Jak (ne)zničit relé

Relé obvykle charakterizuje hodnota spínacího napětí, které způsobí sepnutí/přepnutí výstupních kontaktů a pak maximální možné spínané el. napětí a proud, na které jsou kontakty dimenzované a výrobce garantuje pro ně definovanou životnost (minimální počet přepnutí).

Pokud je relé již zabudované a součástí nějakého zařízení, jako například nějaké ovládací jednotky či programovatelného automatu, zajímají nás pak hlavně výstupní hodnoty maximálního spínanatelného napětí a proudu. Obvykle však tyto hodnoty ještě doplňuje informace, že hodnoty platí pouze pro odporovou zátěž. To je od výrobce zařízení dobře míněné upozornění, jak se k výstupům chovat a jak si nezpůsobit jejich zničení.

Zátěž kontaktu

Jevy na kontaktu relé se velmi liší v závislosti na velikosti a charakteru zátěže, na proudu, na materiálu a velikosti kontaktu, na rychlosti sepnutí a na odskoku kontaktu při spínání. 
U tzv. stejnosměrných zátěží (napájení stejnosměrným napětím) bývá povolená hodnota proudu pro sepnutí kontaktu menší než u tzv. střídavé zátěže (napájení střídavým napětím). Zatímco střídavý proud se periodicky snižuje na nulu, stejnosměrný proud nikoli, takže u stejnosměrného proudu se oblouk zapálený při vypnutí kontaktu jen stěží dá uhasit, na rozdíl od střídavého proudu. Doba trvání obloukového výboje je u stejnosměrného obvodu delší než u střídavého obvodu. Je tedy důležité rozlišovat rozdíl mezi maximální spínací zátěží uváděný v datasheetu výrobce pro střídavé a stejnosměrné zátěže.

Mimo tzv. jmenovité hodnoty el. napětí a proudu spínané zátěže (tj. hodnoty v ustáleném stavu)  jsou pro životnost relé neméně důležité i hodnoty náběhového a vypínacího proudu vznikající při sepnutí/připojení, resp. při odepnutí/odpojení zátěže. Ty mohou být zvláště u kapacitních a indukčních zátěží i mnohonásobně větší než  jmenovité hodnoty a tedy při špatně dimenzovaném relé či chybném elektrické ošetření spínané zátěže může snadno dojít k poškození či zničení kontaktů.   

Spínání odporové zátěže

Pokud je na výstup relé připojená čistá odporová zátěž, lze opravdu bez problémů využít celý definovaný napěťový a proudový rozsah. Odporovou zátěží se rozumí takové zařízení, jehož hodnoty náběhového a vypínacího proudu  jsou rovny hodnotám v ustáleném stavu. Tedy zátěž, která při připojení elektrického napětí klade el. proudu celou dobu stejný el. odpor, tedy že se jeho hodnota v čase nijak nemění a tedy se nijak nemění ani hodnota el. proudu v čase od sepnutí relé až po jeho rozepnutí.

Takovou vlastnost však obvykle mají jen čistě odporové součástky "rezistory", které jsou za tímto účelem přímo vyráběny. Nicméně mezi odporové zátěže lze započítat i zařízení, které sice nemají el. odpor po celou dobou konstatní, ale jeho změna v čase je poměrně malá.

Mezi zařízení, které se převážně chovají jako odporové zátěže, lze zahrnout:

• žárovky,
• různá LED světla,
• topná tělesa,
• napěťové vstupy měřících zařízení (multimetry, osciloskopy. PLC atd).

Uvedené příklady odporových zátěží sice nemusí mít zcela konstantní el. odpor (s časem se o něco mění), nicméně při vhodném předimenzování spínacích kontaktů relé (na cca 2-4x větší hodnoty) obvykle nezpůsobují problémy a poškození kontaktů.

Spínání kapacitní zátěže

 Narozdíl od odporové zátěže je v případě kapacitní zátěže situace zcela odlišná. Kapacitní zátěž se vyznačuje tím, že v okamžiku sepnutí el. napětí začne odebírat velmi vysokou hodnotu el. proudu, která se následně s časem rychle klesá. V momentě sepnutí kapacitní zátěže tak vzniká velký proudový náraz, který může i mnohonásobně překročit povolený limit el. proudu kontaktů relé. Velikost tohoto proudu je totiž v případě úplného vybití kapacity v době sepnutí úměrná pouze hodnotě parazitního el. odporu, který je připojen mezi kontaktem relé a kapacitní zátěží. Postupně s časem, jak se vstupní kapacita připojeného zařízení nabíjí, pak el. proud postupně klesá.

Z pohledu relé je tak problematický právě okamžik sepnutí, kdy jsou jeho kontakty zatěžovány největší hodnotou el. proudu a v tomto okamžiku může dojít až ke slepení / spečení kontaktů relé, pokud hodnota el. proudu, byť jen na okamžik, výrazně překročí max. povolené hodnoty. V obvodech s kondenzátorem totiž může být náběhový proud 20 až 40-krát vyšší než v ustáleném stavu.

To, že nabíjecí náběhové proudy nejsou "žádná sranda", ukazují například el. specifikace spínaných zdrojů nebo i některých spotřebičů v údaji "Inrush current" (náběhový proud). Ten i v případě malých spínaných el. zdrojů či měničů (s výkonem např. 30 W) může být i několik desítek ampér (běžný údaj bývá až 32 A)! Ano, jde tu právě o hodnotu el. proudu, který zcela vybitý (dlouho odpojený) zdroj může odebírat po dobu až cca 100 ms po připojení. Protože následně proud rychle klesne na jmenovitou hodnotu, není náběhový proud v dlouhodobém časovém měřítku nijak patrný. Nicméně jeho účinek můžete prakticky pocítit, pokud takový spínaný zdroj nebo zařízení, které jej obsahuje, připojíte na příliš malý jistič, který se pak může při zapnutí zařízení odpojovat ("vypadávat"). V běžné praxi je možné účinky náběhového proudu dobře vidět u připojování dlouho vypnutých (vybitých) spínaných napájecích zdrojů do elektrické zásuvky, kdy v momentě zasunutí zástrčky do zásuvky často objeví i velmi výrazně zajiskření.

Ideální je tedy volit maximální zátěžový proud kontaktů relé (nebo obecně spínačů) blížící se uváděnému náběhovému proudu (Inrush current) nebo provést snížení náběhového proudu.

Příklady zařízení chovající se jako výrazná kapacitní zátěž:

• Spínané napájecí zdroje - čím má zdroje větší výkon, tím obvykle má i větší náběhový proud.
• Dlouhá přenosová vedení nebo kabely - zde se projevuje parazitní kapacita mezi vodiči při kabelech delších než cca 10 m.
• Různé napěťové filtry - například reproduktorové výhybky.
• Snížení velikosti náběhového proudu kapacitních zátěží je možno vytvořit použitím různých zapojením elektrických prvků sériově s kapacitní zátěží:

Zapojením rezistoru / NTC termistoru  - jejich el. odpor omezuje náběhový proud úbytkem napětí (napětí na svorkách kapacitní zátěže roste postupně - ne skokem). Nevýhodou jsou nežádoucí přídavné ztráty v ustáleném stavu.
Zapojení s tlumivkou (cívkou) - kompenzuje (snižuje) náběhový proud a zároveň následně v ustáleném stavu již nevytváří velké nežádoucí el. ztráty (tlumivka vykazuje jen nízký el. odpor vodiče).

Spínání indukční zátěže

Největším nepřítelem takového běžného relé však obecně bývá indukční zátěž - například solenoid či elektromagnet. Je totiž svým chováním nejvíce zrádná a nejsnadněji může kompletně zničit (zpéct/opálit) spínané kontakty relé. Chová se totiž přesně opačně než kapacitní zátěž. Tedy nijak nevadí její účinky během spínání relé, kdy z fyzikálního principu funkce el. proud nabíhá postupně od malých hodnot až definovaného jmenovitého proudu , který je uveden na součástce (cívka / indukční zátěž se v tomto momentě chová jako tlumivka).

Problém nastává naopak při odpojování indukční zátěže, tedy při rozpojování kontaktů relé. Z principu své fyzikální funkce (zpětné elektromotorické síle), chce indukční zátěž zachovat hodnotu el. proudu, kterou jí procházel před rozepnutím. Za tímto účelem generuje indukční zátěž na svých svorkách dočasně el. napětí takové hodnoty a polarity, aby směr i velikost proudu byl zachován.

Indukčnost cívky u elektromagnetických přístrojů se tak nepříznivě projeví při jejich vypínání vznikem přepětí, které může značně namáhat jak izolaci vinutí samotné zátěže, tak i kontakty vypínacího zařízení, tedy v našem případě kontaktů relé. Na vznik přepětí má vliv indukčnost cívky (s rostoucí indukčností přepětí roste), rychlost a způsob odpojení. Nejvíce se přepětí zvýší u rychle elektronicky odpínaných přístrojů – mžikové odpojení, pokud indukční zátěž neobsahuje ochranný prvek proti přepětí. Zvláště nepříznivě se projevuje u větších indukčností, vyšším napájecím napětí a vyšší hodnotě relativního zatěžovatele (poměr doby, po kterou je elektromagnet zapnut během jednoho cyklu a doby jednoho pracovního cyklu). V praxi bývá obvyklé se může  při vypínání indukční zátěže vytvořit přepětí až 30-ti násobné hodnoty jmenovitého napájecího / spínaného napětí.

Tedy pokud dojde k mžikovému odpojení indukční zátěže oddálením kontaktů relé, elektricky neošetřená indukční zátěž může vygenerovat napětí i mnoho stovek voltů, které pak následně v mezeře oddalujících se kontaktů může zapálit a vytáhnout obloukový výboj. Ten pak kontakty relé "spolehlivě" poškodí nebo v horším případě trvale zničí.

Příklady zařízení, které se mohou chovat se jako výrazná induktivní zátěž:

• Solenoidové / elektromagnetické ventily
• Elektromagnety
• Elektromotory
• Transformátory
• Větráky
• Ovládací cívky relé

Ochranu proti přepětí je možno vytvořit použitím různých způsobů zapojením elektrických prvků paralelně s indukční zátěží, které odvedou (zkratují) přepětí vzniklé na kontaktech indukční zátěže / cívky po jejím odpojení od napětí:

• Zapojení s diodou a odporem (pro stejnosměrné napájení) - výkonově je nutné dimenzovat diodu i odpor dle četnosti spínání, velikosti přepětí a odpínaného příkonu. Závěrné napětí diody musí být větší než napájecí napětí obvodu, maximální propustný proud diody musí být větší než proud který teče při sepnutí zátěží (cívkou).
• Zapojení tzv. zhášecího kondenzátoru (pro střídavé napájení) - připojení RC členu paralelně ke spínacímu kontaktu, kde R = RL a C = L/RL2
• Zapojení se dvěma zenerovými diodami nebo transilem - zenerovy diody nebo transil omezují přepětí od určitého udávaného prahového napětí. Nevýhodou je, že při výkonovém přetížení s následkem destrukce dochází k trvalému vedení, tzn. dochází k přemostění zátěže.
• Zapojení s varistorem -  varistor připojený paralelně k zátěži musí vyhovovat podmínce 2 < Umax/Uj < 4 (Umax je napětí varistoru, Uj je napájecí napětí obvodu).

Možné řešení ochrany kontaktu relé před účinky indukční zátěže - zleva: diodou, zhášecím kondezátorem, zenerovými diodami či transilem, varistorem.

Závěr

Závěr tedy je, že ne za všech okolností vykazuje připojovaná či odpojovaná zátěž u nich uváděné jmenovité hodnoty el. proudu a napětí. To bohužel platí jen u ideálních čistě odporových zátěží / zařízení, což je bohužel v praxi stav spíše výjimečný. Vždy je tedy obecně vhodné nejen spínací kontakty relé dostatečně předimenzovat (s ohledem na spínané napětí i přepokládaný spínaný el. proud), ale případně spínanou zátěž/zařízení vhodně ošetřit zapojením přídavných prvků podle toho, jak se převážně chová, tedy zda spíše jako kondenzátor (např. různé filtry či spínané zdroje/měniče) nebo spíše jako cívka (např. solenoidy a elektromagnety). U některých zařízení se lze v tomto směru setkat s udáním maximálního zatížení kontaktů ve formátu "maximální spínaný proud 16 (4) A, 250 V~", kde 16 A znamená pro odporovou zátěž, zatímco 4 A pro indukční zátěž.

Pokud se pomocí relé spínaná kapacitní nebo indukční zátěž není vhodně ošetřena, může snadno poškodit nebo i zničit relé a tím tedy i poškodí ovládací zařízení, které má relé v sobě integrované (např. senzor, PLC, vzdáleně ovládaná spínací jednotka atd.).