Tìm hiểu các thông số kỹ thuật của relay

Thông số kỹ thuật của relay không chỉ đơn giản là các con số trên datasheet mà bạn cần phải xem xét chúng một cách nghiêm túc. Vận hành một relay được sử dụng ngoài thông số kỹ thuật của nó có thể làm giảm tuổi thọ của nó một cách nghiêm trọng và gây ra các lỗi hệ thống chuyển mạch và thậm chí có khả năng làm hỏng UUT (Đơn vị Đang Thử nghiệm). Do đó, chúng ta hãy xem xét một số thông số kỹ thuật relay phổ biến và tác động của chúng đối với hệ thống chuyển mạch.

Tuổi thọ

Relay có các bộ phận chuyển động và vận hành gây ra mài mòn và ứng suất cuối cùng sẽ dẫn đến hỏng relay. Thông số kỹ thuật về tuổi thọ cung cấp thông tin về thời điểm relay bị mòn cơ học. Về cơ bản, thông số kỹ thuật này là số lần một relay có thể hoạt động trong điều kiện không tải hoặc tải nhẹ trong đó mài mòn tiếp điểm, nhiệt độ relay và lực tác động lên các bộ phận chuyển động là kết quả của quá trình kích hoạt cơ học.

Có hai loại relay cơ học: reed relay và relay điện cơ (EMR). Nói chung, reed relay cấp thiết bị có tuổi thọ cơ học lâu nhất vì nó có ít bộ phận chuyển động. Lưỡi của reed relay uốn cong thay vì di chuyển trên một điểm trục, và tiếp điểm được chứa trong một vỏ thủy tinh kín, vì vậy nó ít bị nhiễm bẩn và bị hỏng hóc cơ học.

EMR có tuổi thọ cơ học ngắn hơn so với reed relay, nhưng nó có khả năng xử lý công suất lớn hơn.

Điện áp chuyển mạch tối đa

Điện áp chuyển mạch tối đa (maximum switching voltage) của relay là điện áp lớn nhất trên các tiếp điểm cho dù relay đang mở hay đóng. Vận hành một relay có điện áp cao có thể gây ra phóng điện hồ quang, và điều này sẽ làm xói mòn các tiếp điểm và cuối cùng làm giảm hiệu suất của tiếp điểm. Trong hệ thống chuyển mạch, định mức điện áp có thể bị giới hạn bởi các yếu tố như khoảng cách giữa các trace trên PCB hoặc các connector. Khi thiết kế module chuyển mạch, chúng ta sử dụng định mức điện áp của các relay trên các thông số kỹ thuật.

Nếu có cả điện áp dương và điện áp âm thì phải coi hiệu số của hai điện áp này. Ví dụ: nếu hệ thống chuyển mạch của bạn sẽ chuyển đổi nguồn điện ba pha, điện áp trên một relay sẽ lớn hơn điện áp riêng của từng pha.

Đối với hệ thống chuyển mạch, trừ khi có quy định khác, thông số kỹ thuật điện áp sẽ đề cập đến chênh lệch điện áp. Ví dụ: nếu mô-đun chuyển mạch được định mức ở 150V, thì nó có thể được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu trong dải 0 đến 150V, -150V thành 0V hoặc -75V đến + 75V.

Cũng cần nhớ rằng điện áp chuyển mạch tối đa của hệ thống chuyển mạch có thể nhỏ hơn điện áp chuyển mạch tối đa của relay vì thông số kỹ thuật của relay thường được xác định bằng cách sử dụng tải điện trở. Bởi vì hệ thống chuyển mạch có một số lượng điện dung (yếu tố đóng góp lớn nhất là điện dung giữa các trace trên PCB), thông số kỹ thuật của hệ thống điện áp chuyển mạch tối đa có thể thấp hơn thông số kỹ thuật của relay.

Điện áp chuyển mạch nguội

Relay có thể duy trì điện áp cao hơn trên các tiếp điểm của nó so với điện áp chuyển mạch tối đa, không cần thực hiện gì khác để vận hành relay trong khi tín hiệu được đặt vào. Đặc điểm kỹ thuật này được gọi là điện áp chuyển mạch nguội (cold switching voltage) hoặc điện áp dừng (standoff voltage).

Relay có điện áp chờ cao hữu ích trong thử nghiệm cách điện, nhưng người dùng phải tránh chuyển đổi relay khi điện áp được đặt vào vì nó vượt quá định mức điện áp tiếp xúc khi được vận hành.

Khi một hệ thống chuyển mạch có thông số điện áp chuyển mạch nguội, điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các trace PCB đã được thiết kế để chịu được điện áp này.

Dòng chuyển mạch

Khi một rơ le được chuyển mạch nóng, dòng điện của công tắc là dòng điện tối đa mà relay có thể duy trì khi đóng hoặc mở và không bị hỏng tiếp điểm.

Dòng mang

Nếu các tiếp điểm của relay đã được đóng, thì relay có thể duy trì dòng điện cao hơn dòng điện của công tắc. Đây được gọi là dòng mang (carry current). Dòng mang thường bị giới hạn bởi điện trở tiếp điểm, làm cho các tiếp điểm nóng lên. Khi một relay đang mang dòng điện lớn hơn dòng điện chuyển mạch, thì relay không được mở cho đến khi dòng điện giảm đi.

Dòng mang xung

Một số relay hoặc hệ thống chuyển mạch có thể có thông số kỹ thuật dòng mang xung (pulsed carry current). Dòng mang xung chỉ đơn giản là làm nóng các tiếp điểm relay, nó không tạo ra các hồ quang giống như chuyển mạch nóng tạo ra.

Các tiếp điểm của relay có khối lượng nhiệt đủ để dòng điện xung này không làm cho các tiếp điểm quá nóng và do đó, không làm hỏng các tiếp điểm. Dòng điện xung có thể là một sự kiện đơn lẻ hoặc có thể lặp lại, nhưng nếu nó lặp đi lặp lại, thì cần phải cẩn thận để đảm bảo hiệu ứng ròng không tạo ra vấn đề nhiệt. Ví dụ, một EMR 2A có thể duy trì 6A trong 200µs.

Cũng nên nhớ rằng hiệu ứng nhiệt tỷ lệ với bình phương của dòng điện (giả sử điện trở tiếp điểm không đổi). Vì vậy, nếu dòng mang xung gấp ba lần dòng mang, thì chu kỳ làm việc của tín hiệu đó phải nhỏ hơn hoặc bằng 10%. Điều này đặc biệt đúng nếu các tiếp điểm được yêu cầu mang dòng điện giữa các xung dòng điện cao.

Công suất định mức

Một số người dùng bỏ qua công suất định mức (power rating), nhưng thông số kỹ thuật này có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của relay. Tín hiệu ở cả điện áp chuyển mạch tối đa và dòng điện chuyển mạch tối đa nói chung sẽ vượt quá định mức công suất của relay.

Ví dụ, một relay có định mức công suất 60W, có thể có điện áp chuyển mạch tối đa là 250V và dòng chuyển mạch tối đa là 2A. Tín hiệu 250V, 2A có công suất 500W, vượt quá định mức công suất của relay gần một bậc. Để ở trong định mức công suất, tín hiệu có điện áp tối đa là 250V, phải có dòng điện không quá 240mA.

Do đó, hầu hết các relay đều có vùng làm việc hữu ích phức tạp. Điện áp chuyển mạch càng cao, dòng điện chuyển mạch tối đa phải thấp hơn để relay xử lý an toàn.

Ngoài ra, ở điện áp DC cao, định mức công suất cho rơ le cơ học thấp hơn định mức ở điện áp thấp hơn vì việc đóng hoặc mở relay tạo ra hồ quang rồi tạo ra plasma có thể làm hỏng các tiếp điểm và vật liệu của relay. Người dùng phải luôn kiểm tra các đường cong tải được cung cấp trên datasheet của relay khi tín hiệu DC được chuyển đổi trên 30V.

Vì lý do tương tự, việc thường xuyên vận hành relay dưới tải cao có thể làm giảm tuổi thọ do hồ quang làm tăng nhiệt độ bên trong relay.

Thông số kỹ thuật công suất định mức áp dụng cho các tín hiệu được chuyển mạch nóng, nhưng công suất định mức thường khác nhau giữa tải DC và AC. 

Hiếm khi xảy ra sự cố định mức công suất khi sử dụng relay trạng thái rắn được thiết kế để bật / tắt nhanh vì nó thường có thể duy trì cả điện áp cao và dòng điện cao mà không bị hỏng. Thời gian bật / tắt nhanh đảm bảo sự tiêu tán trong quá trình chuyển đổi trạng thái ở mức thấp và không có phóng điện khi sử dụng relay trạng thái rắn.

Điện áp chuyển mạch tối thiểu

Một số loại relay có điện áp chuyển mạch tối thiểu (minimum switching voltage) để relay đóng chuyển mạch. Điều này đặc biệt đúng đối với các relay được sử dụng để phát tín hiệu công tắc nóng có thể xảy ra mài mòn tiếp xúc và làm lộ các vật liệu bên dưới. Điện áp tối thiểu cần thiết để làm "ướt" tiếp điểm để đảm bảo điện trở tiếp điểm thấp.

Reed relay đặc biệt hiệu quả đối với chuyển mạch điện áp thấp vì các tiếp điểm của nó được làm kín bằng thủy tinh và các màng nhiễm bẩn không thể tích tụ trên các tiếp điểm. Một số relay được thiết kế cho các ứng dụng viễn thông cũng có định mức điện áp tối thiểu vì nó có các tiếp điểm vàng. Relay công suất cao thường yêu cầu điện áp tối thiểu cao hơn so với relay công suất thấp khi flash vàng bảo vệ đã bị ăn mòn do chuyển mạch nóng hoặc mài mòn cơ học của các tiếp điểm áp suất cao.

Thời gian hoạt động

Thông số thời gian hoạt động (operate time) đôi khi có thể gây nhầm lẫn cho người dùng, nhưng rất quan trọng trong các trường hợp thời gian chính xác. Một ứng dụng không tính đến thời gian đóng relay có nghĩa là một phép đo cụ thể không được ghi lại một cách chính xác vì relay chưa đóng và mang tín hiệu.

Đối với hệ thống chuyển mạch, thời gian hoạt động được chỉ định trên datasheet bao gồm thời gian mà phần mềm cần để xử lý lệnh điều khiển cũng như thời gian relay cần để vận hành và giải quyết. Các trình điều khiển được sử dụng bao gồm thông tin về thời gian chuyển tiếp và trình điều khiển sẽ ngăn truy cập vào hệ thống chuyển mạch cho đến khi hoàn thành thời gian giải quyết trừ khi trạng thái chờ trình điều khiển đã bị ghi đè. Một số hệ thống chuyển mạch có thể yêu cầu nhiều hơn một thao tác để hoàn thành việc thay đổi trạng thái cho hệ thống nhằm đảm bảo không có sự cố ngẫu nhiên nào xảy ra trước khi hoạt động gián đoạn. 

Thông số kỹ thuật chuyển mạch module với thông số kỹ thuật chuyển mạch relay

Thông số kỹ thuật của relay không phải lúc nào cũng áp dụng ở cấp module vì nhiều lý do. Ví dụ, thiết kế PCB của module có thể ảnh hưởng đến cả thông số kỹ thuật điện áp tối đa và dòng điện tối đa. Khoảng cách giữa trace PCB sẽ ảnh hưởng đến đặc điểm kỹ thuật điện áp, trong khi độ rộng trace sẽ quyết định đặc điểm kỹ thuật dòng điện. Điều này có nghĩa là các module có nhiều relay hơn thường có thông số kỹ thuật về điện áp và dòng điện tối đa thấp hơn.

Lý do là các module dày đặc hơn có PCB với các trace mỏng hơn và khoảng cách gần nhau hơn. Ngoài ra, một số module có điện dung đáng kể. Điện dung này có thể làm giảm điện áp chuyển mạch nóng và định mức dòng điện vì nó có thể tạo ra dòng khởi động khi đóng tiếp điểm. Hệ thống chuyển mạch càng lớn thì điều này càng dễ xảy ra. Sử dụng cáp dài trong hệ thống chuyển mạch cũng có thể có tác động đến định mức. Điều này là do điện dung của cáp (có thể được giả là 100pF mỗi mét cho nhiều ứng dụng).