Электромагнитное реле

Электромагнитное реле, как основа автоматики. Устройство и принцип действия.

10.03.2016 Рубрика: Автоматика в быту, Основы автоматики

В обычной жизни мы часто сталкиваемся с выключателями. Это всевозможные рубильники, кнопки, тумблеры — они позволяют управлять устройствами дискретно, проще говоря, включать и выключать их. Обычный выключатель представляет собой два контакта, которыми можно замкнуть или разомкнуть электрическую цепь. Дискретное управление различными устройствами в автоматическом режиме предполагает возможность включать и выключать их без участия человека. Именно для этой цели предназначено электромагнитное реле, и именно поэтому без него не обходится ни одна система автоматического управления.

Электромагнитное реле – устройство, имеющее группу контактов, которые меняют своё состояние на противоположное при подаче управляющего напряжения.

Рис. 1. Электромагнитное реле

Простыми словами, реле – это выключатель, который выключается не вручную человеком, а электрическим способом, с помощью подачи управляющего сигнала. Для того чтобы стало совсем понятно, рассмотрим принцип действия электромагнитного реле.

Принцип действия реле

Реле состоит из катушки, якоря и группы контактов.

Рис. 2

1 – проводники контактов реле, 2 – контакты реле, 3 – якорь, 4 – сердечник, 5 – катушка

Принцип действия реле чрезвычайно прост. Если подать на катушку управляющее напряжение, в ней возникнет магнитное поле и притянет якорь, который в свою очередь замкнёт контакты. На рис. 2 изображено реле с одной группой контактов, но в общем случае групп контактов может быть много. При возникновении в катушке магнитного поля, все они меняют своё положение на противоположное. Да, да! Именно на противоположное. Это означает, что изначально они могут быть не только разомкнуты, но и замкнуты.

Нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт

Различают два основных вида контактов реле: нормально закрытые (НЗ) и нормально открытые (НО). Названия отражают состояние контактов в «нормальном», когда на катушке реле НЕТ напряжения. Нормально закрытые контакты замкнуты в нормальном состоянии, а нормально открытые – разомкнуты.

Ещё одни тип контактов – перекидные. Их нельзя назвать ни нормально закрытыми, ни нормально открытыми, поскольку они имеют и тот и другой контакт. При переключении реле, такой контакт размыкает одну цепь и замыкает другую. Это станет понятнее, когда мы посмотрим их графическое обозначение на схеме.

Обозначение

На электрических схемах реле обозначают как несколько отдельных элементов:

  • катушка
  • НЗ контакт
  • НО контакт
  • Перекидной

Условное деление на разные элементы вводится исключительно для удобства. Это позволяет размещать катушку и контакты в разных частях схемы, чтобы она получилась более компактной и читаемой. При этом все элементы одного реле обозначаются одним и тем же буквенным кодом, т.к. конструктивно – это один элемент.

Также для удобства некоторые элементы реле могут изображаться на схеме и совместно. Например, так может быть обозначена группа нормально открытых контактов:

Примеры

Пример 1. Нарисуем схему, которая реализует следующий алгоритм: если насос включен – горит зелёная лампочка, а если выключен – красная.

В тот момент, когда насос включается, внутри него замыкается концевик (нормально открытый контакт), который мы ввели в нашу схему. При этом на катушку реле K1 «приходит» напряжение – реле срабатывает, размыкая НЗ контакт К1.1, и красная лампочка гаснет. Одновременно с этим, при замыкании контакта внутри насоса, загорается зелёная лампочка.

Пример 2. Реализуем пример 1 с использованием перекидного контакта реле.

В этой схеме контакт реле K1.1 — перекидной. Когда реле в «нормальном» состоянии, горит красная лампа. При срабатывании реле K1.1 меняет своё состояние и зелёная лампа загорается.

Реле

In Уроки установщиков Суббота, 15 Декабрь 2012 22:00 Реле часто применяется при монтаже охранного оборудования. Рисунок 58. Устройство реле На электрических схемах реле принято обозначать в виде этих двух частей. Пунктирной линией показана механическая связь между обмоткой и контактами. Рисунок 59. Условное обозначение реле Рисунок 57. Типовое пятиконтактное реле Реле состоит из двух основных деталей — обмотки с сердечником (электромагнит) и группы контактов. Обе эти детали объединены в одном корпусе. При появлении напряжения на обмотке один из контактов реле притягивается к электромагниту и замыкается с другим. Одновременно может происходить размыкание с третьим контактом. По типу и количеству контактов реле можно поделить на несколько групп. 1. Реле с замыкающими контактами. В исходном состоянии выходные контакты разомкнуты, ток через них не течет При срабатывании реле контакты замыкаются, и в цепи, куда реле включено, начинает протекать электрический ток. Такой тип контакта называют HP (нормально разомкнутый). В англоязычной литературе обозначается NO (normally-open). Рисунок 60. Замыкающий контакт 2. Контакт может быть размыкающим. Пока реле не сработало, выходные контакты замкнуты. Ток через них беспрепятственно проходит, как через обычный проводник. При срабатывании реле контакты размыкаются, цепь разрывается, ток перестает течь. Контакт этого типа именуют НЗ (нормально замкнутый). Аналог в английском языке — NC (normally-closed). Рисунок 61. Размыкающий контакт 3. Контакт может быть переключающим. В исходном состоянии замкнута одна из двух цепей, после срабатывания реле первая цепь разрывается, а вторая замыкается. Такое реле имеет один общий контакт для двух цепей, то есть цепи не являются независимыми. В англоязычной терминологии — СО (change-over) или DT (double-throw). Рисунок 62. Переключающий контакт Рисунок 63. Многоконтактное реле Основные параметры реле, которые необходимо знать для правильного выбора при установке охранного оборудования:

  • — допустимый ток, который реле может пропускать через свои выходные контакты;
  • — тип выходных контактов (замыкающие, размыкающие, переключающие), количество этих контактов;
  • — ток потребления реле, напряжение срабатывания;
  • — габариты (что особенно актуально для выполнения незаметных блокировок).

Попробуем разобраться более детально с этими параметрами. Допустимый ток, подаваемый на контакты, определяется как размерами самого реле, так и применяемыми в нем материалами. Например, в дорогих реле контакты помещены в герметичную капсулу, наполненную инертным газом. Это позволяет предотвратить окисление контактов, повысить его надежность. Если неправильно выбрать реле по мощности, то велик риск, что в самый ответственный момент оно выйдет из строя и повредит оборудование автомобиля. Например, превышение допустимых токов коммутации может привести к короткому замыканию, а превышение токов управления — к возгоранию. Для управления несколькими независимыми друг от друга цепями одновременно есть реле, у которых не одна пара контактов, а две и больше. Рисунок 64. Слаботочное реле Тип выходных контактов определяется исходя из того, какую цепь и в какой момент времени требуется заблокировать. Например, нужно по команде с дополнительного выхода сигнализации открыть багажник. Мощности дополнительного канала не хватит, чтобы напрямую подключить его к активатору багажника. Поэтому необходимо использовать реле. Чтобы реле замыкало силовую цепь активатора только при появлении на дополнительном выходе сигнализации управляющего импульса, необходимо воспользоваться реле с парой замыкающих контактов. Работать это будет так: в исходном состоянии управляющего сигнала нет, реле обесточено, цепь активатора разомкнута. Как только появляется импульс, реле замыкает выходные контакты, через активатор течет ток, замок открывается. Рисунок 65. Использование дополнительного реле для отпирания багажника Ток потребления также важен, ведь неправильно выбранное по этому параметру реле может за короткое время посадить аккумулятор. Например, при установке сигнализации была сделана дополнительная блокировка двигателя при помощи обычного автомобильного 4-х контактного реле. При постановке на охрану оно включается и разрывает какую-нибудь значимую цепь (например, провод бензонасоса). Однако при таком включении через обмотку реле будет протекать ток. Хоть этот ток и мал (приблизительно 0,05 — 0,1 А), но 2 — 3 подобные блокировки могут выкачать из аккумулятора всю энергию менее, чем за 3 недели простоя. В данном случае следует использовать другую схему блокировки (реле будет разрывать защищаемую цепь только при включении зажигания). Рисунок 66. Схема блокировки Реле можно условно поделить на неполяризованные и поляризованные. Неполяризованное реле, как правило, большое по габаритам, потребляет больший ток и способно коммутировать большую нагрузку Например, типичное автомобильное неполяризованное реле потребляет ток 0,1 А и способно коммутировать ток до 40 А. Рисунок 67. Неполяризованное автомобильное реле Поляризованное реле имеет два устойчивых состояния и потребляет ток только в момент переключения. Коммутировать это реле может до 10 А. Сейчас поляризованные реле используются редко, в большинстве случаев их можно заменить на логические микросхемы. При срабатывании в обмотке крупных реле возникают выбросы тока самоиндукции, которые могут быть довольно существенными. Чтобы эти выбросы не приводили к сбоям в работе сигнализации, настоятельно рекомендуется обмотку любого реле шунтировать диодом, то есть припаивать выпрямительный диод между двумя входными контактами таким образом, чтобы анод диода был соединен с массой, а катод — с контактом, на котором появляется плюс. В этом случае диод не будет оказывать влияния на управляющий сигнал, так как при обратном напряжении сопротивление диода очень велико. При возникновении индукционного выброса весь ток пройдет через диод, и будет им погашен. Рисунок 68. Включение защитного диода Рисунок 69. Схема-подсказка «Реле»


Электрическое реле устройство, в котором при достижении определенно значения входной величины, выходная величина изменяется скачком — выходные контакты либо замыкаются — в управляемой цепи появляется ток (напряжение), либо размыкаются. Реле применяют в цепях управления с током менее 1 А. Входной величиной реле могут быть механические, тепловые, электрические и другие внешние воздействия.

Широкое распространение получили электрические реле (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные), которые реагируют на изменения тока (напряжения) в обмотке управления (намагничивающей обмотке).

На рис 2.15, а показано устройство простейшего электромагнитного реле клапанного типа: при определенной МДС в цепи управления возникающая электромагнитная сила F притяжения якоря 3 к ярму 1 превышает силу противодействующей пружины 2. Реле срабатывает, воздушный зазор уменьшается, клапан 4 нажимает на подвижный контакт 5 и прижимает его с силой F, зависящей от значения воздушного зазора в конце хода якоря, к неподвижному контакту 6.

Управляемая цепь (цепь управления) замыкается, исполнительный элемент 7 производит требуемое действие. Контакты реле в исходном положении могут быть как разомкнуты, так и замкнуты, в последнем случае при срабатывании реле они размыкаются — действие какихлибо устройств прекращается. Первоначально открытые (замыкающие) контакты изображают на схемах, как показано на рис. 2.16, а, первоначально закрытые (размыкающие) контакты имеют условное обозначение, показанное на рис. 2.16, б.


Многие электромагнитные реле имеют несколько контактных пар, тогда их используют для управления несколькими электрическими цепями.
Электрические реле выполняют множество функций, связанных с контролем режимов работы важных элементов электрической цепи генераторов, трансформаторов, линий передач, различных приемников.

Интересное видео о работе реле смотрите ниже:

При нарушении нормального режима того или иного элемента соответствующее реле приводит в действие аппаратуру, которая либо восстанавливает нормальный режим работы, либо отключает поврежденный участок. Такие реле — реле защиты — могут «наблюдать» за током в цепи (токовая защита), напряжением на отдельных участках (защита по напряжению), изменениям мощности (реле мощности), изменением частоты тока и т. д.

В зависимости от значения или направления входной величины, приводящей к срабатыванию реле, различают реле: максимальные, минимальные, направленного действия, дифференциальные и др.

В зависимости от времени срабатывания — отрезка времени от момента появления управляющего воздействия до момента замыкания контактов реле — различают реле быстродействующие (tср < 0,05 с), нормальные (tср = 0,05—0,25 с) и с выдержкой времени (реле времени).

Если реле «реагирует» только на значение входной величины (тока) и «не реагирует» на направление этой величины, то его называют нейтральным. Реле, «чувствующие» полярность (направление) входной величины (напряжения, тока), называются поляризованными.

Реле по способу воздействия

По способу воздействия исполнительного элемента реле на управляемую величину различают:

  • реле прямого действия, в которых исполнительный элемент (у электромеханических реле исполнительным элементом является подвижная контактная система) непосредственно воздействует на цепь управления,
  • реле косвенного действия, в которых исполнительный элемент воздействует на контролируемую цепь через другие аппараты.

Реле по способу включения воспринимающего элемента

По способу включения воспринимающего элемента различают первичные, вторичные и промежуточные реле.

Воспринимающим элементом электромагнитных реле является электромагнит, преобразующий управляющий ток (напряжение) в перемещение якоря относительно ярма.

Воспринимающими элементами других электрических реле могут быть магнитоэлектрический механизм, индукционная система, электродинамический механизм и т. д.

Воспринимающий элемент первичных реле включается непосредственно в контролируемые цепи. У вторичных реле воспринимающий элемент включается в контролируемые цепи через измерительные трансформаторы. Промежуточные реле работают в цепях исполнительных элементов других реле и предназначаются для усиления и преобразования сигналов первичных или вторичных реле.

Реле защиты

Рассмотрим устройство и принцип действия электромагнитных реле токовой защиты — реле максимального тока. Электромагнитные реле, получившие очень широкое распространение, по конструктивному исполнению воспринимающего элемента бывают клапанного типа и с поворотным якорем.

Реле клапанного типа (см. рис. 2.15, б) широко применяют в качестве реле максимального тока. Обозначения на рис. 2.15, б: 1 — катушка возбуждения; 2 — ярмо; 3 — клапан (якорь); 4 — контактная группа.

Катушка возбуждения реле тока РТ включается последовательно в контролируемую цепь (рис. 2.17)

. При токах / в этой цепи, превышающих допустимые значения, сила притяжения якоря к ярму преодолевает сопротивление пружины и приводит к размыканию или замыканию контактов Р~ в цепи управления другого аппарата (рис. 2.17, а, б) — аппарата КМ.

Размыкание контактов РТ в цепи аппарата (реле) КМ (рис. 2.17, а) приводит к размыканию контактов КМ в контролируемой цепи питания приемника, т. е. цепь тока / разрывания (одновременно размыкаются контакты КМЬ шунтировавшие кнопку «Пуск»). Исчезновение тока/в цепи возбуждения реле тока Рт приводит вновь к замыканию его контактов Рт (контакты этого реле при отсутствии тока в его обмотке всегда замкнуты), но теперь цепь возбуждения реле КМ разомкнута, так как кнопка «Пуск» не включена и разомкнуты контакты KMj. Для включения цепи питания приемника следует вновь нажать кнопку «Пуск», реле КМ сработает и замкнет свои контакты КМ}.

Кнопку «Пуск» после этого можно отпустить, так как цепь возбуждения реле КМ продолжает быть замкнутой через шунтирующие кнопку «Пуск» контакты КМР. Срабатывание реле Рт на схеме рис. 2.17, 6 приводит к замыканию первоначально разомкнутых контактов Рт в цепи реле КМ.

Реле КМ срабатывает и размыкает свои первоначально замкнутые контакты КМ, шунтировавшие резистор R в цепи питания приемника.

При этом последовательно с приемником включается резистор с сопротивлением R и тем самым значение тока в цепи ограничивается. Когда ток снизится до нормального значения, реле РТ «отпустит» свои контакты Рт, реле КМ отключится и резистор R будет вновь зашунтирован контактами КМ.

В качестве токовых реле применяют также реле с поворотным якорем (рис. 2.18), где между полюсами электромагнита / помещен якорь 3 из магнитомягкого материала. В отсутствие тока в обмотке возбуждения 2 пружина 4 удерживает якорь в таком положении, что контакты 5 и 6 разомкнуты, т. е. цепь управления разомкнута. Когда ток в обмотке возбуждения электромагнита достигнет значения, при котором сила, стремящаяся повернуть якорь к ярму, превысит силу противодействия пружины, якорь повернется, контакты 5 и 6 замкнутся, в управляемой цепи произойдет желаемое изменение режима.

Ещё одно видео о работе электромагнитного реле:


Вращение поводка, связанного с пружиной, вызывает изменение силы противодействия пружины 4 и, следовательно, настройку реле на требуемый ток срабатывания.

Значения токов срабатывания указывают на шкале. Это же реле может быть использовано для контроля значения напряжения на какомлибо элементе. В этом случае его обмотка возбуждения, очевидно, должна иметь значительно большее количество витков из провода меньшего диаметра по сравнению с обмоткой тока.

Защиту приемника от недопустимого снижения напряжения на нем можно осуществить с помощью реле минимального напряжения, включенного по схеме рис. 2.19.

Если напряжение источника соответствует требуемому напряжению, то реле Рн срабатывает и его первоначально разомкнутые контакты Рн замыкаются (позиции 5 и 6 на рис. 2.18). Нажав кнопку «Пуск», замыкают цепь возбуждения реле К и посредством его контактов К приемник подключается к источнику.

Если напряжение источника уменьшается ниже допустимого предела (что определяется настройкой реле Рн), то сила противодействия пружины 4 (см. рис. 2.18) преодолевает силу притяжения якоря 3 к ярму 1 и контакты 5, 6 размыкаются. Цепь тока возбуждения реле К (рис. 2.19) размыкается, и приемник отключается от источника.

Для защиты электротехнических устройств от токов перегрузки, когда длительная эксплуатация устройства в таком режиме может вызвать выход его из строя за счет недопустимого перегрева, применяют тепловые реле.

Тепловое реле (рис. 2.20, а) состоит из биметаллической пластины 2, которая находится в тепловом поле нагревателя 7, включенного последовательно с контролируемым объектом (приемником), и контактов 4. Если контролируемый ток/больше допустимого, то через некоторое время биметаллическая пластина 2 под действием избыточной теплоты нагревателя 1 изогнется, так как ее нижний слой расширяется (удлиняется) больше, чем верхний. Пластина 2 освобождает защелку 3, которая под действием пружины поворачивается, и контакты 4размыкаются. Схема включения теплового реле представлена, например, на рис. 2.20, 6, где видно, что при срабатывании теплового реле его контакты разрывают цепь питания реле К и отключают приемник от источника. После охлаждения биметаллической пластины, реле механическим путем возвращается в исходное положение.

Реле управления и автоматики (указательные и сигнальные реле). Электромеханические реле управления представляют собой слаботочные аппараты, предназначенные для выполнения логических и измерительных функций в системах управления. Для характеристики работы реле вводят ряд коэффициентов. Если рассматривать реле в качестве нелинейного элемента, связь входной /вх и выходной /вых величин которых изображена на рис. 2.21, то можно ввести коэффициент возврата Кв как отношение входной величины /п, при которой реле срабатывает, к значению этой же величины /отп, при которой реле отпускает.

Этот коэффициент зависит от соотношения тяговой характеристики Fx (/в) реле (рис. 2.22) и характеристики Fnp(lB) противодействующей пружины.

В начале процесса срабатывания реле при Iвх = Iп зазор максимален (l в нач) и сила притяжения F1 якоря к ярму чуть больше силы сжатия Fnp противодействующей пружины. В конце процесса срабатывания реле зазор минимален (/в кон) и сила Fx притяжения якоря к ярму при том же токе /п уже больше силы F , что необходимо для надежного замыкания контактов реле. Отключение реле произойдет при токе /вх, равном току /отп , т. е. когда сила F= F2 станет меньше силы Fnp. Чем меньше величина ДР= Fl — F2 (рис. 2.22), тем, очевидно, выше коэффициент возврата, меньше разница в значениях тока срабатывания /п и тока отпускания /отп. Обеспечить высокий коэффициент возврата можно только у реле с малым ходом якоря, при уменьшении трения в механизме, использования ферромагнитных материалов с узкой петлей гистерезиса. Для повышения надежности срабатывания реле нужно обеспечить выполнение условия /вх > /п. Необходимое превышение тока /вх над значением 1п называют коэффициентом запаса.

Чувствительность реле

Важным параметром реле является чувствительность, т. е. мощность Ру в цепи управления, при которой срабатывает реле.

У высокочувствительных реле Ру < 10 мВт, реле нормальной чувствительности срабатывают при Ру = 1—5 Вт, реле низкой чувствительности при Ру = 10—20 Вт.
Мощность в цепи, которую коммутируют контакты реле Рк, значительно превышает мощность цепи управления. Отношение этих мощностей называют коэффициентом усиления (управления) реле:

Значение Ку у высокочувствительных реле достигает нескольких тысяч.
По значению мощности Рк реле подразделяют на сильноточные (Рк > 500 Вт), нормальной мощности или промежуточные (Рк < 150 Вт в цепях постоянного тока и Рк < 500 ВА в цепях переменного тока) и слаботочные реле систем автоматики, управления, связи (Рк < 50 Вт в цепях постоянного тока и Рк< 120 ВА в цепи переменного тока).

Конструкции промежуточных реле довольно многообразны. Применяются реле клапанного типа (рис. 2.23), предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного токов. На рис. 2.23 видна контактная система 7, содержащая несколько пар контактов, коммутирующих цепи ab, cd, ef. Магнитная цепь реле имеет центральный сердечник (ярмо) 4, обмотку возбуждения 5, включаемую в цепь управляющего сигнала /у, и якорь J, который при своем движении к ярму 4 посредством траверсы 2 замыкает контактные группы ab, cd9 ef. Если это реле предназначено для работы в цепях переменного тока, то магнитопровод выполняют шихтованным.

В конструкции слаботочных реле стремятся уменьшить габаритные размеры, но одновременно повысить разрываемую мощность (Рк) и быстродействие.

Современные слаботочные реле способны производить 200—300 млн срабатываний за срок службы. Одна из конструкций слаботочных реле показана на рис. 2.24.

Все рассмотренные реле относятся к типу нейтральных, т. е. не реагирующих на полярность электрического сигнала в цепи управления они срабатывают при любом направлении тока в обмотке возбуждения. В случаях, когда требуется, чтобы реле срабатывало при определенном направлении тока, применяют поляризованные реле.

В поляризованном реле в магнитную цепь включается постоянный магнит 2 (рис. 2.25). Этот магнит создает основной магнитный поток Ф0, и если якорь J реле занимает среднее положение в зазоре магнитной системы, то на него действуют две равные по значению и противоположные по направлению силы притяжения к полюсам постоянного магнита. Положение якоря неустойчиво, и для удержания его в среднем положении якорь укрепляют на плоской пружине, упругость которой создает устойчивость. Если в катушке электромагнита 1 появляется ток /у, то возбуждается дополнительный магнитный поток Фу того или иного направления в зависимости от направления магнитодвижущей силы.

Таким образом, изменяются результирующие магнитные потоки в зазорах между якорем и полюсами N—S постоянного магнита (рис. 2.25): в одном из этих зазоров магнитный поток увеличивается, в другом — уменьшается. Сила притяжения якоря пропорциональна квадрату магнитного потока, и, следовательно, якорь, преодолевая сопротивление пружины, притягивается к тому или другому полюсу постоянного магнита — реле срабатывает — контакты 4 замыкают одну либо другую цепь в зависимости от направления тока управления.

Поляризованные реле являются достаточно быстродействующими (время срабатывания достигает тысячных долей секунды), чувствительными (Ру = 0,01—5 мВт), позволяют коммутировать токи 0,21 А при напряжении до 24 В. Высокое быстродействие дает возможность использовать их для коммутации с частотой включений 100-200 Гц.

Тенденция к уменьшению габаритных размеров электромагнитных устройств обусловила появление миниатюрных герметических электромагнитных реле, соизмеримых по размерам с полупроводниковыми элементами. Широкое распространение получают герконовые реле, обладающие высоким быстродействием, надежностью и очень большим сроком службы.

Особый класс аппаратов с герконами составляют реле с электромагнитной памятью (рис. 2.26). Геркон / помещен в магнитное поле магнитотвердого феррита 4 с наконечниками 2. Импульс тока в катушке 3 приводит к срабатыванию реле контакты 5 замыкаются, оставаясь замкнутыми и после окончания импульса тока управления за счет намагничивания ферритового сердечника. Для отпускания реле необходимо подать импульс тока обратного направления.

Значение этого обратного тока должно быть таким, чтобы ферритовый сердечник размагнитился, но не перемагнитился, иначе контакты снова замкнутся.


Устройство и примеры применения реле, как выбрать и правильно подключить реле

Электрик Инфо — мир электричества. Электрика в квартире и доме, электроснабжение, электромонтаж, ремонт, освещение, домашняя автоматизация, практическая электроника. Статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, интересные факты и многое другое для начинающих электриков и домашних мастеров. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок.

Сайт электрика

Начинающим электрикам, Промышленная электрика

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.

Для чего нужно реле?

Чтобы включить нагрузку нужно подать на её выводы напряжение, оно может быть постоянным и переменны, 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.;

  • Автоматика;

  • КИПиА;

  • Системы охраны;

  • 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.

Работа реле основана на работе магнитного поля. Когда на катушку 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.

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.

Преимущества реле:

  • простота конструкции;

  • 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.

Недостатки реле:

  • 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.

Преимущества:

  • малое потребление управляющего тока;

  • отсутствия шума при переключении;

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

Недостатки:

  • греется;

  • может сгореть от перегрева;

  • дороже стоит;

  • 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.

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.

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!

Алексей Бартош


Поделитесь этой статьей с друзьями:

Вступайте в наши группы в социальных сетях:

Смотрите также на Электрик Инфо

:

  • Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт
  • Промежуточные реле: назначение, где применяются и как их выбирают
  • Как можно легко управлять мощной нагрузкой переменного тока
  • Эксплуатация и ремонт электромагнитных реле
  • Реле давления РМ-5

  • Электрика дома | Электрообзоры | Энергосбережение
    Секреты электрика | Источники света | Делимся опытом
    Домашняя автоматика | Электрика для начинающих
    Практическая электроника | Электротехнические новинки

    Copyright © 2009-2019 electrik.info Андрей Повный (об авторе) Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *