В электротехнике часто возникает потребность с помощью малого сигнала управлять большой мощностью. Многие десятилетия для этого используются реле электромагнитной конструкции.
Определение, назначение, область применения
В глобальном смысле реле называют устройство, дискретно (скачкообразно) меняющее свое состояние под воздействием внешнего сигнала. Если на выходе устройства сигнал больше (по напряжению, току, мощности), чем управляющее воздействие, то такая работе по сути – дискретное усиление.
Одно из первых применений реле – телеграфные линии связи в начале XX века. Дискретный электрический сигнал (код Морзе и т.п) при передаче на длинные расстояния постепенно ослабевал, и на линии через определенные промежутки устанавливали устройства, по-французски называемые relay (так называлась процедура смены лошадей на почтовых линиях). Затухающий сигнал «встряхивался», таким способом увеличивалась дальность связи.
В настоящее время реле используются для:
- коммутации электрических сигналов;
- построения несложных логических схем и схем автоматики;
- выполнения функций защиты и сигнализации;
- других целей.
Также реле служит буферным элементом для развязки электрических цепей. Ток из цепи управления не проникает в цепь нагрузки, чем обеспечивается надежная гальваническая развязка.
Общая конструкция и особенности работы контактных групп
Как следует из названия, электромагнитное реле принцип работы основан на базе электромагнита. Если имеется катушка из провода, и по ней протекает электрический ток, то такая катушка создает вокруг себя магнитное поле. Если в это поле поместить сердечник из ферромагнитного материала (например, из стали), то поле катушки его намагнитит, и сердечник приобретет свойства постоянного магнита. Эти свойства он получит временно – пока ток течет в катушке. Как только ток прекратится, сердечник перестанет быть магнитом. Это устройство называется электромагнитом – его поведением можно управлять.
Если электромагнит оснастить подвижным подпружиненным якорем, то при подаче тока в катушку (называемую в данном случае обмоткой реле) якорь будет притягиваться к сердечнику, а при прекращении тока – возвращаться в исходное положение посредством пружины. Если на пути ходя якоря расположить упругие контакты, то можно подобрать их положение так, что они будут размыкаться или замыкаться при коммутации обмотки.
Классификация и типы контактов реле
Контакты реле делятся на три основные группы:
- нормально разомкнутые (по зарубежной классификации – normally open, NO, «нормально открытые») – если в обмотке реле отсутствует ток, эти контакты разомкнуты;
- нормально замкнутые (normally closed, NC, “нормально открытые») – размыкаются при подаче тока в катушку;
- перекидные или «на переключение» (change over, CO) – при срабатывании реле одна цепь размыкается, при этом другая замыкается.
Одно реле может иметь несколько различных типов групп контактов (NO+NC, 2CO+2NO и т.п.).
Перекидные контакты можно использовать частично – как нормально разомкнутые или как нормально замкнутые.
Ключевые параметры
Ключевые характеристики реле делятся на две категории:
- Характеристики обмотки.
- Характеристики контактной группы.
К первой категории относятся:
- рабочее напряжение;
- ток срабатывания;
- род рабочего тока (постоянный или переменный);
- сопротивление обмотки.
Ко второй:
- коммутируемые наибольшие постоянные ток и напряжение;
- коммутируемые наибольшие переменные ток и напряжение.
Этих характеристик обычно достаточно для выбора подходящего устройства, но существуют и другие параметры, характеризующие реле в целом:
- Время срабатывания.
- Время отпускания.
- Массогабаритные параметры.
Кроме того, существуют дополнительные характеристики – условия работы по температуре и по влажности, переносимость вибрации и т.п. Все эти данные можно посмотреть в справочниках.
Схемы и примеры подключения
Реле подключается к источнику питания выводами обмотки. Обычно полярность соблюдать не требуется – в цепях переменного тока это понятие отсутствует, а в цепях тока напряжения для реле все равно, током какого направления создается магнитное поле.
Исключение – реле постоянного тока, имеющие «на борту» схему индикации состояния. Для них полярность подключения может иметь значение.
Можно коммутировать реле, подключая его к источнику питания, а можно – к общему проводу. Контакты включаются в цепи управления нагрузкой. Для включения потребителя по внешнему сигналу используются нормально разомкнутые контакты, для выключения – нормально замкнутые, для переключения – перекидные.
При коммутации катушки реле надо иметь в виду, что она обладает значительной индуктивностью. При размыкании цепи создается выброс отрицательного напряжения. Если реле управляется электронным ключом (транзистором и т.п.), то этот выброс может его повредить. Чтобы этого избежать, обмотка шунтируется диодом, включенным параллельно с катушкой в обратном направлении.
Катушки реле постоянного тока можно включать в цепи переменного тока. Для этого потребуется диодный мост.
Если обмотка по режиму работы большую часть времени находится под напряжением, через нее протекает значительный ток. Его можно уменьшить, заодно уменьшив нагрев проводников катушки. Для этого можно воспользоваться фактом, что ток удержания реле меньше тока срабатывания.
Реле подключается к источнику питания через последовательно соединенный резистор, зашунтированный нормально замкнутыми контактами реле (если есть свободная пара). В момент подачи тока на катушку резистор закорочен, и влияния на работу схемы не оказывает. Когда реле сработало, контакты размыкаются, резистор оказывается включен последовательно с обмоткой и ограничивает ток в цепи. А этого тока достаточно, чтобы удержать устройство в подтянутом состоянии.
Как проверить работоспособность реле
Предварительно проверить исправность электромагнитного реле можно с помощью мультиметра. В первую очередь «прозванивается» обмотка. Тестер в режиме омметра должен показать какое-то сопротивление. Точное значение исправной системы можно посмотреть в справочной литературе – оно может составлять от нескольких ом до нескольких килоом.
Таким методом можно однозначно определить обрыв в обмотке. В этом случае мультиметр покажет бесконечное сопротивление.
Если в обмотке возникло межвитковое короткое замыкание, мультиметром его обнаружить не получится, особенно если количество замкнувшихся витков невелико. Снижение сопротивления при этом будет незначительно, но работать устройство не будет.
Если обмотка подозрений не вызывает, можно тем же мультиметром проверить состояние контактов. Если контактная пара без тока в обмотке должен быть замкнута, ее переходное сопротивление будет близким к нулю. Если оно составляет несколько ом или выше, это повод для проверки состояния и, возможно, очистки контактирующих поверхностей. Если пара должна быть разомкнута, тестер должен показать бесконечность.
После проведения проверок мультиметром, можно несколько раз нажать на якорь – так проверяется состояние подвижной системы. Заедания во время движения должны отсутствовать, а после снятия усилия движущиеся части должны вернуться в исходное положение под действием пружины.
В большинстве случаев такой проверки достаточно. Но если надо убедиться в исправности устройства на 100 процентов, надо подать на обмотку номинальное напряжение и убедиться в срабатывании устройства хотя бы по характерному щелчку. Еще лучше проконтролировать в этот момент контакты. Их состояние должно измениться с разомкнутого на замкнутое или наоборот.
В последние десятилетия наметилась тенденция вытеснения электромагнитных реле твердотельными (полупроводниковыми) устройствами. Они имеют определенные преимущества перед традиционными переключающими блоками. Но чистый металлический контакт, имеющий малое переходное сопротивление и не вносящий искажение в сигнал, заменить пока не удается. И, похоже, еще долго не удастся, поэтому электромагнитные реле еще длительное время будут неотъемлемым компонентом электроники и электротехники.
