Elektromechanická relé mají stále své výhody, jednoduchost, mechanickou robustnost, odolnost proti krátkodobému přetížení nebo třeba výborné galvanické oddělení obvodů. Mají ale také určitou prodlevu mezi sepnutím proudu do vinutí a skutečným sepnutím kontaktů i naopak, po vypnutí do přerušení kontaktů.
V mnoha případech, například u spínání topení, jsou tyto prodlevy zanedbatelné a nemá smysl se jimi zabývat. Je ale také hodně situací, kdy na prodlevě záleží, třeba když relé svými kontakty přepóluje napájení a polovodičový spínač je sepne. Pak se musí s prodlevou počítat a přizpůsobit jí časování událostí. Jindy je potřeba zpoždění sepnutí i rozepnutí relé nekompromisně zkrátit. Jak na to?
Obecně můžeme vybrat rychlejší relé, mezi katalogovými údaji rychlost spínání i rozpínání je uváděna. Například jazýčková relé jsou poměrně rychlá, ale zase mohou spínat jen malý proud. Také můžeme hodně ovlivnit zapojením buzení relé. Ukážeme si to na příkladu výkonovém relé H700U06 (cívka na 6 V, proud kontaktů až 35 A). I když se udávané hodnoty týkají jen jednoho typu relé, postupy platí obecně.
Když připojíme na cívku relé jmenovité napětí (zde 6,0 V), prochází při daném stejnosměrném odporu cívky jmenovitý proud (zde 300 mA). Relé by mělo vydržet tento proud trvale, zahřeje se, ale nepoškodí. Při krátkém sepnutí ale není žádný problém provozovat cívku relé na vyšší napětí, třeba dvojnásobné (12 V), pak je proud také přibližně dvojnásobný (600 mA), ale už nelze takto relé nechat sepnuté dlouho. Relé takto sepne rychleji, z toho budeme vycházet. Když jde o sepnutí na sekundy nebo zlomky sekund, můžeme napětí zvednout až čtyřikrát. Není to zrovna „čisté“, ale funguje to.
Relé je schopné sepnout i při podstatně menším napětí a proudu cívky, například dané pokusné relé spolehlivě spínalo od 2,7 V (130 mA), ovšem spínání bylo jednak pomalé, jednak se zákmity kontaktů.
Pokud jde o přidržení sepnutí, pak můžeme jít ještě dál, dané relé bylo schopné udržet sepnuté kontakty při 1,1 V (50 mA). Využívat podobný režim je ale značné riziko, protože kontakty už mohou odpadnout třeba jen drobným mechanickým otřesem. Je však vidět, že jmenovité hodnoty napětí a proudu nejsou žádné dogma, relé pracuje v dost širokém rozmezí.
Základní zapojení logickým signálem ovládaného relé je na obrázku. V praxi ale toto zapojení bude asi fungovat jen krátce, pak se pravděpodobně zničí spínací tranzistor. Sepnutí proběhne bez problémů, ale při rozepnutí energie v cívce relé vygeneruje napěťovou špičku, která tranzistor zničí. Nicméně v tomto režimu se projeví vlastní časové zpoždění relé. Používáme budicí pulz délky 10 ms, tranzistor zpoždění nevnáší, je proti relé velmi rychlý. Na obrázcích z osciloskopu je vždy nahoře budicí signál, dole nasnímaný výstup přes kontakty relé.
Při napájení cívky 6,0 V je sepnutí zpožděno o 4,4 ms (střední kontakt se musí rozhýbat a přejet celou dráhu mezi krajními kontakty), zpoždění vypnutí bez zákmitu 1,2 ms. Zpoždění rozepnutí je podstatně kratší, protože není nutné, any střední kontakt udazil delší dráhu, jakmile se odpoutá od spínacího kontaktu, je proud přerušen. S těmito hodnotami budeme porovnávat další změny.
Aby se zamezilo vzniku napěťových špiček, obvykle se přes cívku relé zapojuje dioda. Když tranzistor vypne, proud dál teče přes diodu a prodlouží sepnutí relé, dokud se energie cívky nevyčerpá. Na konci proud postupně klesá a tím se může stát, že kontakt je nespolehlivý a dojde k zákmitu. Má to tedy své výhody i nevýhody.
A výsledný vliv? Při 6,0 V je sepnutí stejně zpožděné o 4,4 ms (na něj dioda nemá žádný vliv), zpoždění rozepnutí se zvýšilo na 9 ms (tedy více než 7x !!!) a skutečně je na něm výrazný zákmit. Ten se nemusí objevit vždy, také nemusí být jen jeden, podobné náhodné jevy jsou zkrátka časté.
Ochrannou diodu ponecháme zapojenou a vyzkoušíme, jak se změní zpoždění při vyšším i nižším napájecím napětí. Nejprve při 3 V. Budicí pulz musel být prodloužen na 15 ms, aby vůbec relé stihlo sepnout.
Zpoždění sepnutí vzrostlo velmi výrazně na 12 ms, při vypnutí kleslo na 6 ms. Je to logické, rychlost pohybu středního kontaktu je mnohem menší (zhruba 3x) při spínání, naopak menší procházející proud znamená i méně energie v cívce a tedy i trochu kratší dobu při vypínání.
Při napájení 12 V je situace opačná. Sepnutí je podstatně rychlejší (2,4 ms) a rozepnutí o něco málo pomalejší (9,6 ms). Délka budicího pulzu už byla vrácena na 10 ms.
Když tedy potřebujeme, aby bylo spínání relé pokud možno rychlé, jak to zařídíme? Máme několik základní možnosti:
1/ Brutální metoda je zvýšit napájecí napětí (třeba na dvojnásobek) – viz výše. Spínání se podstatně zkrátí, vypínání o něco prodlouží, ale relé nemůže být sepnuté dlouho, cívka by se přehřála a spálila. Stejný efekt má při stejném napájecím napětí zvolit relé na menší (poloviční) napětí.
2/ Použijeme vyšší napájecí napětí respektive relé na nižší napětí stejně jako v předchozím případě, ale současně zapojíme sériově s cívkou takový odpor, aby proud zůstal stejný jako byl původně.
Výsledkem je zrychlené sepnutí (3 ms), o něco horší než při napájení zvýšeným napětím „natvrdo“, ale výrazně zlepšené. Odběr proudu je stejný. Vypnutí trvá kolem 9 ms, při stejném proudu se nezměnilo.
3/ Pokusíme se spojit rychlejší sepnutí a sníženou spotřebu. Zvýšíme přidaný odpor tak, aby proud cívkou klesl pod původní hodnotu, v našem případě zhruba na polovinu. Přidáme kondenzátor, stačí s relativně malou kapacitou, který propustí proud při sepnutí a zrychlí ho. Toto zapojení ale stále vyžaduje zvýšené napájecí napětí respektive relé s menším napětím.
V daném případě bylo nutné prodloužit budicí pulz, aby se výsledek správně projevil a účinek kondenzátoru spolehlivě skoncil před vypnutím. Výsledkem je sepnutí za 2,4 ms, tedy stejné jako při napájení zvýšeným napětím „natvrdo“, odběr při dlouhém sepnutí snížený na polovinu a vypnutí zpožděné o 8 ms. Kvůli spolehlivému přidržení v praxi by asi bylo lépe nesnižovat proud tolik, ale řekněme jen o 25%.
4 / Není-li možné použít zvýšené napájecí napětí (nebo relé na nižší napětí), je k dispozici mírně složitější zapojení podle následujcího obrázku.
V klidu (respektive při předchozím vypnutí) se kondenzátor C1 nabije přes vinutí relé a diody D1 a D2, tranzistor T2 je vypnutý, T1 také. Jakmile se sepne T2 a připojí kladný vývod nabitého kondenzátoru k zemi, objeví se na source T1 záporné napětí a ten se otevře (má gate připojený na zem). Na cívce relé je téměř dvojnásobné napětí proti napájecímu a rychlost sepnutí tomu odpovídá. Napětí na C1 postupně klesá, jakmile se přiblíží nule, vypne tranzistor T1 a cívkou teče proud přes D1 a T2, současně se opět nabíjí C1 pro další použití. V zapojení není zakreslena ochranná dioda přes cívku relé.
Toto zapojení má jednu nevýhodu, při skokovém zapnutí napájení projde proud přes C1 a relé může na okamžik sepnout, záleží na poměru kapacity a energie potřebné pro konkrétní relé. Pokud mžikové sepnutí nevadí, dáme raději větší kapacitu. Vadí-li to, postupně snižujeme kapacitu tak dlouho, až sebou relé jen cukne, ale nesepne. Urychlení sepnutí je pak ovšem menší.
Respektování časových parametrů relé často může silně ovlivnit i jeho životnost, protože můžeme odstranit spínání a zejméně rozpínání pod proudem nebo zákmity při rozpínání a tím prakticky zamezit opalování kontaktů.