Електромагнитно реле: устройство, маркировка, видове + тънкости на свързване и регулиране

Преобразуването на електрически сигнали в съответна физическа величина – движение, сила, звук и т.н., се осъществява с помощта на задвижвания. Задвижването следва да се класифицира като преобразувател, тъй като това устройство променя един тип физическа величина в друг.

Задвижването обикновено се активира или управлява от команден сигнал с ниско напрежение. Класифицира се допълнително като двоично или непрекъснато устройство въз основа на броя на стабилните състояния. Така електромагнитното реле е двоично задвижване, като се имат предвид двете налични стабилни състояния: включено — изключено.

В представената статия подробно са разгледани принципите на работа на електромагнитното реле и областта на използване на устройствата.

Основи на изпълнението на задвижването

Терминът «реле» е характерен за устройства, с които се осигурява електрическа връзка между две или повече точки посредством управляващ сигнал.

Най-разпространеният и широко използван тип електромагнитно реле (ЕМР) е електромеханичната конструкция.

Така изглежда една конструкция от многобройния ред изделия, наричани електромагнитни релета. Тук е показан затворен вариант на механизма с помощта на калпак от прозрачно органично стъкло.

Схемата за фундаментален контрол над всяко оборудване винаги предвижда възможност за включване и изключване. Най-простият начин за извършване на тези действия е да се използват превключватели за блокиране на захранването.

Превключвателите с ръчно действие могат да се използват за управление, но имат недостатъци. Явният им недостатък е задаването на състояния «включено» или «изключено» по физически път, т.е. ръчно.

Устройствата за ръчно превключване като правило са едрогабаритни, със забавено действие, способни да комутират малки токове.

Ръчен механизъм за превключване – «далечен роднина» на електромагнитните релета. Осигурява същата функционалност – комутация на работни линии, но се управлява изключително ръчно.

Междувременно електромагнитните релета са представени основно от превключватели с електрическо управление. Уредите имат различни форми, габарити и се разделят по ниво на номинални мощности. Възможностите за тяхното приложение са обширни.

Такива уреди, оборудвани с една или няколко двойки контакти, могат да влизат в единна конструкция на по-големи силови изпълнителни механизми — контактори, които се използват за комутация на мрежово напрежение или високоволтови устройства.

Основни принципи на работа на ЕМР

Традиционно релетата от електромагнитен тип се използват в състава на електрически (електронни) схеми за управление на комутацията. При това те се монтират или директно на печатни платки, или в свободно положение.

Общо устройство на прибора

Токовете на натоварване на използваните изделия обикновено се измерват от части на ампер до 20 А и повече. Релейните вериги са широко разпространени в електронната практика.

Уреди с най-различна конфигурация, проектирани за инсталация върху монтажни електронни платки или директно като отделно монтирано устройство

Конструкцията на електромагнитното реле преобразува магнитния поток, създаван от приложеното напрежение на променлив/постоянен ток, в механично усилие. Благодарение на полученото механично усилие се осъществява управлението на контактната група.

Най-разпространената конструкция е форма на изделието, включваща следните компоненти:

• възбудителна бобина;
• стоманена сърцевина;
• опорно шаси;
• контактна група.

Стоманената сърцевина има фиксирана част, наречена кобилица, и подвижна пружинирана част, наричана котва.

По същество, котвата допълва веригата на магнитното поле, затваряйки въздушната междина между неподвижната електрическа бобина и подвижната арматура.

Подробно разположение на конструкцията: 1 – оттискаща пружина; 2 – метален сърцевина; 3 – котва; 4 – нормално затворен контакт; 5 – нормално отворен контакт; 6 – общ контакт; 7 – бобина от меден проводник; 8 – кобилица

Арматурата се движи на шарнири или се завърта свободно под действието на генерираното магнитно поле. При това се затварят електрическите контакти, прикрепени към арматурата.

Като правило, разположената между кобилицата и котвата пружина (пружини) за обратен ход връща контактите в изходно положение, когато бобината на релето е в обезточено състояние.

Действие на релейната електромагнитна система

Простата класическа конструкция на ЕМР има две съвкупности от електропроводими контакти.

Въз основа на това се реализират две състояния на контактната група:

1. Нормално отворен контакт.
2. Нормално затворен контакт.

Съответно двойката контакти се класифицира като нормално отворени (NO) или, ако са в друго състояние, нормално затворени (NC).

За реле с нормално отворено положение на контактите, състояние „затворено“ се постига само когато токът на възбуждане преминава през индуктивната намотка.

Един от двата възможни варианта за инсталиране на контактната група по подразбиране. Тук в обезточено състояние на намотката „по подразбиране“ е зададено нормално затворено (затворено) положение

В другия вариант — нормално затвореното положение на контактите остава постоянно, когато токът на възбуждане отсъства в контура на намотката. Тоест контактите на превключвателя се връщат в тяхното нормално затворено положение.

Затова термините „нормално отворен“ и „нормално затворен“ трябва да се отнасят до състоянието на електрическите контакти, когато намотката на релето е обезточена, тоест захранващото напрежение на релето е изключено.

Електрически контактни групи на релето

Релейните контакти обикновено са представени от електропроводящи метални елементи, които се докосват един друг, затварят веригата, действайки аналогично на прост превключвател.

Когато контактите са отворени, съпротивлението между нормално отворените контакти се измерва с висока стойност в мегаоми. Така се създава условие на отворена верига, когато преминаването на ток в контура на намотката се изключва.

Контактната група на всеки електромеханичен комутатор в отворен режим има съпротивление от няколко стотин мегаома. Големината на това съпротивление може леко да се различава при различните модели.

Ако контактите са затворени, контактното съпротивление теоретично трябва да е равно на нула — резултат от късо съединение.

Обаче подобно състояние не се отбелязва винаги. Контактната група на всяко отделно реле притежава определено контактно съпротивление в състояние „затворено“. Такова съпротивление се нарича устойчиво.

Особености на преминаване на токовете на натоварване

За практиката на инсталиране на ново електромагнитно реле, контактното съпротивление при включване се отбелязва с малка стойност, обикновено по-малко от 0,2 Ом.

Обяснява се това просто: новите накрайници остават засега чисти, но с времето съпротивлението на накрайника неизбежно ще се увеличава.

Например, за контакти под ток 10 A, падението на напрежението ще бъде 0,2×10 = 2 волта (закон на Ом). Оттук се получава — ако подаваното към контактната група захранващо напрежение е 12 волта, тогава напрежението за товара ще бъде 10 волта (12-2).

Когато контактните метални накрайници се износват, като не са защитени по подходящ начин от високи индуктивни или капацитивни натоварвания, става неизбежно появата на повреди от ефекта на електрическата дъга.

Електрическа дъга върху един от контактите на електромеханично комутационно устройство. Това е една от причините за повреда на контактната група при липса на подходящи мерки.

Електрическата дъга — искрообразуване върху контактите — води до нарастване на контактното съпротивление на накрайниците и като следствие до физически повреди.

Ако продължите да използвате релето в такова състояние, контактните накрайници могат напълно да загубят физическото свойство на контакта.

Но има по-сериозен фактор, когато в резултат на повреда от дъгата контактите в крайна сметка се заваряват, създавайки условия за късо съединение.

В такива ситуации не се изключва рискът от повреда на веригата, която контролира ЕМР.

Така, ако съпротивлението на контакта се е увеличило от влиянието на електрическата дъга с 1 Ом, падът на напрежение върху контактите за същия ток на натоварване се увеличава до 1×10=10 волта постоянен ток.

Тук стойността на пада на напрежение върху контактите може да бъде неприемлива за схемата на натоварване, особено при работа с напрежения на захранване 12-24 В.

Тип материал на контактите на релето

С цел намаляване на влиянието на електрическата дъга и високите съпротивления, контактните накрайници на съвременните електромеханични релета се изработват или покриват с различни сплави на основата на сребро.

По този начин се постига значително удължаване на срока на експлоатация на контактната група.

Накрайници на контактните пластини на електромеханични комутационни устройства. Тук са представени варианти на накрайници, покрити със сребро. Покритие от този вид намалява фактора на повредите.

На практика се отбелязва използването на следните материали, с които се обработват накрайниците на контактните групи на електромагнитни (електромеханични) релета:

• Ag — сребро;
• AgCu — сребро-мед;
• AgCdO — сребро-кадмиев оксид;
• AgW — сребро-волфрам;
• AgNi — сребро-никел;
• AgPd — сребро-паладий.

Увеличаване на срока на експлоатация на накрайниците на контактните групи на релето за сметка на намаляване на броя на образуванията на електрическа дъга, се постига чрез включване на резистивно-кондензаторни филтри, наричани още RC-демпфери.

Тези електронни вериги се включват паралелно на контактните групи на електромеханичните релета. Пикът на напрежение, който се отбелязва в момента на отваряне на контактите, при такова решение изглежда безопасно кратък.

Чрез прилагане на RC-демпфери се постига потискане на електрическата дъга, която се образува върху контактните накрайници.

Типично изпълнение на контактите на ЕМР

Освен класическите нормално отворени (NO) и нормално затворени (NC) контакти, механиката на релейната комутация също предполага класификация с оглед на действието.

Особености на изпълнението на свързващите елементи

Конструкциите на релета от електромагнитен тип в този вариант допускат наличието на един или няколко отделни контакта на превключвателя.

Така изглежда уредът, технологично конфигуриран за изпълнение SPST – еднополюсен и еднопосочен. Съществуват и други варианти на изпълнение.

Изпълнението на контактите се характеризира със следния набор от абревиатури:

• SPST (Single Pole Single Throw) – еднополюсен еднопосочен;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – еднополюсен двупосочен;
• DPST (Double Pole Single Throw) – двуполюсен еднопосочен;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – двуполюсен двупосочен.

Всеки такъв свързващ елемент се обозначава като «полюс». Всички от тях могат да се свързват или откачат, като едновременно активират намотката на релето.

Тънкости на прилагане на устройствата

Въпреки цялата простота на конструкцията на комутаторите с електромагнитно действие, съществуват някои тънкости в практиката на използване на тези уреди.

Така, специалистите категорично не препоръчват да се свързват паралелно всички контакти на релето, за да се комутира по този начин веригата на товар с висок ток.

Например, да се свързва товар от 10 А чрез паралелно свързване на два контакта, всеки от които е предназначен за ток 5 А.

Тези тънкости на монтажа се дължат на факта, че контактите на механичните релета никога не се затварят и не се отварят в един и същи момент.

В резултат на това един от контактите във всеки случай ще бъде претоварен. И дори с оглед на краткотрайното претоварване, преждевременният отказ на уреда при такова свързване е неизбежен.

Неправилната експлоатация, както и свързването на релето извън установените правила за монтаж, обикновено завършва с такъв резултат. Вътре е изгоряло почти цялото съдържание.

Електромагнитните изделия е допустимо да се използват в състава на електрически или електронни схеми с ниска енергийна консумация като превключватели на относително високи токове и напрежения.

Въпреки това категорично не се препоръчва да се пропускат различни напрежения на товара през съседни контакти на един уред.

Например, да се комутира напрежение на променлив ток 220 V и постоянен ток 24 V. Винаги трябва да се използват отделни изделия за всеки от вариантите с цел осигуряване на безопасност.

Прийоми за защита от обратно напрежение

Важен детайл на всяко електромеханично реле е бобината. Този детайл спада към категорията на товар с висока индуктивност, тъй като има намотка от проводник.

Всяка намотана с проводник бобина притежава определен импеданс, състоящ се от индуктивност L и съпротивление R, като по този начин образува последователна верига LR.

Според протичането на тока през намотката се създава външно магнитно поле. Когато протичането на тока в намотката спре в режим „изключено”, магнитният поток се увеличава (теория на трансформацията) и възниква високо обратно напрежение на ЕДС (електродвижеща сила).

Тази индуцирана стойност на обратното напрежение може да надвишава по големина комутационното напрежение няколко пъти.

Съответно възниква риск от повреда на всякакви полупроводникови компоненти, разположени до релето. Например, биполярен или полеви транзистор, използван за подаване на напрежение към намотката на релето.

Схемни варианти, чрез които се осигурява защита на полупроводниковите управляващи елементи – биполярни и полеви транзистори, интегрални схеми, микроконтролери.

Един от начините за предотвратяване на повреда на транзистор или на всяко превключващо полупроводниково устройство, включително микроконтролери, е вариантът за свързване на обратно сместен диод във веригата на намотката на релето.

Когато токът, протичащ през намотката веднага след изключване, генерира индуцирана обратна ЕДС, това обратно напрежение отваря обратно сместения диод.

Чрез полупроводника натрупаната енергия се разсейва, като по този начин се предотвратява повреда на управляващия полупроводник – транзистор, тиристор, микроконтролер.

Често включваният във веригата на намотката полупроводник се нарича още:

• диод-маховик;
• шунтиращ диод;
• обърнат диод.

Въпреки това няма голяма разлика между елементите. Всички те изпълняват една функция. Освен използването на диоди с обратно сместване, за защита на полупроводникови компоненти се прилагат и други устройства.

Същите RC-демпферни вериги, метално-оксидни варистори (MOV), ценерови диоди.

Маркировка на електромагнитни релейни устройства

Технически обозначения, носещи частична информация за устройствата, обикновено се посочват директно върху шасито на електромагнитното комутационно устройство.

Такова обозначение изглежда като съкратена абревиатура и цифров набор.

Всяко електромеханично комутационно устройство традиционно се маркира. Върху корпуса или върху шасито се нанася приблизително такъв набор от символи и цифри, указващ определени параметри.

Пример за корпусна маркировка на електромеханични релета:

РЕС32 РФ4.500.335-01

Този запис се разчита така: реле електромагнитно слаботоково, 32 серия, съответстващо на изпълнението по паспорт РФ4.500.335-01.

Въпреки това подобни обозначения са рядкост. По-често се срещат съкратени варианти без изрично посочване на ГОСТ:

РЕС32 335-01

Също така върху шасито (на корпуса) на уреда се отбелязва датата на производство и номерът на партидата. Подробни сведения се съдържат в техническия паспорт на изделието. С паспорт се комплектува всеки уред или партида.

Изводи и полезно видео по темата

Видеоклип популярно разказва как действа електромеханичната електроника на комутацията. Нагледно се отбелязват тънкостите на конструкциите, особеностите на свързванията и други детайли:

Електромеханичните релета от доста дълго време се използват като електронни компоненти. Все пак този вид комутационни уреди може да се смята за морално остарял. На мястото на механичните устройства все по-често идват по-съвременни уреди – изцяло електронни. Един такъв пример е твърдотелни релета.

Появиха се въпроси, открихте недостатъци или имате интересни факти по темата, които можете да споделите с посетителите на нашия сайт? Моля, оставете вашите коментари, задавайте въпроси, споделяйте опит в блока за връзка под статията.