Az elektrotechnika első olyan elemei, melyekkel villamos áramköröket lehetett zárni, illetve megszakítani, mozgó érintkezős kialakításúak voltak. Kézzel vagy a vezérelt készülékek valamelyik alkatrészével lehetett zárni, illetve bontani az érintkezőket, így lehetett az áramkörök be- és kikapcsolását megoldani. A tranzisztorokat, de még az elektroncsöveket is megelőzően a villamos jellel történő bekapcsolást-kikapcsolást, az érintkezők villamos működtetését elektromágnessel oldották meg, így jöttek létre a jelfogók, másik szokásos nevükön relék (angol megnevezésük Relay). A relékkel összetett vezérlési feladatokat is meg lehetett oldani, alkalmasak voltak pl. adatok tárolására is. Mindez lehetővé tette, hogy a felhasználásukkal programozható elektromos számítógépeket építsenek.
A programozható számítógépek története 1820 körül kezdődik, amikor Charles Babbage (1. ábra) nekifogott a számítógépe megépítésének. Ez a berendezés teljesen mechanikus készülék volt, sok száz különféle fogaskerékre épült. Ismeretes, hogy sem az első, sem a második számítógépét nem sikerült működőképessé tennie, aminek elsősorban a kor finommechanikai színvonala volt az oka, mivel nem tudtak számára megfelelő minőségű fogaskerekeket készíteni.
1. ábra Charles Babbage
A jelfogós technikát, a relés kapcsolások lehetőségeit jól ismerők számára egyértelmű volt, hogy az egyre bonyolultabb vezérlőrendszereket a mechanikus megoldások helyett relékkel célszerűbb megtervezni. Amikor az 1930-as évek elején több államban is felvetődött a számítógépek alkalmazásának igénye, egymás után készültek el a relés gépek (nem titok, hogy többnyire a háborús felkészülés egyik elemeként). A legismertebbek Konrad Zuse (1934), majd az IBM (1942), a Bell Telephone Laboratories (1944) gépei.
Vegyük szemügyre az utóbbi néhány jellemzőjét, hogy képet alkothassunk ezekről a berendezésekről! A Bell első számítógépének, az ASCC-nek (Automatic Sequence Controlled Calculator) a tervező- és kivitelezőcsoportját Howard Hathavay Aiken vezette. A 15 m hosszú, 2,5 m magas gép 34 tonna tömegű volt, 3500 telefonjelfogót, 2255 számlálórelét és 35 000 mozgó érintkezőt tartalmazott, összesen 760 000 alkatrészből állították össze (2. ábra). Az ASCC 23 jegyű, fixpontos előjeles decimális számokkal dolgozott, regisztereiben 72 számot tudott eltárolni. Két számot 0,3 s alatt tudott összeadni, ugyanennyi időre volt szüksége egy kivonáshoz is. 4 … 6 s alatt végzett el egy szorzást, az osztáshoz 11 … 12 másodpercre volt szüksége. A gép tervezése 1939-ben kezdődött, az első üzemeltetésére 1944-ben került sor. A háború után oktatási célra használták a Harvard Egyetemen (új, Mark I néven).
2. ábra Az IBM ASCC
A hazai számítógép-fejlesztés úttörője Kozma László volt (3. ábra). Hányatott sorsa ellenére (koncentrációs táborba hurcolták, hazatérte után koncepciós per alapján bebörtönözték) rendkívül sokat tett a hazai egyetemi oktatás és a telefonhálózat ügyéért. Miután kegyelmet kapott, a BME tanszékvezetőjeként többek között egy számítógép megépítésébe is belevágott. A MESZ-1 (Műszaki Egyetemi Számítógép 1) 1958-tól az 1960-as évek végéig működött az egyetemen, sokáig a BME egyetlen programozható elektromos számítógépe volt (4. ábra)! A gépben közel 2000 darab jelfogó működött. 8 decimális számjegyet tudott kezelni, lebegőpontos aritmetikával.
3. ábra Kozma László
4. ábra A MESZ-1
1957 után állami költségvetésből az MTA égisze alatt létrehozták Magyarország számítógép-fejlesztő csoportját (Kibernetikai Kutató Csoport néven), és megbízták egy hazai, elektroncsöves számítógép kifejlesztésével. Végül egy csak papíron létező szovjet csöves számítógép, az M3 terveinek átvétele mellett döntött a csoport.
Jellemző módon Kozma professzor nem tartotta az elektroncsöveket számítógép építésére alkalmas eszközöknek. Számos problémát vetett fel a csöves megoldással kapcsolatban, míg a relés számítógépeket megbízhatóaknak, hatékonyaknak látta. Végül a kérdést a tranzisztorok, majd az integrált áramkörök felfedezése döntötte el, a relés és a csöves számítógépek egyaránt a múzeumokba kerültek. De – mint a továbbiakban kiderül – a mikroelektronika korában is sok esetben célszerű a mozgó érintkezős megoldások alkalmazása!
Az elektromágneses relék (5. ábra) működési elve alapvetően nem változott, az elsőt Samuel Thomas von Sömmering (6. ábra) készítette el 1809-ben. A jelfogó bemenőjele az elektromágnes tekercsébe vezetett áram. Ha a tekercs áram alá kerül, a jelfogó meghúz, záróérintkezői záródnak, bontóérintkezői nyitnak. A működtetőfeszültség lekapcsolásakor a jelfogó elenged, az érintkezői alaphelyzetbe kerülnek (a zárók megszakítják az áramkörüket, a bontók zárják). Erre a működési módra a monostabil jelzővel utalhatnak (monostabil jelfogó, angolul Monostable Relay vagy Single Side Stable Relay). Egy másik típusnál rövid áramimpulzussal bekapcsolható a relé, majd feszültségmentes állapotban megőrzi ezt a meghúzott állapotát, egy további, törlőimpulzussal érhető el az elengedett vagy alapállapot (bistabil, reteszelt jelfogó: angolul Bistable Relay vagy Latching Relay). A bekapcsoló- és a törlőimpulzus több módon kialakítható, pl. egyetlen csatlakozópáron a polaritás határozza meg az impulzus hatását, de sok bistabil relének két, külön csatlakozópárja van a kétféle működtetéshez.
5. ábra Elektromágneses relé
6. ábra S. T. von Sömmering
A magyar szakirodalomban az érintkezőknek fentebb is megadott megnevezése használatos, ami a jelfogó működtetett, meghúzott állapotbeli viselkedésére utal. A 7. ábrán a hazai, szabványos érintkezőjelöléseket mutatjuk be. Sajátos módon az angol nyelvű szakirodalom a nyugalmi, elengedett állapotra utaló megnevezéseket használ. A záróérintkező angolul NO, Normally Open, azaz normálisan, alaphelyzetben nyitott, míg a bontóérintkező NC, Normally Closed, tehát alapállapotban zárt. A váltó (morze)-érintkező egy záró- és egy bontóérintkező összevonásából jön létre.
7. ábra Az érintkezők rajzjelei
A különféle feladatokhoz számos változatot dolgoztak ki, mi a jelkezelő, kis teljesítményű jelfogókkal foglalkozunk a továbbiakban (Signal Relays), mivel a mikroelektronikai környezetben ezek a leggyakoribbak. Ezeknél a kis méret az elsődleges, ezért miniatűr reléknek, mikroreléknek is nevezik őket.
Egy sajátos elemcsalád az 1971-ben megjelent SzTR (SSR). A rövidítés kifejtése: SzTR: szilárdtestrelé (SSR: Solid State Relay). Ezek voltak az első, félvezető elemekből összeszerelt kapcsolók (8. ábra). A bemenőjelük általában 3 … 32 V egyenfeszültség volt, a kimenetükön egyenáramot vagy váltakozó áramot tudtak kapcsolni. Lényegében sajátos belső kialakítású, egy záróérintkezőt működtető jelfogóknak tekinthetők. Éveken át egységes, kb. Gyufásdoboz-méretű tokozással, csavaros csatlakoztatási lehetőséggel készültek, később csökkentek a méretek és forrasztható kivezetéseket kaptak. Az eredeti, hagyományos SSR-egységek a bemenőjelet optocsatolóval fogadták, ami egy vezérlőegységet aktivizált, a kimenetet tirisztor vagy triak alkotta (ennek megfelelően egy SSR vagy egyenáramot vagy váltakozó áramot tudott kezelni a kimenetén).
8. ábra Az eredeti SSR
Ma is használják az SSR (Solid State Relay), azaz szilárdtest-jelfogó, félvezetős jelfogó elnevezést, de már nem erre a klasszikus, nagyméretű alkatrészre, hanem a tisztán félvezetőkből kialakított, integrált egységekre. Sokszor nem is SSR-nek nevezik ezeket, hanem a kimenetükön lévő kapcsolóelemnek megfelelően FET relének, MOSFET relének (FET Relay, MOSFET Relay). Ezekkel a ma már rendkívül kis méretű jelfogókkal ebben a cikkben nem foglalkozunk, hiszen ezekben nincs mozgó érintkező. Egyébként a cikkünkben ismertetésre kerülő parányi, érintkezővel működő jelfogóknak éppen a MOSFET relék a legnagyobb konkurensei, ezért a fő tulajdonságaikat az összehasonlítás érdekében ismertetni fogjuk.
A mozgó érintkezős relék egy különleges csoportját alkotják a reed-jelfogók. A reed-reléknél a mozgó érintkezőket légmentesen lezárt, védőgázzal töltött üvegcsőben helyezik el (9. ábra), a nádat jelentő „reed” elnevezést innen kapta a kapcsolóelem. Egy reed-kapcsoló többnyire egyetlen záróvagy bontóérintkezőt, esetenként morze-elrendezést foglal magában. Az üvegcsőbe zárt érintkezőt pl. a közelébe tolt állandó mágnessel lehet működtetni. A mágneses mező hatására a különleges, mágnesezhető anyagú érintkezők összetapadnak, záróérintkezők esetén zárják az áramkört. Ilyen felhasználás esetére önmagában ezt a reed-kapcsolót (Reed Switch) is gyártják és forgalmazzák, néhány gyártó termékeit be is fogjuk mutatni. Jelfogóként úgy használhatóak fel, hogy az üvegcsőre szigetelt vezetékből sokmenetes tekercset készítenek, s ennek csatlakozópontjai lesznek a működtetőjelet fogadó pontok. A teljes elrendezést tokozzák, így áll elő a reed-relé (Reed Relay).
9. ábra Reed kapcsoló
A reed-kapcsoló működési elvét már 1922-ben felfedezte egy szovjet egyetemi professzor, V. Kovalenkov. Hivatalosan azonban nem őt tartják a feltalálónak, mivel nem szabadalmaztatta az ötletét, egyébként a mágneses mezővel zárható érintkezőit ő még nem zárta üvegcsőbe. Elsőként 1936-ban Walter B. Ellwood jelentett be szabadalmat a reed-relékre. Ő a Bell mérnöke volt, a szabadalmi leírásában már üvegcsőben jelentek meg az érintkezők, s ennek a külsejére feltekercselt vörösréz huzal mint elektromágnes működtette a relét.
A digitális IC-k megjelenése után a leggyakoribb kivitel ebben a jelfogócsoportban a DIP reed-relé (DIP Reed-Relay) lett. Ezt a típust 14 kivezetéses, 2,54 mm lábkiosztású IC-tokban forgalmazzák, de csak néhány kivezetést alakítanak ki a tokon (10. ábra). A szokásos lábkiosztásokra a 11. ábra mutat be példákat, természetesen egyes gyártók termékei ezektől eltérhetnek. A diódákat a jelfogós kapcsolásokban a relék kikapcsolásakor keletkező feszültséglökés ellen használják, ezért gyártanak beépített diódás jelfogókat is. Mivel így már a működtetőfeszültséget nem lehet tetszőleges polaritással rávezetni a relére, itt már ügyelni kell a vezérlőjel bekötésére. A diódára csak akkor van szükség, ha félvezető (tranzisztor, IC) működteti a jelfogót – ezt a meghajtóelemet teheti tönkre a kikapcsoláskor a relé tekercsén indukálódó feszültséglökés. Mára a reed-kapcsolók – és velük a relék mérete is – csökkent, az új megoldásokra is mutatunk majd néhány példát... (sorozatunkat folytatjuk)
10. ábra DIP Reed relé tokozása
11. ábra DIP Reed relék lábkiosztása
