Принцип действия, устройство и схема акустического выключателя

Коммутация – это включение или выключение электроприбора в сеть. Для этого используют разъединители, выключатели, автоматические выключатели, реле, контакторы, пускатели. Последние три (реле, контактор и магнитный пускатель) подобны по своему строению, но предназначены для разных мощностей нагрузки. Это электромеханические коммутационные устройства. У новичков часто возникают вопросы типа:

«Для чего у реле столько контактов?»;

«Как заменить реле, если нет подобного по расположению выводов?»;

«Как подобрать реле?».

Я постараюсь ответить на все эти вопросы в статье.

Содержание статьи

Для чего нужно реле

Реле – это устройства, автоматически осуществляющие скачкообразные изменения (переключения) в цепях управления или непосредственно воздействующие на механизмы под влиянием каких-либо факторов, достигших заданного значения.

Чтобы включить нагрузку нужно подать на её выводы напряжение, оно может быть постоянным и переменным, с разным количеством фаз и полюсов.

Напряжение можно подать несколькими способами:

Разъёмное соединение (вставить вилку в розетку или штекер в гнездо);

Разъединителем (как вы включаете свет в комнате, например);

Через реле, контактор, пускатель или полупроводниковый коммутационный прибор.

Первые два способа ограничены как по максимальной коммутационной мощности, так и по расположению точки подключения. Это удобно, если свет или прибор вы включаете выключателем или автоматом при этом и они расположены рядом друг с другом.

Для примера, приведу ситуацию, например водонагревательный бак (бойлер) – это достаточно мощная нагрузка (1 – 3 и более кВт). Ввод электроэнергии в коридоре, и там же на электрощите у вас расположен автомат включения бойлера, тогда вам нужно протянуть кабель сечением 2.5 кв. мм. На 3-5 метров. А если вам нужно включить такую нагрузку на большом расстоянии?

Для удаленного управления можно использовать такой же разъединитель, но чем больше расстояние – тем большим получится сопротивление кабеля, значит, нужно будет использовать кабеля с большим сечением, а это дорого. Да и если кабель оборвется – непосредственно на месте включить прибор уже не получится.

Для этого можно использовать реле, которое установлено непосредственно возле нагрузки, а включать его удаленно. Для этого не нужен толстый кабель, ведь сигнал управления обычно от единиц до десятков ватт, при этом может включаться нагрузка в несколько киловатт.

Выключатели и разъединители – нужны для ручного включения нагрузки, для того, чтобы управлять ею автоматически, нужно использовать реле или полупроводниковые приборы.

Сферы применения реле:

Схемы защиты электроустановок. Для автоматического ввода энергии защиты от низких и высоких напряжений, Реле тока – для срабатывания токовых защит, разрешения пуска электрических машин и пр.;

Для удаленного включения.

Как работает реле

Электромагнитное реле состоит из катушки, якоря и набора контактов. Набор контактов может быть разным, например:

Реле с одной парой контактов;

С двумя парами контактов (нормально-замкнутые – NC, и нормально-разомкнутые – NO);

С несколькими группами (для управления нагрузкой в независимых друг от друга цепях).

Катушка может быть рассчитана на разную величину постоянного и переменного тока, вы можете подобрать под свою схему, чтобы не использовать дополнительный источник для управления катушки. Контакты могут коммутировать как постоянный, так и переменный ток, величина тока и напряжения обычно указана на крышке реле.

Мощность нагрузки зависит от коммутационной способности аппарата обусловленного его конструкцией, на мощных электромагнитных коммутационных устройствах присутствует дугогасительная камера, для управления мощной резистивной и индуктивной нагрузкой, например электродвигателем.

Для поддержания магнитного поля в свободном пространстве затрачивается больше энергии, чем для его поддержания в магнитном веществе. В результате этого между телами, состоящими из магнитного материала, всегда существует сила притяжения, если они находятся во внешнем намагничивающем поле.

Зазор между ферромагнитными пружинными пластинками закрывается, когда намагничивающая сила превышает силу пружины, и, наоборот, открывается, когда сила пружины преобладает. Такое закрывание и открывание зазора можно использовать соответственно для замыкания и размыкания некоторой электрической цепи.

Когда на катушку реле подаётся ток, то силовые линии магнитного поля пронизывают её сердечник. Якорь изготовлен из материала, который магнитится и он притягивается к сердечнику катушки. На якоре может быть размещена контактная медная пластика и гибкая подводка (провод), тогда якорь находится под напряжением и по медным шинам подаётся напряжение на неподвижный контакт.

Напряжение подключается к катушке, магнитное поле притягивает якорь, он замыкает или размыкает контакты. Когда напряжение пропадает – якорь возвращается в нормальное состояние возвратной пружиной.

Могут быть и другие конструкции, например, когда якорь толкает подвижный контакт, и он переключается от нормального состояния к активному, это изображено на картинке ниже.

Переключающие контакты реле:

Итог: Реле позволяет малым током через катушку управлять большим током через контакты. Величина управляющего и коммутируемого (через контакты) напряжения может быть разная и не зависит друг от друга.

Таким образом мы получаем гальванически развязанное управление нагрузкой. Это даёт существенное преимущество перед полупроводниками. Дело в том, что сам по себе транзистор или тиристор он не развязан гальванически, даже более того непосредственно связан.

Токи базы это часть тока коммутируемой через эмиттер-коллектор цепи, в тиристоре, в принципе, ситуация подобна. Если PN-переход повреждается – напряжение включаемой цепи может попасть на цепь управления, если это кнопка – ничего страшного, а если это микросхема или микроконтроллер – они, скорее всего, тоже выйдут из строя, поэтому реализуется дополнительная гальваническая развязка через оптопару или трансформатор. А чем больше деталей – тем меньше надежность.

ремонтопригодность. вы можете провести ревизию большинства реле, например, подчистить контакты от нагара и оно заново заработает, а при определенной сноровке можно заменить катушку или подпаять её выводы если они оторвались от выходящих контактов;

полная гальваническая развязка силовой цепи и цепи управления;

низкое переходное сопротивление контактов.

Чем ниже сопротивление контактов, тем меньше теряется напряжения на них и меньше нагрев. Электронные реле выделяют тепло, чуть ниже я бегло расскажу о них.

из-за того, что конструкция по сути механическая – ограниченное число срабатываний. Хотя для современных реле оно доходит до миллионов срабатываний. Так что сомнительный момент недостаток.

скорость срабатывания. Электромагнитное реле срабатывает за доли секунды, в то время как полупроводниковые ключи могут переключаться миллионы раз в секунду. Поэтому нужно подходить с умом к выбору коммутационной аппаратуры.

при отклонениях от управляющего напряжения может быть дребезжание реле, т.е. состояние, когда ток через катушку мал, для нормального удержания якоря, и оно «жужжит» открываясь и закрываясь с большой скоростью. Это чревато скорым выходом его из строя. Отсюда вытекает следующее правило – для управления реле аналоговый сигнал должен подаваться через пороговые устройства, типа триггера Шмидта, компаратора, микроконтроллера и т.д.;

Щелкает при срабатывании.

Характеристики реле

Чтобы правильно подобрать реле нужно учесть ряд параметров, который описывает его особенности:

1. Напряжение срабатывания катушки. 12 В реле не будет устойчиво работать или не включится совсем если вы на его катушку подадите 5 В.

2. Ток через катушку.

3. Количество контактных групп. Реле может быть 1-канальным, т.е. содержать 1 коммутационную пару. А может и 3-канальным, что позволит подключать 4 полюса к нагрузке (например, три фазы 380В)

4. Максимальный ток через контакты;

5. Максимальное коммутируемое напряжение. У одного и того же реле оно различное для постоянного и переменного токов, например 220 В переменного и 30 В постоянного. Это связано с особенностями дугообразования при коммутации разных электроцепей.

6. Способ монтажа – клеммные колодки, вывод для клемм, пайка в плату или установка на DIN-рейку.

Электронные реле

Обычное электромагнитное реле при срабатывании щелкает, что может мешать вам при использовании таких приборов в бытовых помещениях. Электронное реле, или как его еще называют твердотельное реле, лишено этого недостатка, но оно выделяет тепло, т.к. в качестве ключа используется транзистор (для реле постоянного тока) или симистор (для реле переменного тока). Кроме полупроводникового ключа в электронном реле установлена обвязка для обеспечения возможности управления ключом нужным управляющим напряжением.

Такое реле для управления использует постоянное напряжение от 3 до 32, а коммутирует переменное от 24 до 380 В с током до 10 А.

малое потребление управляющего тока;

отсутствия шума при переключении;

больший ресурс (миллиард и больше срабатываний, а это в тысячу раз больше чем у электромагнитного).

может сгореть от перегрева;

если сгорит – отремонтировать не получится.

Как подключить реле

На картинке ниже хорошо изображена схема подключения реле к сети и нагрузке. На один из силовых контактов подключают фазу, на второй нагрузку, а ноль на второй вывод нагрузки.

Так собирается силовая часть. Цепь управления собирается так: источник питания, например аккумулятор или блок питания, если реле управляемое постоянным током, через кнопку подключается к катушке. Для управления реле переменного тока схема аналогична, на катушку подается переменное напряжение нужной величины.

Здесь очевидно, что напряжение управления никак не зависит от напряжения в нагрузке, тоже и с токами. Ниже вы видите схему управления активаторами центрального замка автомобиля с двухполярым управлением.

Задача следующая, чтобы активатор совершил движение вперед нужно подключить плюс и минус к его соленоиду, чтобы сдвинуть его назад – полярность нужно сменить. Это сделано с помощью двух реле с 5-ю контактами (нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый).

Когда напряжение подаётся на левое реле, плюс подается на нижний провод (по схеме) активатора, через нормально-замкнутые контакты правого реле верхний провод активатора подключен к отрицательному выводу (к массе).

Когда напряжение подано на катушку правого реле, а левое обесточено, полярность получается обратной: плюс через нормально-разомкнутый контакт правого реле подаётся на верхний провод. А через нормально-замкнутые контактны правого реле – нижний провод активатора соединен с массой.

Этот частный случай я привел для примера того, что с помощью реле можно не только включать напряжение на нагрузку, но и осуществлять разнообразные схемы подключения и переполюсовки.

Подборка статей про электромагнитные пускатели:

Учебное видео про устройство реле и пускателей:

Как подключить реле к микроконтроллеру

Чтобы управлять нагрузкой переменного тока через микроконтроллер удобно использовать реле. Но возникает небольшая проблема: ток потребления реле зачастую превышает максимальный ток через пин микроконтроллера. Чтобы её решить – нужно усилить ток.

На схеме изображено подключение реле с катушкой на 12В. Здесь транзистор VT4 обратной проводимости, он играет роль усилителя тока, резистор R нужен для ограничения тока через базу (устанавливается так, чтобы ток был не более чем максимальный ток через пин микроконтроллера).

Резистор в цепи коллектора нужен для того, чтобы задать ток катушки, подбирается по величине тока срабатывания реле, в принципе, его можно исключить. Параллельно катушке установлен обратный диод VD2 – он нужен, чтобы всплески самоиндукции не убили транзистор и выход микроконтроллера. С диодом всплески отправятся в сторону источника питания, и энергия магнитного поля прекратит свою работу.

Ардуино и реле

Для любителей Arduino есть готовые релейные шилды и отдельные модули. Чтобы обезопасить выходы микроконтроллера в зависимости от конкретного модуля может быть реализована опторазвязка управляющего сигнала, что значительно увеличит надёжность схемы.

Схема подобного модуля вот:

Мы говорили о характеристиках реле, так вот они часто указаны в маркировке на передней крышке. Обратите внимание на фото релейного модуля:

10A 250VAC – значит что способно управлять нагрузкой переменного напряжения до 250В и с током до 10 А;

10A 30VDC – для постоянного тока напряжение в нагрузке не должно превышать 30В.

SRD-05VDC-SL-C – маркировка, зависит от каждого произовдителя. В ней мы видим 05VDC – это значит, что реле сработает от напряжения в 5В на катушке.

При этом у реле есть нормально открытый контакты, всего 1 подвижный контакт. Схема подключения к ардуине изображена ниже.

Подробнее про Ардуино для начинающих:

Заключение

Реле это классический коммутационный прибор который используется везде: пультах управления в щитовых промышленных цехов, в автоматике, для защиты оборудования и человека, для избирательного подключения конкретной цепи, в лифтовом оборудовании.

Начинающему электрику, электронщику или радиолюбителю очень важно научиться использовать реле и составлять схемы с ними, так вы можете применять их в работе и хозяйстве, реализуя релейные алгоритмы без применения микроконтроллеров. Это хоть и увеличит габариты, но значительно улучшит надежность схемы. Ведь надежность это не только долговечность, но и безотказность и ремонтопригодность!

Что такое электромагнитное реле

Электромагнитное реле (ЭМР) представляет собой электромеханическое устройство, реагирующее на изменение параметра системы размыканием или замыканием контактов, основной задачей которого является выполнение коммутационных операций в электрических цепях. Срабатывание может выполняться под влиянием таких факторов как электрический ток, давление или уровень жидкости, световая энергия.

Основные сферы применения в системах автоматики

В большинстве случаев ЭМР применяют для переключений нагрузок при коммутационном токе 10–16 А в сетях переменного (220 В) или постоянного (5–24 В) тока. Такие технические характеристики позволяют использовать реле для защиты таких электроустановок как маломощные двигатели, нагреватели, электромагниты, другие потребители мощностью до 4 кВт. Кроме того, реле применяют для управления цепями

• КИПиА;
• систем сигнализации;
• промышленной автоматики;
• систем удалённого регулирования.

Особенно эффективны ЭМР при работе с низковольтными индуктивными нагрузками с малой постоянной времени (до 10 мс). При этом токовые перегрузки при пуске невелики, а при отключении оборудования не происходят скачки напряжения. Способность устройства коммутировать сложные нагрузки обеспечивается их комплектацией контактными группами, рассчитанными на соответствующие токи.

Преимущества и недостатки использования ЭМР

Основными аргументами в пользу использования в схеме управления электрическими цепями электромагнитного реле становится:

• стойкость к воздействию на сети импульсных перенапряжений;
• способность электроизоляции выдерживать до 5 кВ между контактами и управляющей катушкой;
• незначительное падение напряжения на контактах в замкнутом состоянии;
• возможность коммутации нагрузок до 4 кВт при размере менее 10 см³;
• низкие показатели тепловыделения;
• наличие гальванической развязки между контактной группой и цепями управления;
• сравнительно доступная стоимость.

Среди «минусов» такого технического решения стоит выделить ограниченный механический ресурс оборудования, высокое потребление тока, создание помех в момент срабатывания.

Устройство и принцип работы

Основу конструкции ЭМР составляет сердечник из немагнитного сплава с электрической катушкой, выполненной из медной проволоки, покрытой диэлектриком (лаком, синтетической или тканевой изоляцией). При подаче напряжения на вход происходит втягивание подвижного элемента, за счёт чего контакты движутся.

Также конструкцией предусмотрено наличие нескольких функциональных блоков:

• промежуточные элементы, которые обеспечивают срабатывание исполнительного механизма;
• управляющие компоненты, преобразующие электрическую энергию на входе в магнитное поле);
• исполнительные устройства (контакты), воздействующие непосредственно на цепи управления.

Выпускаются ЭМР с нормально замкнутыми, разомкнутыми контактами, аппараты смешанного исполнения.

Принцип действия электромагнитного реле основан на работе магнитного поля, силовые линии которого пронизывают сердечник при подаче на катушку электрического тока. В результате к сердечнику притягивается якорь, обладающий магнитными свойствами. В результате контактная группа размыкается или замыкается. При падении напряжения возвратная пружина возвращает подвижный элемент в исходное состояние.

Особенность конструкции промежуточных ЭМР заключается в наличии в составе устройства полупроводниковой приставки времени. Управление ею обеспечивается путём поворота резистора. Для уменьшения инерционных показателей аппарат может комплектоваться шихтованным сердечником.

Основные виды ЭМР

Реле ЭМР принято классифицировать по нескольким параметрам. Исходя из особенностей конструкции, разделяют контактные и бесконтактные устройства. В первом случае речь идёт об устройствах, которые при срабатывании воздействуют контактной группой на силовую цепь, обеспечивая соединение или разрыв в ней. Во втором — аналогичный результат достигается изменением одного из параметров (напряжения, силы тока, ёмкости, сопротивления).

В зависимости от способа присоединения оборудование разделяют на следующие виды.

• Первичное (устройство подключается непосредственно в цепи управления).
• Вторичное, предусматривающее необходимость присоединения к сети через измерительный трансформатор тока.
• Промежуточное, работающее от исполнительных органов других релейных устройств. Такой принцип действия позволяет обеспечить размножение сигнала или его усиление.

В зависимости от вида напряжения на входе выпускаются устройства постоянного и переменного тока. Первый вариант в свою очередь можно разделить на поляризованные и нейтральные. Его ключевое отличие заключается в чувствительности устройства к полярности источника питания (в зависимости от этого якорь меняет направление движения якоря).

Среди недостатков оборудования постоянного тока выделяют сравнительно высокую стоимость и необходимость использования в комплексе с блоком питания. Подобных проблем при эксплуатации ЭМР переменного тока не возникает, но их существенным «минусом» станет вибрация во время работы и пониженная чувствительность.

Реле тока

Реле тока предназначено для контроля этого параметра в цепях электропотребителей. Возможно подключение устройства к силовым цепям или с использованием измерительного трансформатора. Передача данных в другие цепи выполняется путём подключения сопротивления.

Основным конструктивным отличием токового реле является конструкция катушки. Для неё используется толстый проводник, который обладает малым сопротивлением и наматывается на сердечник небольшим количеством витков. Для контроля заданных параметров предусмотрена автоматизированная система включения/отключения.

Реле времени

В большинстве случаев реле времени устанавливают при необходимости формирования каскадов пуска при подключении оборудования высокой мощности. Такой подход позволяет избежать резких скачков нагрузки в момент включения техники, превышающих допустимые значения. Задержка по времени обеспечивается за счёт дополнительного короткозамкнутого контура, роль которого выполняет надетая на сердечник медная гильза.

Принцип работы реле времени основан на «гашении» напряжённости электромагнитного поля за счёт наличия противоположно направленного тока. В итоге формируется задержка, величина которой может составлять 0.07–0.15 с. Регулировка выполняется пружиной якоря ЭМР. Тот же эффект наблюдается при выключении электропитания, но задержка может составлять 0.5–2 с.

Особенности подключения: типовые схемы

Наиболее распространена схема подключения однофазной нагрузки через релейные контакты или магнитный пускатель для защиты приводных механизмов от возникающих при аварийных ситуациях колебаний напряжения. Её использование допускает возможность регулировки рабочих параметров системы в достаточно широком диапазоне. К примеру, можно установить оптимальную по величине задержку включения.

Типовая схема подключения через релейные контакты

На приведенной на рисунке схеме реле 220 В подключается напрямую к контролируемой сети. Это позволяет прибору измерить входное напряжение, определить его соответствие допустимым параметрам. Если значение укладывается в заданный диапазон, включается АПВ (автоматический повтор включения). С установленным временным промежутком происходит замыкание контактов и подключение к сети.

Схема с магнитным пускателем

Подключение однофазной нагрузки может быть выполнено по схеме, предусматривающей управление коммутационными операциями через магнитные пускатели. Основным отличием в её работе является тот факт, что изначально происходит включение/отключение МП, который в свою очередь подключает или отключает нагрузку. Устройство выбирают в соответствии с характеристиками подключаемого оборудования.

Схема подключения промежуточных реле

При использовании в схеме промежуточного электромагнитного реле её конфигурация зависит от характера подключаемых нагрузок. В большинстве случаев устройство выполняет функцию контактора, который эффективно распределяет электропитание между элементами нагрузки.

При этом нейтраль подключается к контакту катушки напрямую. Питающий фазный провод подсоединяется через кнопку «Стоп», которая срабатывает на размыкание. Её второй контакт также присоединяется к фазе системы. Для подключения нагрузки используются нормально-замкнутые, а для фазы — нормально-разомкнутые контакты промежуточного ЭМР.

Для обеспечения непрерывной подачи электропитания на катушку один из выходных контактов подключается к нагрузке. Контактная группа при этом замкнута. Для отключения нагрузки и ЭМР электрическая цепь разрывается при помощи кнопки «Стоп». В схему для управления нагрузкой большой мощности может быть дополнительно включён магнитный пускатель. Для управления реле может использоваться терморегулятор, датчики освещённости, движения.

Проверка при первом включении

После монтажа нового устройства или отремонтированного ЭМР (после перемотки его катушек) обязательно проведение проверки оборудования. Полный комплекс работ включает в себя следующие операции.

• Внешний осмотр, внутренняя диагностика и обслуживание (чистка, целостность пломб, состояние уплотнений, выводов).
• Проверка контактной группы, механизма. При обнаружении дефектов выполняется их регулировка.
• Тестирование ЭМР на соответствие фактических технических характеристик номинальным параметрам при срабатывании реле, возврате, удержании.
• Проверка электрической прочности изоляции.
• Проверка времени задержки при срабатывании или возврате.
• Тестирование системы в условиях работы при пониженном напряжении.

Регулировка ЭМР

Способ измерений в зависимости от типа реле может существенно отличаться. При регулировке важно учитывать следующие принципы.

• Ослабление возвратной пружины приводит к увеличению времени возврата и снижению напряжения срабатывания.
• Если увеличить начальный зазор между сердечником и якорем, скорость срабатывания увеличится, а напряжение будет больше. Такой же эффект наблюдается при регулировке конечного зазора в отношении скорости и напряжения возврата.
• С увеличением числа замыкающих/размыкающих контактов с одновременным увеличением давления пружины происходит повышение напряжение и скорости возврата и срабатывания соответственно.

Необходимо учитывать, что любые изменения напрямую влияют на работу контактной системы. Поэтому при регулировке параметров ЭМР необходимо выбрать положение, при котором возвратная пружина будет максимально натянута, а зазор сможет обеспечить наибольший ход якоря.

Основные параметры выбора реле

Контактная группа

Одним из ключевых параметров выбора ЭМР является конфигурация его контактов: механизм чаще всего срабатывает на размыкание, замыкание или переключение. При выборе необходимо учитывать следующие параметры:

• падение напряжения;
• номинальная нагрузка, при которой переключение выполняется с высокой надёжностью;
• предельно допустимые коммутируемые мощность, напряжение и ток;
• механическая и электрическая стойкость к износу;
• импульсный ток;
• минимальная нагрузка;
• материал изготовления контактов.

Технические характеристики

За основу при выборе электромагнитного реле 220 В принимают:

• рабочее напряжение и ток;
• чувствительность (минимальное значение подаваемой на обмотку мощности, при которой устройство способно переключаться);
• время срабатывания, отпускания, вибрации контактов;
• коэффициент возврата, составляющий для ЭМР разных типов от 0.1 до 0.98;
• ток срабатывания (его минимальное значение, при котором происходит переключение, замыкание или размыкание контактов);
• коэффициент запаса (от 1.4 до 2);
• частота коммутации реле.

Эксплуатация ЭМР, частые неисправности оборудования

Реле — устройство с ограниченным механическим ресурсом: в процессе его эксплуатации периодически сгорает, контакты изнашиваются, на их поверхности образуется нагар. Именно поэтому при плановом техобслуживании ЭМР обязательно требуется чистка. Кроме того, стоит учитывать, что оборудование любого типа рассчитано на определённое число срабатываний. Это связано с тем, что под действием искр и электрической дуги, которая формируется при коммутации, происходит постепенное разрушение металла.

Самыми частыми проблемами, возникающими при эксплуатации реле, становится обрыв провода катушки или возникновение в ней межвиткового замыкания. Признаками подобной неисправности может стать громкий гул ЭМР, отказ при включении. Внешне о локальном перегреве и межвитковом замыкании может свидетельствовать потемнения на катушке. Об износе контактов может свидетельствовать треск реле.

При отключении цепи ЭМР может остаться в активном состоянии, в этом случае происходит «залипание» контактов. Для проверки технического состояния катушки используют мультиметр или прозвонку. Если цепь замкнута, обрыва нет. При подаче напряжения на обмотку контактная группа должна сработать, а сопротивление цепи — равно нулю. В рамках планового обслуживания выполняется чистка оборудования от пыли, загрязнений.

Видео по теме

Электромагнитные реле управления, как работает реле, устройство, виды и характеристики

Реле – электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.

Релейные элементы (реле) находят широкое применение в схемах управления и автоматики, так как с их помощью можно:

• управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах;
• выполнять логические операции;
• создавать многофункциональные релейные устройства;
• осуществлять коммутацию электрических цепей;
• фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня;
• выполнять функции запоминающего элемента и т. д.

Первое реле было изобретено американцем Дж. Генри в 1831 г. и базировалась на электромагнитном принципе действия, следует отметить что первое реле было не коммутационным, а первое коммутационное реле изобретено американцем С. Бризом Морзе в 1837 г. которое в последствии он использовал в телеграфном аппарате.

Слово реле возникло от английского relay, что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relay) уставшим спортсменом.

На использовании электромагнитных реле построены все схемы автоматики с релейно-контактным управлением. До начал массового использования программируемых логических контроллеров реле были самыми важными элементами автоматики.

А вы это занете?

Реле классифицируются по различным признакам:

• по виду входных физических величин, на которые они реагируют;
• по функциям,
• которые они выполняют в системах управления;
• по конструкции и т. д.

По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические и т.д. реле. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного.

Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину.

Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент.

Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом.

Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству.

Например, в реле максимального тока или реле напряжения воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, в реле давления – в виде мембраны или сильфона, в реле уровня – в вице поплавка и т.д.

По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.

Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).

Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.

Различают следующие основные характеристики реле.

1. Величина срабатывания Хср реле – значение параметра входной величины, при которой реле включается. При Х Хср величина У скачком изменяется от Уmin до Уmax и реле включается. Величина срабатывания, на которую отрегулировано реле, называется уставкой.

2. Мощность срабатывания Рср реле – минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу для перевода его из состояния покоя в рабочее состояние.

3. Управляемая мощность Рупр – мощность, которой управляют коммутирующие органы реле в процессе переключении. По мощности управления различают реле цепей малой мощности (до 25 Вт), реле цепей средней мощности (до 100 Вт) и реле цепей повышенной мощности (свыше 100 Вт), которые относятся к силовым реле и называются контакторами.

4. Время срабатывания tср реле – промежуток времени от подачи на вход реле сигнала Хср до начала воздействия на управляемую цепь. По времени срабатывания различают нормальные, быстродействующие, замедленные реле и реле времени. Обычно для нормальных реле tср = 50…150 мс, для быстродействующих реле tср -1 с.

Принцип действия и устройство электромагнитных реле

Электромагнитные реле, благодаря простому принципу действия и высокой надежности, получили самое широкое применение в системах автоматики и в схемах защиты электроустановок. Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока.

Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, а поляризованные реле реагируют на полярность управляющего сигнала.

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются крышкой.

Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче напряжения электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение.

В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. То есть реле по сути выполняют роль усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи.

Когда через катушку электромагнитного реле начинает течь управляющий ток, якорь подтягивается к сердечнику с катушкой и замыкает подвижные контакты. Это запускает управляемое устройство в работу. В то же время для притяжения якоря достаточно гораздо меньшего управляющего тока, чем ток, протекающий по цепи управляющего устройства.

Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки тока определенной частоты, то есть основным источником энергии является сеть переменного тока.

Конструкция реле переменного тока напоминает конструкцию реле постоянного тока, только сердечник и якорь изготавливаются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства и недостатки электромагнитных реле

• способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3;
• устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;
• исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой — последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей;
• малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете;
• экстремально низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами

Отмечая достоинства электромеханики, отметим и недостатки реле: малая скорость работы, ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс, создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов и, наконец, последнее и самое неприятное свойство — проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.

Типовая практика применения мощных электромагнитных реле — это коммутация нагрузок на переменном токе 220 В или на постоянном токе от 5 до 24 В при токах коммутации до 10–16 А.

Обычными нагрузками для контактных групп мощных реле являются нагреватели, маломощные электродвигатели (например, вентиляторы и сервоприводы), лампы накаливания, электромагниты и прочие активные, индуктивные и емкостные потребители электрической мощности в диапазоне от 1 Вт до 2–3 кВт.

Поляризованные электромагнитные реле

Разновидностью электромагнитных реле являются поляризованные электромагнитные реле. Их принципиальное отличие от нейтральных реле состоит в способности реагировать на полярность управляющего сигнала.

Твердотельные реле

В настоящее время все чаще функции реле выполняют полупроводниковые схемы – твердотельные реле (SSR – Solid-State-Relay).

Поскольку это полупроводниковый переключающий элемент, он не содержит (в отличие от электромагнитного реле) каких-либо движущихся частей, которые могут изнашиваться при частом переключении. Другими преимуществами являются бесшумность работы и меньшие размеры при той же мощности переключения. И последнее, но не менее важное: скорость переключения выше, чем у электромагнитных реле.

С другой стороны, недостатком твердотельных реле является более высокое падение напряжения на переключающем элементе и, как правило, необходимость охлаждения такого реле с помощью дополнительного пассивного радиатора. Другим недостатком, связанным с меньшим расширением SSR на практике, является более высокая цена по сравнению с электромагнитными реле.

В отличие от полупроводников в твердотельном реле, электромагнитное реле позволяет гальванически (электрически) разделить цепь управления и цепь управления (смотрите – Что такое гальваническая развязка).

Твердотельные реле часто используется в автоматическом управлении электрическим нагревом, когда нагреватель включается и выключается через короткие переменные интервалы (широко-импульсная модуляция, ШИМ) для регулирвания температуры нагревателей.

Самые распространенные серии электромагнитных реле управления

Реле промежуточное серии РПЛ . Реле предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в стационарных установках, в основном в схемах управления электроприводами при напряжении до 440В постоянного тока и до 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц.

Реле пригодны для работы в системах управления с применением микропроцессорной техники при шунтировании включающей катушки ограничителем ОПН или при тиристорном управлении. При необходимости на промежуточное реле может быть установлена одна из приставок ПКЛ и ПВЛ. Номинальный ток контактов – 16А

Реле промежуточное серии РПУ-2М. Реле промежуточные РПУ-2М предназначены для работы в электрических цепях управления и промышленной автоматики переменного тока напряжением до 415В, частоты 50Гц и постоянного тока напряжением до 220В.

Реле серии РПУ-0, РПУ-2, РПУ-4. Реле изготавливаются с втягивающими катушками постоянного тока на напряжения 12, 24, 48, 60, 110, 220 В и токи 0,4 – 10 А и втягивающими катушками переменного тока – на напряжения 12, 24, 36, 110, 127, 220, 230, 240, 380 и токаи 1 – 10 А. Реле РПУ-3 с втягивающими катушками постоянного тока – на напряжения 24, 48, 60, 110 и 220 В.

Реле промежуточное серии РП-21 предназначены для применения в цепях управления электроприводами переменного тока напряжением до 380В и в цепях постоянного тока напряжением до 220В. Реле РП-21 комплектуются розетками под пайку, под дин. рейку или под винт.

Основные характеристики реле РП-21:

• Диапазон напряжений питания, В: постоянного тока – 6, 12, 24, 27, 48, 60, 110, переменного тока частоты 50 Гц – 12, 24, 36, 40, 110, 127, 220, 230, 240, переменного тока частоты 60 Гц – 12, 24, 36, 48, 110, 220, 230, 240.
• Номинальное напряжение цепи контактов, В: реле постоянного тока – 12. 220, реле переменного тока – 12. 380 Номинальный ток – 6,0 А.
• Количество контактов замык. / размык. / перекл. – 0. 4 / 0. 2 / 0. 4.
• Механическая износостойкость – не менее 20 млн. циклов.

Большое распространение в системах автоматики станков, механизмов и машин получили электромагнитные реле постоянного тока серии РЭС-6 в качестве промежуточного реле напряждением 80 – 300 В, коммутируемый ток 0,1 – 3 А

В качестве промежуточных применяются также электромагнитные реле серий РП-250, РП-321, РП-341, РП-42 и ряд других, которые могут использоваться и как реле напряжения.

Как выбрать электромагнитное реле

Рабочие напряжения и токи в обмотке реле должны находится в пределах допустимых значений. Уменьшение рабочего тока в обмотке приводит к снижению надежности контактирования, а увеличение к перегреву обмотки, снижению надежности реле при максимально-допустимой положительной температуре.

Нежелательна даже кратковременная подача на обмотку реле повышенного рабочего напряжения, так как при этом возникают механические перенапряжения в деталях магнитопровода и контактных групп, а электрическое перенапряжение обмотки при размыкании ее цепи может вызвать пробой изоляции.

При выборе режима работы контактов реле необходимо учитывать значение и род коммутируемого тока, характер нагрузки, общее количество и частоту коммутации.

При коммутации активных и индуктивных нагрузок наиболее тяжелым для контактов является процесс размыкания цепи, так как при этом из-за образования дугового разряда происходит основной износ контактов.

Электромагнитное реле: устройство, маркировка, виды + тонкости подключения и регулировки

Преобразование электрических сигналов в соответствующую физическую величину — движение, сила, звук и т. д., осуществляется с помощью приводов. Классифицировать привод следует как преобразователь, поскольку это устройство изменяет один тип физической величины в другой.

Привод обычно активируется или управляется командным сигналом низкого напряжения. Классифицируется дополнительно как двоичное или непрерывное устройство исходя из числа стабильных состояний. Так, электромагнитное реле является двоичным приводом, учитывая два имеющихся стабильных состояния: включено — отключено.

В представленной статье подробно разобраны принципы работы электромагнитного реле и сфера использования приборов.

Основы исполнения привода

Термин «реле» является характерным для устройств, которыми обеспечивается электрическое соединение между двумя и более точками посредством управляющего сигнала.

Наиболее распространенным и широко используемым типом электромагнитного реле (ЭМР) является электромеханическая конструкция.

Схема фундаментального контроля над любым оборудованием всегда предусматривает возможность включения и отключения. Самый простой способ выполнить эти действия — использовать переключатели блокировки подачи питания.

Переключатели ручного действия могут использоваться для управления, но имеют недостатки. Явный их недостаток – установка состояний «включено» или «отключено» физическим путем, то есть вручную.

Устройства ручного переключения, как правило, крупногабаритные, замедленного действия, способные коммутировать небольшие токи.

Между тем электромагнитные реле представлены в основном переключателями с электрическим управлением. Приборы имеют разные формы, габариты и разделяются по уровню номинальных мощностей. Возможности их применения обширны.

Такие приборы, оснащенные одной или несколькими парами контактов, могут входить в единую конструкцию более крупных силовых исполнительных механизмов — контакторов, что используются для коммутации сетевого напряжения или высоковольтных устройств.

Основополагающие принципы работы ЭМР

Традиционно реле электромагнитного типа используются в составе электрических (электронных) схем управления коммутацией. При этом устанавливаются они либо непосредственно на печатных платах, либо в свободном положении.

Общее строение прибора

Токи нагрузки используемых изделий обычно измеряются от долей ампера до 20 А и более. Релейные цепи широко распространены в электронной практике.

Конструкция электромагнитного реле преобразует магнитный поток, создаваемый приложенным напряжением переменного/постоянного тока, в механическое усилие. Благодаря полученному механическому усилию, выполняется управление контактной группой.

Наиболее распространенной конструкцией является форма изделия, включающая следующие компоненты:

• возбуждающую катушку;
• стальной сердечник;
• опорное шасси;
• контактную группу.

Стальной сердечник имеет фиксированную часть, называемую коромысло, и подвижную подпружиненную деталь, именуемую якорем.

По сути, якорь дополняет цепь магнитного поля, закрывая воздушный зазор между неподвижной электрической катушкой и подвижной арматурой.

Арматура движется на шарнирах или поворачивается свободно под действием генерируемого магнитного поля. При этом замыкаются электрические контакты, прикрепленные к арматуре.

Как правило, расположенная между коромыслом и якорем пружина (пружины) обратного хода возвращает контакты в исходное положение, когда катушка реле находится в обесточенном состоянии.

Действие релейной электромагнитной системы

Простая классическая конструкция ЭМР имеет две совокупности электропроводящих контактов.

Исходя из этого, реализуются два состояния контактной группы:

1. Нормально разомкнутый контакт.
2. Нормально замкнутый контакт.

Соответственно пара контактов классифицируется нормально открытыми (NO) или, будучи в ином состоянии, нормально закрытыми (NC).

Для реле с нормально разомкнутым положением контактов, состояние «замкнуто» достигается, только когда ток возбуждения проходит через индуктивную катушку.

В другом варианте — нормально закрытое положение контактов остается постоянным, когда ток возбуждения отсутствует в контуре катушки. То есть контакты переключателя возвращаются в их нормальное замкнутое положение.

Поэтому термины «нормально открытый» и «нормально закрытый» следует относить к состоянию электрических контактов, когда катушка реле обесточена, то есть напряжение питания реле отключено.

Электрические контактные группы реле

Релейные контакты представлены обычно электропроводящими металлическими элементами, которые соприкасаются друг с другом, замыкают цепь, действуя аналогично простому выключателю.

Когда контакты разомкнуты, сопротивление между нормально открытыми контактами измеряется высоким значением в мегаомах. Так создается условие разомкнутой цепи, когда прохождение тока в контуре катушки исключается.

Если же контакты замкнуты, контактное сопротивление теоретически должно равняться нулю — результат короткого замыкания.

Однако подобное состояние отмечается не всегда. Контактная группа каждого отдельного реле обладает определенным контактным сопротивлением в состоянии «замкнуто». Такое сопротивление называется устойчивым.

Особенности прохождения токов нагрузки

Для практики установки нового электромагнитного реле, контактное сопротивление включения отмечается малой величиной, обычно менее 0,2 Ом.

Объясняется это просто: новые наконечники остаются пока что чистыми, но со временем сопротивление наконечника неизбежно будет увеличиваться.

Например, для контактов под током 10 А, падение напряжения составит 0,2х10 = 2 вольта (закон Ома). Отсюда получается — если подводимое на контактную группу напряжение питания составляет 12 вольт, тогда напряжение для нагрузки составит 10 вольт (12-2).

Когда контактные металлические наконечники изнашиваются, будучи не защищенными должным образом от высоких индуктивных или емкостных нагрузок, становится неизбежным появление повреждений от эффекта электрической дуги.

Электрическая дуга — искрообразование на контактах — приводит к возрастанию контактного сопротивления наконечников и как следствие к физическим повреждениям.

Если продолжать использовать реле в таком состоянии, контактные наконечники могут полностью утратить физическое свойство контакта.

Но есть более серьезный фактор, когда в результате повреждения дугой контакты в конечном итоге свариваются, создавая условия короткого замыкания.

В таких ситуациях не исключается риск повреждения цепи, которую контролирует ЭМР.

Так, если сопротивление контакта увеличилось от влияния электрической дуги на 1 Ом, падение напряжения на контактах для одного и того же тока нагрузки увеличивается до 1×10=10 вольт постоянного тока.

Здесь величина падения напряжения на контактах может быть неприемлема для схемы нагрузки, особенно при работе с напряжениями питания 12-24 В.

Тип материала контактов реле

С целью уменьшения влияния электрической дуги и высоких сопротивлений, контактные наконечники современных электромеханических реле изготавливают или покрывают различными сплавами на основе серебра.

Таким способом удается существенно продлить срок службы контактной группы.

На практике отмечается использование следующих материалов, коими обрабатываются наконечники контактных групп электромагнитных (электромеханических) реле:

• Ag — серебро;
• AgCu — серебро-медь;
• AgCdO — серебро-оксид кадмия;
• AgW — серебро-вольфрам;
• AgNi — серебро-никель;
• AgPd — серебро-палладий.

Увеличение срока службы наконечников контактных групп реле за счет уменьшения количества формирований электрической дуги, достигается путем подключения резистивно-конденсаторных фильтров, называемых также RC-демпферы.

Эти электронные цепочки включают параллельно с контактными группами электромеханических реле. Пик напряжения, который отмечается в момент открытия контактов, при таком решении видится безопасно коротким.

Применением RC-демпферов удается подавлять электрическую дугу, что образуется на контактных наконечниках.

Типичное исполнение контактов ЭМР

Помимо классических нормально открытых (NO) и нормально закрытых (NC) контактов, механика релейной коммутации также предполагает классификацию с учетом действия.

Особенности исполнения соединительных элементов

Конструкции реле электромагнитного типа в этом варианте допускают наличие одного или нескольких отдельных контактов переключателя.

Исполнение контактов характеризуется следующим набором аббревиатуры:

• SPST (Single Pole Single Throw) – однополюсный однонаправленный;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – однополюсный двунаправленный;
• DPST (Double Pole Single Throw) – двухполюсный однонаправленный;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – двухполюсный двунаправленный.

Каждый такой соединительный элемент обозначается, как «полюс». Любые из них могут подключаться или сбрасываться, одновременно активируя катушку реле.

Тонкости применения приборов

При всей простоте конструкции коммутаторов электромагнитного действия, существуют некоторые тонкости практики использования этих приборов.

Так, специалисты категорически не рекомендуют подключать в параллель все контакты реле, чтобы таким способом коммутировать цепь нагрузки с высоким током.

Например, подключать нагрузку на 10 А путем параллельного соединения двух контактов, каждый из которых рассчитан на ток 5 А.

Эти тонкости монтажа обусловлены тем, что контакты механических реле никогда не замыкаются и не размыкаются в единый момент времени.

В результате один из контактов в любом случае будет перегружен. И даже с учетом кратковременной перегрузки, преждевременный отказ прибора в таком подключении неизбежен.

Электромагнитные изделия допустимо использовать в составе электрических или электронных схем с низким энергопотреблением как переключатели относительно высоких токов и напряжений.

Однако категорически не рекомендуется пропускать разные напряжения нагрузки через соседние контакты одного прибора.

Например, коммутировать напряжение переменного тока 220 В и постоянного тока 24 В. Всегда следует применять отдельные изделия для каждого из вариантов в целях обеспечения безопасности.

Приемы защиты от обратного напряжения

Значимой деталью любого электромеханического реле является катушка. Эта деталь относится к разряду нагрузки с высокой индуктивностью, поскольку имеет проводную намотку.

Любая намотанная проводом катушка обладает некоторым импедансом, состоящим из индуктивности L и сопротивления R, образуя, таким образом, последовательную цепь LR.

По мере протекания тока через катушку, создается внешнее магнитное поле. Когда течение тока в катушке прекращается в режиме «отключено», увеличивается магнитный поток (теория трансформации) и возникает высокое обратное напряжение ЭДС (электродвижущей силы).

Это индуцированное значение обратного напряжения может в несколько раз превосходить по величине коммутационное напряжение.

Соответственно, появляется риск повреждения любых полупроводниковых компонентов, размещенных рядом с реле. Например, биполярный или полевой транзистор, используемый для подачи напряжения на катушку реле.

Одним из способов предотвращения повреждения транзистора или любого переключающего полупроводникового устройства, включая микроконтроллеры, является вариант подключения обратно смещенного диода в цепь катушки реле.

Когда ток, протекающий через катушку сразу после отключения, генерирует индуцированную обратную ЭДС, это обратное напряжение открывает обратно смещенный диод.

Через полупроводник накопленная энергия рассеивается, чем предотвращается повреждение управляющего полупроводника – транзистора, тиристора, микроконтроллера.

Часто включаемый в цепь катушки полупроводник называют также:

• диод-маховик;
• шунтирующий диод;
• обращенный диод.

Однако большой разницы между элементами нет. Все они выполняют одну функцию. Помимо использования диодов с обратным смещением, для защиты полупроводниковых компонентов применяются и другие устройства.

Те же цепочки RC-демпферов, металло-оксидные варисторы (MOV), стабилитроны.

Маркировка электромагнитных релейных приборов

Технические обозначения, несущие частичную информацию о приборах, обычно указываются непосредственно на шасси электромагнитного коммутационного прибора.

Выглядит такое обозначение в виде сокращенной аббревиатуры и числового набора.

Пример корпусной маркировки электромеханических реле:

РЭС32 РФ4.500.335-01

Эта запись расшифровывается так: реле электромагнитное слаботочное, 32 серии, соответствующее исполнению по паспорту РФ4.500.335-01.

Однако подобные обозначения редкость. Чаще встречаются сокращенные варианты без явного указания ГОСТ:

РЭС32 335-01

Также не шасси (на корпусе) прибора отмечается дата изготовления и номер партии. Подробные сведения содержатся в техническом паспорте на изделие. Паспортом комплектуется каждый прибор или партия.

Выводы и полезное видео по теме

Видеоролик популярно рассказывает о том, как действует электромеханическая электроника коммутации. Наглядно отмечаются тонкости конструкций, особенности подключений и прочие детали:

Электромеханические реле уже довольно долгое время применяются в качестве электронных компонентов. Однако этот тип коммутационных приборов можно считать морально устаревшим. На смену механическим устройствам все чаще приходят более современные приборы – чисто электронные. Один из таких примеров – твердотельные реле.

Появились вопросы, нашли недочеты или есть интересные факты по теме стать которыми вы можете поделиться с посетителями нашего сайте? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии, задавайте вопросы, делитесь опытом в блоке для связи под статьей.