Контакторы и пускатели

Что такое электромагнитное реле?

Электромагнитное реле (далее — реле) – это устройств, позволяющее посредством небольших токов управлять большими токами.

Мы уже сталкивались ранее с подобными устройствами. Да, когда изучали биполярные и полевые транзисторы. Так, в биполярном транзисторе небольшой ток базы управляет гораздо большим (в десятки и сотни раз) током коллектора.

Отметим, что транзисторы, в отличие от реле, гораздо более быстродействующие приборы, и могут управлять более высокочастотными сигналами. Но реле в целом более надежная штука, чем полупроводниковый транзистор.

В электромагнитном реле, в отличие от биполярного транзистора, управляющая цепь гальванически развязана от силовой, что, в общем случае, является преимуществом.

Техника безопасности

А сейчас хочется немного вернуться назад и порассуждать о технике безопасности. Следует отметить, что большинство элементов компьютера работают под маленьким напряжением, которое составляет единицы или даже доли вольт. Но не всё так просто — ведь иначе его бы не подключали к сети в 220 В. Поэтому всегда, даже при самых небольших косметических изменениях, необходимо полностью обесточивать технику от любой подачи напряжения. Конечно, это довольно трудозатратно, но помните, что вся техника безопасности написана чьей-то кровью.

Давайте рассмотрим небольшой пример небрежного отношения. Вот стоит компьютер, у которого системный блок весьма сложно отсоединить от питания полностью. Он ставится в режим сна и открывается боковая панель. А тут срабатывает прерывание (допустим, от сообщения, что пришло по сети) и техника включается. Током вряд ли ударит, но вентилятор на материнской плате может хорошо пройтись по рукам. Он, конечно, пальцы не отрежет, но ощутимо поколотить их своими лопастями сможет.

Принцип действия

Срабатывание устройства (замыкание, размыкание или переключение контактов) требуется воздействовать на элемент магнитным полем, напряженность которого будет достаточной для коммутации. В качестве источника такого поля может выступать обычный или электромагнит.

Под воздействием силовых линий происходит намагничивание контактов и по преодолению порога упругости они коммутируют цепь.

Принцип работы нормально-разомкнутого геркона

Соответственно, как только на контактную группу перестанет действовать магнитное поле, она вернется в исходное состояние. То есть, функционально контакты помимо своего прямого назначения играют роль магнитопровода и упругого элемента.

Устройства с нормально-замкнутыми контактами действуют несколько иначе. Их ферримагнитные упругие элементы, попадая под воздействие магнитного, поля приобретают одинаковый заряд, что заставляет их отталкиваться, разрывая контакт.

Принцип действия нормально-замкнутого геркона

Иногда в таких коммутаторах только один упругий элемент выполнен из ферримагнитного сплава, в результате приближения магнита он притягивается к нему, отключая цепь.

Подобный принцип задействован в герконах с переключающей группой контактов, в котором два из них изготавливаются из магнитного материала. Под воздействием магнита они притягиваются друг к другу, а немагнитный контакт остается в исходном положении. В результате происходит перекоммутация цепи.

Срабатывание переключающего геркона

Технология монтажа РН

Перед тем как подключать реле напряжения, следует внимательно изучить предлагаемую электрическую схему. И хотя практически все однофазные приборы защиты коммутируются идентично, все же могут иметься определенные отличия.

В данном обзоре мы рассмотрим алгоритм установки и электрического подключения классического реле напряжения, оснащенного тремя выводами:

• 1 – ноль вход (N);
• 2 – фаза вход (Lвх);
• 3 – фаза выход (Lвых).

Итак, первым делом следует обесточить место проведения работ и исключить вероятность ошибочной подачи напряжения. Вдобавок, необходимо удостовериться в отсутствии питающего напряжения при помощи специализированного прибора (мультиметра).

Далее следует закрепить реле напряжения в непосредственной близости от автоматических выключателей (в распределительном щитке), для чего применяется DIN-рейка или саморезы. При этом следует проследить за тем, чтобы прибор был жестко зафиксирован и не мог демонтироваться самопроизвольно.

После проведения механических работ, следует выполнить электромонтажные операции, которые желательно производить в следящей очередности:

1. Определяется фазный проводник, отходящий от АВ;
2. Данный провод отсоединяется от клеммы автомата и переподключается на выходную клемму реле напряжения (в нашем случае 3 клемма);
3. Между отходящей клеммой АВ (L) и подходящей клеммой 2 реле напряжения (Lвх) устанавливается перемычка, для чего применяется изолированный проводник, соответствующего сечения. (О том как рассчитать сечение провода можно узнать здесь). Причем если применяется многопроволочный провод, то места подключения желательно облудить или оснастить обжимными гильзами;
4. Между отходящей клеммой АВ (N) и подходящей клеммой РН (N) также устанавливается перемычка по идентичной методике.

В принципе на этом монтаж считается завершенным и после проверки качества работ (проводники должны иметь надежное подключение) можно приступать к этапу отладки прибора.

Плюсы и минусы электромагнитного реле

Плюсы

• Управляемое напряжение и управляющее напряжение никак не связаны между собой. Выражаясь домашним языком – напряжение на катушке никак не связано с напряжением на контактах реле. Они гальванически развязаны, что делает реле безопасным устройством для человека  и самой аппаратуры в электро- и радиопромышленности.
• коммутируемые токи могут достигать сотни ампер у промышленных видов реле (пускатели, контакторы)
• большой срок службы при правильной эксплуатации. До сих пор на некоторых зарубежных станках ЧПУ стоят реле 70-ых годов, чьи коммутационные контакты выглядят почти как новые.
• неприхотливость в работе и надежность. Реле до сих пор используются в средствах автоматического управления (САУ), так как они неприхотливы и готовы работать безотказно, хотя уже давненько разработаны твердотельные реле (ТТР), которые опережают простые электромагнитные реле по многим параметрам.

Минусы

• время задержки срабатывания, в течение которого коммутационный контакт “летит” с одного контакта до другого. В очень быстродействующей аппаратуре реле не применяются.  Производители обеспечивают электротехническую промышленность различными видами реле и других устройств на их принципе.
• щелкающий звук при переключении. Кого-то он может раздражать, особенно если реле будет очень часто срабатывать.
• габариты даже самого маленького электромагнитного реле достаточно много занимают место на печатной плате.

Не знаете, где можно купить нужное вам электромагнитное реле?  Вот каталог, где вы найдете подходящее по параметрам реле для своих нужд 😉

Устройство и принцип действия герконовых реле

Отдельно хотелось бы упомянуть о герконовых реле. Хотя они и относятся к классу электромагнитных реле, всё-таки внутренние устройство у них отличается. Герконовое реле состоит из нескольких основных частей. В корпусе расположена катушка, состоящая из одной или нескольких обмоток. Сердечник у такой катушки отсутствует, в место него находится один или несколько герконов. Геркон из себя представляет стеклянную колбу, из которой удалён воздух, вместо него закачан инертный газ азот или водород. Внутри колбы расположены два ферро магнитных контакта:

Под действием магнитного поля, создаваемого обмоткой реле, происходит замыкание этих контактов. Также геркон будет работать, если на него воздействовать магнитным полем постоянного магнита. Благодаря этому герконы получили большое распространение в радиолюбительских самоделках. Герконы также используется в системах сигнализации (датчики открывания дверей или окон). В своё время эти элементы были достаточно дефицитными. Поэтому мне приходилось разбирать герконовые реле и доставать оттуда герконы. Вот так выглядят обмотки:

Из советских самыми распространенными были герконовые реле РЭС-42 и РЭС-4:

У герконовых реле есть несколько достоинств. Прежде всего, это надёжная работа в разных климатических условиях и агрессивных средах. Также стоит отметить быстродействие, и гальваническую развязку между цепями. Срок службы реле — не менее 1 млн. срабатываний. Самый главный недостаток этих реле, это относительно малая коммутируемая мощность.

Электромагнитное реле Songle SRD-12VDC-SL-C

Более детально хотелось бы остановиться на пяти контактном электромагнитном реле Songle SRD-12VDC-SL-C:

Оно имеет одну группу контактов способную выдержать ток до 10 ампер. Обмотка реле рассчитана на напряжение в 12 вольт. Схема выводов 5 контактов показана на обратной стороне:

Полные характеристики рассматриваемого экземпляра можно узнать, посмотрев datasheet:

Как видно ток обмотки, при 12 вольтах, должен быть в пределах 30 миллиампер. Сопротивление обмотки должно быть в пределах 400 ом. Так ли это, давайте проверим:

Как видно всё в пределах нормы. Данные реле можно использовать в различных радиолюбительских самоделках. Благодаря тому, что ток обмотки достаточно мал, всего лишь 30 миллиампер, реле Songle SRD-12VDC-SL-C можно коммутировать слаботочными ключами. Для сравнения ток обмотки, в ранее рассматриваемом пяти контактном автомобильном реле достигает 150 миллиампер. Что в 5 раз больше. Я уже рассказывал о терморегуляторе на регулируемом стабилитроне TL431. В этой самоделке я использовал автомобильное пяти контактное реле. Чтобы стабилитрон TL431 не вышел из строя, пришлось использовать усилитель на более мощном транзисторе.

Несколько штук я уже использовал в изготовлении дневных ходовых огней (ДХО) для автомобиля. Но это уже другая история, об этом я расскажу как-нибудь в следующий раз.

Электрическая схема реле

Принципиальная электросхема реле

Принципиальная схема реле наносится на крышку производителем. Само устройство имеет вид прямоугольника, помечается маркером К с цифрой. Для обозначения контактов без подачи нагрузки применяется буква К с двумя цифрами, разделенными точкой. Первая – это порядковый номер прибора, вторая – порядковый номер контактов.

Контактные группы рядом с катушкой маркируются штриховой линией. Под электросхемой также указывают параметры контактов, величину максимального коммутационного тока. Разновидность токов и напряжение в рабочих условиях наносятся на релейную катушку.

Контакты реле.

В зависимости от конструктивных особенностей контакты промежуточных реле бывают нормально разомкнутые (замыкающие), нормально замкнутые (размыкающие) или перекидные.

3.1. Нормально разомкнутые контакты.

Пока напряжение питания не подано на катушку реле, его нормально разомкнутые контакты всегда разомкнуты. При подаче напряжения реле срабатывает и его контакты замыкаются, замыкая электрическую цепь. На рисунках ниже показана работа нормально разомкнутого контакта.

3.2. Нормально замкнутые контакты.

Нормально замкнутые контакты работают наоборот: пока реле обесточено, они всегда замкнуты. При подаче напряжения реле срабатывает и его контакты размыкаются, размыкая электрическую цепь. На рисунках показана работа нормально разомкнутого контакта.

3.3. Перекидные контакты.

У перекидных контактов при обесточенной катушке средний контакт, закрепленный на якоре, является общим и замкнут с одним из неподвижных контактами. При срабатывании реле средний контакт вместе с якорем перемещается в сторону другого неподвижного контакта и замыкается с ним, одновременно разрывая связь с первым неподвижным контактом. На рисунках ниже показана работа перекидного контакта.

Многие реле имеют не одну, а несколько контактных групп, что позволяет осуществлять управление несколькими электрическими цепями одновременно.

К контактам промежуточных реле предъявляются особые требования. Они должны иметь малое переходное сопротивление, большую износоустойчивость, малую склонность к привариванию, высокую электропроводность и большой срок службы.

В процессе работы контакты своими токоведущими поверхностями прижимаются друг к другу с определенным усилием, создаваемым возвратной пружиной. Токоведущая поверхность контакта, соприкасающаяся с токоведущей поверхностью другого контакта называется контактной поверхностью, а место перехода тока из одной контактной поверхности в другую называется электрическим контактом.

Соприкосновение двух поверхностей происходит не по всей кажущейся площади, а лишь отдельными площадками, так как даже при самой тщательной обработке контактной поверхности на ней все равно будут оставаться микроскопические бугорки и шероховатости. Поэтому общая площадь соприкосновения будет зависеть от материала, качества обработки контактных поверхностей и усилия сжатия. На рисунке показаны контактные поверхности верхнего и нижнего контактов в сильно увеличенном виде.

В месте перехода тока с одного контакта в другой возникает электрическое сопротивление, которое называется переходным сопротивлением контакта. На величину переходного сопротивления существенное влияние оказывает величина контактного нажатия, а также сопротивление окисных и сульфидных пленок, покрывающих контакты, так как они являются плохими проводниками.

В процессе длительной работы поверхности контактов изнашиваются и могут покрываться налетами копоти, окисными пленками, пылью, непроводящими частицами. Также износ контактов может быть вызван механическими, химическими и электрическими факторами.

Механический износ происходит при скольжении и ударах контактных поверхностей. Однако главной причиной разрушения контактов являются электрические разряды, возникающие при размыкании и замыкании цепей в особенности цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой. В момент размыкания и замыкания на контактных поверхностях происходят явления плавления, испарения и размягчения контактного материала, а также перенос металла с одного контакта на другой.

В качестве материалов для контактов реле применяют серебро, сплавы твердых и тугоплавких металлов (вольфрам, рений, молибден) и металлокерамические композиции. Наибольшее применение получило серебро, обладающее малым контактным сопротивлением, высокой электропроводностью, хорошими технологическими свойствами и относительно невысокой стоимостью.

Следует помнить, что абсолютно надежных контактов нет, поэтому для повышения их надежности применяют параллельное и последовательное включение контактов: при последовательном включении контакты могут разорвать большой ток, а параллельное включение повышает надежность замыкания электрической цепи.

Плюсы и минусы

Любая конструкция помимо преимуществ не лишена недостатков. Зная сильные и слабые стороны устройства можно найти оптимальную сферу для его применения. Давайте рассмотрим, в чем заключается преимущества герметичных коммутаторов, к таковым свойствам можно отнести:

• Высокую надежность коммутации. Она практически на два порядка превышает этот показатель у открытых контактных групп. Это достигается за счет высокого сопротивления между разомкнутыми контактами (RИЗ), оно может исчисляться десятками МОм. Немаловажную роль играет и показатель электрической прочности (UПР), напряжение пробоя у некоторых моделей превышает 10 кВ.
• Быстродействие также является неоспоримым преимуществом. Частота коммутации многих моделей приближается к 1 кГц. Что касается параметров, описывающих скорость коммутации, то они находятся в следующих диапазонах: tcp – от 0,4 до 1,8 мс, tотп – от 0,25 до 0,9 мс, что намного превышает подобные характеристики открытых контактных групп.
• Долговечность, число срабатываний исчисляется миллиардами, ни одна открытая контактная группа даже близко не может приблизиться к этому рубежу.
• Данный тип коммутаторов нетребователен к согласованию с нагрузкой.
• Управление может производиться без использования электроэнергии.

Характерные недостатки:

• Низкие показатели коммутируемой мощности.
• Небольшое число контактов.
• Дребезг при срабатывании (конструкции «мокрого» типа избавлены от этого недостатка).
• Большие размеры для современной радиотехнической базы.
• Недостаточная прочность стеклянной колбы.
• Чувствительность к воздействию внешних магнитных полей.

Несмотря на явное преобладание положительных качеств, данные устройства постепенно вытесняются полупроводниковыми аналогами, такими как датчики Холла. Отсутствие дребезга, небольшие размеры и более высокая прочность сыграли решающую роль.

Особенности управления контактами геркона

Можно выделить два способа управления, каждый из которых имеет свои конструктивные особенности:

Управления по средствам магнитного поля от постоянного магнита.

Геркон устанавливается неподвижно, магнит перемещается в пространстве относительно геркона, при приближении на расстояние когда сила магнитного поля достаточная для переключения контактов происходит срабатывание. Аналогично при удалении магнита от геркона, поле ослабеет, и контакты геркона возвращаются в исходное состояние.

Линии силового поля воздействующие на герконовые контакты

Классическим примером такого варианта является применение геркона в системах охранной сигнализации, когда геркон устанавливается на дверную коробку, а магнит на двери, можно наоборот.

Пример монтажа герконовых датчиков на двериА – контакты находятся в разомкнутом состоянии;Б – контакты замыкаются сигнализация срабатывает:

Скрытые герконовые датчики в профиле металлических дверей В зависимости от условий эксплуатации и функционального назначения, конструктивные решения могут быть разные:

• Магнит может вращаться вокруг оси, меняя полярности тем самым переключать контакты геркона.
• Между герконом и магнитом может перемещаться экранирующая магнитная шторка, для шунтирования поля;
• Подвижным может быть любой элемент, несколько, элементов или все, шторка, магнит и геркон, все определяют условия конкретного объекта.

Особенности контактов

Распространенные конфигурации контактных групп реле

По конструкции контактное промежуточное реле состоит из трех типов элементов.

Нормально разомкнутые

Находятся в разомкнутом состоянии до момента подачи питания на катушку. Реле активируется после подачи напряжения, и контакты приходят в замкнутое состояние. Электросеть замыкается.

Нормально замкнутые

Функционируют по обратному принципу, находясь в замкнутом состоянии на момент обесточивания реле. После появления напряжения происходит срабатывание реле, размыкание контактов и цепи.

Перекидные

При обесточивании катушки средний общий контакт якоря замкнут с неподвижным. После того как реле срабатывает, средний элемент вместе с якорем двигается в направлении стационарного контакта и замыкается с ним. Связь с первым стационарным контактом разрывается.

История изобретения

Советский ученый Петербургского университета В. И. Коваленко, проводя эксперименты с магнитным полем в 1922 году, создал магнитоуправляемые контакты. Это изобретение было зарегистрировано в Советском Союзе и получило патент под номером 466.

Его изобретение представляло собой сердечник из магнитомягкого материала, к которому через изоляторы крепились контакты, сделанные из ферромагнетика, обладающего высокой магнитной проницаемостью. После подачи тока в катушке возникало магнитное поле, намагничивающее контакты и приводя к их замыканию. Если же подача тока прекращалась, поле исчезало, а контакты размагничивались и размыкались.

На то время изобретение не получило практического применения из-за неудобности его использования и низкой надёжности. В 1936 году конструкция геркона была доработана инженерами американской компании Bell Telephone Laboratories. Ими было предложено рабочие контакты устройства поместить в герметично замкнутую колбу. Занимался этой разработкой Уолтер Эллвуд, который в итоге и создал модель устройства. Но из-за сложностей в изготовлении прибор опять же не получил широкого применения.

Использовать прибор начали лишь только в 1941 году, когда американская компания Western Electric известная своими техническими инновациями вместо шумных электромеханических реле в своей телефонной станции не стала использовать геркон.

В середине 60-х годов XX века в СССР массово проводилась телефонизация страны. На основании выводов Министерства связи СССР было решено, что в качестве коммутирующих элементов будет использоваться геркон. Так, на , расположенном в Ленинграде, началось серийное производство устройств. Через шесть лет магнитоуправляемые герконы стали изготавливать и в Рязани, на металлокерамическом заводе.

В начале 1990 года объём производства в СССР достиг 230 млн штук в год, что соответствовало примерно четверти мирового рынка. Сегодня ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» остался единственным заводом, выпускающим такую продукцию на территории бывшего Советского Союза. В настоящее время ведутся разработки, направленные на снижение размеров, повышение быстродействия, чувствительности и стабильности герконов.

Устройство, обозначение и параметры реле

Для управления различными исполнительными устройствами, коммутации цепей, управления приборами в электронике активно применяется электромагнитное реле.

Устройство реле достаточно просто. Его основой является катушка, состоящая из большого количества витков изолированного провода.

Внутрь катушки устанавливается стержень из мягкого железа. В результате получается электромагнит. Также в конструкции реле присутствует якорь.Он закреплён на пружинящем контакте. Сам же пружинящий контакт закреплён на ярме. Вместе со стержнем и якорем ярмо образует магнитопровод.

Если катушку подключить к источнику тока, то образовавшееся магнитное поле намагничивает сердечник. Он в свою очередь притягивает якорь. Якорь укреплён на пружинящем контакте. Далее пружинящий контакт замыкается с другим неподвижным контактом. В зависимости от конструкции реле, якорь может по-разному механически управлять контактами.

Устройство реле.

В большинстве случаев реле монтируется в защитном корпусе. Он может быть как металлическим, так и пластмассовым. Рассмотрим устройство реле более наглядно, на примере импортного электромагнитного реле Bestar. Взглянем на то, что внутри этого реле.

Вот реле без защитного корпуса. Как видим, реле имеет катушку, стержень, пружинящий контакт, на котором закреплен якорь, а также исполнительные контакты.

Как устроено электромагнитное реле?

Электромагнитное реле — это электромеханическая система, состоящая, в самом простом случае, из катушки с проводом (обмотки), помещенной на металлический сердечник и подвижной части (якоря), соединенного с пружинящими контактными пластинами. Работа его  основана на принципе электромагнитной индукции.

При подаче напряжения на обмотку по ней протекает ток, возникает электромагнитная индукция, намагничивающая сердечник из магнитомягкого материала.

Магнитомягкий материал представляет собой специальный сплав на основе железа, который быстро намагничивается и быстро теряет намагниченность при исчезновении электромагнитного поля.

При определённой величине тока в обмотке сила притяжения сердечника превышает силу упругости пружины якоря — и якорь притягивается к сердечнику.

С якорем соединены механические элементы с гибкими контактами, которые при притяжения якоря к сердечнику замыкаются или размыкаются, в зависимости от конкретной конструкции.

Одно реле может иметь несколько групп контактов.

Для уменьшения переходного сопротивления рабочие части контактов покрывают благородными металлами (золото, палладий) или сплавами на основе серебра, кадмия и других металлов. Вид покрытия контактов влияет на стоимость реле в целом.

Для защиты обмотки и контактов от внешних воздействий вся конструкция очень часто помещается в закрытый корпус. На корпус наносится маркировка.

Похожие записи:

Ограничители перенапряжения в домашней электропроводке Заземление в квартире Защитное заземление и защитное зануление Как проверить диэлектрические перчатки? Характеристики электронной лампы 6п3с Разновидности и особенности светящихся флуоресцентных красок