใช้สัญญาณอินพุตพลังงานต่ำสั่งวงจรที่มีกำลังสูงกว่า การใช้สัญญาณพลังงานต่ำของรีเลย์จะกระตุ้นให้เกิดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อให้อาร์เมเจอร์เคลื่อนที่ โดยการเคลื่อนที่นี้จะทำให้หน้าสัมผัสทางไฟฟ้าปิดลง ซึ่งจะช่วยในการส่งพลังงานไปยังวงจรควบคุม

ข้อดีอย่างยิ่งประการหนึ่งของการออกแบบนี้คือความสามารถในการแยกสัญญาณควบคุมพลังงานต่ำออกจากวงจรพลังงานสูงกว่า การแยกส่วนนี้ไม่เพียงแต่ปกป้องผู้ปฏิบัติงานจากอันตรายที่อาจเกิดขึ้น แต่ยังป้องกันอุปกรณ์จากความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นอีกด้วย นอกจากนี้การตั้งค่าแบบนี้นี้ยังช่วยในการควบคุมอุปกรณ์หรือระบบจากระยะไกล ทำให้สามารถดำเนินการจากระยะไกลได้

ต้นกำเนิดของรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้ามีประวัติย้อนกลับไปในปี 1835 และถึงแม้จะมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านส่วนประกอบและความหลากหลายตลอดหลายปีที่ผ่านมา แต่ยังคงฟังก์ชันพื้นฐานของรีเลย์ไว้ หนึ่งในรีเลย์ที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในประวัติศาสตร์คือรีเลย์กำลัง แม้ว่ารีเลย์ไฟฟ้าทั้งหมดจะควบคุมกำลังไฟฟ้า แต่รีเลย์ทั้งหมดนั้นไม่ได้ถูกเรียกว่า "รีเลย์กำลัง" อย่างถูกต้อง บทความนี้จะพิจารณารีเลย์กำลังให้ละเอียดยิ่งขึ้น รวมถึงประโยชน์ การกำหนดค่า และเกณฑ์การคัดเลือกที่สำคัญ

พื้นฐานพาวเวอร์รีเลย์

รีเลย์กำลังเป็นที่รู้จักในการจัดการการสวิตชิ่งกระแสในระดับสูง ตั้งแต่หลายแอมป์ไปจนถึงค่าที่สูงกว่ามาก โครงสร้างที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นและขนาดที่ขยายใหญ่ขึ้นช่วยให้หน้าสัมผัสรีเลย์กำลังทนต่อกระแสขนาดใหญ่ ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟโดยทั่วไปที่เกิน 10 แอมป์

พบการใช้งานที่เพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ครอบคลุมถึงระบบยานยนต์ การควบคุมลิฟต์ แอคชูเอเตอร์วาล์ว และอุปกรณ์ต่างๆ ที่มีลักษณะของกระแสไฟเริ่มต้นกระชากสูง เช่น มอเตอร์ โซลินอยด์ อุปกรณ์จ่ายไฟ และบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์

เช่นเดียวกับอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ รีเลย์มีข้อจำกัดโดยธรรมชาติเกี่ยวกับกำลังที่สามารถจัดการได้อย่างปลอดภัย แต่ละรุ่นได้รับการกำหนดอัตรากำลังสูงสุด เพื่อให้มั่นใจว่าจับคู่กับโหลดที่หลากหลายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตั้งแต่อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น หลอดไฟ ไปจนถึงเครื่องจักรที่แข็งแกร่ง เช่น มอเตอร์ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม พิกัดกำลังเกินที่กำหนดอาจทำให้รีเลย์เกิดความเสียหายถาวรได้

นอกจากนี้ การจัดวางที่ไม่ตรงของหน้าสัมผัสอาจทำให้เกิดอาร์คของหน้าสัมผัส โดยมีลักษณะของกระแสไหลผ่านช่องว่างอากาศระหว่างหน้าสัมผัสรีเลย์เมื่อเปิดอยู่แต่อยู่ใกล้กัน ปรากฏการณ์นี้ก่อให้เกิดความเสี่ยงนอกเหนือจากประกายไฟและการเกิดความร้อน รวมถึงการกัดเซาะของหน้าสัมผัสและการรบกวนทางไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่ออุปกรณ์ใกล้เคียง

รูปที่ 1: อาร์คหน้าสัมผัสรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

รีเลย์กำลังออกแบบมาเพื่อรับมือกับโหลดทางไฟฟ้าของอุปกรณ์กระแสสูงโดยเฉพาะ เช่น เครื่องทำความร้อน มอเตอร์ แผงไฟ และอุปกรณ์อุตสาหกรรม โดยพิกัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นของรีเลย์กำลังส่วนใหญ่เกิดจากการใช้วัสดุหน้าสัมผัสสวิตช์ที่แตกต่างจากวัสดุในรีเลย์ทั่วไป วัสดุเหล่านี้ได้รับการคัดเลือกเนื่องจากความสามารถในการทนทานต่อความเข้มงวดของการใช้งานที่มีกำลังสูง ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้และอายุการใช้งานที่ยาวนานในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการทางอุตสาหกรรม

วัสดุหน้าสัมผัสรีเลย์กำลัง

เมื่อกระแสไหลผ่านหน้าสัมผัสรีเลย์ จะพบกับความต้านทาน ซึ่งเป็นปัจจัยขึ้นอยู่กับขนาดและองค์ประกอบของวัสดุของหน้าสัมผัส ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นไม่เพียงแต่ขยายกำลังที่กระจายไปภายในรีเลย์เท่านั้น แต่ยังเพิ่มการสร้างความร้อนอีกด้วย วิธีหนึ่งในการลดความต้านทานต่อการสัมผัสคือการเลือกวัสดุสัมผัสอย่างระมัดระวัง

โดยทั่วไปแล้วรีเลย์ทั่วไปจะมีหน้าสัมผัสที่สร้างขึ้นจากนิกเกิลเงิน ซึ่งเป็นโลหะที่มีชื่อเสียงในด้านความแพร่หลายทางประวัติศาสตร์ในการสร้างรีเลย์ หน้าสัมผัสนิกเกิลเงินเป็นเลิศในการสวิตช์โหลดความต้านทาน โดยที่กระแสและแรงดันไฟฟ้าอยู่ในเฟสซึ่งกันและกัน

ในทางกลับกัน รีเลย์ที่ออกแบบมาสำหรับโหลดที่สูงกว่า เช่น รีเลย์กำลัง เลือกใช้หน้าสัมผัสที่ทำจากวัสดุ เช่น ซิลเวอร์แคดเมียมออกไซด์ ซิลเวอร์ดีบุกออกไซด์ หรือโลหะผสมทอง ซึ่งวัสดุเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดการโหลดแบบเหนี่ยวนำ ซึ่งมีลักษณะของกระแสและแรงดันไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส ซึ่งอาจส่งผลให้กระแสหรือแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงขึ้นอย่างมาก หน้าสัมผัสซิลเวอร์แคดเมียมออกไซด์และซิลเวอร์ทินออกไซด์มีความต้านทานไฟฟ้าลดลง และลดความเสี่ยงของการเชื่อมแบบสัมผัสที่เกิดจากกระแสพุ่งสูง การนำซิลเวอร์ทินออกไซด์มาใช้จะหลีกเลี่ยงความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับโลหะผสมที่มีแคดเมียมเป็นส่วนประกอบหลัก ดังนั้นจึงสอดคล้องกับมาตรฐานด้านกฎระเบียบที่บางประเทศยึดถือ

รีเลย์กำลังเปรียบเทียบกับรีเลย์สัญญาณ

รีเลย์ไฟฟ้าและรีเลย์สัญญาณ เป็นตัวแทนของรีเลย์สองประเภทยอดนิยมในหมู่รีเลย์ แม้ว่ารีเลย์กำลังจะให้ความสำคัญกับการจัดการแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น แต่โดยทั่วไปแล้วรีเลย์กำลังจะมีอายุการใช้งานน้อยกว่า ในทางกลับกัน รีเลย์สัญญาณได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อให้มีจำนวนรอบอายุการใช้งานที่สูงขึ้น แต่ทำงานโดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและกระแสไฟฟ้าที่น้อยที่สุด

วัสดุหน้าสัมผัสที่ใช้ในรีเลย์กำลัง แม้ว่าจะเชี่ยวชาญในการจัดการสถานการณ์ที่มีกำลังไฟสูง แต่ก็ไม่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสวิตช์พลังงานต่ำ สิ่งนี้เกิดขึ้นจากข้อเท็จจริงที่ว่าที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า การเชื่อมต่อทางกายภาพระหว่างหน้าสัมผัสถือว่ามีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยถูกกำหนดโดยปัจจัยต่างๆ เช่น แรงกดของหน้าสัมผัสและความสะอาด มากกว่าวัสดุที่หน้าสัมผัส

นอกจากนี้ การใช้รีเลย์สัญญาณในการใช้งานด้านพลังงานยังมีความเสี่ยง ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวร้ายแรงเนื่องจากแรงดันไฟเกินหรือกระแสไฟเกิน แม้ว่ารีเลย์ดังกล่าวจะยังคงใช้งานได้ แต่ก็ขาดคุณสมบัติที่สำคัญ เช่น การป้องกันอาร์คและการทำความสะอาดตัวเองของหน้าสัมผัส ส่งผลให้ความน่าเชื่อถือในระยะยาวลดลง

ในกระบวนการตัดสินใจระหว่างรีเลย์กำลังและรีเลย์สัญญาณ การยึดมั่นในแนวทางพื้นฐานเป็นสิ่งสำคัญ โดยจับคู่ระดับกำลังไฟฟ้าที่ใช้สวิตช์กับพิกัดกำลังของรีเลย์เสมอ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพสูงสุด ลดความเสี่ยงของความล้มเหลว และรักษาความสมบูรณ์ของรีเลย์และระบบที่เกี่ยวข้อง สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับรีเลย์สัญญาณได้ในบทความอื่น ๆ ของ Same Sky ที่มีชื่อว่ารีเลย์สัญญาณ – การทำความเข้าใจพื้นฐาน

ประเภทรีเลย์กำลัง

รีเลย์กำลังมีให้เลือกสองประเภทหลักเช่นเดียวกับรีเลย์ทั่วไป: ระบบเครื่องกลไฟฟ้าและโซลิดสเตต

โดยรีเลย์กำลังเครื่องกลไฟฟ้าอาศัยการรวมกันของขดลวดไฟฟ้า สนามแม่เหล็ก สปริง อาร์เมเจอร์แบบเคลื่อนที่ได้ และหน้าสัมผัสเพื่อควบคุมการส่งกำลังไปยังอุปกรณ์

ในทางกลับกัน โซลิดสเตตรีเลย์ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว แต่จะใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วยซิลิคอน (SCR), TRIAC (ไตรโอดสำหรับกระแสสลับ) หรือการสวิตช์ทรานซิสเตอร์เพื่อการสวิตช์ทั้งกระแส AC และ DC โดยโซลิดสเตตรีเลย์มีข้อได้เปรียบ เช่น ความเร็วในการสวิตชิ่งที่เร็วขึ้นและความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ความคุ้มทุนจะลดลงเมื่อกำลังเพิ่มขึ้น เนื่องจากต้นทุนที่สูงขึ้นที่เกี่ยวข้องกับเซมิคอนดักเตอร์กำลังที่แข็งแกร่งและการใช้ส่วนประกอบการจัดการความร้อนเพิ่มเติม

รูปที่ 2: ตัวอย่างโซลิดสเตตรีเลย์รวมกับแผงระบายความร้อน (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

การกำหนดค่าและพิกัดทั่วไป

รีเลย์กำลังนั้นเหมือนกับรีเลย์ที่ไม่จ่ายไฟ จะถูกจัดหมวดหมู่ตามการกำหนดค่าหน้าสัมผัส ซึ่งระบุจำนวนอุปกรณ์ที่สามารถควบคุมได้พร้อมกัน การจำแนกประเภททั่วไป ได้แก่ :

• SPST (ขั้วเดี่ยว ทางเดี่ยว)
• DPDT (สองขั้ว สองทาง)
• 3PDT (สามขั้ว สามทาง)
• SP3T (ขั้วเดียว สามทาง)

หน้าสัมผัสรีเลย์ถูกกำหนดให้เป็นแบบปกติเปิด (NO) หรือแบบปกติปิด (NC) ขึ้นอยู่กับสถานะเมื่อไม่มีการจ่ายไฟให้กับรีเลย์

พิกัดของรีเลย์แสดงถึงกำลังสูงสุดที่รีเลย์สามารถสวิตช์ได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ โดยทั่วไปการกำหนดค่าพิกัดเหล่านี้จะแสดงเป็นแอมแปร์สำหรับกระแส AC และ DC ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่พิกัดของรีเลย์จะต้องเกินพิกัดของอุปกรณ์ที่กำลังเปลี่ยน โดยคำนึงถึงความปลอดภัยด้วย

เช่นเดียวกับรีเลย์ที่ไม่มีกำลังไฟ รีเลย์กำลังสามารถอธิบายได้โดยใช้คำว่า "ฟอร์ม" เช่น "1 ฟอร์ม A" หรือ "2 ฟอร์ม C" ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณลักษณะของรีเลย์ ตัวเลขที่อยู่ข้างหน้า "ฟอร์ม" ระบุจำนวนหน้าสัมผัสในรีเลย์ "ฟอร์ม A" หมายถึงรีเลย์ปกติเปิด ในขณะที่ "ฟอร์ม B" หมายถึงรีเลย์ปกติปิด "ฟอร์ม C" และ "ฟอร์ม D" ใช้กับรีเลย์ SPDT ซึ่งระบุตำแหน่งที่ถือว่าปกติปิด และรีเลย์เป็นแบบ Break-before-make หรือ Make-before-break ตามลำดับ แม้ว่าจะมีรูปแบบอื่นๆ อีกมากมาย แต่รูปแบบทั้ง 4 นี้เป็นรูปแบบที่ใช้กันมากที่สุด

• ฟอร์ม A – ปกติเปิด
• ฟอร์ม B – ปกติปิด
• ฟอร์ม C – สวิตช์ SPDT แบบ Break-before-make
• ฟอร์ม D – สวิตช์ SPDT แบบ Make-before-break

ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติม

ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติมบางประการที่ต้องคำนึงถึงระหว่างการเลือกอุปกรณ์ ได้แก่:

• ไฟกระชากในอินพุต: อุปกรณ์บางอย่างอาจทำให้เกิดไฟกระชากอย่างมากในระหว่างการเริ่มต้นระบบ การกำหนดไฟกระชากเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญก่อนที่จะเลือกรีเลย์เพื่อป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์
• การป้องกันไฟกระชากที่คอยล์: การหมุนเวียนของรีเลย์สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าแรงสูงได้ การป้องกันไฟกระชากที่คอยล์เกี่ยวข้องกับการใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมในวงจรเพื่อปกป้องอุปกรณ์จากภาวะชั่วคราวเหล่านี้ อย่างไรก็ตามอาจเป็นการลดอายุการใช้งานของรีเลย์ได้ จึงควรพิจารณาว่าการป้องกันไฟกระชากที่คอยล์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการหรือไม่
• แลทชิ่ง: แลทชิ่งรีเลย์จะคงตำแหน่งหน้าสัมผัสสุดท้ายไว้ แม้ว่าจะไม่มีการจ่ายไฟ คุณสมบัตินี้อาจจำเป็นในบางการใช้งาน
• สัญญาณรบกวน: รีเลย์สามารถสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หรือสัญญาณรบกวนคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) ซึ่งมีความชัดเจนยิ่งขึ้นในอุปกรณ์กำลังสูง ควรตรวจสอบความไวของอุปกรณ์หรือระบบต่อสัญญาณรบกวนนี้ล่วงหน้า
• การเด้งกลับของหน้าสัมผัส: ในรอบการทำงานรีเลย์ หน้าสัมผัสอาจมีวงจรเปิด/ปิดสั้นๆ เรียกว่าการเด้งกลับของหน้าสัมผัส ซึ่งสร้างพัลส์ไฟฟ้า การเด้งกลับนี้อาจก่อให้เกิดผลที่ไม่พึงประสงค์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความไวของการใช้งาน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาว่าการเด้งกลับของหน้าสัมผัสจะส่งผลกระทบหรือไม่ ก่อนที่จะเลือกรีเลย์

รูปที่ 3: ตัวอย่างการเด้งกลับของหน้าสัมผัสและแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (แหล่งที่มาภาพ: Same Sky)

สรุป

รีเลย์เป็นอุปกรณ์ที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ ซึ่งให้การควบคุมทางไฟฟ้าของระบบและอุปกรณ์ต่างๆ อย่างปลอดภัย ขณะเดียวกันก็ทำให้ผู้ปฏิบัติงานห่างจากกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานอย่างปลอดภัย โดยรีเลย์กำลัง ไม่ว่าจะเป็นระบบเครื่องกลไฟฟ้าหรือโซลิดสเตตล้วนได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเป็นพิเศษพร้อมคุณสมบัติที่ได้รับการปรับปรุงเพื่อจัดการแรงดันไฟฟ้าและกระแสที่สูงขึ้น

ในขณะที่นักออกแบบประเมินความต้องการในการเปลี่ยนพลังงานของผลิตภัณฑ์ของตน Same Sky ก็พร้อมนำเสนอรีเลย์กำลังและรีเลย์สัญญาณที่หลากหลาย ไม่ว่าจะจัดการการสวิชต์กระแสระดับต่ำหรือระดับสูง Same Sky ก็มีโซลูชั่นรีเลย์ เพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผล