Cho đến nay, chúng tôi đã thấy một loạt thiết bị Đầu vào có thể sử dụng để phát hiện “cảm nhận” nhiều loại biến và tín hiệu vật lý và do đó gọi là Cảm biến . Nhưng nhiều loại thiết bị điện và điện tử xếp vào loại thiết bị Đầu ra sử dụng để điều khiển hoặc vận hành một số quá trình vật lý bên ngoài. T

hiết bị đầu ra này thường gọi là Bộ chuyển đổi .

Thiết bị chuyển đổi chuyển đổi tín hiệu điện thành một đại lượng vật lý tương ứng như chuyển động, lực, âm thanh, v.v … Thiết bị chuyển đổi cũng phân loại là bộ chuyển đổi vì nó thay đổi một loại đại lượng vật lý khác và thường kích hoạt hoặc hoạt động bằng tín hiệu lệnh điện áp thấp. Thiết bị chuyển đổi phân loại là thiết bị nhị phân hoặc thiết bị liên tục dựa trên số lượng trạng thái ổn định mà đầu ra của chúng có.

Ví dụ, một rơ le là một thiết bị chuyển đổi nhị phân vì nó có hai trạng thái ổn định, được cung cấp năng lượng và được chốt hoặc không được cung cấp năng lượng và không được chốt, trong khi động cơ là thiết bị chuyển đổi liên tục vì nó quay theo chuyển động 360 ^o đầy đủ . Loại thiết bị chuyển đổi hoặc thiết bị đầu ra phổ biến nhất là Rơ le điện , Đèn , Động cơ và Loa .

Trước đây chúng ta đã thấy rằng van điện từ  sử dụng để mở chốt, cửa, mở hoặc đóng van bằng điện và trong nhiều ứng dụng rô bốt và cơ điện tử, v.v. Tuy nhiên, nếu pít tông điện từ sử dụng để vận hành một hoặc nhiều bộ tiếp điểm điện, chúng ta có một thiết bị gọi là rơ le rất hữu ích, nó sử dụng theo vô số cách khác nhau và trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét Rơ le điện.

Rơ le điện cũng chia thành rơ le tác động cơ học gọi là “Rơ le điện cơ” và những rơ le sử dụng bóng bán dẫn, thyristor, triac, v.v., như thiết bị chuyển mạch gọi là “Rơ le bán dẫn”  SSR.

Rơ le điện cơ

Thuật ngữ Rơ le thường dùng để chỉ một thiết bị cung cấp kết nối điện giữa hai hoặc nhiều điểm để đáp ứng ứng dụng của tín hiệu điều khiển. Loại rơ le điện phổ biến và sử dụng rộng rãi nhất là rơ le điện cơ hay còn gọi là EMR.

Một rơ le điện

Điều khiển cơ bản nhất của bất kỳ thiết bị nào là khả năng “BẬT” và “TẮT”. Cách đơn giản nhất để làm điều này là sử dụng công tắc để ngắt nguồn điện. Mặc dù công tắc sử dụng để điều khiển một cái gì đó, nhưng chúng có nhược điểm của chúng. Điều lớn nhất là chúng phải được “BẬT” hoặc “TẮT” theo cách thủ công (vật lý). Ngoài ra, chúng tương đối lớn, chậm và chỉ chuyển đổi dòng điện nhỏ.

Tuy nhiên, rơ le điện về cơ bản là công tắc hoạt động bằng điện có nhiều hình dạng, kích thước và chỉ số công suất phù hợp với mọi loại ứng dụng. Rơ le cũng có một hoặc nhiều tiếp điểm với các rơ le công suất lớn hơn sử dụng cho các ứng dụng chuyển mạch điện áp lưới hoặc dòng điện cao gọi là “Công tắc tơ”.

Trong hướng dẫn này về rơ le điện, chúng tôi chỉ liên quan đến các nguyên tắc hoạt động cơ bản rơ le điện cơ “nhiệm vụ nhẹ” mà chúng tôi sử dụng trong điều khiển động cơ hoặc mạch rô bốt. Các rơ le như vậy sử dụng trong các mạch chuyển đổi hoặc điều khiển điện và điện tử nói chung hoặc gắn lên bảng PCB hoặc  kết nối đứng tự do và trong đó dòng tải thường là các phần nhỏ của ampe lên đến hơn 20 ampe. Mạch rơ le thường dùng trong các ứng dụng Điện tử.

Như tên gọi, rơ le điện cơ là thiết bị điện từ chuyển đổi từ thông tạo ra bằng cách áp dụng tín hiệu điều khiển điện áp thấp AC hoặc DC qua các đầu nối của rơ le, thành lực cơ học kéo hoạt động các tiếp điểm điện bên trong rơ le . Dạng phổ biến nhất của rơ le điện cơ bao gồm một cuộn dây cung cấp năng lượng được gọi là “mạch sơ cấp” quấn quanh lõi sắt thấm.

Lõi sắt này có cả phần cố định gọi là chạc, và phần chịu tải bằng lò xo chuyển động gọi là phần ứng, hoàn thành mạch từ trường bằng cách đóng khe hở không khí giữa cuộn dây điện cố định và phần ứng dịch chuyển được. Phần ứng có bản lề hoặc trục cho phép nó di chuyển tự do trong từ trường được tạo ra, đóng các tiếp điểm điện được gắn vào nó. Kết nối giữa ách và phần ứng thường là một lò xo (hoặc lò xo) cho hành trình quay trở lại để “đặt lại” các tiếp điểm trở lại vị trí nghỉ ban đầu của chúng khi cuộn dây rơ le ở trạng thái “không có điện”, tức là “TẮT”.

Cấu tạo rơ le điện cơ

Trong rơ le đơn giản ở trên, chúng tôi có hai bộ tiếp điểm dẫn điện là Thường mở, (NO)  một bộ khác phân loại là Thường đóng, (NC) . Ở vị trí thường mở, các tiếp điểm chỉ đóng khi dòng điện trường “BẬT” và các tiếp điểm của công tắc được kéo về phía cuộn dây cảm ứng.

Ở vị trí thường đóng, các tiếp điểm sẽ đóng vĩnh viễn khi dòng điện trường “TẮT” khi các tiếp điểm chuyển mạch trở lại vị trí bình thường của chúng. Các thuật ngữ này Các tiếp điểm thường mở, thường đóng hoặc tạo và ngắt đề cập đến trạng thái của các tiếp điểm điện khi cuộn dây rơ le bị “khử năng lượng”, tức là không có điện áp cung cấp nào được kết nối với cuộn dây rơ le.

Các tiếp điểm của rơ le là những mảnh kim loại dẫn điện chạm vào nhau tạo thành mạch điện và cho phép dòng điện chạy qua, giống như một công tắc. Khi các tiếp điểm bị hở, điện trở giữa các tiếp điểm là rất cao trong Mega-Ohms, tạo ra tình trạng mạch hở và không có dòng điện chạy qua mạch.

Khi các tiếp điểm đóng lại, điện trở của tiếp điểm phải bằng 0, ngắn mạch, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Tất cả các tiếp điểm rơ le đều có một lượng “điện trở tiếp xúc” nhất định khi chúng được đóng và đây gọi là “điện trở khi đóng mạch”, tương tự như của FET.

Với một rơ le mới và các tiếp điểm, điện trở này sẽ rất nhỏ, thường nhỏ hơn 0,2Ω vì các đầu tiếp điểm này mới và sạch, nhưng theo thời gian điện trở của đầu này sẽ tăng lên.

Ví dụ. Nếu các tiếp điểm đang cho dòng tải 10A, thì điện áp rơi trên các tiếp điểm theo định luật Ôm là 0,2 x 10 = 2 vôn, mà nếu điện áp nguồn là 12 vôn thì điện áp tải sẽ chỉ là 10 vôn (12 – 2). Khi các đầu tiếp điểm bắt đầu mòn, và nếu chúng không được bảo vệ đúng cách khỏi tải điện cảm hoặc tải điện dung cao, chúng sẽ bắt đầu có dấu hiệu hư hỏng do phóng điện hồ quang vì dòng điện mạch vẫn chạy khi các tiếp điểm bắt đầu mở khi cuộn dây rơ le. khử năng lượng.

Việc phóng điện hồ quang hoặc phát tia lửa điện qua các điểm tiếp xúc sẽ làm cho điện trở tiếp xúc của các đầu tiếp xúc tăng thêm khi các đầu tiếp xúc bị hỏng. Nếu tiếp tục, các đầu tiếp xúc có thể bị cháy và hư hỏng đến mức chúng đã được đóng lại nhưng không vượt qua bất kỳ hoặc rất ít dòng điện.

Nếu hư hỏng hồ quang này trở nên nghiêm trọng, các tiếp điểm cuối cùng sẽ “hàn” lại với nhau tạo ra tình trạng ngắn mạch và có thể làm hỏng mạch mà chúng đang điều khiển. Nếu bây giờ điện trở tiếp điểm đã tăng lên do phóng điện hồ quang, nghĩa là 1Ω thì điện áp giảm trên các tiếp điểm đối với cùng một dòng tải tăng lên 1 x 10 = 10 vôn dc. Sự sụt giảm điện áp cao này qua các tiếp điểm có thể là không thể chấp nhận được đối với mạch tải, đặc biệt nếu hoạt động ở 12 hoặc thậm chí 24 vôn, khi đó rơ le bị lỗi sẽ phải thay thế.

Để giảm ảnh hưởng của hồ quang tiếp xúc và “Điện trở trên” cao, các đầu tiếp xúc hiện đại làm bằng hoặc phủ một loạt các hợp kim gốc bạc để kéo dài tuổi thọ của chúng như được cho trong bảng sau.

Vật liệu đầu tiếp xúc rơ le điện

• Ag (bạc mịn)
  • 1. Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các kim loại.
  • 2. Cho thấy điện trở tiếp xúc thấp, không tốn kém và sử dụng rộng rãi.
  • 3. Tiếp điểm dễ bị xỉn màu do ảnh hưởng của quá trình sunfua hóa.
• AgCu (bạc đồng)
  • 1. Được gọi là tiếp điểm “Bạc cứng” và có khả năng chống mài mòn tốt hơn và ít xu hướng hồ quang và hàn hơn, nhưng điện trở tiếp xúc cao hơn một chút.
• AgCdO (bạc cadimi oxit)
  • 1. Rất ít xu hướng hồ quang và hàn, khả năng chống mài mòn tốt và đặc tính dập tắt hồ quang.
• AgW (bạc vonfram)
  • 1. Độ cứng và điểm nóng chảy cao, khả năng chống hồ quang rất tốt.
  • 2. Không phải là kim loại quý.
  • 3. Áp suất tiếp xúc cao  yêu cầu để giảm sức cản.
  • 4. Khả năng chống tiếp xúc là tương đối cao, và khả năng chống ăn mòn kém.
• AgNi (bạc niken)
  • 1. Bằng độ dẫn điện của bạc, khả năng chống hồ quang tuyệt vời.
• AgPd (palladium bạc)
  • 1. Độ mòn tiếp xúc thấp, độ cứng lớn hơn.
  • 2. Đắt.
• Hợp kim bạch kim, vàng và bạc
  • 1. Chống ăn mòn tuyệt vời,  sử dụng chủ yếu cho các mạch dòng điện thấp.

Bảng dữ liệu của nhà sản xuất rơ le chỉ cung cấp chỉ số tiếp xúc tối đa cho tải một chiều điện trở và chỉ số này giảm đáng kể đối với tải xoay chiều hoặc tải cảm ứng hoặc điện dung cao. Để đạt tuổi thọ cao và độ tin cậy cao khi chuyển đổi dòng điện xoay chiều với tải cảm ứng hoặc điện dung, một số hình thức khử hồ quang hoặc lọc được yêu cầu trên các tiếp điểm của rơ le.

Việc kéo dài tuổi thọ của các đầu rơ le bằng cách giảm lượng hồ quang tạo ra khi chúng mở ra bằng cách kết nối mạng Điện trở-Tụ điện gọi là Mạng RC Snubber song song với các đầu tiếp điểm rơ le điện. Điện áp đỉnh, xuất hiện tại thời điểm các tiếp điểm mở ra, sẽ được mạng RC ngắn mạch một cách an toàn, do đó triệt tiêu bất kỳ hồ quang nào tạo ra ở các đầu tiếp điểm. Ví dụ.

Mạch điện Relay Snubber

Các loại tiếp điểm rơ le điện.

Cũng như các mô tả tiêu chuẩn của Thường mở , (NO) và Thường đóng , (NC) sử dụng để mô tả cách các tiếp điểm rơ le được kết nối, cách sắp xếp tiếp điểm rơ le cũng có thể được phân loại theo hành động của chúng. Rơ le điện có thể được tạo thành từ một hoặc nhiều tiếp điểm công tắc riêng lẻ với mỗi “tiếp điểm” được gọi là “cực”. Mỗi một trong số các tiếp điểm hoặc cực này có thể được kết nối hoặc ” ném ” lại với nhau bằng cách cung cấp năng lượng cho cuộn dây rơ le và điều này dẫn đến mô tả về các loại tiếp điểm như sau:

• SPST –  Đơn cực một vị trí
• SPDT – Đơn cực hai vị trí
• DPST – Hai cực đơn vị trí
• DPDT – Hai cực hai vị trí

Ví dụ về một số sơ đồ phổ biến hơn sử dụng cho các loại tiếp điểm rơ le điện để xác định rơ le trong sơ đồ mạch hoặc sơ đồ được đưa ra dưới đây nhưng có nhiều cấu hình có thể xảy ra hơn.

Cấu hình tiếp điểm rơ le điện

Ở đây:

• C là thiết bị đầu cuối chung
• NO là tiếp điểm thường mở
• NC là tiếp điểm thường đóng

Rơ le điện cơ cũng được biểu thị bằng sự kết hợp của các tiếp điểm hoặc phần tử chuyển mạch của chúng và số lượng tiếp điểm được kết hợp trong một rơ le. Ví dụ, một tiếp điểm thường mở ở vị trí không có điện của rơ le gọi là “Tiếp điểm Dạng A” . Trong khi một tiếp điểm thường đóng ở vị trí không có điện của rơ le gọi là “Tiếp điểm Dạng B” hoặc tiếp điểm ngắt.

Khi cả bộ tiếp điểm mở và ngắt có mặt đồng thời để hai tiếp điểm được kết nối điện để tạo ra một điểm chung (xác định bởi ba kết nối), bộ tiếp điểm gọi là “Tiếp điểm Dạng C” hoặc thay đổi tiếp điểm. Nếu không có kết nối điện nào giữa các tiếp điểm mở và ngắt, nó gọi là tiếp điểm chuyển đổi kép.

Một điểm cuối cùng cần nhớ về việc sử dụng rơ le điện. Không nên kết nối song song các tiếp điểm rơ le để xử lý dòng tải cao hơn. Ví dụ, không bao giờ cố gắng cung cấp tải 10A với hai tiếp điểm rơ le song song có tiếp điểm 5A mỗi tiếp điểm, vì các tiếp điểm rơ le vận hành bằng cơ học không bao giờ đóng hoặc mở vào cùng một thời điểm. Kết quả là một trong các tiếp điểm sẽ luôn bị quá tải ngay cả trong tích tắc dẫn đến việc rơ le bị hỏng sớm theo thời gian.

Ngoài ra, trong khi rơ le điện có thể sử dụng để cho phép các mạch điện tử hoặc máy tính công suất thấp chuyển đổi dòng điện hoặc điện áp tương đối cao cả “BẬT” hoặc “TẮT”. Không bao giờ kết hợp các điện áp tải khác nhau qua các tiếp điểm liền kề trong cùng một rơ le, chẳng hạn như điện áp cao AC (240v) và điện áp thấp DC (12v), luôn sử dụng các rơ le riêng biệt để đảm bảo an toàn.

Một trong những bộ phận quan trọng hơn của bất kỳ rơ le điện nào là cuộn dây của nó. Điều này chuyển đổi dòng điện thành một thông lượng điện từ sử dụng để vận hành cơ học các tiếp điểm rơ le. Vấn đề chính của cuộn dây rơ le là chúng là “tải điện cảm cao” vì chúng làm từ các cuộn dây. Bất kỳ cuộn dây nào đều có giá trị trở kháng được tạo thành từ điện trở (  R  ) và độ tự cảm (  L  ) mắc nối tiếp (Mạch nối tiếp LR).

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một từ trường tự cảm được tạo ra xung quanh nó. Khi dòng điện trong cuộn dây ở trạng thái “TẮT”, một điện áp lớn trở lại emf (sức điện động) được tạo ra khi từ thông sụp đổ trong cuộn dây (lý thuyết máy biến áp). Giá trị điện áp ngược cảm ứng này có thể rất cao so với điện áp chuyển mạch và có thể làm hỏng bất kỳ thiết bị bán dẫn nào như bóng bán dẫn, FET hoặc bộ điều khiển vi mô được sử dụng để vận hành cuộn dây rơ le.

Một cách để ngăn ngừa hư hỏng cho bóng bán dẫn hoặc bất kỳ thiết bị bán dẫn chuyển mạch nào, là kết nối một diode phân cực ngược qua cuộn dây rơ le.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây được chuyển sang trạng thái “TẮT”, một emf cảm ứng ngược được tạo ra khi từ thông suy giảm trong cuộn dây.

Điện áp ngược chiều thuận này làm lệch hướng diode dẫn và tiêu tán năng lượng tích trữ, ngăn ngừa bất kỳ thiệt hại nào đối với bóng bán dẫn bán dẫn.

Khi được sử dụng trong loại ứng dụng này, diode thường được gọi là Flywheel Diode và thậm chí là Fly-back Diode , nhưng chúng đều có nghĩa giống nhau. Các loại tải cảm ứng khác yêu cầu điốt để bảo vệ là điện trở, động cơ và cuộn dây cảm ứng.

Cũng như sử dụng Điốt để bảo vệ linh kiện bán dẫn, thiết bị khác sử dụng để bảo vệ bao gồm RC Snubber  , Metal Oxide Varistors hoặc MOV và Zener Điốt .

Rơ le bán dẫn.

Mặc dù rơ le điện cơ (EMR) rẻ tiền, dễ sử dụng và cho phép chuyển mạch tải được điều khiển bằng tín hiệu đầu vào cách điện, công suất thấp, một trong những nhược điểm chính của rơ le điện cơ là nó là một “thiết bị cơ khí” , đó là nó có bộ phận chuyển động nên tốc độ chuyển đổi của chúng (thời gian phản hồi) do chuyển động vật lý của tiếp điểm kim loại sử dụng từ trường là chậm.

Qua một thời gian, bộ phận chuyển động này sẽ bị mòn và hỏng hóc, hoặc điện trở tiếp xúc qua hồ quang và xói mòn liên tục có thể làm cho rơ le không sử dụng được và giảm tuổi thọ của nó. Ngoài ra, chúng bị nhiễu về điện với tiếp điểm bị dội lại tiếp xúc có thể ảnh hưởng đến bất kỳ mạch điện tử nào mà chúng được kết nối.

Để khắc phục những nhược điểm này của rơ le điện, một loại rơ le khác được gọi là Rơ le bán dẫn hay gọi tắt là ( SSR ) đã được phát triển.

Rơ le bán dẫn là một thiết bị điện tử hoàn toàn không có bộ phận chuyển động trong thiết kế của nó vì tiếp điểm cơ học đã được thay thế bằng bóng bán dẫn điện, thyristor , triac. Sự tách biệt điện giữa tín hiệu điều khiển đầu vào và điện áp tải đầu ra được thực hiện với sự hỗ trợ của Cảm biến ánh sáng loại opto-coupler.

Rơ le bán dẫ cung cấp một mức độ cao về độ tin cậy, tuổi thọ cao và giảm nhiễu điện từ (EMI), (không tiếp xúc phóng điện hồ quang , từ trường), cùng với một thời gian phản hồi nhanh hơn nhiều gần như ngay lập tức, khi so sánh với rơ le cơ điện thông thường.

Ngoài ra, yêu cầu công suất điều khiển đầu vào của rơ le bán dẫn thường đủ thấp để làm cho chúng tương thích với hầu hết họ logic IC mà không cần thêm bộ đệm, trình điều khiển hoặc bộ khuếch đại. Tuy nhiên, là một thiết bị bán dẫn, chúng phải được gắn vào bộ tản nhiệt phù hợp để ngăn thiết bị bán dẫn chuyển mạch đầu ra bị quá nhiệt.

Rơ le bán dẫn

Rơ le bán dẫn loại AC bật “BẬT” tại điểm giao nhau bằng không của dạng sóng hình sin AC, ngăn dòng khởi động cao khi chuyển tải điện cảm , tải điện dung trong khi tính năng “TẮT” vốn có của Thyristor và Triac cung cấp một sự cải tiến so với tiếp điểm phóng điện hồ quang của rơ le cơ điện.

Giống như rơ le điện cơ, mạch snubber Điện trở-Tụ điện (RC) thường được yêu cầu trên các đầu ra của SSR để bảo vệ thiết bị chuyển mạch đầu ra bán dẫn khỏi nhiễu và các xung đột biến điện áp khi được sử dụng để chuyển tải điện dung,  cảm ứng cao. Trong hầu hết SSR hiện đại, mạch RC snubber này được xây dựng như một tiêu chuẩn trong chính rơ le giúp giảm nhu cầu bổ sung thành phần bên ngoài.

Công tắc phát hiện giao nhau khác không (“BẬT”) loại SSR cũng có sẵn cho các ứng dụng được điều khiển theo pha như làm mờ đèn tại buổi hòa nhạc, chương trình, ánh sáng vũ trường, v.v. hoặc cho ứng dụng loại điều khiển tốc độ động cơ.

Vì thiết bị chuyển mạch đầu ra của rơ le bán dẫn là thiết bị bán dẫn (Transistor cho ứng dụng chuyển mạch DC, kết hợp Triac / Thyristor cho chuyển mạch AC), điện áp giảm trên các đầu ra của SSR khi “BẬT” cao hơn nhiều so với của rơ le điện cơ, thường là 1,5 – 2,0 vôn. Nếu chuyển đổi dòng điện lớn trong thời gian dài thì cần phải có thêm bộ tản nhiệt.

Mô-đun giao diện đầu vào / đầu ra.

Mô-đun giao diện đầu vào / đầu ra , (I / O Modules) là một loại rơ le bán dẫn khác được thiết kế đặc biệt để giao tiếp máy tính, bộ điều khiển vi mô hoặc PIC với tải và chuyển mạch “thế giới thực”. Có sẵn bốn loại mô-đun I / O cơ bản, Điện áp đầu vào AC hoặc DC cho đầu ra mức logic TTL , CMOS và đầu vào logic TTL ,CMOS cho điện áp Đầu ra AC , DC với mỗi mô-đun chứa tất cả mạch điện cần thiết để cung cấp đầy đủ giao diện và cách ly trong một thiết bị nhỏ. Chúng có sẵn dưới dạng mô-đun bán dẫn riêng lẻ hoặc được tích hợp vào thiết bị 4, 8 , 16 kênh.

Hệ thống giao diện đầu vào / đầu ra mô-đun.

Nhược điểm chính của rơ le bãn dẫn (SSR’s) so với rơ le điện cơ có công suất tương đương là chi phí cao hơn, thực tế là chỉ có sẵn loại Một vị trí đơn cực đơn (SPST), dòng rò trạng thái “TẮT” chảy qua chuyển mạch thiết bị và sự sụt giảm điện áp trạng thái “BẬT” cao và tản điện dẫn đến yêu cầu tản nhiệt bổ sung. Ngoài ra, chúng không thể chuyển đổi dòng tải rất nhỏ hoặc tín hiệu tần số cao như tín hiệu âm thanh , video mặc dù Công tắc bán dẫn đặc biệt có sẵn cho loại ứng dụng này.

Trong hướng dẫn này về Rơ le điện , chúng ta đã xem xét cả rơ le điện cơ và rơ le bán dẫn có thể sử dụng như một thiết bị đầu ra (thiết bị truyền động) để điều khiển một quá trình vật lý. Trong hướng dẫn tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục xem xét thiết bị đầu ra gọi là Bộ chuyển đổi và đặc biệt là thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện nhỏ thành chuyển động vật lý tương ứng bằng cách sử dụng điện từ.