Электромагнитные реле, как элемент конструкций

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Конечно, выдающийся американский физик Джозеф Генри, помогая худож­нику Самюэлю Морзе в постройке телеграфа, и не думал ни о какой электро­нике, которая потом завоюет мир. Электромагнитное реле он изобрел даже не в рамках фундаментальной науки, которая, как известно, есть способ по­знания мира и чурается практики, а просто, чтобы «помочь товарищу», кото­рый, впрочем, наверняка платил неплохие деньги.

Так это было или иначе — важно, что электромагнитное реле стало одним из самых главных технологических изобретений XIX века. По популярности ему не затмить, конечно, электрического освещения, электрогенератора и электродвигателя, телеграфа, телефона и прочих достижений «века электри­чества», но факт, что именно этот не очень известный широкой публике при­борчик еще недавно был одним из важнейших компонентов любой электри­ческой системы и широко используется до сих пор.

clip_image002

Рис. 7.1. Схематическое устройство (а) и рекомендуемая схема включения (б) электромагнитного реле

Реле стало первым в истории — задолго до ламп и транзисторов — усилите­лем электрических сигналов. С помощью реле напрямую не усилить предвы­борную речь кандидата в президенты, но если ее закодировать нулями­единицами, как мы это будем делать в этой книге позднее, то реле справится с такой задачей ничуть не хуже любого другого устройства— именно на этом свойстве было основано его применение в телеграфе Морзе.

Конечно, быстродействие реле, как ключевого элемента, оставляет желать лучшего — даже о килогерцах здесь речь не идет, обычная скорость сраба­тывания для самых малогабаритных и быстродействующих реле составляет десятки миллисекунд, что соответствует частотам в десятки герц. Но в режи­ме быстрого переключения реле использовать и не надо, для этого сущест­вуют другие электронные компоненты. Реле используют там, где нужно на­дежно коммутировать нагрузку с минимальными потерями в контакте. Огромным преимуществом реле является не только полная гальваническая развязка между входом и выходом, но и низкое сопротивление контактов. По этой причине их использовали до самого последнего времени, например, для коммутации в измерительных схемах, где очень важно, чтобы сопротивление измерительных цепей было минимальным и стабильным. Учтите, что указы­ваемые в справочниках параметры контактов (типа «переходное сопротивле­ние не более 1 Ом») обычно сильно завышены, они рассчитаны на наихуд­ший случай.

На рис. 7.1, а схематически изображено устройство простейшего электромаг­нитного реле. Любое реле — независимо от конструкции — обязательно со­держит три главных компонента: обмотку, якорь и контакты. Исключение составляют т. н. герконовые2 реле, у которых якорем служат сами контакты. Обмотка представляет собой катушку индуктивности (соленоид), около ко­торой (или в которой) при подаче тока перемещается якорь, выполненный из ферромагнитного материала. Теорию этого процесса излагать слишком дол­го, да к тому же она не нужна для практических целей. Важно понимать, что при подаче переменного или постоянного тока якорь перемещается и через тягу из изолирующего материала (на рис. 7.1, а она показана пунктиром) приводит к перемещению подпружиненных контактов, которые замыкаются (если были «нормально разомкнутыми») или размыкаются (если были «нор­мально замкнутыми»).

Также используется и вариант «перекидных» контактов, в которых присутст­вует центральный общий подпружиненный контакт, в нормальном положе­нии замкнутый с одним из соседних, а при подаче тока перекидывающийся к другому. Если ток через обмотку снимается, то все возвращается в исходное состояние. Большинство типов реле содержит не одну, а несколько групп та­ких контактов, управляемых одним якорем. Это можно увидеть на рис. 7.2, где представлены некоторые типы реле.

Разумеется, вокруг этого базового принципа работы за много лет были на­кручены различные «прибамбасы»: так, существуют реле, которые при каж­дой подаче импульса тока перебрасываются в противоположное положение (пускатели), реле, контакт в которых может иметь три положения (трехпози-ционные: замкнуто-нейтраль-замкнуто) и т. п., но мы не будем их рассматри­вать, потому что большинство функций таких специализированных реле дав­но выполняют логические микросхемы. Мало того, вместо электромагнитных реле во многих случаях (но не во всех!) лучше использовать оптоэлектрон-ные (твердотельные) реле — принцип тот же, но нет никаких соленоидов и движущихся частей. Их мы кратко рассмотрим далее, а пока изучим важней­шие характеристики обычных реле — они мало меняются даже с переходом к твердотельной электронике.

Главным и основным свойством, побуждающим инженера-электротехника и электроника использовать обычные реле в век господства транзисторов и микросхем, является полная (более полной и представить себе трудно) галь­ваническая развязка не только обмотки от коммутируемого напряжения, но если пар контактов больше одной, то и различных коммутируемых напряже­ний друг от друга. Коммутация происходит чисто механическим способом, потому коэффициент усиления по мощности у реле очень велик — например, обмотка реле РЭС9 потребляет 30 мА при 27 вольтах, что составляет меньше ватта, но это реле может двумя парами контактов коммутировать нагрузки до 1 А при 220 вольтах переменного тока на каждый контакт в отдельности — то есть в сумме почти полкиловатта!

Мы будем заниматься реле постоянного тока (то есть такими, обмотки кото­рых работают от постоянного тока, хотя коммутировать они могут в принци­пе любой сигнал). В первую очередь нас интересует, сколько энергии надо затратить на переключение. В справочниках приводится либо величина тока через обмотку, либо величина рабочего напряжения, что равнозначно, пото­му что величина сопротивления обмотки тоже всегда приводится. Обычно одинаковые типы реле имеют разновидности с разными сопротивлениями обмоток (это определяется т. н. «паспортом»).

clip_image004

Рис. 7.2. Некоторые разновидности электронных реле

Главный недостаток электромагнитных реле в сравнении с полупроводнико­выми устройствами — энергетический порог, с которого начинается управ­ление обмотками, весьма велик. Все же токи в 30—50 мА при напряжениях 5—30 В, то есть мощности порядка ватта (и это для малогабаритных реле, для реле покрупнее нужна еще большая мощность), — запредельны для со­временной электроники и являются слишком большой роскошью, если тре­буется всего только включить нагрузку в виде лампочки. А вот когда необхо­димо от маломощного сигнала включить, например, мощный нагреватель — тут реле практически незаменимы. В большинстве современных бытовых нагревательных приборов (в отопителях, электродуховках, хлебопечках и пр.), по моим наблюдениям, для включения-отключения мощного нагрева­теля применяют именно электромагнитные реле, а не бесконтактные выклю­чатели— так надежнее, дешевле и, к тому же, они дают ниже уровень электромагнитных помех.

Заметки на полях

Кстати, а как определить напряжение срабатывания незнакомого реле, если справочника нет под рукой? Это несложно, только надо иметь регулируемый источник питания. Найдите с помощью тестера выводы обмотки (она имеет обычно сопротивление от десятков ом до нескольких килоом, а если реле имеет прозрачный корпус, то найти ее можно просто визуально) и подключите обмотку к источнику. Найдите нормально замкнутые контакты (прозвонкой) и подключите к ним тестер. Выведите источник на минимальное напряжение, включите его, а затем постепенно добавляйте напряжение. Вместо подключе­ния тестера можно просто поднести реле к уху, но если оно малогабаритное и тем более герконовое, то щелчок при срабатывании можно и не услышать. Отметьте значение напряжения, когда реле сработает, а затем умножьте его на полтора — это и будет приблизительное значение номинального напряже­ния срабатывания.

Другим недостатком реле, как нагрузки для полупроводниковых приборов, является то, что его обмотка представляет собой индуктивность. Для посто­янного тока это просто сопротивление, но в момент переключения она, как описано в главе 5, может доставить немало неприятностей. В момент разрыва или замыкания управляющей цепи на обмотке реле возникает импульс на­пряжения (по полярности он противоположен направлению изменения тока в обмотке). Если индуктивность обмотки велика, а ее собственное (активное) сопротивление мало, то импульс этот может вывести из строя коммутирую­щий прибор (например, транзистор) и в любом случае создает сильные поме­хи остальным элементам схемы по шине питания. Поэтому при стандартном включении реле всегда рекомендуется включать параллельно его обмотке диод (даже если коммутация происходит не от полупроводниковых источни­ков, а от таких же реле) — в таком направлении, чтобы в статическом режи­ме, когда все успокоилось, диод этот тока не пропускал (см. рис. 7.1, б). То­гда выброс напряжения ограничивается уровнем напряжения на открытом диоде, то есть 0,6 В.

Следует учитывать еще одну особенность электромагнитных реле. Ток (на­пряжение) срабатывания у них намного превышает ток (напряжение) отпус­кания — так, если в характеристиках указано, что номинальное напряжение реле составляет 27 В, то при этом напряжении гарантируется замыкание нормально разомкнутых до этого контактов. Но совершенно необязательно выдерживать это напряжение длительное время — так, 27-вольтовые реле спокойно могут удерживать контакты в замкнутом состоянии вплоть до того момента, пока напряжение на их обмотке не снизится до 8—10 вольт. Такой гистерезис — очень удобное свойство электромагнитных реле, которое по­зволяет избежать дребезга при срабатывании-отключении и далее сэкономить энергию при работе с ними. Так, на рис. 7.3, а приведена схема управления реле, которое в начальный момент времени подает на него нужное номи­нальное напряжение для срабатывания, а затем неограниченное время удер­живает реле в сработавшем состоянии при пониженной величине тока через обмотку.

clip_image006

Рис. 7.3. Некоторые схемы включения реле: а — со снижением напряжения удержания; б — схема самоблокировки с кнопками «Пуск» и «Стоп»; в — схема классического электромеханического звонка

На рис. 7.3 также приведены еще две классические схемы. Схема на рис. 7.3, б называется «схемой самоблокировки» (после нажатия кнопки «Пуск» ее можно отпустить, и реле останется замкнутым — блокируется) и очень часто применяется в управлении различными мощными устройствами, например, электродвигателями станков. Мощные реле-пускатели для таких двигателей имеют даже специальную отдельную пару маломощных контак­тов, предназначенную для осуществления самоблокировки. В этих случаях ток через стандартные кнопки «Пуск» и «Стоп» не превышает тока через об­мотку пускателя (который составляет несколько десятков или сотен милли­ампер), в то время, как мощность разрываемой цепи может составлять мно­гие киловатты, притом это может быть трехфазная цепь со всякими дополнительными неприятностями вроде огромных индуктивностей обмоток мощных двигателей.

Другая схема (рис. 7.3, в) скорее забавна и есть дань прошлому, когда ника­кой электроники не существовало. Это есть схема простейшего электриче­ского звонка, который может быть реализован на любом реле. Оно и само по себе при подключении по этой схеме задребезжит (правда, звук может быть самым разным, в зависимости от быстродействия и размеров реле, потому лучше употребить слово «зазуммерит»), но в обычном звонке якорь еще свя­зывают со специальной тягой, которая в процессе работы стучит по металли­ческой чашке, формируя звуковой сигнал. Есть и более простая конструкция электромеханического звонка, когда на обмотку реле просто подают пере­менное напряжение, от чего якорь вибрирует с его частотой (так устроены, например, звонки старинных телефонов с крутящимся диском), но нас тут интересует именно классическая схема, потому что в ней в чистом виде реа­лизован другой основополагающий принцип электроники, так или иначе присутствующий в любых генераторах колебаний, — принцип положитель­ной обратной связи. Якорь в первый момент притягивается — питание раз­мыкается— якорь отпускает— питание замыкается— якорь притягивается и т. д. Частота генерируемых колебаний зависит исключительно от механи­ческой инерции деталей реле.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты