Relæer er grundlæggende kontakter, der styrer andre kontakter, hvor en lille strøm åbner eller lukker for en større strøm. Mekanisk handler det om, at en elektromagnet flytter et kontaktsæt, der tænder eller slukker for strømmen i de kredsløb, man ønsker at styre
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 3 – 2026 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Jeff Smoot, VP of Engineering, Same Sky
Relæer isolerer i kraft af deres funktion og design småsignaler fra effektkredsløb og beskytter derfor operatøren og den mere følsomme elektronik mod skader fra store strømme. Det giver desuden mulighed for at styre et system eller et effektkredsløb fra en given afstand. Elektromekaniske relæer har eksisteret siden 1835, og selv om både komponenter og applikationer er blevet mere sofistikerede hen over årene, så er den grundlæggende funktion stort set uændret.
Alle elektriske relæer styrer en given effekt, men ikke alle relæer kan med rette kaldes ”effektrelæer”. For at være mere præcis, så er effektrelæer designet til at kunne tåle switching af meget store strømme op til adskillige ampère. Den lidt større formfaktor som følge af de højere strømniveauer og mere robuste spoler giver især mening ved nominelle strømme over 10A. Brugereksempler inkluderer HVAC, automotive systemer, elevatorer, aktuatorer eller apparater med store startstrømme som i motorer, solonoider og/eller elektroniske ballaster.
Lysbuer understreger relæernes fordele
Som mange andre komponenter har alle relæer visse begrænsninger i forhold til den strøm, som relæerne nominelt skulle kunne håndtere. Hver model har en maksimaleffekt, som fortæller, hvad relæet kan tåle lige fra mindre effekter til belysningsprodukter til endda meget store motorstyringer. Hvis den nominelle effekt af relæet bliver overskredet, kan der opstå permanent skade på relæerne.
Hvis kontakterne ikke står perfekt over for hinanden, så kan det danne lysbuer i relæet under switching, og det opstår typisk mellem kontakterne, før relæet slutter eller – især – bryder en strøm på kontaktsiden. Gnister og varme er ikke de eneste faktorer, der kan give problemer ved lysbuedannelse. Lysbuerne kan også skade relæet ved erodering af kontakterne og beskadige udstyr tæt på relæet gennem generering af uønsket elektrisk støj.
Problemet med effektrelæerne er, at de typisk bruges til elektriske belastninger som belysninger, motorer, HVAC-udstyr eller industrielt udstyr, og ud over de store strømme er belastningerne ofte også af induktiv karakter, og det kræver omtanke i valget af materialet og overflademetallet på kontakterne, og i effektrelæer er det ofte helt andre materialer end i ”almindelige” relæer til lavere strømme.
Lidt om kontaktmaterialer
Normale relæer anvender typisk nikkel/sølv-kontakter. Det er metaller, som har været brugt siden opfindelsen af relæet, og det er et kontaktmateriale, der egner sig godt til switching af resistive belastninger, hvor spænding og strøm stort set er i fase.
Relæer til højere belastninger (effektrelæer) kræver som regel kontakter i sølv-cadmiumoxid eller sølv-tinoxid med forgyldning, og disse metaller er gode til switching af induktive belastninger. Det er begge kontaktmaterialer, som giver lavere kontaktmodstand og reduceret svejsning af kontakterne ved høje in-rush strømme. Brugen af sølv-tinoxid forhindrer de miljøproblemer, som cadmium potentielt kan give.
Effektrelæer vs. signalrelæer
Modsat ”normale” relæer forventer man kortere levetider (cykliske ind- og udkoblinger) for effektrelæet, hvilket til dels skyldes de højere spændinger og strømme i effektkredsløbene. Forskellene i spændinger og strømme danner grundlaget for selve designet af relæet. Effektrelæer er derfor glimrende til høje spændinger og store strømme, men de egner sig ikke til kredsløb, hvor effektniveauerne er små. Det skyldes blandt andet, at jo lavere spændingen er, desto mere kritisk bliver den fysiske forbindelse mellem kontakterne, hvilket primært hænger sammen med kontakttrykket og renheden af kontaktoverfladerne.
Omvendt er det indlysende, at et signalrelæ, der bliver brugt i et effektkredsløb inden for få aktiveringer vil fejle katastrofalt som følge af overspænding eller overstrøm. Selv hvis et signalrelæ skulle overleve brug i et effektkredsløb, så vil de mangle funktioner til forhindring af lysbuer og en selvrensende effekt på kontakterne. Det handler derfor om altid at matche det switchede effektniveau i applikationen til relæets nominelle effekt.
Typer af effektrelæer
Effektrelæer kommer i to former, elektromekanisk og som solid-state. De elektromagnetiske effektrelæer bruger elektriske spoler, magnetfelter, fjedre, bevægelige armaturer og kontakter til at switche de store strømme.
Solid-state relæer til højtydende applikationer kan switche både AC- og DC-strømme uden bevægelige dele. De er halvlederbaserede og bruger arkitekturer som siliciumstyrede ensrettere (SCR), TRIACs (TRIode for Alternating Current) eller transistorer til at switche strømmen. Selv om solid-state relæer ofte bruges til at switche højeffektbelastninger, så er forholdet mellem pris og ydelse aktuel, da en større effekt medfører øgede omkostninger til de korrekt dimensionerede effekthalvledere og behovet for yderligere komponenter til termisk management af solid-state relæet.
Effektrelæets konfiguration og nominelle effekt
Signal- og effektrelæer er klassificeret gennem deres kontaktkonfiguration, der beskriver antallet af produkter, relæerne kan styre samtidigt. De mest almindelige klassifikationer er:
● SPST – enkeltpolet sluttekontakt.
● DPDT – dobbeltpolet omskifter.
● 3PDT – trepolet omskifter.
● SP3T – enkeltpolet dobbeltomskifter.
Relækontakterne er oplistet som normalt åben (NO) eller normalt lukket (NC) afhængigt af, hvilken tilstand de befinder sig i uden spændingsforsyning.
Relæets effekt er den effekt, som et relæ sikkert og effektivt kan switche. Effekten udtrykkes enten som AC eller DC – eller begge – men er typisk mere strøm (ampere) end effekt. Denne strøm skal selvfølgelig værre lig med eller større end den strøm, som applikationen trækker med en vis sikkerhedsfaktor inkluderet.
Både signal- og effektrelæer beskrives som ”former”. Beskrivelser som ”1 Form A” eller ”2 Form C” fortæller to ting om relæet: Tallet før ”Form” siger, hvor mange kontakter der er til rådighed i relæet, da der kan være multiple relæ-kontakter i ét enkelt relæ. ”Form A” betyder, at relæet er normalt åbent, mens ”Form B” betyder normalt lukket (sluttet). ”Form C” gælder kun for SPDT-relæer og indikerer, hvilken position der ses som ”normalt lukket” – og også, om relæet bryder, før det slutter i et omskifterforløb. ”Form D” er det samme som ”Form C”, men slutter, før det afbryder. Der findes flere andre ”former”, men de nævnte er de mest udbredte. Med andre ord:
Form A – normalt åben.
Form B – normalt lukket.
Form C – bryde-før-slutte SPDT-omskiftere.
Form D – slutte-før-bryde SPDT-omskiftere.
Valg af et effektrelæ
Måden at vælge det rigtige effektrelæ til en given applikation er egentlig ret ligetil og bør følge disse trin:
● Identificér den nødvendige spænding (AC/DC) i belastningen.
● Identificér den nødvendige strøm i belastningen.
● Bestem det nødvendige kredsløbs- og switching-arrangement.
● Bestem den nødvendige styrespænding og type (AC/DC).
● Bestem den montageform, der passer til applikationen.
For et solid-state relæ er valget trin-for-trin det samme, men man skal også afgøre, om belastningen er induktiv eller resistiv, og om et standard eller applikationsspecifikt solid-state relæ er påkrævet. Man skal også beregne den mængde varme, der skal afledes fra relæet, og hvilken slags køling der vil være bedst egnet.
Andre designbetragtninger
Effektrelæer arbejder på samme måde som almindelige signalrelæer, så man står over for nogenlunde ens designbetragtninger under specifikationen af relæet. Blandt disse overvejelser bør man tænke på:
● Pulser på input: Visse produkter trækker meget store strømme under startup, hvilket skal bestemmes før valget af relæ for at undgå skade på relæet.
● Undertrykkelse af støj fra spolen: Høje spændingstransienter kan genereres ved switching af relæet. Undertrykkelse af støj fra relæspolen kan kræve yderligere komponenter i kredsløbet for at beskytte konstruktionen mod transienterne, men det kan også forkorte relæets levetid. Man skal derfor overveje, om specifik støjundertrykkelse af spolen er nødvendig – og i så fald hvilken.
● Latching: Et latchende relæ vil holde sin seneste kontaktposition, selv efter strømmen til aktiveringsspolen er fjernet. Det kan være en funktion, man kan have brug for i sin applikation.
● Støj: Der kan dannes RF-støj i relæer, hvilket bliver mere udtalt, jo større strømme et relæ skal slutte eller bryde. Følsomheden over for denne støj i konstruktionen skal nødvendigvis vurderes eller bestemmes på forhånd.
● Kontaktprel (bounce): Når et relæ switcher, kan kontakterne gennemgå flere, men meget kortvarige åbne- og lukke-cyklusser, hvilket på dansk er kendt som ”prel”. Det genererer elektriske pulser, som – afhængigt af applikationens følsomhed – kan give uønskede effekter. Bestemmelse af, om kontaktprel vil have nogen betydning, skal afgøres før specifikationen af relæet.
Når man ønsker at bestemme, hvilke krav man skal stille til et effektrelæ til en given applikation, så stiller Same Sky sin produktekspertise til rådighed, uanset om man har brug for småsignalrelæer eller typer, som dækker højere effekter og mere specielle applikationer.
Billedtekster:
1: uden billedtekst.
2: Lysbuedannelse i et elektromekanisk relæ.
3: Solid-state relæ med en aluminiumkøleplade.
4: Kontaktprel (bounce) og de resulterende kortvarige, men meget støjende pulser.
