Relay là gì?

Rơ-le là một loại công tắc điều khiển bằng điện. Nó bao gồm một tập hợp các chân đầu vào để nhận một hoặc nhiều tín hiệu điều khiển, và một tập hợp tiếp điểm đầu ra để thực hiện đóng/ngắt mạch điện. Rơ-le có thể được thiết kế với nhiều tiếp điểm và nhiều dạng tiếp điểm khác nhau, chẳng hạn như:

• Tiếp điểm thường mở (make contacts)
• Tiếp điểm thường đóng (break contacts)
• Hoặc kết hợp cả hai dạng tiếp điểm trên

Rơ-le thường được sử dụng để:

• Điều khiển một mạch điện bằng tín hiệu điều khiển có công suất thấp
• Điều khiển nhiều mạch điện khác nhau bằng cùng một tín hiệu điều khiển duy nhất

Lịch sử phát triển

• Năm 1809, Samuel Thomas von Sömmerring đã thiết kế một loại rơ-le điện phân (electrolytic relay) dùng làm thiết bị cảnh báo cho hệ thống điện tín hóa học mà ông phát triển.
• Năm 1835, nhà khoa học Mỹ Joseph Henry thường được ghi nhận là người phát minh ra rơ-le điện từ, với mục đích cải tiến phiên bản điện báo do chính ông phát triển từ trước đó vào năm 1831.
• Vào tháng 3 năm 1837, Edward Davy đã nộp một bức thư cho Thư ký Hội Nghệ thuật Anh (British Secretary for the Society of Arts), trình bày về ý tưởng của ông cho một loại rơ-le điện từ (electromagnetic relay).
• Tuy nhiên, phải đến năm 1840, bằng sáng chế chính thức mới được cấp cho Samuel Morse cho hệ thống điện báo của ông – và thiết bị trong đó nay được xem là một dạng rơ-le.
• Từ năm 1860 trở đi, thuật ngữ “relay” bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong ngữ cảnh các thiết bị vận hành bằng điện từ.

Thuật ngữ về Rơ le thường gặp

Hiệp hội các nhà sản xuất Rơ-le Quốc gia Hoa Kỳ và tổ chức kế nhiệm của nó, Hiệp hội ngành công nghiệp Rơ-le và Công tắc, đã định nghĩa 23 dạng tiếp điểm điện khác nhau được sử dụng trong rơ-le và công tắc điện. Trong số đó, các dạng phổ biến thường gặp gồm có:

• SPST-NO (Single-Pole Single-Throw, Normally-Open): Rơ-le một cực, một vị trí, thường mở. Có một tiếp điểm dạng Form A (tiếp điểm đóng – make contact). Loại này có hai chân tiếp điểm, có thể được nối hoặc ngắt mạch.
• SPST-NC (Single-Pole Single-Throw, Normally-Closed): Rơ-le một cực, một vị trí, thường đóng. Có một tiếp điểm dạng Form B (tiếp điểm ngắt – break contact). Cũng giống như SPST-NO, rơ-le này thường có tổng cộng bốn chân, bao gồm cả hai chân cuộn dây điều khiển.
• SPDT (Single-Pole Double-Throw): Rơ-le một cực, hai vị trí. Có một bộ tiếp điểm dạng Form C – tiếp điểm chuyển mạch kiểu ngắt trước khi đóng (break before make). Tức là một chân chung (common terminal) được nối luân phiên với một trong hai chân còn lại. Bao gồm cả hai chân cuộn dây, rơ-le này có tổng cộng năm chân.
• DPST (Double-Pole Single-Throw): Rơ-le hai cực, một vị trí. Tương đương với hai rơ-le SPST được kích hoạt bằng một cuộn dây điều khiển duy nhất. Bao gồm cả hai chân cuộn dây, rơ-le này có tổng cộng sáu chân.
• DPDT (Double-Pole Double-Throw): Rơ-le hai cực, hai vị trí. Có hai bộ tiếp điểm dạng Form C, tương đương với hai rơ-le SPDT được điều khiển bởi cùng một cuộn dây. Rơ-le loại này có tám chân, bao gồm cả cuộn dây.
• Form D – Make Before Break: Dạng tiếp điểm “đóng trước khi ngắt”.
• Form E – Kết hợp giữa D và B

Phân loại

• Coaxial relay: Trong các hệ thống truyền – thu dùng chung một ăng-ten, thường sử dụng rơ-le đồng trục làm rơ-le TR (transmit-receive), giúp chuyển đổi kết nối ăng-ten giữa bộ thu và bộ phát.
• Contactor: Contactor là một loại rơ-le hạng nặng (heavy-duty) có dòng định mức lớn hơn, dùng để đóng/ngắt động cơ điện và tải chiếu sáng.
• Force-guided contacts relay: Là loại rơ-le có các tiếp điểm được liên kết cơ khí với nhau, sao cho khi cuộn dây được cấp hoặc ngắt điện, tất cả các tiếp điểm liên kết sẽ chuyển động đồng thời.
• Latching relay: Còn gọi là rơ-le giữ trạng thái (impulse, bistable, keep, stay relay, hoặc đơn giản là latch), có khả năng duy trì vị trí tiếp điểm hiện tại mà không cần cấp điện liên tục cho cuộn dây.
• Machine tool relay: Là loại rơ-le được chuẩn hóa dùng trong điều khiển công nghiệp cho máy công cụ, máy chuyển mạch tuần tự và hệ thống điều khiển trình tự khác.
• Mercury-wetted relay: Là một dạng rơ-le lá (reed relay) có sử dụng công tắc thủy ngân. Các tiếp điểm được làm ướt bằng thủy ngân, giúp cải thiện khả năng đóng cắt và giảm tia lửa hồ quang.
• Multi-voltage relays: Là những rơ-le được thiết kế để hoạt động trong dải điện áp rộng, ví dụ như từ 24 đến 240 VAC hoặc VDC, và trong dải tần số rộng như 0 đến 300 Hz.
• Overload protection relay: Được dùng để bảo vệ động cơ điện khỏi quá dòng, quá tải hoặc ngắn mạch, nhờ khả năng phát hiện và ngắt mạch trong các tình huống bất thường (bao gồm lỗi trong dây nối hoặc cuộn dây bên trong động cơ).
• Polarized relay: Là rơ-le có phần ứng được đặt giữa hai cực của một nam châm vĩnh cửu, giúp tăng độ nhạy và phân biệt chiều dòng điện điều khiển.
• Reed relay: Là một rơ-le lá (reed switch) được đặt bên trong một cuộn dây (solenoid) để thực hiện đóng/ngắt mạch thông qua từ trường.
• Safety relays: Là các rơ-le được thiết kế để thực hiện chức năng bảo vệ an toàn, thường dùng trong hệ thống dừng khẩn cấp (E-Stop), rào chắn an toàn, công tắc cửa bảo vệ,…
• Solid-state relay (SSR): Là một rơ-le bán dẫn – thực hiện chức năng tương tự như rơ-le điện cơ nhưng không có bộ phận chuyển động cơ học, do đó có độ bền cao hơn và ít hỏng hóc hơn.
• Static relay: Là loại rơ-le sử dụng mạch điện tử tĩnh, mô phỏng lại các đặc tính hoạt động như rơ-le điện từ nhưng không dùng bộ phận cơ khí chuyển động.
• Vacuum relay: Là rơ-le nhạy cao có các tiếp điểm được đặt trong môi trường chân không bên trong ống thủy tinh. Điều này cho phép xử lý điện áp cao tới 20.000 V ở tần số vô tuyến mà không bị phóng điện qua các tiếp điểm, dù khoảng hở rất nhỏ.

Ứng dụng

Rơ-le được sử dụng ở bất kỳ nơi nào cần điều khiển một mạch điện áp cao hoặc công suất lớn bằng một mạch điện áp thấp, đặc biệt trong những trường hợp yêu cầu cách ly điện (galvanic isolation) giữa mạch điều khiển và mạch tải.

Hệ thống chuyển mạch điện cơ, bao gồm tổng đài điện thoại kiểu Strowger và crossbar, sử dụng rơ-le rộng rãi trong các mạch điều khiển phụ trợ (ancillary control circuits).

Việc ứng dụng rơ-le trong điều khiển logic cho các hệ thống chuyển mạch phức tạp, như tổng đài điện thoại, đã được nghiên cứu bởi Claude Shannon, người đã chính thức hóa việc áp dụng đại số Boolean vào thiết kế mạch rơ-le thông qua tác phẩm A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits.

Các máy tính điện cơ đời đầu như ARRA, Harvard Mark II, Zuse Z2, và Zuse Z3 đã sử dụng rơ-le cho cả xử lý logic và thanh ghi làm việc (working registers).

Rơ-le có khả năng chống chịu bức xạ hạt nhân tốt hơn nhiều so với linh kiện bán dẫn, nên được sử dụng phổ biến trong các mạch logic an toàn (safety-critical logic), chẳng hạn như trong bảng điều khiển của thiết bị xử lý chất thải phóng xạ.

Rơ-le bảo vệ điện cơ (Electromechanical protective relays) được sử dụng để phát hiện quá tải và các sự cố khác trên đường dây điện, bằng cách đóng hoặc ngắt máy cắt điện (circuit breakers) tương ứng.

Tín hiệu đường sắt (Railway signaling): Các rơ-le tín hiệu đường sắt thường có kích thước lớn, mặc dù chỉ phải đóng/ngắt các mức điện áp thấp (thường dưới 120V) và dòng điện nhỏ (khoảng 100 mA).

Relay không chỉ là một linh kiện điện tử cơ bản, mà còn là thành phần then chốt trong nhiều hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp hiện đại. Nhờ khả năng đóng cắt mạch điện an toàn, chính xác và bền bỉ, relay được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như điện, điện tử, sản xuất, năng lượng, giao thông và nhiều lĩnh vực công nghệ cao khác.

Việc lựa chọn và sử dụng relay chất lượng cao không chỉ giúp tối ưu hiệu suất vận hành, bảo vệ thiết bị mà còn giảm thiểu rủi ro sự cố, tiết kiệm chi phí bảo trì, đồng thời nâng cao tính ổn định và tuổi thọ hệ thống. Đây cũng là yếu tố quan trọng giúp doanh nghiệp duy trì lợi thế cạnh tranh, đảm bảo sản xuất an toàn, liên tục và đạt chuẩn quốc tế.