﻿ Röle seçimi yapılırken dikkat edilecek faktörler
Elektromekanik röleler çalışma ömürleri, boyutları, anahtarlama hızları gibi sınırlamalara sahip olmalarına rağmen birçok uygulamada iyi bir seçim olmaktadırlar. Reed röleler ile boyutlarda ufalma ve daha yüksek hız sağlanmıştır. Ancak kaçak akım olduğunda problemler meydana gelebilmektedir. SSR’ler mekanik rölelere iyi bir alternatif oluşturmaktadır ancak kontakla arasında tam olarak izolasyon sağlayamaz ve yol üzerindeki direnci daha fazladır. FET anahtarlar hızlı, düşük maliyetli çözümler sunarlar ancak sadece düşük voltajlı uygulamalarda kullanılabilmektedirler. Bir uygulama için röle seçimi yapılırken aşağıdaki tüm faktörlerin gözden geçirilmesi elde edilen çözümün kalitesini arttıracaktır.
Küçük değerli bir akımın oluşturduğu elektromanyetik alan ile yüksek güçte veya akımda çalışan bir alıcıyı (yükü) çalıştırabilmek (anahtarlayabilmek) için bir ya da daha fazla anahtar grubunu kontrol eden (anahtarları açan ya da kapatan) elemana röle denir. Bu tanımdan ilerde bahsedilecek olan termik röleler hariç tutulmalıdır. Özetle küçük akım ve gerilimlerle daha büyük akım ve gerilimlerini kontrolünü sağlar. Röleler aynı zamanda farklı frekans ve dalga türlerinden de etkilenmeden anahtarlama yaparak çok farklı özellikteki elektrik ve elektronik devrelerin kontrolünü yapabilmektedir.
Röleler elektronik devrelerin giremediği(yüksek ısı, nem veya sıvı ortamları vb.) bazı hava ve sıvı kontrol sistemlerinde mutlaka kullanmak zorundadır. Röle uygulamalarda karşılaşılan problemler de şöyle özetlenebilir:
• Mekanik olarak çalıştığı için çok arıza yapar.
• Kontaklar sürekli birbirine yapışıp açıldıkları için oluşan elektrik atlamaları zamanla kontakların oksitlenmesine ve iletimini kaybetmesine neden olur.
• İletime geçme süresi daha uzundur.
• Ayrıca kontakların çekilip bırakılmasında çıkarmış olduğu ses pek hoş değildir.
Rölelerin genel olarak 5V-48V arasında gerilimle beslenen bobinleri, 5mA-150mA arasında akım çekmektedir. Kontakları ise 0.5A-70A arasındaki akım değerlerine dayanabilir. Uygulama devrelerinde bobin besleme gerilimi aralığının geniş olması kolaylık sağlamaktadır. Bu sayede hem lojik hem de analog devreler ile sürülmesi sağlanmaktadır.
Yüksek akımlı devreleri kontrol ederken kontaklardan geçen akımın oluşturabileceği ısınma bu devrelerde röle yerine kontaktör kullanılmasını gerektirmektedir.
YAPISI VE ÇALIŞMASI
Röleler manyetik röleler, dil kontak, termik röleler, aşırı akım koruma röleleri şeklinde çeşitlendirilebilir. Röle çeşitlerinden kullanıldığı devreye göre uygun olanı seçilmelidir. Örneğin manyetik etki ile anahtarlama yapılacaksa dil kontak, yüksek akımı sınırlamak için de aşırı akım koruma röleleri kullanılabilir. Röle çeşitlerini daha detaylı olarak aşağıda inceleyeceğiz.
Manyetik röleler üç temel kısımdan oluşur. Bunlar röle bobini, röle kontakları ve palettir. Bobin silindirik veya dikdörtgen prizma şeklinde imal edilen bir demir nüve(4 ile gösterilmiş) üzerine geçirilmiş bir plastik kılıfa çok sayıda sarılmış iletken telden oluşur(3 ile gösterilmiş).Palet (5 ile gösterilmiş) ise bobinin manyetik alanından etkilenerek hareketlenen yumuşak demir parçasıdır. Nüve olarak yumuşak demir seçilmesinin nedeni kolay manyetik alan kazanırken aynı zamanda bu özelliğini kolayca yitirmesidir. Paletin kontaklara temas ettiği noktada fiber(7 ile gösterilmiş) adı verilen bir yalıtkan madde vardır. Manyetik alan olmadığında bir yay ile gergide tutulur. Kontaklar (1 ve 2 ile gösterilmiş) ise birbirlerine temas ettiğinde akım akmasına izin veren iyi iletken malzemelerdir. Bir rölede bunların dışında kontakların istek dışı temasını engelleyen yalıtkan bir zemin maddesi(6 ile gösterilmiş) bulunur. Bobin ve nüve elektromıknatıs gibi çalışır. Bobin uçlarına gerilim verildiğinde bir manyetik alan oluşturarak paleti kendine doğru çeker(sarı halka içinde palet serbest ve yeşil halka içinde palet nüveye doğru çekilmiş). Paletin bu hareketi sonucu normalde kapalı olan kontaklar (şeklin sol bölümünde kırmızı halkalarla gösterilmiş) açılır. Eğer bu kontakların uçlarına bir yük bağlanmışsa çalışması duracaktır. Yine normalde açık olan kontaklar (şeklin sağ bölümünde kırmızı halkalarla gösterilmiş) kapanacaktır ve bu kontak uçlarına bağlı olan yük çalışacaktır. Şekilde G (akım girişi) ve Ç (akım çıkışı) ile gösterilmiş akım yolunun değişimine de dikkat ediniz.
Manyetik röleler üzerinde bulunan kontak sayısı ve çeşidine göre sınıflandırılabilir.
Tek kontaklı ve tek konumlu röle üzerinde tek bir anahtar vardır ve bu anahtara ters çalışan bir başka anahtar da yoktur. Sadece bir yükün açılıp kapanmasına yarar. Tek kontak çift konumlu röleler ise üzerinde bulundurduğu anahtarın konum değiştirmesi sonucu bir yükü çalıştırırken diğerini durdurur. Benzer şekilde röledeki paralel çalışan kontak sayısı artırılıp çok kontaklı röleler elde edilebilir. Şekil 1.3’te içi yapısı resmedilen röle iki kontaklı ve çift konumlu bir röledir.
Havası alınmış bir cam tüp içine manyetik alandan kolayca etkilenen metal kontakların yerleştirilmesi ile yapılan röleye dil kontak, kontak sayısı fazla ise dil kontak rölesi denir. Dil kontakların sıvı seviye kontrol, su altında çalışan cihazlarda, uzaktan kontrol anahtarı ve otomobillerin uyarı ışıkları gibi birçok kullanım alanları vardır.
Dil kontaklı rölelerde kontağın kapanması için bir mıknatıs yaklaştırmak veya cam kılıf üzerine sarılan bobin üzerinden akım geçirmek yeterlidir. Dil kontaklar manyetik alan kontrollü anahtardır. Anahtarın açılıp kapanması ise manyetik alan değişimine bağlıdır.
Ortamdaki ısı değişikliğine göre kontaklarını açan ya da kapayan röle türüdür. Termik röleler çalışma sırasında aşırı ısınan motorların durdurulmasında veya ütü, sac kurutma makinaları gibi ısı üreten cihazlarda uygun ısı seviyesinde daha fazla ısınmayı engellemek amacı ile sıklıkla kullanılır.
Termik röleler içindeki bi-metal adı verilen özel bir metal bileşimi sayesinde ortamın ısısı, belirlenen ısı değerinin üzerine çıkında yüke giden akımı keser. Bi-metal ısı altında farklı genleşme gösteren iki metalden oluşur. Metallerin biri hızlı ve fazla genleşirken diğeri çok az genleşerek bi-metal bileşimin bir yönde eğilmesini sağlayarak ısı enerjisini hareket enerjisine çevirir. Bu hareket enerjisi kontakları kapamak için kullanılır. Termik röleler birçok farklı yapıda olabilir. Motor kontrol devrelerinde kullanılan termik rölelerin içinde ısınmayı sağlayan krom-nikel ısıtıcı varken, ütü vb. cihazlarda kullanılan termik röleler cihaz içindeki ısıyı kullanır ve içinde sadece bi-metal ve kontaklar vardır.
Bu iki farklı termik rölenin iç yapısı Şekil 1.5’te verilmiştir. Birinci rölede bi-metal ısının etkisi ile palet üzerine eğilerek kontakların hareket etmesini sağlar. İkinci rölede ise ısı etkisi ile gevşeyen bi-metal ağırlığında etkisi ile kontak üzerine düşerek kontağın açılmasına neden olur.
Bir yük devresinde hattın başına konulan sigortalar çalışma karakteristikleri nedeni ile yükü değil hattı korurlar. Yükleri arızadan önce korumak için çeşitli röleler kullanılır. İşte aşırı akım rölesi, aşırı akımların motor sargılarına vereceği zararları önlemek amacı ile kullanılır. Aşırı akım koruma röleleri motorları, sistemleri aşırı akıma karşı korumak için tasarlanmıştır.
Aşırı akım röleleri, yük devresine seri olarak bağlanır ve üzerinden yük akımı geçer. Yük geçici bir arıza nedeniyle veya yol alma anında çektiği kısa süreli aşırı akımlarda sargılar zarar görmez ve bu durumda rölenin devreyi açmaması istenir. Bunun içinde rölenin devreyi açması, geciktirici bir sistem ile önlenir.
ELEKTROMEKANİK RÖLELER, REED RÖLE, SOLID STATE RÖLELER, FET SWITCH’LER
Röleler çeşitli biçim, stil ve teknolojilere sahiptir. Uygulamaya bağlı olarak belki de sadece tekil röle tipleri ihtiyaçlarınızı karşılayabilirken bazı durumlarda çoklu röleler işinizi görebilir. Otomatik test aletlerinde en sık kullanılan röle çeşitlerini sıralayacak olursak
- Elektromekanik röleler
- Reed röleler
- Solid State Röleler
- FET switchler
İzleyen bölümlerde bu rölelerin nasıl çalıştıkları ile zayıf ve kuvvetli yönleri anlatılacaktır.
Elektromekanik röleler uygulamalarda en sık kullanılan röle çeşitleridir. Bobin, armatür mekanizması ve elektrik kontaklarından oluşur. Bobin enerjilendiğinde indüklenen manyetik alan armatürü hareket ettirip duruma göre kontağı açar veya kapatır.
Elektromekanik röleler düşük akım/gerilimden yüksek akım/gerilime kadar geniş bir sinyal karakteristiği alanını desteklerler. Bu nedenden dolayı her zaman için ihtiyaç duyulan uygulamaya ait bir elektromekanik röle bulunabilmektedir. Elektromekanik röledeki sürücü devresi röle kontaklarından galvanik yolla izole edilmiştir, aynı zamanda kontaklarda birbirinden izole edilir. Bu izolasyon elektromekanik röleleri, galvanik izolasyonun gerektiği durumlarda mükkemmel bir çözüm haline dönüştürmektedir.
Elektromekanik rölelerde kontaklar diğer birçok röle tipine göre daha büyük ve güvenilir olmaktadır. Büyük kontaklar devre veya kablolarda meydana gelebilecek kaçak akımlara karşı dayanabilecek yetenek vermektedir. Bunun yanısıra büyük kontaklar doğru orantılı olarak rölelerin büyüklüğünü de arttıracaktır.
Elektromekanik röleler kesin anahtarlama yapabilme yeteneklerine rağmen fiziksel yapılarından ötürü uzun cevap sürelerine sahiptir. Genellikle 5 – 15 ms arasında cevap sürelerine sahiptirler ve bu hız bazı özel uygulamalar için çok yavaş kalabilmektedir.
Elektromekanik röleler diğer röle çeşitlerine göre daha kısa çalışma ömrüne sahiptirler. Gelişen teknolojiyle beraber çalışma ömürleri arttırılmış olsa da yine de reed rölelerle karşılaştırılamayacak düzeydedir. Bunun yanısıra kontrol edilecek güç miktarının artması diğer röle tiplerinin ömürlerini önemli ölçüde etkilerken bu etki elektromekanik rölelerde daha yavaş olmaktadır.
Elektromekanik röleler mandallı ve mandalsız yapıda olabilirler. Mandalsız rölelerde rölenin aktif tutulabilmesi için bobinden sürekli akım geçmesine ihtiyaç vardır. Bu tip röleler genellikle güç kesintilerinin tespit edilmesi gereken yerlerde kullanılır. Mandallı rölelerde ise sabit mıknatıslar kullanılarak sürücü akımı bobini terk ettiği zaman bile armatürün o anki konumunda kalması sağlanır. Çok düşük voltajlı uygulamalarda mandallı röle kullanımı tercih edilir çünkü bobini ısıtma eksikliği termal elektromotor kuvvetini azaltarak ölçümleri etkileyebilir.
Elektro mekanik röleler çok çeşitli anahtarlama modüllerinde kullanırlar. Sağlamlıkları ve güvenilirlikleri birçok uygulama için ideal hale getirmektedir. Özellikle de hızın önemli olmadığı uygulamalarda seçilirler.
Röleler kutup ve atma sayılarına göre sınıflandırılırlar. Bir rölenin kutbu her yolun ortak olarak çıktığı terminaldir. Bir kutba bağlı her pozisyona ise atma denir. Röle n kutup ve m atmaya sahip olacak şekilde yapılabilir. Örneğin single-pole single-throw röleler ( SPST ) bir kutup ve bir atmaya sahiptir. Aşağıdaki şekildeki gibi gösterilirler.
Reed röleler de elektromekanik röleler gibi mekanik olarak açılıp kapanan yolları bulunan fiziksel kontaklara sahiptirler. Ancak reed rölelerde kontaklar daha ufak ve düşük kütlelilerdir. Kuru reed röleler reed anahtarlarına sarılmış bobinden yapılır. Reed anahtarlar üst üste binmiş iki ferromanyetik bıçaktan oluşur. Bu bıçaklar içi asal gaz dolu hava geçirmez bir kapsüle konulup mühürlenmiştir. Üst üste gelen bıçakların ucunda kontak vardır. Bobin enerjilendiği zaman iki bıçak birbirine çekilir ve böylece devre tamamlanmış olur. Enerji kesildiğinde bıçaklar eski haline dönecektir.
Küçük yapıları ve daha hafif kütledeki kontakları ve farklı çalışma mekanizmasıyla reed röleler, elektromekanik rölelerden 10 kat daha hızlı çalışmaktadırlar. Ancak küçük kontaklar nedeniyle devre kapatıldığında kıvılcımlanmaya daha müsaittir. Kıvılcım kontaktan atladığında temas yüzeyinde küçük bir erimeye sebep olabilir. Eğer kontaklar erimiş olan bu yüzey üzerinde birbirlerine temasa devam ederlerse aralarında kaynama meydana gelebilmektedir. Böylece geri çekme kuvveti kontakların birbirinden ayrılmasına yetersiz kalabilmektedir. Elektromekanik rölelerde de ark nedeniyle oluşan bu sorun ancak daha yüksek elektrik güçlerinde meydana gelmektedir.
Reed rölelerin yapıldığı ferromanyetik materyal eşdeğer elektromekanik röleye göre çok yüksek termal EMF’ ye sahiptir. Bu nedenle reed röleler çok düşük voltajlı uygulamalar için uygun değildir. Yüksek termal EMF’leri nedeniyle ölçümlerdeki gürültü oranı artacaktır.
Reed rölelerin küçük boyutları ve yüksek hızları bu röleleri birçok uygulama için uygun hale getirmektedir. Reed röleler genellikle matrix, multiplexer modüllerinde kullanılmaktadırlar.
SSR’ler foto duyarlı MOSFET cihaz üzerine bir LED aktive edici cihaz konularak aşağıdaki gibi yapılandırılır.
SSR’ler elektromekanik rölelere daha hızlı bir alternatif sunmaktadırlar. Çünkü anahtarlama zamanı bir ledin açılıp kapanma süresine bağlıdır ve bu süre yaklaşık olarak 1 ms ile 0.5 ms arasındadır. Mekanik bir parça olmadığı için kullanım ömürleri elektromekanik ve reed rölelere göre daha uzun olmaktadır.
SSR’ler yüksek voltajlı uygulamalarda faydalı olmaktadırlar. Çünkü LED’li aktivasyon kontrol devresiyle MOSFET arasında galvanik bir izolasyon bariyeri oluşturur. MOSFET üzerinde gate akımı olmadığı zaman MOSFET’ in drain source kanalı kontaklar arasında çok yüksek bir direnç oluşturacak ve bağlantıyı kesecektir.
Elektromekanik ve reed rölelerin aksine bağlantı transistörler ile yapıldığı için SSR’lerin kontak dirençleri çok daha yüksektir. Ayrıca gelişen teknoloji ile beraber kontak dirençleri sürekli olarak artmaktadır.
SSR’ler elektromekanik röleler kadar dayanıklı değildirler. Reed röleler gibi kaçak akımlara karşı dayanıksızdırlar. Bu yüzden etiket değerlerinin üzerlerine çıkmamak gerekir. Kaçak akım reed rölelerde kontakların birbirine kaynamasına yol açarken MOSFET’lerin kullanılamaz hale gelmesine neden olur.
SSR’ler genellikle matrix ve multiplexer’lerde kullanılır.
SSR’ler gibi FET anahtarlar da mekanik cihazlar değildirler. FET anahtarlar anahtarlama yapmak için bir dizi CMOS transistör kullanır. SSR’lerde farklı olarak kontrol devresi LED’i sürmek yerine doğrudan transistörün gate ucunu sürer. Doğrudan yapılan bu sürme işlemi sayesinde aradan LED çıkarıldığı için daha yüksek anahtarlama hızlarına ulaşılır. Ayrıca mekanik bir parça veya LED olmadığı için ayrıca kutulamaya da gerek yoktur. Böylece FET anahtarlar daha küçük boyutlarda olabilmektedir. FET anahtarların en önemli zayıflığı, fiziksel izolasyon bariyeri olmadığı için sadece düşük voltaj uygulamalarında kullanılabmesidir.