Библиотека

Электромагнитные реле относятся к категории электрических реле – устройств, предназначенных для создания резких предписанных изменений в одной или нескольких выходных цепях, когда выполняются определенные условия во входных электрических цепях, которые управляют этим устройством. Изменения во входных и выходных цепях относят к определенным электрическим величинам – ток, напряжение и т.д.

В соответствии с требованиями по точности значение входной величины, при которой происходит срабатывание, реле подразделяют на измерительные реле и логические реле, к которым относят обычные реле, то есть реле, которые срабатывают и возвращаются без определенной выдержки времени, а также реле с выдержкой времени или реле времени.

Историческая справка. 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 уставшим спортсменом.

Электрическое реле (рис. 1а) состоит из элемента управления, коммутационного элемента и расположенного между ними промежуточного элемента, который обеспечивает взаимодействие входной цепи, которое состоит из входных терминалов, элемента управления и проводников, соединяющих их, и выходной цепи, состоящей из коммутационного элемента, выходных терминалов и проводников, соединяющих их. Пример, приведенный на рис. 1б относится к так называемым твердотельным реле - электрических реле, в которых предназначенная реакция создается из-за влияния электронных, магнитных, оптических или других компонентов без механического движения. В этом примере элемент управления состоит из диодного моста, образованного диодами VD1 … VD4, резистора R и светодиода оптосимистора VSО, симистор которого является коммутационным элементом, а роль промежуточного элемента выполняет поток света, который образует светодиод, когда на входные терминалы подается напряжение определенного уровня.

Твердотельные реле появились в конце 80-х годов XX века. До этого в области реле доминировали электромеханические реле - электрические реле, в которых предназначенная реакция происходит в основном от движения механических элементов. Структура электромеханического реле изображена на рис. 2а. Как видим, коммутационным элементом в них является контактный элемент (один или несколько), а элементом управления может быть построенное на любом физическом принципе устройство, которое создает движение промежуточного элемента, который влияет на контактный элемент выходной цепи. В примере, приведенном на рис. 2б, элементом управления является нагревательный элемент 1, изготовленный из высокоомного провода, который охватывает промежуточный элемент - биметаллическую пластину 2, которая прогибается, когда через нагревательный элемент течет ток I определенного уровня в течение определенного времени (определенные условия во входной цепи), в результате чего замыкаются контакти 3 в выходной цепи этого реле. Реле, построенные на таком принципе, применяются для защиты от перегрузок сетей (в выключателях) и обмоток двигателей (в магнитных пускателях).

Электромагнитные реле - это электрические реле, у которых предназначенная реакция создается из-за влияния электромагнитных сил. В этих реле (рис. 3) элементом управления является катушка реле 1, которая создает магнитный поток в магнитопроводе. Подвижная часть 2 (промежуточный элемент реле) при определенном значении напряжения U, приложенного к обмотке, начинает двигаться и способствует переключению контактов 3 (коммутационный элемент реле).

Объем производства электромагнитных реле существенно уменьшился после перехода релейной защиты и телефонии на твердотельные компоненты и микропроцессорное управление, но электромагнитные реле до сих пор находят широкое применение в таких отраслях как системы автоматизации в производстве и испытательном оборудовании, электробытовая техника, компьютерная техника, кондиционирование и подогрев воздуха, автомобильное электрооборудование, управление освещением, управление электрооборудованием в зданиях и т.п. Стабильность позиций электромагнитных реле на рынке объясняется их уникальными функциями, такими как гальваническое разделение входных и выходных цепей, гальваническое разделение нагрузки в многополюсных реле, гальваническое разделение цепей постоянного и переменного тока, наличие одного входа и нескольких выходов, интерфейс (сообщения) электронных и силовых электрических цепей, усилительная функция.

Доминирующие позиции на актуальном рынке занимают реле, предназначенные для монтажа на печатных платах с терминалами соответствующей конструкции (рис. 4), а также реле втычного типа, которые позволяют осуществить быструю замену реле, вышедшего из строя (рис. 5).

Основными составляющими электромагнитных реле (рис. 6) являются контактные системы, магнитные системы, терминалы и соединительные аксессуары, а также механические компоненты. В электромагнитных реле обычно применяются переключающие контакты (СО), но существуют исполнения реле с замыкающими или нормально открытыми (NO) и размыкающими или нормально закрытыми (NC) контактами.

Современные электромагнитные реле выпускаются в пластиковых или металлических оболочках, предназначенных для защиты частей реле от неблагоприятных атмосферных и технологических факторов, связанных в первую очередь с припайкой выводов к печатной плате. Стандарт IEC61810-1 предусматривает шесть категорий защищенности реле, которые обеспечиваются оболочками:
• RT0 - реле без оболочки;
• RTI - реле, защищенное от проникновения пыли;
• RTI - реле, защищенное от проникновения флюса;
• RTI - реле, защищенное от проникновения растворителей при смывании флюса;
• RTIV - реле, защищенное уплотненной оболочкой;
• RTV - реле, защищенное герметичной оболочкой.

Оболочки и основы реле категорий RTI … RTIV изготавливают из пластика, а оболочки и основы реле категории RTV - из металла. Выводы, проходящие через металлические основы, изолируют от них стеклянными изоляторами. Реле категорий RTII и RTIII допускают автоматическое припаивание выводов к печатной плате, разница между ними заключается в возможности применения различных способов удаления флюса. Иллюстрации по различным категориям защищенности реле приведены на рис. 7.

На рис. 8а изображена схема, в которой применено реле (KМ), подобное изображенному на рис. 3б. Входной цепью этого реле есть цепь его катушки, а выходными цепями - цепи с его переключающим контактом. Входной (деятельной, питательной) величиной будем считать напряжение U на катушке, а выходной величиной - ток I в резисторе R. В исходном состоянии, когда значение напряжения U равно нулю, контакты реле находятся в положении, изображенном на схеме, лампочка HL светится, а значение тока в резисторе R равна нулю. При увеличении напряжения U это состояние будет сохраняться пока напряжение не дойдет до значения срабатывания U_о. В этот момент якорь притягивается к сердечнику, контакты переключаются, лампочка гаснет, а ток в резисторе стремительно возрастает до значения I = U/R и будет оставаться таковым при дальнейшем увеличении напряжения U.

Если начать уменьшение напряжения U, ток в резисторе не будет меняться и при значениях напряжения, меньших U_о, пока напряжение не дойдет до значения отпускания U_r. В этот момент якорь отпадет от сердечника и под действием возвратной пружины контакты вместе с якорем займут исходное положение. При этом лампочка снова загорится, а ток в резисторе стремительно уменьшится до нулевого значения и будет оставаться таковым при дальнейшем уменьшении напряжения U. Диаграмму, изображенную на рис. 8б, иногда называют релейной характеристикой. Эта диаграмма относится к конкретному реле. Если взять несколько реле определенного типа, то их релейные характеристики будут отличаться друг от друга вследствие технологических отклонений, которые неизбежны при изготовлении любых изделий.

Поэтому производители должны предоставлять определенные диапазоны напряжения, в которых произойдет срабатывание и отпускание реле (рис. 8в). Эти диапазоны ограничиваются следующими параметрами: U_о - напряжение срабатывания, при котором гарантированно сработает любое реле данного типа, U_no - напряжение несрабатывания, при котором гарантированно не сработает любое реле данного типа, U_r - напряжение отпускания, при котором гарантированно состоится отпускание любого реле данного типа и U_nr - напряжение неотпускания, при котором гарантированно не состоится отпускание любого реле данного типа.

Рассмотреное реле является неполяризованным, то есть таким, изменение состояния которого зависит от полярности питающей величины. Поэтому релейная характеристика симметрично воспроизводится и во втором квадранте. Рассмотреное реле является моностабильним, то есть таким, которое после изменения своего состояния под влиянием некоторой питательной величины возвращается в прежнее состояние, когда влияние этой питательной величины исчезает.

Реле, которое внешне имеет такую же конструкцию, (рис. 3б) может быть неполяризованным, но бистабильным, то есть имеющим два устойчивых положения, если по крайней мере одну из деталей изготовить не из электротехнической стали с узкой петлей гистерезиса, а из специальной стали с более широкой петлей гистерезиса. В этом случае, если к терминалам обмотки приложить напряжение, превышающее напряжение срабатывания, реле сработает при любой полярности напряжения, ведь реле является неполяризованным. После отсоединения терминалов обмотки от источника питания отпуска не произойдет - подвижные части магнитопровода и контакты не изменят своего состояния за счет остаточной намагниченности части магнитопровода с широкой петлей гистерезиса. Для возврата подвижных частей и контактов в исходное положение до терминалов обмотки надо приложить напряжение U_r - напряжение возврата, полярность которого должно быть противоположна относительно полярности напряжения, при котором произошло срабатывание.

Поляризованные реле, то есть реле, изменение состояния которых зависит от полярности питающей величины, могут быть как бистабильными, так и моностабильными. Примеры возможных конструкций таких реле, в состав которых входят поляризованные электромагнитные актуаторы, приведены на рис. 9.

Важной характеристикой электромагнитного реле есть рабочий диапазон входного напряжения. Границы этого диапазона зависят от превышения температуры обмотки реле при номинальном напряжении и температуры окружающего воздуха. Моностабильные неполяризованные реле обычно проектируют так, что при номинальном напряжении и базовой температуре окружающего воздуха, которую стандарт ІЕС 61810-1 устанавливает на уровне 23±5°С, установившееся превышение температуры обмотки составляет 30°С … 35°С, а допустимое превышение температуры намного больше. Например, если в обмотке применить провод с изоляцией класса F, то допустимое превышение температуры составляет примерно 130°С. Таким образом, обмотка может удовлетворительно функционировать при напряжениях, намного превышающих номинальное значение. Диапазон температур окружающего воздуха, в котором может работать реле, устанавливает производитель. Для некоторых типов реле этот диапазон лежит в интервале от -40°С до + 85°С.

Стандарт ІЕС 61810-1 предусматривает, что реле должно четко срабатывать во всем установленном производителем диапазоне температур окружающего воздуха, в том числе, при условии, что катушка нагрета до состояния теплового равновесия при максимально допустимом напряжении, що соответствует определенной температуре воздуха. При этом рабочий диапазон входного напряжения должен учитывать теплопередачу от контактной системы к катушке. Пример границ типичного рабочего диапазона входного напряжения изображен на рис. 10.

Из графиков, приведенных на рис. 10 видно, что в случае, когда номинальное напряжение составляет, например 12 В, то при температуре воздуха 40°С предельно допустимым напряжением является 2,03 × 12 ≈ 24 В, если ток контактов равна 16 А, и 2,3 × 12 ≈ 28 В, если ток в контактах отсутствует. Реле сработает при напряжении 0,77 × 12 = 9,2 В, если катушка не нагрет, и при напряжении 0,85 × 12 = 10,2 В, если катушка нагрета до состояния теплового равновесия.

Контакты реле предназначены преимущественно для работы в цепях управления, поэтому их категории применения такие же, как и категории применения контактных элементов аппаратов цепей управления.