Что такое электромагнитное реле?Параметры и принцип работы.

Сделай сам

Электромагнитные реле – это электромеханические устройства, работа которых основана на явлениях, известных из экспериментов с электромагнетизмом. Известно, что принцип действия обычных контактных выключателей заключается в том, что металлические элементы контактируют и через них может протекать ток. Когда они открыты, воздух между ними становится непроницаемой преградой для тока. И эти контакты приводятся в движение электромагнитом, управляемым отдельной цепью.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Электромагнит был изобретен 200 лет назад, и с тех пор в его конструкции мало что изменилось. Но теперь есть больше знаний и технологических возможностей для создания миниатюрных электромагнитов с низким энергопотреблением, с возможностью питания переменного или постоянного тока и другими функциями. Электромагнитные реле (или просто реле) – это компоненты, которые часто заключены в прямоугольный корпус с выводами для пайки или установки в разъем. Внутри находится электромагнит, металлический якорь, который перемещает контакты.

Параметры реле

Выбор подходящего реле важен. Часто критерий выбора ограничивается ценой в магазине или наличием в радиолюбительской мастерской. Просто возьмите подходящий ток / напряжение. Но к этому вопросу нужно подойти более профессионально. Давайте обсудим менее популярные метрики и посмотрим на них с другой точки зрения, потому что многие из них часто слишком поверхностны.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Напряжение питания катушки

На корпусе реле написано, например, 12 В, что означает, что для его работы требуется 12 В. Но напряжение редко бывает точно требуемым. Что делать, если напряжение в цепи упадет до 9 В или повысится до 15 В?

При слишком высоком напряжении катушка соленоида, обычно герметично закрытая в небольшом пластиковом корпусе, просто перегревается. Здесь закон Джоуля неумолим. Благо производители предоставляют запас по напряжению. И наоборот, если напряжение слишком низкое, через катушку постоянного сопротивления будет протекать меньший ток, что сделает якорь менее слабым для тяги. А если ток слишком мал, якорь вообще не двинется.

Термин «напряжение питания катушки» неточен, потому что каждый производитель реле должен подавать как минимум два разных напряжения катушки. Первое – это рабочее напряжение, а второе – падение напряжения. Напряжение переключения близко к напряжению, указанному на корпусе.

Это значение, при котором производитель гарантирует замыкание контактов. Его вводят при строго определенной температуре, чаще всего при комнатной температуре и т.п. При более высоких температурах сопротивление провода увеличивается, поэтому подача того же напряжения на катушку вызовет протекание меньшего тока (чего может быть недостаточно для перемещения якоря).

Напряжение отключения (отпускания) сообщает, до какого значения необходимо снизить напряжение питания катушки, чтобы контакты вернулись в исходное положение. Часто это всего лишь 10% от номинального напряжения! Следовательно, реле с указанным на корпусе напряжением питания 5В отключится, когда падение напряжения упадет до 0,5В, что даже ниже прямого напряжения кремниевых pn переходов. Разница в процентах вызвана магнитным гистерезисом ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник электромагнита. 

Это очень удобно, поскольку может значительно снизить энергопотребление катушки в установившемся режиме. Реле с номинальным напряжением питания 12 В достаточно для подачи напряжения выше 8,4 В с последующим его понижением (например, до 2 В). Значительная экономия энергии для цепей с батарейным питанием будет огромной.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Фактическое напряжение питания катушки может отличаться от указанного на корпусе и в довольно широком диапазоне. Об этом стоит помнить. Затягивая якорь с помощью электромагнита, можно снизить напряжение питания катушки и сэкономить энергию.

Максимальная переключаемая мощность

При поиске реле на сайтах магазинов вы можете найти такие описания, как «максимальная коммутируемая мощность: 4000 ВА». Он соответствует значению, указанному производителями в примечаниях, и указывает продукт между максимальным током и максимальным напряжением, которое может выдерживать данное реле. Для 16 А и 250 В переменного тока это ровно 4000 ВА.

Читайте также:  Резисторы параллельно диодам. Для чего они нужны ? Расскажу.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

На самом деле это бесполезное число. На это указывает диаграмма зависимости напряжения в коммутируемой обратной цепи от тока (максимальная коммутируемая мощность). В то время как для переменного тока такие параметры, как 16 А и 250 В переменного тока, являются правильными, для постоянного тока они не совсем правильны.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Постоянный ток имеет очень нежелательное свойство для контактных элементов. При их отключении (размыкании) возникает электрическая дуга, которая не гаснет сразу, а продолжается до тех пор, пока расстояние между контактами не станет достаточно большим.

Во время дуги контакты плавятся как сварной шов. Переменный ток имеет более «мягкий» характер, потому что напряжение между контактами упадет до нуля максимум за половину цикла, что составляет всего 10 мс для цепей, работающих с частотой 50 Гц. В результате максимальная переключаемая мощность от того же реле, размещенное в звене постоянного тока, будет значительно ниже «переменных» 4000 Вт. При высоком напряжении 300 В максимальный ток может составлять только 200 мА, поэтому нагрузка будет потреблять только 60 Вт.

Большинство реле средней мощности, представленных на рынке, предназначены для работы от переменного тока (особенно в нижнем ценовом диапазоне). Постоянный ток требует оснащения реле дополнительными элементами, ускоряющими гашение электрической дуги, что увеличивает его стоимость.

Параметр минимального постоянного тока и минимальной коммутируемой мощности часто указывается не напрямую в примечаниях, а в виде комментариев. Например, в характеристиках типичного реле только на третьей странице вы можете найти информацию, написанную строчными буквами, о том, что минимальное коммутируемое напряжение составляет 5 В постоянного тока, а минимальный коммутируемый ток составляет 10 мА (в реле с золотыми контактами). Эти условия должны выполняться одновременно.

Причина этого ограничения кроется в самом характере функционирования контактных элементов. Когда они проводят электричество достаточно высокой интенсивности, искры, возникающие при подключении и отключении, могут очистить их поверхность от оксидов, сульфидов и других примесей. Это называется эффектом самоочистки. Для этого производители реле должны выбрать силу, с которой контакты прижимаются друг к другу, чтобы этот слой мог исчезнуть. 

Если этот процесс не выполняется правильно, контактное сопротивление может медленно увеличиваться, пока не возникнут проблемы с текущей проводимостью. Эффект особенно заметен при использовании реле, предназначенных для переключения нагрузок средней и высокой мощности в местах, где можно отслеживать движущиеся токи, например, в тракте аудиосигнала. 

Это явление можно увидеть еще лучше, когда реле не имеет герметичного корпуса, а атмосфера внутри него содержит загрязняющие вещества из воздуха (главный виновник здесь – сера и ее соединения). Поэтому так называемые реле слабого сигнала должны иметь герметичный корпус. Только тогда можно гарантировать, что они будут исправно работать в течение многих лет в средах с различной степенью загрязнения.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Кроме того, контакты должны быть покрыты подходящим металлом. Чаще всего для гальваники используют золото, но есть и сплавы серебра и палладия, которые отличаются гораздо меньшей прочностью.

Контактный ток передачи

И контакты, и проводящий их металл представляют собой элементы с конечной площадью поперечного сечения. Существует ограничение на количество тока, который может проходить через них, не опасаясь перегрева.

На значение этого параметра влияют форма контактов, контактная поверхность, материал контактов и сила их давления. Как для нормально разомкнутых (NO), так и для нормально замкнутых (NC) контактов идентичность первых трех параметров легко достигается. Достаточно того, что они сделаны из одного материала и имеют одинаковые формы.

Параметр силы нажатия повторить сложнее. Контакты сталкиваются с большой силой и затем удерживаются на месте якорем. Давление на замыкающие контакты обеспечивается только пружиной, которая не должна быть слишком сильной, чтобы электромагнит реле согнул ее. По этой причине ток, который могут проводить замыкающие контакты, может быть больше, чем ток, протекающий через замыкающие контакты. Некоторые производители, однако, оговаривают, что максимальный прямой ток замыкающих контактов доступен при номинальном напряжении питания катушки. Многие производители учитывают это и разрабатывают свою продукцию таким образом, чтобы не было разницы в параметрах между нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами.

Читайте также:  Как мама "укротила" фрезер и сделала два шикарных туалетных столика своим маленьким модницам

Тип релейной нагрузки

Максимальный постоянный ток контактов – это параметр, который может различаться для постоянного и переменного тока. Он также может различать резистивные и реактивные нагрузки. Чаще всего резистивная нагрузка может потреблять больше тока, чем реактивная.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Некоторые производители предоставляют более подробные спецификации в своих примечаниях к реле, например, относительно нагрузки двигателя. Например, несмотря на высокий максимальный прямой ток контактов, который достигает 16 А, максимальная мощность управляемого двигателя может составлять всего 650 Вт. Причина проста: индуктивная нагрузка является проблемой для контактов из-за результирующие перенапряжения и пусковые токи. Поэтому, казалось бы, «сильного» реле может не хватить.

Время переключения

понятно, что реле медленнее полупроводниковых приборов. В некоторых устройствах необходимо ввести соответствующие последовательности переключения. Те же пассивные регуляторы громкости. Быстрое переключение резисторов в резистивном делителе необходимо для достижения плавного ощущения при быстром изменении громкости. Здесь следует помнить, что оставление цепи разомкнутой даже на мгновение, когда одно реле уже выключено, а следующее еще не сработало, может привести к очень неприятным хлопкам из динамиков. Это неприемлемо для высококачественного аудиооборудования и вообще не имеет смысла в студии звукозаписи.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Учитывайте время включения следующего реле до того, как предыдущее перестанет работать. И учтите возможное отклонение питающего напряжения в сторону уменьшения, а также повышение температуры окружающей среды, что увеличивает время переключения. Поэтому лучше предположить, что время вдвое больше, чем указано в таблицах данных реле.

Корпуса электромагнитных реле

Реле с герметичным корпусом становятся все более популярными, но реле все еще доступны в негерметичном корпусе в виде защелкивающейся пластмассовой крышки. При проектировании оборудования для дома или офиса это не имеет значения. Но в загрязненной или влажной среде на это стоит обратить внимание.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Разумеется, в среде с высокой влажностью необходимо размещать только герметичные реле. Но есть и помещения с совершенно другими характеристиками, например, котельные. Воздух внутри них обычно сухой и горячий, но загрязнен угольной пылью и выхлопными газами. Примеси богаты серой, незаменимым спутником всех видов углерода. Если горение в небольших котельных оказывает незначительное влияние на окружающую среду, электроника внутри котельной может сразу это обнаружить. Большинство реле средней мощности имеют контакты из сплава серебра, которые идеально реагируют с серой с образованием сульфида серебра, который нерастворим и не токопроводит. То есть контакты реле сульфатируются за короткое время. 

Такая ситуация возникла в контроллере тонкой печи центрального отопления, где реле использовались без пломб. Два года спустя печь начала «странно работать» и в итоге перестала включать насосы. Причина – сильно сульфатированные контакты реле. Внутри они были липкие от дегтярной пыли. После замены на герметичный кожух печь безупречно работает долгие годы.

В своих примечаниях производители обращают внимание на использование реле с негерметичным корпусом только в местах, свободных от пыли, соединений серы и азота. Это также влияет на класс герметичности: блоки с герметичным корпусом обычно имеют рейтинг IP67, а обычные – только IP40.

Установка предмета в коннектор

Реле являются электромеханическими компонентами и подвержены износу. Это незначительно для большинства имеющихся в продаже устройств: срок службы реле обычно превышает ожидаемый срок службы устройства. Даже если реле выходит из строя (например, при сварке контактов) или преждевременно изнашивается, это простая и рутинная операция по замене компонента в сервисном центре.

Читайте также:  🔦 ВЕЧНЫЙ ФОНАРИК из ПЬЕЗО от 🔥 ЗАЖИГАЛКИ

Иная ситуация с приборами промышленной автоматики. В случаях, когда твердотельные реле (SSR) не могут быть использованы или устройство не новое, остается регулярная замена реле. Обратите внимание, что устройства часто работают в очень неблагоприятных условиях, таких как высокая влажность (коррозионные клеммы), вибрация, пыль (ухудшение изоляции) или чрезвычайно высокие или чрезвычайно низкие температуры. Так что нет другого выбора, кроме как использовать гнездо реле. Некоторые из них имеют клеммы, которые позволяют как пайку в печатную плату, так и подключение к розетке с помощью зажимного разъема, чтобы предотвратить их выпадение.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Многие розетки имеют контакты на том же расстоянии, что и установленные в них реле. Это позволяет добавить к устройству гнездо реле без изменения конструкции печатной платы. Это особенно важно, когда на этапе проектирования неизвестно, будет ли это реле часто выходить из строя. Обратите внимание, что реле, встроенное в розетку, обычно имеет более низкий допустимый постоянный ток контакта.

Бистабильный и моностабильный

Бистабильные реле становятся дешевле и удобнее, но многие разработчики пока на них не обращают внимания. В цепях с питанием от сети энергоэффективность не очень важна, но там, где требуется энергосбережение, они могут оказать большую помощь. Для удержания брони в одном положении энергия не требуется. Потребление тока происходит при переключении контактов, которое длится несколько десятков миллисекунд, после чего его источник можно отключить. Устройство будет оставаться стабильным столько, сколько необходимо, отсюда и название.

Что такое электромагнитное реле? Параметры и принцип работы.

Типичные реле имеют только одно стабильное положение, а поддержание другого требует постоянного протекания тока через катушку.

Есть два типа бистабильных реле: одно катушечное и два. В случае реле с двумя катушками все просто, потому что одно из них используется для «включения», а другое для «выключения», то есть для переключения контактов в положениях 1 и 2.

Бистабильные реле доступны в виде реле малой или средней мощности для переключения устройств с питанием от сети с потребляемым током в несколько ампер. Практически каждая крупная компания, занимающаяся производством реле, имеет их в своем предложении, поэтому выбор действительно широк.

Использование в электронике

Помимо защиты электроники от деструктивных последствий переключения катушек (я имею в виду импульс самоиндукции, возникающий при затухании тока в катушке), стоит защитить ее от помех, вызванных искрением контактов. Особенно страдают микроконтроллеры, работающие рядом с реле, что может вызвать сбой программы. Наблюдения показывают, что это особенно верно для нагрузок с высокой индуктивностью, таких как электромагнитные клапаны 220 В переменного тока. Примером такой схемы защиты является последовательная RC-цепочка. Это могут быть другие конфигурации, включая, например, переходный диод или, в цепях постоянного тока, быстрый полупроводниковый диод.

Выводы

Электромагнитные реле не покинут рынок электронных компонентов в течение многих лет, несмотря на прогресс и миниатюризацию деталей. Напротив, производители продолжают развивать и инвестировать в эту технологию, о чем свидетельствует ассортимент реле, доступных на рынке.

Бистабильные реле становятся все более популярными. Их цена доступная, что способствует реализации. Акцент, сделанный на снижении энергопотребления электронными схемами, скорее всего, побудит разработчиков внимательнее присмотреться к этой архитектуре, особенно там, где присутствует автономное питание.

Используйте реле по назначению, соблюдая, конечно, требование максимального коммутируемого тока, и они прослужат долго и без сбоев.

# электромагнитное реле # бистабильное и моностабильное

Главный редактор , masterkin.ru
Иван Миров
Об авторе
Уже лет 20 работаю своими руками. Пробовал и сантехнику, монтаж конструкций, есть свое маленькое производство. Друзья постоянно спрашиваю как сделать разные вещи. Вот и делюсь я с вами своими идеями в интернете.
Оцените статью
masterkin.ru
Добавить комментарий