Elektronischer Relaisschaltkreis – NPN-, PNP-, N- und P-Kanal-Relaisschalter

Schaltplan des elektronischen Relaisschalters und seine Funktionsweise

Es gibt eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Geräte, die als Ausgang klassifiziert werden Geräte solche Geräte werden verwendet, um einen externen physikalischen Prozess einer Maschine oder eines Geräts zu steuern oder zu betreiben. Diese Ausgabegeräte werden allgemein als Aktoren bezeichnet.

Diese Aktuatoren wandeln die elektrische Energie in eine physikalische Einheit namens Kraft, Geschwindigkeit usw. um. Ein Relais ist im Grunde ein binärer Aktuator mit zwei stabilen Zuständen. In diesem Artikel werden wir die Details der Relaisschaltkreise besprechen , es entwirft und verfügt über.

Was sind elektrische Relais?

Dies sind elektrisch betriebene Schalter, die es in verschiedenen Formen, Größen und Nennleistungen gibt. Elektrische Relais eignen sich für nahezu alle Arten von Anwendungen. Relais können einzelne oder mehrere Kontakte in einem einzigen Paket haben. Die größeren Leistungsrelais werden hauptsächlich für Netzspannungs- oder Hochstrom-Schaltanwendungen verwendet, die als „Schütze“ bezeichnet werden. Sehen wir uns die Klassifikationen von Relay an.

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Die elektrischen Relais werden grundsätzlich in zwei Unterkategorien unterteilt, nämlich:

Elektromechanische Relais:

Wie der Name schon sagt, sind elektromechanische Relais elektromagnetisch Geräte. Grundsätzlich wandelt es einen magnetischen Fluss, der durch das Anlegen eines elektrischen Steuersignals erzeugt wird, in eine ziehende mechanische Kraft um, die die elektrischen Kontakte innerhalb des Relaisschalters betätigt. Die einfachste und gebräuchlichste Form von elektrochemischen Relais besteht aus einer Erregerspule, die um einen durchlässigen Eisenkern gewickelt ist. Diese Erregerspule wird auch als Primärkreis bezeichnet.

Elektrochemische Relais werden in der allgemeinen elektrischen und elektronischen Steuerung verwendet oder Schaltkreise . Diese werden entweder direkt auf Leiterplatten montiert oder freistehend angeschlossen. In freistehender Konfiguration funktionieren die Lastströme normalerweise mit einem Ampere.

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Aufbau eines elektromechanischen Relais

Relais werden in zwei Modi konfiguriert, nämlich „normalerweise offen“ oder „normalerweise geschlossen“. Ein Kontaktpaar wird als Normally Open (NO) oder Schließerkontakte bezeichnet und ein anderes Paar, das als Normally Closed (NC) oder Öffnerkontakte bezeichnet wird.

In der normalerweise „offenen“ Position sind die Kontakte jetzt nur geschlossen, wenn der Feldstrom „EIN“ ist. In der normalen „EIN“-Position werden die Schaltkontakte zur Induktionsspule gezogen. Einer der wichtigeren Teile eines jeden elektrischen Relais ist die Spule. Diese Spule wandelt elektrischen Strom in einen elektromagnetischen Fluss um. Diese Magnetflüsse werden verwendet, um die Relaiskontakte mechanisch zu betätigen. Das größte Problem bei Relaisspulen ist, dass sie „hochinduktive Lasten“ sind. Die Relaisspule besteht im Allgemeinen aus Drahtspulen.

Wenn der Strom durch die Spule fließt, wird das selbstinduzierte Magnetfeld um sie herum erzeugt. Wenn der Strom in der Spule „AUS“ geschaltet wird, wird eine große Gegen-EMK-Spannung erzeugt. Dies liegt an der Kollision des Magnetflusses mit der Spule. Der Wert der induzierten Sperrspannung ist im Vergleich zur Schaltspannung sehr hoch. Diese Spannung ist in der Lage, jedes Halbleiterbauelement wie Transistoren, FETs oder Mikrocontroller, die zum Betrieb des Relais verwendet werden, zu beschädigen.

Hinweis: Diese Bedingungen “ Normalerweise offen“ und „Normalerweise geschlossen“ oder Schließer und Öffner beziehen sich auf den Zustand der elektrischen Kontakte, wenn die Relaisspule „stromlos“ ist, d. h. keine Versorgungsspannung an der Relaisspule anliegt.

Ein wichtiger Punkt, den Sie bei der Verwendung elektrischer Relais beachten sollten, ist, dass „es nicht ratsam ist, Relaiskontakte parallel zu schalten, um höhere Lastströme zu handhaben“. Ex- Versuchen Sie niemals, eine 10-A-Last mit zwei parallel geschalteten Relaiskontakten zu versorgen, die jeweils 5 A Kontaktnennwerte haben.

Relaiskontakte bestehen aus leitfähigen Teilen, die es dem Strom ermöglichen, durch sie zu fließen, wenn sie in Kontakt kommen. Sie sind wie ein Schalter aufgebaut. Sobald die Kontakte geöffnet sind, wird der Widerstand zwischen den Kontakten sehr hoch. Dies führt zu einem offenen Stromkreis und es fließt kein Strom durch das Relais.

Nach einiger Zeit nutzen sich die beweglichen Teile des elektrochemischen Relais ab und fallen aus, oder die ständige Lichtbogenbildung und Erosion können das Relais unbrauchbar machen. Außerdem sind sie elektrisch verrauscht, da die Kontakte unter Kontaktprellen leiden, das den elektrischen Schaltkreis beeinträchtigen könnte, mit dem sie verbunden sind. Um die Schwierigkeit dieses Relais zu überwinden, wurde ein anderer Relaistyp entwickelt, der als Halbleiterrelais bezeichnet wird.

Halbleiterrelais:

Das Halbleiterrelais hat keine beweglichen Teile. Es handelt sich um ein rein elektronisches Gerät. Dieser Relaistyp enthält keine beweglichen Teile, da die mechanischen Kontakte durch Leistungstransistoren, Thyristoren oder Triacs ersetzt werden.

Das Fehlen beweglicher Teile macht das Relais äußerst zuverlässig, langlebig und reduziert elektromagnetische Interferenzen. Dadurch wird das Festkörperrelais im Vergleich zum herkömmlichen elektromechanischen Relais viel schneller und genauer. Die Anforderungen an die Eingangsleistung des Halbleiterrelais zur Steuerung sind im Allgemeinen niedrig genug, um sie mit den meisten IC-Familien kompatibel zu machen.

Da das Ausgangsschaltgerät eines Halbleiterrelais ein Halbleitergerät ist, fällt die Spannung an den Ausgangsanschlüssen eines Halbleiterrelais ab, wenn „EIN“ im Vergleich dazu viel höher ist des elektromechanischen Relais. Typischerweise liegt sie zwischen 1,5 – 2,0 Volt. Um große Ströme über einen längeren Zeitraum zu schalten, ist ein zusätzlicher Kühlkörper erforderlich.

Sie können sie verwenden, ohne Treiber oder Verstärker hinzufügen zu müssen. Sie müssen jedoch auf einer geeigneten Kühlplatte oder einem geeigneten Material montiert werden, um zu verhindern, dass die Ausgangsschalt-Halbleitervorrichtung überhitzt, da sie eine Halbleitervorrichtung ist. Das Design und die Art des Relaisschaltkreises ist ziemlich groß. Ein Relais soll wie ein einfacher Schalterkreis einen oder mehrere Pole schalten. Jeder Pol des Relais hat Kontakte, die auf drei verschiedene Arten geschaltet werden können:

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Verschiedene Möglichkeiten, wie ein Relay geworfen werden kann:

• Schließer (NO):Dies wird auch als Schließer bezeichnet. Dieser Kontakt schließt den Stromkreis, wenn das Relais aktiviert wird. Es trennt den Stromkreis, wenn das Relais inaktiv ist.
• Normalerweise geschlossener Kontakt (NC):Dies wird als Öffnerkontakt bezeichnet. Die Funktion ist der des Schließers entgegengesetzt. Wenn das Relais aktiviert wird, wird der Stromkreis dadurch getrennt. Wenn das Relais deaktiviert ist, beginnt die Schaltung, sich zu verbinden.
• Wechsler (CO) / Umschalter (DT) Kontakte:Sie werden verwendet, um einen Schließerkontakt und einen Öffnerkontakt mit einer gemeinsamen Klemme zu steuern. Das heißt, sie werden verwendet, um zwei Arten von Schaltungen zu steuern. Entsprechend ihrer Art heißen sie „break before make“ und „make before break“ Kontaktnamen.

Wichtig:

Relais sind für zwei grundlegende Operationen ausgelegt. Einer ist für Niederspannungsanwendungen und der andere für Hochspannungsanwendungen. Für Niederspannungsanwendungen wurde das Relais entwickelt, um das Rauschen der gesamten Schaltung zu reduzieren. Für Hochspannungsanwendungen sind sie hauptsächlich darauf ausgelegt, das Lichtbogenphänomen zu reduzieren

Einige der gebräuchlichen Möglichkeiten, Relais zu schalten:

Eingangs-Ausgangs-Schnittstellenmodul-Relais:E/A-Module) sind eine andere Art von Halbleiterrelais, die speziell für die Verbindung von Geräten wie Computern, Mikrocontrollern oder PICs mit Lasten und Schaltern entwickelt wurden . Auf dem Markt sind grundsätzlich vier Arten von E/A-Modulen erhältlich.

Dies sind AC- oder DC-Eingangsspannung zu TTL- oder CMOS-Logikpegelausgang und TTL- oder CMOS-Logikeingang zu einer AC- oder DC-Ausgangsspannung. Jedes der Module enthält alle notwendigen Schaltungen, um eine vollständige Schnittstelle und Isolierung in einem Gerät bereitzustellen. Sie sind als einzelne Solid-State-Module oder integriert in 4-, 8- oder 16-Kanal-Geräten auf dem Markt erhältlich.

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Schaltkreis des NPN-Relaisschalters:

Bei einem typischen NPN-Relaisschaltkreis wird die Spule von einem NPN-Transistorschalter angesteuert. Wenn die Basisspannung des Transistors Null ist, befindet sich der Transistor im Sperrbereich und fungiert als offener Schalter. In dieser Situation fließt kein Kollektorstrom und die Relaisspule ist stromlos.

Wenn kein Strom in die Basis fließt, fließt auch kein Strom durch die Relaisspule. Wenn nun ein großer positiver Strom in die Basis getrieben wird, um den Bereich des NPN-Transistors zu sättigen, beginnt der Strom von der Basis zum Emitter zu fließen.

Schaltkreis des PNP-Relaisschalters:

Der Schaltkreis des PNP-Relaisschalters benötigt eine unterschiedliche Polarität der Betriebsspannung. Es ähnelt dem NPN-Relaisschaltkreis in Bezug auf seine Fähigkeit, die Relaisspule zu steuern. Beispielsweise muss die Kollektor-Emitter-Spannung für den PNP-Typ negativ sein, damit Strom vom Emitter zum Kollektor fließt.

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Schaltung der N-Kanal-Relaisschalter:

Der MOSFET-Relais-Schaltbetrieb ist dem Betrieb eines Bipolar Junction Transistor (BJT)-Schalters sehr ähnlich. Der Hauptunterschied zwischen den Operationen besteht darin, dass MOSFETs spannungsbetriebene Geräte sind. Das Gate ist jedoch vom Drain-Source-Kanal elektrisch isoliert. N-Kanal Enhancement MOSFETs sind die am häufigsten verwendeten MOSFET-Typen. Eine positive Spannung am Gate-Anschluss schaltet den MOSFET „EIN“ und eine negative Spannung am Gate macht ihn „AUS“. Dies macht es ideal für MOSFET-Relaisschalter.

P-Kanal-Relaisschalterschaltung:

Im Gegensatz zum N-Kanal Enhancement MOSFET arbeitet er nur mit negativen Gate-Spannungen. In dieser Konfiguration ist der Source-Anschluss des P-Kanals mit +Vdd verbunden und der Drain-Anschluss ist mit Masse verbunden. Beide sind über die Relaisspule verbunden. Wenn ein HIGH-Spannungspegel an den Gate-Anschluss angelegt wird, wird der P-Kanal-MOSFET folglich „AUS“ geschaltet.

Bei der Auswahl eines geeigneten Relais zu beachtende Punkte:

• Achten Sie auf einen guten Spulenschutz und Berührungsschutz
• Suchen Sie nach Standardrelais mit behördlichen Zulassungen
• Entscheiden Sie sich für Hochgeschwindigkeits-Schaltrelais
• Wählen Sie die Art der Kontakte mit Bedacht aus
• Stellen Sie sicher, dass zwischen dem Spulenstromkreis und den Kontakten in Ihrem Relais eine Isolierung besteht

Lassen Sie uns die Funktionsweise der Relaisschaltung anhand eines Beispiels verstehen:

Angenommen, Sie müssen eine CFL-Glühbirne mit einem Relaisschalter einschalten. In dieser Relaisschaltung verwenden wir einen Druckknopf, um ein 5-V-Relais auszulösen, das wiederum die zweite Schaltung schließt und die Lampe einschaltet.

Stellen Sie die folgenden Komponenten zusammen, um die Schaltung zu entwerfen:

• Relais 5V
• Glühbirnenhalter
• CFL
• EIN/AUS-Taste drücken
• Perfboard
• 9-V-Batterie
• AC-Versorgung

Ein typischer EIN/AUS-Schalter wird für den Schaltzweck des Relaisgeräts hinzugefügt. In der obigen Schaltung wird das 5-V-Relais von einer 9-V-Batterie gespeist. Wenn der Schalter geöffnet ist, fließt zunächst kein Strom durch die Spule. Infolgedessen wird der gemeinsame Port des Relais mit dem Kontakt „NO“ (normalerweise offen) verbunden. Daher bleibt die LAMPE „AUS“.

Wenn der Schalter geschlossen ist, beginnt Strom durch die Spule zu fließen. Hier wird in der Spule das Magnetfeld erzeugt, das den beweglichen Anker durch elektromagnetische Induktion anzieht und der Com Port mit dem NC (Normally Close) Kontakt des Relais verbunden. Als Ergebnis wird die CFL „EIN“ geschaltet.

Die Hauptnachteile von Halbleiterrelais im Vergleich zu einem elektromechanischen Relais mit äquivalenter Leistung sind ihre höheren Kosten. Es sind nur einpolige Umschalter verfügbar, Leckströme im „AUS“-Zustand fließen durch das Schaltgerät, und ein hoher Spannungsabfall und eine hohe Verlustleistung im „EIN“-Zustand führen zu zusätzlichen Anforderungen an die Wärmeableitung. Außerdem können die typischen Relais im verkauften Zustand keine sehr kleinen Lastströme oder Hochfrequenzsignale wie Audio- oder Videosignale schalten. Für diese Art von Anwendungen sind jedoch spezielle Solid-State-Switches erhältlich.

Sowohl elektrochemische Relais als auch Halbleiterrelais sind im täglichen Leben von großer Bedeutung. Sie können je nach Ihren Anforderungen im Gerät eine davon auswählen. Halbleiterrelais haben im Vergleich zu elektromechanischen Relais einen ziemlich hohen und vielleicht einschüchternden Preis im Voraus.

Die Bewegung dieses Solid-State-Relaiskontakts wird jedoch mithilfe elektromagnetischer Kräfte aus dem Eingangssignal mit geringer Leistung erzeugt. Dies ermöglicht die Vervollständigung der Schaltung, die das Hochleistungssignal enthält. Daher sind die Halbleiterrelais den elektromechanischen überlegen. Die elektromechanischen Relais sind von relativ alter Technologie, die einen einfachen mechanischen Designansatz verwendet.

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Anwendungen:

Es gibt eine Vielzahl von Relay-Anwendungen. Einige der häufigsten Anwendungen sind:

• Relaisschaltung kann verwendet werden, um Logikfunktionen zu realisieren
• Sie bieten auch sicherheitskritische Logik
• Relais können verwendet werden, um Zeitverzögerungsfunktionen bereitzustellen
• Sie werden verwendet, um Hochstromschaltungen mit Hilfe von Niedrigstromsignalen zu steuern

In diesem Artikel haben wir die verschiedenen Arten von Relais, ihre Funktionsweise und ihre Anwendungen besprochen. Jetzt haben Sie gute Kenntnisse über Relais und ihre Funktionen. Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, können Sie problemlos selbst ein Relais entwerfen.

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