Преобразование электрического сигнала в физическую величину, такую как движение, сила, звук и др., осуществляется с помощью приводных устройств. Привод представляет собой преобразователь, так как он меняет один вид физической величины на другой.
Приводы обычно активируются или управляются сигналами с низким напряжением и могут классифицироваться как двоичные или непрерывные в зависимости от количества стабильных состояний. Например, электромагнитное реле относится к двоичным приводам, так как имеет два стабильных состояния: включение и выключение.
В данной статье мы подробно рассматриваем принципы работы электромагнитного реле и области их применения.
Электромагнитное реле состоит из катушки, сердечника, подвижного контакта и фиксированных контактов. При подаче напряжения на катушку создаётся магнитное поле, которое привлекает подвижный контакт к сердечнику, замыкая фиксированные контакты и тем самым замыкая цепь.
Существует несколько видов электромагнитных реле, включая реле времени, реле напряжения и реле на срабатывание по току. Каждый из этих типов имеет свои особенности и используется в различных условиях, например, в системах автоматизации, защиты и управления электроустановками.
При подключении электромагнитного реле необходимо учитывать допустимые значения напряжения и тока, а также скорость срабатывания. Важно правильно подключить катушку реле и рабочие контакты, следуя схемам подключения, предоставленным производителем. Для повышения надежности работы реле рекомендуется использовать дополнительные защитные элементы, такие как диоды и предохранители.
Регулировка электромагнитного реле может включать настройку уровня срабатывания и времени, в зависимости от требований конкретного приложения. Это может быть выполнено с помощью встроенных регуляторов или внешних устройств.
Таким образом, электромагнитное реле является универсальным и важным элементом в электрических системах, обеспечивая управление и защиту различных компонентов и устройств.
Краткое содержание статьи
Основы исполнения привода
Слово «реле» обозначает устройства, которые обеспечивают электрическое соединение между несколькими точками с использованием управляющего сигнала.
Электромеханические конструкции являются наиболее распространённым типом электромагнитных реле (ЭМР).
На изображении представлена одна из многих конструкций, известных как электромагнитные реле, где показан закрытый механизм с прозрачной защитной крышкой из оргстекла.
Основная схема управления любым устройством всегда включает возможность включения и выключения. Самый простой способ реализации этих функций — использование переключателей, которые блокируют подачу электричества.
Ручные переключатели могут применяться для управления устройствами, однако у них есть свои недостатки. Основным недостатком является необходимость физической установки состояния «включено» или «выключено» вручную.
Чаще всего ручные переключатели крупные и медленно действующие, предназначенные для коммутирования небольших токов.
По сути, ручной переключатель можно считать «дальним родственником» электромагнитных реле, так как он выполняет аналогичную функцию — управление рабочими линиями, но исключительно вручную.
С другой стороны, электромагнитные реле в основном работают как электрически управляемые переключатели. Эти устройства имеют разные размеры и формы, а также различаются по уровню номинальных мощностей, что позволяет им находить широкое применение.
Так, такие устройства, имеющие одну или несколько пар контактов, могут быть частью более крупной конструкционной единицы, как, например, контакторы, utilizados para conmutar tensión de red o dispositivos de alta tensión.
Основополагающие принципы работы ЭМР
Электромагнитные реле традиционно используются в электрических (электронных) схемах управления для управления комутацией. Они могут быть установлены либо непосредственно на печатных платах, либо в свободном пространстве.
Структура прибора
Токи нагрузки в этих устройствах обычно варьируются от долей ампера до 20 А и выше. Релейные цепи нашли широкое применение в электронной практике.
Существуют устройства различной конфигурации, которые можно устанавливать как на монтажных платах, так и использовать в качестве отдельно стоящих устройств.
Конструкция электромагнитного реле преобразует магнитный поток, созданный подведённым переменным/постоянным напряжением, в механическую силу, которая управляет контактной группой.
Наиболее распространённая конструкция включает в себя следующие элементы:
- возбуждающая катушка;
- стальной сердечник;
- опорное шасси;
- контактная группа.
Стальной сердечник состоит из неподвижной части, называемой коромыслом, и подвижного элемента с пружиной, именуемого якорем.
Якорь по сути дополняет магнитное поле, замыкая воздушный зазор между неподвижной катушкой и подвижной арматурой.
Детали конструкции: 1 – пружина возврата; 2 – металлический сердечник; 3 – якорь; 4 – нормально закрытый контакт; 5 – нормально открытый контакт; 6 – общий контакт; 7 – катушка из медного провода; 8 — коромысло.
Арматура движется по шарнирам или поворачивается свободно под воздействием создаваемого магнитного поля, при этом замыкаются электрические контакты, прикреплённые к арматуре.
Как правило, расположенная между коромыслом и якорем пружина или пружины возвращают контакты в исходное положение, когда катушка реле обесточена.
Принцип работы релейной электрической системы
Простая классическая конструкция ЭМР включает две совокупности электрически проводящих контактов.
На основе этого реализуются два состояния контактной группы:
- Нормально разомкнутый контакт.
- Нормально замкнутый контакт.
Таким образом, пара контактов может классифицироваться как нормально открытые (NO) или нормально закрытые (NC) в зависимости от их состояния.
Для реле с нормально разомкнутым состоянием контакты закрываются только тогда, когда через индуктивную катушку проходит ток возбуждения.
В одном из вариантов контактная группа по умолчанию оказывается нормально замкнутой в обесточенном состоянии катушки.
В другом варианте нормально замкнутое положение контактов сохраняется в отсутствие тока возбуждения в контуре катушки. То есть контакты переключателя возвращаются в своё нормальное замыкание.
Следовательно, термины «нормально открытый» и «нормально закрытый» подразумевают состояния электрических контактов, когда катушка реле не получает питания, то есть напряжение на реле отключено.
Электрические контактные группы реле
Контакты реле представляют собой металлические элементы, которые соприкасаются друг с другом и замыкают электрическую цепь, действуя аналогично обычному выключателю.
Когда контакты разомкнуты, сопротивление между нормально открытыми контактами может достигать значительных значений в мегаомах, что создает разомкнутое состояние цепи, исключая passage тока в контуре катушки.
Контактная группа любого электромеханического устройства, находящегося в разомкнутом состоянии, обычно имеет сопротивление в сотни мегаом.
При замыкании контактов теоретически их сопротивление должно быть равно нулю — такой результат соответствует короткому замыканию.
Однако данное состояние не всегда наблюдается. Каждое конкретное реле имеет своё собственное контактное сопротивление в замкнутом состоянии, которое называется устойчивым.
Характеристики тока нагрузки
При установке нового электромагнитного реле сопротивление включения обычно невелико, менее 0,2 Ом.
Это происходит по той причине, что новые контакты ещё чистые, однако со временем их сопротивление будет неизбежно увеличиваться.
Например, для контактов при токе 10 А падение напряжения составит 0,2х10 = 2 вольта по закону Ома. Таким образом, если на контактную группу подводится 12 вольт, напряжение, доступное нагрузке, составит 10 вольт (12-2).
С течением времени, когда контактные металлические наконечники изнашиваются и не защищены от высоких индуктивных или ёмкостных нагрузок, повреждения из-за электрической дуги становятся неизбежными.
Электрическая дуга на одном из контактов электромеханического устройства — это одна из причин повреждения контактов при отсутствии надлежащей защиты.
Возникновение электрической дуги приводит к увеличению сопротивления контактов и, как следствие, может вызвать физические повреждения.
Если продолжать эксплуатацию реле в таком состоянии, контактные наконечники могут полностью утратить свои контактные свойства.
Однако существует более серьезная проблема: в результате повреждения дугой контакты могут свариваться, что создаёт условия для короткого замыкания.
В таких случаях существует риск повреждения цепи, управляемой ЭМР.
Например, если сопротивление контакта увеличилось до 1 Ом в результате действия электрической дуги, падение напряжения на контактах при том же токе нагрузки вырастет до 1×10=10 вольт постоянного тока.
Такое увеличение падения напряжения может оказаться критичным для цепи нагрузки, особенно при напряжении питания 12-24 В.
Материалы, из которых изготавливаются контакты реле
С целью уменьшения влияния электрической дуги и повышения устойчивости, контактные наконечники современных электромеханических реле изготавливаются или покрываются различными сплавами, основанными на серебре.
Таким образом, удается значительно увеличить срок службы контактной группы.
На практике применяются следующие материалы для обработки наконечников контактных групп электромагнитных (электромеханических) реле:
- Ag — серебро;
- AgCu — серебро с добавлением меди;
- AgCdO — серебро с оксидом кадмия;
- AgW — серебро с вольфрамом;
- AgNi — серебро с никелем;
- AgPd — серебро с палладием.
Увеличение срока службы наконечников контактных групп реле достигается за счёт уменьшения числа электрических дуг с помощью добавления резистивно-конденсаторных фильтров, известных также как RC-демпферы.
Эти электронные цепи подключаются параллельно контактным группам электромеханических реле. Это позволяет значительно сократить пик напряжения, возникающий в момент открытия контактов.
С помощью RC-демпферов можно эффективно уменьшать электрическую дугу, которая образуется на контактных наконечниках.
Типичное исполнение контактов ЭМР
Кроме стандартных нормально открытых (NO) и нормально закрытых (NC) контактов, механика релейной коммутации также предполагает классификацию по принципу действия.
Особенности конструкции соединительных элементов
Релейные конструкции, относящиеся к электромагнитному типу, могут иметь один или несколько отдельных переключающих контактов.
Такое устройство представляет собой реле, выполненное по схеме SPST – однополюсное и однонаправленное. Существуют также различные другие варианты исполнения.
Характеристика исполнения контактов обозначается следующими аббревиатурами:
- 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 из этих соединительных элементов называется «полюсом». Все они могут подключаться или отключаться, активируя катушку реле одновременно.
Особенности использования устройств
Несмотря на простоту конструкции электромагнитных коммутаторов, существуют определенные нюансы их практического применения.
Специалисты настоятельно рекомендуют не подключать все контакты реле параллельно для управления цепями с высоким током.
Например, нельзя подключать нагрузку в 10 А, используя параллельное соединение двух контактов, каждый из которых рассчитан на ток 5 А.
Эти особенности монтажа связаны с тем, что контакты механических реле никогда не замыкаются и не размыкаются одновременно.
В результате один из контактов может оказаться перегруженным, что неизбежно приводит к преждевременному выходу из строя устройства.
Неправильное использование и подключение реле с нарушением правил монтажа часто заканчиваются аварийными ситуациями, в которых повреждено все внутреннее содержимое.
Электромагнитные реле могут быть использованы в электрических или электронных системах с низким потреблением энергии в качестве переключателей для управления высокими токами и напряжениями.
Однако настоятельно рекомендуется не пропускать разные напряжения через соседние контакты одного устройства.
Например, недопустимо соединять переменное напряжение в 220 В и постоянное в 24 В. Лучше использовать отдельные реле для каждого из случаев для обеспечения безопасности.
Методы защиты от обратного напряжения
Ключевым элементом любого электромеханического реле является катушка, которая относится к высокоиндуктивным нагрузкам и состоит из проводной обмотки.
Каждая обмотанная катушка обладает определенным импедансом, состоящим из индуктивности L и сопротивления R, образуя цепь LR.
При прохождении тока через катушку создается магнитное поле. Когда ток перестает течь в режиме «выключено», происходит увеличение магнитного потока, что приводит к возникновению высокого обратного напряжения ЭДС.
Это индуцированное обратное напряжение может превышать коммутационное напряжение в несколько раз.
В результате возникает вероятность повреждения любых полупроводниковых компонентов, находящихся вблизи реле, таких как биполярные или полевые транзисторы, используемые для импульсного питания катушки.
Существует несколько схем, которые защищают полупроводниковые элементы управления – транзисторы, микросхемы и микроконтроллеры.
Одним из методов предотвращения повреждения транзисторов или других полупроводниковых переключающих устройств, включая микроконтроллеры, могут служить схемы подключения обратно смещенного диода в цепь катушки реле.
Когда ток, проходящий через катушку сразу после отключения, генерирует обратное ЭДС, это напряжение открывает обратно смещенный диод.
Энергия рассеивается через полупроводник, благодаря чему удается предотвратить повреждение управляющего полупроводника – транзистора или микроконтроллера.
Часто полупроводник, включаемый в цепь катушки, называется:
- шунтирующий диод;
- диод-маховик;
- обращенный диод.
На самом деле разница между этими элементами минимальна. Все они выполняют одну и ту же функцию. В дополнение к использованию диодов с обратным смещением для защиты полупроводниковых компонентов также применяются другие устройства, такие как RC-демпферы, металло-оксидные варисторы (MOV) и стабилитроны.
Маркировка электромагнитных реле
Технические обозначения, содержащие частичную информацию о приборах, обычно наносатся прямо на корпус электромагнитного устройства.
Такое обозначение представляет собой набор сокращений и цифр.
Каждое электромеханическое коммутационное устройство традиционно имеет свою маркировку. На корпусе или шасси можно найти набор символов и чисел, указывающих на определенные характеристики.
Пример маркировки корпуса для электромеханических реле:
РЭС32 РФ4.500.335-01
Эта надпись расшифровывается как: реле электромагнитное слаботочное, серии 32, соответствующее паспорту РФ4.500.335-01.
Однако такие обозначения встречаются не так часто. Чаще используются упрощенные варианты без явного указания на стандарты:
РЭС32 335-01
Кроме того, на корпусе устройства также указывается дата производства и номер партии, а полные данные можно найти в техническом паспорте, сопровождающем каждое устройство или партию.
Выводы и полезное видео по теме
Видеоролик доступно объясняет принцип работы электромеханической электроники для коммутации. Ярко подчеркиваются нюансы конструкции, особенности подключения и прочие важные детали:
Электромеханические реле уже долгое время используются в качестве электронных компонентов. Тем не менее, данный тип коммутационных устройств может считаться устаревшим. Современные технологии все чаще заменяют механические реле новыми, исключительно электронными решениями, такими как твердотельные реле.
Если у вас есть вопросы или вы заметили недочеты по данной теме, или хотите поделиться интересными фактами с посетителями нашего сайта, пожалуйста, оставляйте свои комментарии, задавайте вопросы и делитесь опытом в разделе для связи под статьей.
