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.
Электромагнитные реле бывают самых различных конструкций. В наиболее распространенной конструкции электрический ток (соответствующего напряжения), проходя через катушку, создает магнитный поток в цепи сердечник — ярмо — якорь, в результате чего якорь притягивается к сердечнику. Это вызывает изменение положения контактов: замыкается один и размыкается другой.
В других конструкциях подвижный сердечник втягивается в катушку. В герметических реле трубчатого типа магнитный поток, создаваемый катушкой, действует непосредственно на контактные пружины, выполненные из магнитомягкого материала, вызывая их срабатывание. Такие контакты могут действовать под влиянием магнитного поля от постоянного магнита или под влиянием общего поля от постоянного магнита и катушки.
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 выходная величина равна Уmin, 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.
Контакты замыкающий и размыкающий известны в отечественной литературе как нормально открытые (НО) и нормально замкнутые (НЗ) соответственно. «Нормальным» считается состояние обесточенного реле или ненажажой кнопки. Можно привести следующее мнемоническое правило: «Реле (кнопка) находится в нормальном состоянии, если лежит на складе».
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
Электромагнитное реле обладает рядом преимуществ, отсутствующих у полупроводниковых конкурентов:
- 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).
Как работает SSR? Входной ток протекает через оптоэлектронную систему, которая дополнительно обеспечивает разделение входной и выходной цепи и управляет силовой цепью. Конечный эффект такой же, как и в случае с электромагнитным реле — после подачи напряжения на вход включается выход. Единственное отличие состоит в том, что в случае твердотельного реле нагрузка переключается электронными компонентами.
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 регулирования температуры нагревателей.
При выборе решения для вашего проекта стоит обратить внимание на важные отличия твердотельных реле SSR от электромагнитных EMR. Обе группы характеризуются совершенно разными свойствами, связанными с их устройством. Зная особенности реле, можно осознанно использовать их преимущества, выбирая решение, соответствующее конкретным условиям, продиктованным спецификой анализируемого процесса.
В частности, стоит ответить на следующие вопросы:
- Как часто должно переключаться реле?
- Это приложение, которое требует очень частого переключения?
- В каких условиях окружающей среды будет работать ваше реле?
- Требуется ли бесшумная работа реле?
- Требуется ли вашему приложению быстрое время отклика и высокая частота переключений?
- Достаточно ли места в шкафу управления для радиатора и достаточной вентиляции?
При выборе реле также помните о теплоотводе!
Чтобы обеспечить правильную работу твердотельных реле, выделяемое ими тепло должно правильно отводиться. Количество выделяемого тепла зависит от величины тока нагрузки (на выбор радиатора также влияет температура окружающей среды).
Максимальная температура, которую может «выдержать» система SCR, составляет 125°С. Если температура продолжит расти, реле выйдет из строя. Чтобы этого не произошло, реле монтируют на правильно подобранные радиаторы, благодаря которым тепло отводится в окружающую среду.
Реле с радиаторами должны быть установлены на необходимых расстояниях друг от друга и, конечно же, внутри шкафа управления должна быть обеспечена достаточная вентиляция.
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.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электромагнитное реле. Что мы знаем о нём, кроме того, что слово произошло от французского «relais»?
Once upon a time… (где то около года несколько лет назад я кратко поспорил на Хабре:
olartamonov
… Диод, накоротко шунтирующий обмотку реле, сильно увеличивает время его размыкания — и, соответственно, искрение на контактах. …
VT100
… Это может показаться контринтуитивным, но увеличивает он не столько время размыкания, сколько время от снятия сигнала управления до начала размыкания. Это следует из энергии запасённой в обмотке реле и квадрата отношения напряжений питания и отпускания реле (при типичных напряжениях — не менее 90% энергии будет рассеяно на диоде). А собственно время размыкания — определяется, в основном, только механикой реле (усилие пружин и инерция подвижных частей).
Да, там есть ещё некоторый всплеск тока катушки, обусловленный изменением индуктивности при размыкании магнитопровода. Но начальный момент его размыкания — это ещё не момент начала размыкания контактов, КМК. …
olartamonov
Нет, это не так.
Я считаю, что предрассудок «диод параллельно катушке реле это плохо» — не верен. Влияние диода не так велико, а в некоторых случаях — полезно.
Конструкция типичного реле
Как многие помнят, типичное реле состоит из электромагнита (катушки с сердечником из магнито-мягкого материала), подвижной системы (якорь, притягиваемый электромагнитом, его возвратная пружина и пружины контактов) и контактов, замыкаемых и размыкаемых при перемещении якоря.
Из неотмеченных в этом ролике и, возможно, недостаточно очевидных особенностей реле — обратите внимание на тот факт, что замыкание нормально открытых контактов (т.е. разомкнутых при отсутствии тока в катушке) происходит ещё до момента замыкания якоря и сердечника реле. Это создаёт необходимое усилие смыкания контактов и обеспечивает их очистку за счёт сдвига друг относительно друга ([1], стр. 18, 23, 24). То же происходит и при их размыкании: сначала начинает двигаться якорь, потом — размыкаются контакты.
Но зачем вообще нужен диод (демпфер) параллельно катушке реле?
Электромагнит имеет некоторую индуктивность. При быстром прерывании тока через индуктивность на её зажимах генерируется значительная ЭДС, пытающаяся поддержать ток на прежнем уровне. Так, при прерывании тока транзисторным ключом, напряжение на его коллекторе может превысить 1000 В (по абсолютной величине) и вызвать пробой коллекторного перехода транзистора. В лучшем случае — обратимый, в худшем — с выходом транзистора из строя. Вот, что показывает SPICE симуляция в TINA-TI.
Напряжение на коллекторе ключевого транзистора и ток катушки реле при отсутствии демпфирования.
То же, напряжение на коллекторе в меньшем масштабе. Обратите внимание на прямое смещение коллекторного перехода. Мгновенное напряжение на коллекторе в выбранной точке достигает достигает 40 вольт.
Демпфирование диодом — ничего неожиданного. Ток спадает экспоненциально за счёт сопротивления катушки (>> сопротивления открытого диода).
И резистором — более быстрый экспоненциальный спад.
Демпфирование стабилитроном — быстрый спад, близкий к линейному (напряжение стабилизации делёное на сопротивление катушки). Но тут — снова происходит резкое прерывание ненулевого тока (при ЭДС самоиндукции меньше напряжения стабилизации) и мы видим затухающие колебания, сходные с колебаниями в обратноходовом (Flyback) источнике питания с RCD демпфером. Это — возможный источник помех в соседних цепях.
Вот эти колебания в меньшем масштабе. Опять появляется прямое смещение коллекторного перехода ключа, хотя — уже не такое жестокое. Но однократная помеха — проникает в цепь управления ключом.
Теоретическое опровержение предрассудка
Моя идея — базируется на известном соотношении между током катушки индуктивности (электромагнита) и энергией, запасённой в её магнитном поле: E = LI 2 /2 (L — индуктивность катушки, I — ток через неё). Заменяя ток на напряжение по известному сопротивлению катушки, из справочных данных на минимальное напряжение удержания, — получаем озвученные мною 90%. Тут я упустил из внимания, что напряжение удержания указывается минимальным и на практике — оно обычно несколько больше указанного в документации. Но «квадрат» («хорошо, что пополам») — работает в пользу моей гипотезы. Для рассеяния 90% энергии необходимо фактическое напряжение отпускания чуть меньше, чем треть от номинального. А это укладывается в datasheet большинства реле.
При выключении реле, до тех пор, пока ток через катушку реле не упадёт достаточно для отпускания якоря, — нормально открытые контакты всё еще остаются замкнутыми, их движения нет, поэтому — нет ни дуги, ни какого-либо их износа. См. [1], стр. 48 и 53, рис. 25 и 28, описание «электрической задержки» в работе реле, обусловленной индуктивностью и активным сопротивлением катушки.
Эксперименты
Пользуясь недавним избытком свободного времени (весенние «каникулы» 2020 года), я решил закрыть «технический долг» перед самим собой и исследовать, как и на сколько влияет тип применённого демпфера катушки реле на механическое движение его контактов в части времени перехода подвижного контакта между неподвижными (другими словами — скорости достижения зазора, достаточного для гашения дугового разряда) и числа импульсов дребезга (числа возможных дуговых разрядов при каждом переключении). А также — как меняется индуктивность катушки в зависимости от тока и положения якоря. Для опытов были привлечены силовые реле с номинальным напряжением катушки 24 В ( промавтоматика ):
- G2R производства Omron, реле с одним переключающим контактом для монтажа на печатную плату;
- R4 производства Relpol и HJQ-22F-4Z производства Tianbo, реле с четырьмя переключающими контактами для монтажа в колодку;
- SIM222 производства Elesta, безопасное реле с четырьмя изолированными механически связанными контактами, 2 нормально закрытых (замкнутых, далее по тексту — НЗ, включая аналогичный контакт реле с переключающими контактами) и 2 нормально открытых (разомкнутых, далее — НО).
- TVS диод 1.5KE150A с напряжением ограничения 150 В ном. (итого — перенапряжение на ключевом транзисторе VT2 достигает 174 В ). Это я считаю как «практически полное отсутствие демпфирования» и использую полученные значения как базовые;
- noname стабилитрон на 24 В в корпусе DO-35 (BZX55C24? Итого — перенапряжение около 48 В);
- резистор, обеспечивающий перенапряжение примерно вдвое больше рабочего напряжения катушки (исходя из условия неразрывности тока катушки в момент запирания управляющего транзистора — сопротивление резистора получается в полтора-два раза больше её сопротивления, итого — перенапряжение около 70-80 В);
- диод 1N4148 в корпусе DO-35 (перенапряжение практически отсутствует).
Аппаратура и ПО для измерения времени движения подвижного контакта и дребезга.
Источник питания реле — на базе импульсного преобразователя 33063 (34063). На входе напряжение 12 В от ПК, на выходе — около 24 В (номинальное напряжение питания реле, падением 0.2-0.4 В на ключе управления и токоизмерительном резисторе — пренебрегаем). Питание управляющего микроконтроллера — от 3-х выводного линейного стабилизатора типа LM2931 на напряжение 5.0 В. Собственно измеритель — на микроконтроллере ATmega88A (что нашлось в запасах) с тактовой частотой 11.052 МГц.
Ток катушки реле измеряется по падению напряжения на R12, незначительно фильтруется C11 и R11, усиливается DA3 и подаётся на вход ADC5. Используется внутренний источник опорного напряжения (1.1 В ном.) зашунтированный внешним конденсатором (0,1 мкФ, на схеме не показан).
Синхронное управление катушкой реле (0.5 Гц) и запуском АЦП (10800 Гц) обеспечивает 16-и битный таймер № 1. Драйвер катушки в пояснениях не нуждается? Диод VD2 используется при испытаниях демпфирования TVS и стабилитроном, для исключения замыкания выхода ключа через демпфер.
Состояние контактов реле считывается по входам внешних прерываний PCINT21 и PCINT22. Учитываются изменения не короче 3.3 мкс (C6*R3), т.е. примерно на порядок меньше ожидаемого времени дребезга. В прерывании «pin change interrupt 2» ведётся накопительный счётчик дребезга контактов. В прерывании сравнения таймера 1 — считывается состояние контактов (замкнут/разомкнут) за прошедший период синхронно с запуском (выборкой значения тока) АЦП.
В прерывании по готовности данных АЦП инициируется передача данных на ПК (через USART на скорости 460800 Бод, по прерываниям, через FT232):
- 2 байта данных тока катушки с замешанными в старшие разряды (15 и 14) битами состояния контактов реле;
- 1 байт счётчика импульсов дребезга с его обнулением.
Обработка полученных данных проводится в excel (давно ничего не программировал на ПК, так — проще), файл parse_long [7]. Оригиналы принятых данных (8-битные значения по 3 в строке — число импульсов дребезга, MSB тока катушки и состояние контактов, LSB тока катушки) сохраняются на листе «Исходные данные». Потом, по одному набору, они копируются в столбцы A:C листа «Расчёт». На листах «Ток (замык.)», «Ток (разм.)», «Изменения (замык.)», «Изменения (разм.)» и «Контакты (разм.)» они разбираются в 127 групп по 256 последовательных во времени значений и вычисляются средние значения (для тока на листах «Ток . ») или суммы (для числа импульсов дребезга на листах «Изменения . ») для каждых 127 значений, полученных в одно и то же время. Вычисленные значения возвращаются на лист «Расчёт» (в столбцы «Ток замыкания», «Число переключений при замыкании», «Ток размыкания» и «Число переключений при размыкании»). В столбцах O:S задаются начальные строки «окон» для определения матожидания и дисперсии времени замыкания и размыкания контактов. При подаче питания на катушку, «Т. 1 на замыкании» это момент размыкания НЗ контакта, а «Т. 2 на замыкании» это момент первого замыкания НО контакта. При снятии питания с катушки — наоборот, «Т. 1 на размыкании» это момент размыкания НО контакта, а «Т. 2 на размыкании» это момент первого замыкания НЗ контакта. Также — данные с листа «Расчёт» выводятся в графики тока катушки и импульсов на контактах на листе «График».
Поскольку интересуют только относительные данные во временной области — АЦП не калибруется и ток не переводится в реальные миллиамперы, а показывается в целочисленных данных с АЦП.
Данные о состоянии контактов с листа «Контакты» (1 — замкнут НО контакт, 2 — замкнут НЗ, 3 — разомкнуты оба) используются для справки.
Вот пример графиков включения и выключения реле R4 с демпфером 1N4148 (наиболее удобный для подписей, т.к. графики включения и выключения не накладываются друг на друга). Как видно, подписи к осциллограммам тока катушки в «3C9132. Proper Coil Drive is Critical to Good Relay and Contactor Performance» [6] — недостаточно верно описывают поведение подвижной системы ввиду отсутствия информации о состоянии контактов и вообще не рассматривают выключение реле. В «13C3264. Coil Suppression Can Reduce Relay Life» [6] — рассмотрено именно выключение, но также не рассматривается состояние контактов — только ток катушки. В отличие от 3C9132 — включение НО контакта происходит ещё до локального минимума тока в середине графика (завершение движения якоря), что достаточно очевидно ввиду того, что необходимо создать «натяг» в соединении НО и подвижного контактов, а это как раз и требует их замыкания ещё до завершения движения якоря. В отличие от 13C3264 — во всех случаях применения диодного демпфирования процесс переключения реле уже завершается (замыканием НЗ контакта) во время локального максимума тока катушки.
Таблица 1 [7]. Времена от изменения сигнала управления ключом до первого изменения состояния контактов (размыкания НЗ контакта при подаче тока в катушку или размыкания НО контакта при отключении подачи тока), числа импульсов дребезга при изменении состояния контактов и времена движения контактов между первым и вторым изменением состояния (перехода подвижного контакта от НЗ к НО и обратно).
При обмере SIM222 погиб на боевом посту единственный наличный MPSA92. Из приемлемых замен нашёлся только КТ814В, поэтому измерения с TVS 1.5KE150A в роли «почти отсутствующего» демпфера не проводились.
1 — смотрите далее по тексту об особенностях механики этого реле.
2 — дребезг продолжается, как минимум, до истечения времени захвата данных.
Выводы
- Что действительно сильно затягивается, так это время от снятия напряжения с катушки реле до размыкания НО контакта (именно это, не несущее информации о влиянии на ресурс, время drop-out time — мы видим в документе «13C3311. The application of relay coil suppression with DC relays» [6]). И любая схема демпфирования, в том числе и со стабилитроном, — увеличивает его. Для демпфера на 24 В стабилитроне увеличение относительно «почти отсутствующего» демпфера на 150 В TVS составляет около 80 %. Для простого диодного демпфера — ещё больше, 200-300 %. Но, ещё раз , — это время не влияет на ресурс контактов, т.к. они всё ещё остаются замкнутыми.
- Схемы демпфирования с полным поглощением энергии катушки (резистором или диодом) — имеют свои преимущества. Например, они снижают скорость удара подвижного контакта о НЗ и тем самым существенно снижают время его дребезга — от 14 до 30 % для диодного демпфера. У некоторых реле (R4) — снижается и длительность дребезга при размыкании НО контакта [5]. Облегчается режим работы ключевого транзистора и улучшается помеховая обстановка.
- При наиболее агрессивной схеме демпфирования (диодом) время перехода подвижного контакта от НО к НЗ контакту при снятии напряжения с катушки реле действительно увеличивается. По сравнению с демпфированием стабилитроном увеличение составило от 23 до 46 % (в зависимости от типа реле). Так что заявления о затягивании времени выключения реле в разы [интернет, 3, 6] — являются ложными.
- Механике реле R4 (может быть — многих реле данного габарита и конструкции?)— свойственен некий «прогрев», выражающийся в уменьшении времени срабатывания в течении первого десятка быстрых срабатываний после длительного простоя.
- Особняком выступило реле G2R с большим люфтом в подвижной системе. При подаче напряжения на катушку — якорь успевает набрать довольно большую скорость до тех пор, пока не наткнётся на подвижный контакт. Ударившись о подвижный контакт и отскакивая, якорь вызывает этим около десятка импульсов дребезга НЗ контакта, колебания всей подвижной системы (видны как колебания тока катушки, см. изображения ниже) и даже — новое замыкание НЗ контакта. Вот тут — во всей красе себя проявляет диодный демпфер, который единственный и полностью подавляет эту неприятность! Я, правда, так и не придумал объяснения этому факту, т.к. напряжение на катушке реле вряд ли меняет свой знак при этих колебаниях (будучи подключенным через низкое сопротивление насыщенного транзистора к низкому сопротивлению источника напряжения), а ёмкость обратно смещённого диода — мизерна по сравнению с собственной ёмкостью катушки… Возможно — надо рассмотреть катушку этого реле как элемент с распределёнными, а не сосредоточенными параметрами (индуктивность, сопротивление). А индуктивность — как переменную, модулируемую массой якоря и упругостью его пружины.
Графики для G2R с демпфированием стабилитроном и диодом.
(TL;DR) 2
Также — я постарался измерить изменение индуктивности катушки при перемещении якоря, чтобы как-то подвязать и его в формулу энергии. Но изменения — достаточно малы (1,5-2 раза), чтобы не брать их в рассмотрение, ввиду малости по сравнению с квадратом изменения тока. Кроме того — в энергетических расчётах надо бы учесть и энергию возвратных пружин.
Ещё немного, для самых стойких.
«13C3344. Determining Relay Coil Inductance» [6] — предлагает измерить индуктивность в одном положении якоря (включенном вручную уже при нулевом напряжении). Я решил собрать немного больше данных и с минимальным вмешательством в работу реле.
Источник питания — тот же, с несколько большим выходным напряжением (около 30 В при R2 = 13 кОм, R1 = 560 Ом).
Для измерения индуктивности использован типичный 3-точечный генератор с ёмкостной обратной связью (правая часть схемы). Ток коллектора (устанавливается R8) выбран минимально достаточным для возбуждения (с амплитудой не более 2 В~ на катушке) при подаче на катушку реле номинального постоянного напряжения. Для снижения уровня высших гармоник связь контура с генератором выбрана небольшой (отношение ёмкости C2 к ёмкости последовательных C3 и C4) и используется последовательный резистор R7. Частота установлена небольшой, что-бы уменьшить влияние потерь в сердечнике. Сигнал с базы генератора через буферный ОУ и развязку по постоянному току (C5, R10) подаётся на звуковую карту ПК.
Чтобы не закорачивать контур по переменному напряжению, постоянное напряжение на катушку реле подаётся с помощью генератора тока (с относительно высоким выходным сопротивлением). Сопротивление R4 в эмиттерной цепи регулирующего транзистора задаёт нужный максимальный уровень тока и, через сопротивление катушки реле (640 Ом ном. для реле типа R4), максимальное напряжение на ней (2.5 В * 640 Ом / 68 Ом = 23.5 В=). Уменьшая (относительно положительного полюса источника питания) напряжение на неинвертируюшем входе ОУ можно задать произвольное напряжение на катушке реле. А подав сигнал через RC-цепочку — записать коротенький трек в стиле техно-индастриал [7].
Оказалось, что индуктивность относительно мало меняется в моменты замыкания и размыкания подвижной системы (всё равно остаются зазоры в шарнире якоря и неплотность прилегания якоря к сердечнику) и, при достижении током номинального значения, падает из-за насыщения якоря и сердечника.
Индуктивности катушки (Гн) в зависимости от напряжения на катушке (В) и состояния подвижной системы реле (замкнуты или разомкнуты контакты и есть ли немагнитный зазор между якорем и сердечником) приведены в следующей таблице. В конструктивно схожих реле R4 и HJQ-22F — у первого, визуально, якорь плотнее прилегает к сердечнику. У реле G2R и HJQ-22F — напротив, на якоре есть пуклёвка, обеспечивающая явную неплотность посадки якоря на сердечник. Вероятно, это и обусловило относительно меньшее изменение индуктивности у HJQ-22F.
Таблица 2 [7]. Индуктивности катушек реле и приложенное к ним напряжение в зависимости от состояния подвижной системы.
Переключайтесь правильно и да пребудет с вами сила тока!
- Мощные электромагнитные реле. Справочник инженера. С.-Петербург, 2001, 152 страницы.
- Применение метода осциллографического анализа динамических характеристик электромагнитных реле для его технической диагностики.
- О перенапряжениях в электромагнитных реле и некоторых способах их уменьшения. Время движения контактов реле РЭС47, 48, 49, 60 при шунтировании катушки диодом — увеличивается в 2..5 раз, но это недостаточно релевантно по отношению к моим измерениям — я обмерял силовые реле, а тут — упомянуты скорее сигнальные.
- https://habr.com/ru/company/wirenboard/blog/422197/
- https://habr.com/ru/company/unwds/blog/390601/#comment_17300559
- Рекомендации по применению электромагнитных реле от TE Connectivity (TYCO).
- Архив с программным обеспечением, таблица с полученными данными и расчётами, итоговые таблицы и техно-индастриал.
- Файл «Relay delay okey» от Gunnar Englund с подтверждением тезиса о практической неизменности скорости движения подвижной системы реле вне зависимости от типа демпфера. Он попался в мои сети уже в этом году.
P.S. В отличие от автора эпиграфа, который «если и насиловал кого — так только факты в угоду предвзятой идее», у меня — всё точно.
Знать различные части электромагнитного реле.
Добро пожаловать в эту статью, где мы рассмотрим различные части электромагнитного реле. Если вы когда-нибудь задумывались, как работают эти важные устройства в промышленности и электронике, вы попали по адресу. Мы узнаем каждый ключевой компонент, из которого состоит электромагнитное реле, и то, как они работают вместе для достижения своей функции. Приготовьтесь войти в увлекательный мир электромагнитных реле!
- Из каких частей состоит электромагнитное реле
- Что такое реле и его части
- Что такое электромагнитное реле
Из каких частей состоит электромагнитное реле
Электромагнитное реле — это электрическое устройство, которое использует электромагнит для размыкания или замыкания электрических контактов. Он состоит из нескольких частей, которые работают вместе, обеспечивая его правильное функционирование. Ниже приведены основные части электромагнитного реле:
1. Катушка: Это часть реле, которая генерирует магнитное поле при подаче на него электрического тока. Он состоит из медной проволоки, намотанной на сердечник из мягкого железа. Когда катушка активирована, магнитное поле притягивает или отталкивает движущийся рычаг, в зависимости от типа реле.
2. Подвижная рука: Также известный как подвижный контакт, это металлическая деталь, которая движется вперед или назад под воздействием магнитного поля, создаваемого катушкой. Подвижный рычаг соединен с электрическими контактами, и его положение определяет, открыты или закрыты контакты.
3. Контакты: Это части реле, которые открываются или закрываются в зависимости от положения движущегося рычага. Контакты могут быть нормально разомкнутыми (НО), нормально закрытыми (НЗ) или переключаемыми (С). Реле могут иметь один или несколько наборов контактов, в зависимости от их применения.
4. Пружины: Пружины — это компоненты, которые обеспечивают усилие, необходимое для удержания контактов в нужном положении, когда реле деактивировано. Они также гарантируют, что контакты образуют хороший электрический контакт в закрытом состоянии.
5. Магнитный сердечник: Это кусок мягкого железа, помещенный внутрь катушки. Магнитный сердечник увеличивает интенсивность магнитного поля, создаваемого катушкой, и повышает эффективность реле.
6. Оболочка: Внешняя структура реле защищает внутренние части и обеспечивает физическую поддержку. Корпус обычно изготавливается из пластика или металла и может быть прямоугольной, цилиндрической или другой формы в зависимости от конструкции реле.
7. Терминалы: Они являются точками электрического подключения реле. Клеммы позволяют подключать кабели или провода, подводящие электрический ток к катушке, и соединять контакты с другими электрическими устройствами.
Что такое реле и его части
Реле, также известное как реле, представляет собой электромеханическое устройство, используемое для управления электрическими цепями. Его основная функция — размыкать или замыкать электрические контакты с помощью входного электрического сигнала.
Реле состоит из нескольких основных частей, обеспечивающих его правильную работу. Ниже описаны наиболее важные части реле:
1. Катушка: Это основной компонент реле, состоящий из провода, намотанного на железный сердечник. Катушка отвечает за создание магнитного поля при подаче на нее электрического тока, что позволяет активировать реле.
2. Контакты: Это элементы, которые открываются или закрываются при активации реле. В зависимости от типа реле могут быть различные конфигурации контактов, например, нормально разомкнутые (НО) контакты и нормально закрытые (НЗ) контакты.
Вы заинтересованы в: Как рассчитать электрический ток: практическое и простое руководство
3. Мобильный контакт: Это подвижный элемент реле, который перемещается при срабатывании катушки. Этот контакт перемещается, чтобы размыкать или замыкать контакты реле, разрешая или прерывая протекание электрического тока в управляемой цепи.
4. Курорт: Это компонент, который обеспечивает силу, необходимую для возврата подвижного контакта в исходное положение при отключении катушки. Пружина обеспечивает возврат контактов реле в исходное состояние при прерывании входного электрического сигнала.
5. Рамка: Это конструкция, в которой размещены все части реле и которая обеспечивает защиту и физическую поддержку. Рамка обычно изготавливается из пластика или металла и может иметь разные формы и размеры в зависимости от типа реле.
Что такое электромагнитное реле
Электромагнитное реле — это электрическое устройство, используемое для управления потоком тока в цепи. Он работает за счет использования электромагнита для открытия или закрытия электрических контактов, чтобы разрешить или прервать течение тока в цепи.
Электромагнитное реле состоит из нескольких основных компонентов: катушки, железного сердечника, набора контактов и пружины. Катушка намотана вокруг железного сердечника, и при подаче тока на катушку создается магнитное поле, которое притягивает пружину и замыкает электрические контакты. При прерывании тока в катушке магнитное поле исчезает и пружина возвращается в исходное положение, размыкая контакты.
Электромагнитные реле используются в самых разных приложениях: от промышленных систем управления до бытовой техники. Некоторые распространенные примеры его использования включают в себя:
1. Управление двигателем. Электромагнитные реле используются для управления включением и выключением электродвигателей, обеспечивая их безопасную и эффективную работу.
2. Защита цепей. Электромагнитные реле также используются в качестве защитных устройств в электрических цепях. Например, в случае перегрузки или короткого замыкания реле может разомкнуть контакты и прекратить протекание тока, предотвращая повреждение цепи.
3. Управление освещением. В осветительных устройствах электромагнитные реле можно использовать для управления включением и выключением освещения, а также для регулирования его интенсивности.
4. Промышленная автоматизация. Электромагнитные реле широко используются в системах промышленной автоматизации, где они используются для управления работой машин и оборудования.
Полный электромагнитных реле! Теперь, когда вы знаете все части этих электронных жучков, вы как никогда готовы покорить мир электричества. В ваших руках сила! Но не слишком волнуйтесь и помните, что эстафеты подобны игрокам футбольной команды: у каждого есть своя роль, и все они работают как одна команда, чтобы все работало хорошо. Поэтому в следующий раз, когда вы увидите реле, вы можете поприветствовать его, как будто вы настоящий футбольный фанат, и сказать: «Эй, друг-реле, я знаю, что у тебя есть катушка, несколько контактов и якорь, и вместе они творят чудеса! » Вы MVP в области электричества! И вуаля! Вот и все, теперь наслаждайтесь новоприобретенными знаниями и наслаждайтесь электричеством, как никогда раньше!
Реле: устройство и принцип работы
Реле — электрическое устройство (выключатель), предназначенное для замыкания и размыкания различных участков электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электрические, механические и тепловые реле .
Также существует класс электронных полупроводниковых приборов, именуемых оптореле ( твердотельное реле ) , но он в данной статье не рассматривается.
В электронной схемотехнике иногда электронные блоки с функцией переключения цепи по изменению какого-либо физического параметра также называют реле. Например, фотореле , реле контроля фаз или реле-прерыватель указателей поворота автомобиля.
В этой статье мы расскажем об устройстве, классификации и принципе работы реле.
Устройство
Основные части электромагнитного реле — это электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с сердечником из магнитного материала. Якорь — пластина из магнитного материала, через толкатель управляющая контактами.
Классификация реле
По начальному состоянию контактов выделяются реле с:
- нормально замкнутыми контактами;
- нормально разомкнутыми контактами;
- переключающимися контактами.
По типу управляющего сигнала выделяются реле:
— нейтральные реле: полярность управляющего сигнала не имеет значения, регистрируется только факт его присутствия/отсутствия (пример: реле типа НМШ);
— поляризованные реле: чувствительны к полярности управляющего сигнала, переключаются при её смене (пример: реле типа КШ);
— комбинированные реле: реагируют как на наличие/отсутствие управляющего сигнала, так и на его полярность (пример: реле типа КМШ);
— по допустимой нагрузке на контакты;
— по времени срабатывания.
По типу исполнения :
- Электромеханические реле:
— электромагнитные реле (обмотка электромагнита неподвижна относительно сердечника);
— магнитоэлектрические реле (обмотка электромагнита с контактами подвижна относительно сердечника);
— ферродинамические реле;
По контролируемой величине:
Специальные виды электромагнитных устройств:
- шаговый искатель;
- устройство защитного отключения ;
- автоматический выключатель ;
- реле времени ;
- электромеханический счётчик .
Особенности работы
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 управляющего сигнала электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения управляющего 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 (такая ситуация часто обозначается в электротехнике как сухой контакт). Более того, в управляемой цепи величина тока может быть намного больше, чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть: слаботочные электрические схемы (например, дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы, которые на выходе имеют минимальные значения тока и напряжения. Таким образом, реле выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были заменены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами — работающими в ключевом (переключательном) режиме. В настоящее время имеются попытки возродить релейные вычислительные машины с использованием нанотехнологий.
В настоящее время в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.
При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая «масляная ячейка»).
Реле до сих пор очень широко применяются в бытовой электротехнике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надёжнее электроники, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя и, особенно, к сильному броску напряжения при его отключении. Покупать релейное электрооборудование рекомендуется в специализированных электротехнических магазинах, где можно будет получить грамотную консультацию и в случае неправильного выбора вернуть товар обратно. На рынках покупать такие устройства нежелательно, так как на них чаще всего отсутствуют сертификаты соответствия или нарушены условия хранения.
Приобрести качественное реле можно в ТВК « ЭлектроЦентр » и на сайте интернет-магазина stv 39. ru .