Przekaźniki PCB – klasyczny element w nowoczesnej elektronice

W wielu projektach elektronicznych pojawia się moment, w którym niewielki układ sterujący musi kontrolować znacznie większe obciążenia. Mikrokontroler pracujący z napięciem 3,3 V lub 5 V ma za zadanie włączyć grzałkę, silnik, oświetlenie czy inne urządzenie zasilane napięciem sieciowym. Bezpośrednie połączenie takich obwodów z elektroniką sterującą jest jednak niemożliwe lub niebezpieczne. W takich sytuacjach niezbędny jest element pośredniczący, który pozwoli bezpiecznie rozdzielić obwód sterowania od obwodu mocy.

Źródło: Finder

Jednym z najprostszych i jednocześnie wciąż bardzo popularnych rozwiązań tego problemu jest przekaźnik elektromagnetyczny. Mimo dynamicznego rozwoju półprzewodników i przekaźników półprzewodnikowych, klasyczne przekaźniki nadal znajdują szerokie zastosowanie w automatyce, systemach sterowania oraz urządzeniach elektronicznych.

Klasyczny przekaźnik elektromagnetyczny składa się z cewki, rdzenia ferromagnetycznego, ruchomej kotwicy oraz zestyków przełączających. Przepływ prądu przez uzwojenie cewki powoduje powstanie pola magnetycznego, które przyciąga kotwicę. Ruch kotwicy powoduje zmianę położenia styków – obwód może zostać zamknięty lub otwarty. Po wyłączeniu zasilania cewki sprężyna przywraca mechanizm do stanu początkowego.

Dzięki takiej konstrukcji przekaźnik umożliwia sterowanie obwodami o znacznie wyższych napięciach i prądach przy użyciu niewielkiego sygnału sterującego.

Dlaczego przekaźniki są nadal stosowane?

W wielu zastosowaniach pojawia się pytanie, czy zamiast przekaźnika elektromagnetycznego nie lepiej zastosować element półprzewodnikowy, np. tranzystor MOSFET lub przekaźnik półprzewodnikowy. Mimo licznych zalet takich rozwiązań, klasyczne przekaźniki nadal oferują kilka istotnych przewag.

Przede wszystkim zapewniają pełną separację galwaniczną pomiędzy obwodami. Oznacza to, że część sterująca układu jest całkowicie odizolowana od obwodu mocy. W wielu aplikacjach ma to kluczowe znaczenie z punktu widzenia bezpieczeństwa oraz odporności na zakłócenia.

Kolejną zaletą jest bardzo mały spadek napięcia na zestykach. W przeciwieństwie do elementów półprzewodnikowych, które zawsze wprowadzają pewne straty mocy, zamknięte styki przekaźnika zachowują się praktycznie jak zwykły przewód.

Przekaźniki dobrze radzą sobie również z różnymi typami obciążeń – zarówno prądem przemiennym, jak i stałym. Mogą przełączać obciążenia rezystancyjne, indukcyjne czy pojemnościowe, co czyni je uniwersalnym elementem w wielu układach sterowania.

Przekaźniki do montażu na PCB

W nowoczesnych urządzeniach elektronicznych coraz częściej stosuje się przekaźniki przeznaczone do montażu bezpośrednio na płytkach drukowanych. Takie przekaźniki, nazywane przekaźnikami PCB, są przystosowane do lutowania przewlekanego (THT) i zajmują stosunkowo niewiele miejsca na płytce.

Przykładem takich rozwiązań są przekaźniki Finder przeznaczone do montażu na płytkach drukowanych. W ofercie znajduje się wiele serii przekaźników PCB, różniących się przede wszystkim wielkością, obciążalnością zestyków oraz konfiguracją połączeń, dzięki czemu możliwe jest dobranie odpowiedniego elementu zarówno do niewielkich układów elektronicznych, jak i bardziej wymagających aplikacji sterujących.

Przekaźniki – Seria 30 | źródło Finder

W przypadku aplikacji sygnałowych oraz układów wymagających bardzo kompaktowych elementów, interesującym rozwiązaniem są przekaźniki z serii 30. Są to subminiaturowe przekaźniki o wymiarach rzędu 20 × 10 × 11 mm, przeznaczone głównie do przełączania niewielkich obciążeń do około 2 A. Zastosowanie pozłacanych zestyków wykonanych z materiału AgNi z warstwą złota zapewnia bardzo dobre właściwości przy przełączaniu sygnałów o małych prądach. Dodatkową zaletą jest zastosowanie czułej cewki o mocy około 200 mW, dostępnej w kilku napięciach zasilania (od 5 do 48 V DC), co pozwala na łatwe dopasowanie przekaźnika do różnych układów sterujących. Konstrukcja w wykonaniu szczelnym typu RTIII umożliwia również mycie płytek drukowanych po procesie lutowania.

Podobną wielkość zachowują przekaźniki z serii 32, które jednak zostały zaprojektowane z myślą o nieco większych obciążeniach. Mimo kompaktowych wymiarów umożliwiają one przełączanie prądów do 6 A. Dostępne są w wersji z jednym zestykiem przełącznym lub zwiernym, a zastosowanie materiału styków AgSnO₂ zapewnia dobrą odporność na obciążenia o charakterze indukcyjnym. Przekaźniki tej serii wyposażone są w czułą cewkę o mocy około 200 mW, a dostępne napięcia zasilania obejmują typowe wartości stosowane w elektronice sterującej, takie jak 5, 12, 24 lub 48 V DC.

Przekaźniki – Seria 34 | źródło Finder

W aplikacjach, w których kluczowe znaczenie ma oszczędność miejsca na płytce drukowanej, stosowane są często przekaźniki o bardzo wąskiej konstrukcji. Przykładem może być seria 34, której szerokość wynosi zaledwie 5 mm. Tak niewielkie wymiary pozwalają na projektowanie gęsto upakowanych modułów sterujących. Przekaźniki tej serii umożliwiają przełączanie prądów do około 6 A i są dostępne w różnych konfiguracjach zestyków oraz z różnymi materiałami styków, takimi jak AgNi, AgSnO₂ czy AgNi z warstwą złota. W zależności od wersji stosowane są cewki o różnych napięciach zasilania, obejmujących szeroki zakres od 5 do 60 V DC. Dodatkową zaletą tej serii jest dostępność wersji do montażu w pozycji leżącej, co pozwala na jeszcze lepsze wykorzystanie przestrzeni w obudowie urządzenia oraz ułatwia projektowanie bardzo płaskich modułów elektronicznych.

Przekaźnik – Seria 36 | źródło Finder

Do sterowania większymi obciążeniami stosowane są natomiast przekaźniki miniaturowe o wyższej obciążalności styków. Przykładem jest seria 36, która mimo niewielkich rozmiarów – porównywalnych z kostką cukru – pozwala na przełączanie prądów do około 10 A. Przekaźniki tej serii wyposażone są w pojedynczy zestyk zwierny i dostępne są w szerokim zakresie napięć cewki, od kilku woltów (np. 3 lub 5 V DC) aż do 48 V DC, dzięki czemu mogą być stosowane zarówno w urządzeniach zasilanych z niskiego napięcia, jak i w typowych układach automatyki.

Przekaźnik – Seria 43 | źródło Finder

W przypadku aplikacji wymagających większej obciążalności prądowej lub podwyższonych wymagań dotyczących izolacji stosowane są przekaźniki z serii 43. Są to przekaźniki o stosunkowo niskiej konstrukcji, umożliwiające przełączanie prądów w zakresie od około 10 do 16 A. Jedną z ich istotnych cech jest zwiększona izolacja pomiędzy cewką a zestykami, wynosząca około 10 mm, co pozwala uzyskać wytrzymałość udarową do 6 kV. Dostępne napięcia cewek obejmują wartości od 3 do 48 V DC, co umożliwia zastosowanie przekaźnika w wielu różnych układach sterowania.

Sterowanie przekaźnikiem z mikrokontrolera

Cewka przekaźnika wymaga zazwyczaj prądu większego niż ten, który może bezpośrednio dostarczyć wyprowadzenie mikrokontrolera. Z tego powodu w praktycznych układach stosuje się prosty stopień sterujący, najczęściej z wykorzystaniem tranzystora.

Mikrokontroler steruje bazą lub bramką tranzystora, który z kolei załącza prąd płynący przez cewkę przekaźnika. Bardzo ważnym elementem takiego układu jest dioda zabezpieczająca, montowana równolegle do cewki. Jej zadaniem jest tłumienie przepięcia powstającego w chwili wyłączenia prądu w cewce.
Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest bezpieczne sterowanie przekaźnikiem nawet z bardzo niewielkich układów mikroprocesorowych.

Najczęstsze błędy projektowe

Projektując układ z przekaźnikiem na PCB, należy zwrócić uwagę na kilka istotnych aspektów. Jednym z najczęstszych błędów jest brak diody zabezpieczającej przy cewce przekaźnika. Cewka przekaźnika jest elementem indukcyjnym, a przy nagłym odłączeniu napięcia sterującego generuje impuls napięcia zwrotnego, który może osiągać wartości wielokrotnie wyższe niż napięcie sterujące, np. mikrokontrolerem, tranzystorem lub innym elementem sterującym układem. Taki impuls może łatwo uszkodzić te elementy. Montaż diody równolegle do cewki zapewnia bezpieczne rozproszenie tej energii i chroni cały układ sterujący, w tym mikrokontrolery i tranzystory, jednocześnie nie wpływając na poprawne działanie przekaźnika.

Istotne jest również odpowiednie zaprojektowanie ścieżek prądowych na płytce PCB. Prądy przełączane przez styki przekaźnika mogą być znacznie większe niż prądy w części sterującej układu, dlatego szerokość ścieżek oraz odstępy izolacyjne powinny być dobrane odpowiednio do napięcia i prądu obciążenia. Niedostateczna szerokość ścieżek może prowadzić do ich nadmiernego nagrzewania, zwiększonych spadków napięcia, a w skrajnych przypadkach nawet do uszkodzenia PCB.

W przypadku przełączania napięć sieciowych szczególną uwagę należy zwrócić na zachowanie odpowiednich odstępów pomiędzy obwodami niskonapięciowymi i wysokiego napięcia. Odpowiednie separacje minimalizują ryzyko przebicia między ścieżkami, zakłóceń elektromagnetycznych oraz zwiększają bezpieczeństwo użytkownika. Dodatkowo, w projektach wymagających większej niezawodności, warto rozważyć zastosowanie wzmocnionych ścieżek, dodatkowych wypełnień miedzianych lub przelotek w celu równomiernego rozprowadzenia prądu i odprowadzania ciepła.

Podsumowanie

Przekaźniki elektromagnetyczne pozostają niezastąpionym elementem w nowoczesnej elektronice dzięki swojej prostocie, wysokiej niezawodności oraz zdolności do przełączania obciążeń o znacznych prądach i napięciach. Ich konstrukcja zapewnia pełną separację galwaniczną między obwodem sterującym a obwodem mocy, co znacząco zwiększa bezpieczeństwo i odporność układu na zakłócenia.

Przekaźniki PCB, w tym szeroka oferta przekaźników Finder, oferują kompaktowe i wygodne rozwiązania, umożliwiając łatwą integrację sterowania obciążeniami z układami mikroprocesorowymi. Dzięki różnorodnym seriom – od subminiaturowych przekaźników do niewielkich sygnałów, po moduły o wyższej obciążalności i zwiększonej izolacji – projektanci mogą dobierać elementy dokładnie pod potrzeby konkretnej aplikacji, zachowując niezawodność, bezpieczeństwo i oszczędność miejsca na płytce PCB.