Электромагнитные реле: конструктивные особенности, маркировка, типы и советы по подключению и настройке

Преобразование электрических сигналов в различные физические величины, такие как движение, сила или звук, осуществляется с использованием приводов. Приводы следует рассматривать как преобразователи, так как они изменяют одну физическую величину на другую.

Как правило, привод срабатывает или управляется низковольтным управляющим сигналом. В зависимости от количества стабильных состояний, устройства делятся на двоичные и непрерывные. Электромагнитное реле, в частности, представляет собой двоичный привод, так как оно имеет два стабильных состояния: «включено» и «выключено».

Электромагнитные реле по своей конструкции состоят из катушки, которая при подаче напряжения создает магнитное поле, и одной или нескольких переключающих контактных групп, которые замыкаются или размыкаются под действием этого поля. В зависимости от типа реле различают индукционные, импульсные и защиты от перенапряжения реле, каждое из которых имеет свои особенности. Например, индукционные реле используются для защиты цепей от короткого замыкания, а импульсные реле применяются для управления освещением и другими устройствами с помощью коротких импульсов.

Маркировка электромагнитных реле обычно содержит информацию о его основных характеристиках: габаритах, напряжении срабатывания и максимальном токе. Часто на корпусе реле можно найти серийный номер и дату выпуска, что тоже является важной информацией для понимания его функциональных возможностей и сроков службы.

При подключении электромагнитного реле важно учитывать полярность, так как неправильное подключение может привести к его выходу из строя. Также необходимо убедиться, что напряжение и мощность нагрузки соответствуют заявленным характеристикам реле, иначе это может привести к его перегреву или повреждению. Реализация правильной схемы подключения, учитывающей все детали, обеспечивает надежную работу устройства на протяжении долгого времени.

В заключение стоит отметить, что электромагнитные реле находят широкое применение в различных областях, включая автоматизацию, управление электроприборами и в промышленности. Их простота в использовании и надежность делают их незаменимыми в современных электрических системах.

В данном материале подробно рассматриваются принципы работы электромагнитных реле и их применение.

Основные аспекты конструкции приводов

Термин «реле» описывает устройства, обеспечивающие электрическое соединение между несколькими точками, управляемое соответствующим сигналом.

Наиболее популярным и широко применяемым видом электромагнитных реле (ЭМР) считается электромеханическая модель.

На изображении представлена одна из многих конструкций, относящихся к электромагнитным реле. Здесь можно увидеть закрытую версию механизма, выполненную с прозрачной крышкой из оргстекла.

В любой системе управления оборудованием обязательно существует возможность его включения и отключения. Самый простой способ реализовать это — использование переключателей для блокировки подачи электричества.

Ручные переключатели могут применяться для управления, однако у них есть свои недостатки. Очевидным недостатком является необходимость физического переключения состояния «включено» или «выключено».

Устройства ручного управления обычно довольно громоздкие, имеют медлительное срабатывание и способны переключать лишь небольшие токи.

Ручной переключатель можно считать «дальним родственником» электромагнитных реле, так как они выполняют аналогичные функции — коммутацию рабочих цепей, но с ручным управлением.

В отличие от ручных механизмов, электромагнитные реле чаще всего представляют собой устройства с электрическим управлением. Эти приборы могут иметь разнообразные формы и размеры, а также различаются по номинальным мощностям, что открывает широкие возможности их применения.

Приборы могут быть оснащены одной или несколькими парами контактов и входить в состав более крупных силовых механизмов, таких как контакторы, предназначенные для переключения сетевого напряжения или высоковольтных устройств.

Основные принципы функционирования электромагнитных реле

Существуют традиционные электромагнитные реле, которые применяются в схемах электрических (электронных) управляющих систем. Их устанавливают либо на печатных платах, либо в свободном пространстве.

Общая структура устройства

Токи нагрузки, проходящие через эти устройства, варьируются в пределах от долей ампера и до 20 А и более. Релейные схемы находят широкое применение в электронной практике.

Эти устройства могут иметь различные конфигурации и предназначаться для монтажа на печатных платах или использоваться в качестве отдельных элементов.

Конструкция электромагнитного реле преобразует создаваемый электрическим полем магнитный поток в механическую силу. С помощью этой силы осуществляется управление контактной группой.

Наиболее распространённая конструкция включает в себя следующие компоненты:

• катушку возбуждения;
• металлический сердечник;
• опорное шасси;
• контактную группу.

Металлический сердечник состоит из фиксированной части, называемой коромыслом, и подвижной детали, известной как якорь, которая привязана к пружине.

Якорь замыкает магнитную цепь, устраняя воздушный зазор между неподвижной катушкой и подвижным элементом.

Компоненты конструкции: 1 – отжимная пружина; 2 – металлический сердечник; 3 – якорь; 4 – нормально закрытый контакт; 5 – нормально открытый контакт; 6 – общий контакт; 7 – катушка из медного провода; 8 — коромысло.

Якорь может двигаться на шарнирах или свободно поворачиваться под воздействием магнитного поля, что приводит к замыканию электрических контактов, прикреплённых к нему.

Как правило, пружина (или пружины), расположенная между коромыслом и якорем, возвращает контакты в первоначальное состояние, когда катушка реле остается без питания.

Работа релейной системы на основе электромагнитов

Простая классическая модель ЭМР включает две группы электропроводящих контактов.

Из этого следует, что существуют два состояния контактной группы:

1. Нормально разомкнутый контакт.
2. Нормально замкнутый контакт.

Соответственно, контакты классифицируются как нормально открытые (NO) и нормально закрытые (NC) в зависимости от их состояния.

При реле с нормально разомкнутыми контактами, состояние «замкнуто» может быть достигнуто только при прохождении тока возбуждения через индуктивную катушку.

Один из вариантов расположения контактной группы по умолчанию — нормально замкнутое (активное) состояние в обесточенном состоянии.

В альтернативном случае нормально закрытое положение контактов остается неизменным, если ток возбуждения не поступает в контур катушки. Таким образом, контакты возвращаются в свое нормальное замкнутое состояние.

Следовательно, термины «нормально открытый» и «нормально закрытый» относятся к состоянию электрических контактов в ситуации, когда катушка реле отключена, то есть напряжение ее питания отсутствует.

Электрические контакты реле

Контакты реле обычно состоят из проводящих металлических элементов, которые взаимодействуют друг с другом, замыкая цепь, как простой выключатель.

Когда контакты разомкнуты, сопротивление между нормально открытыми контактами составляет высокое значение в мегаомах. Это создает условия для открытой цепи, исключая проход тока через контур катушки.

Контактная группа любого электромеханического устройства в разомкнутом состоянии имеет сопротивление порядка нескольких сотен мегаом. Значение этого сопротивления может варьироваться в зависимости от модели.

Если же контакты замкнуты, контактное сопротивление должно теоретически быть равно нулю, что в сути представляет короткое замыкание.

Однако эта ситуация наблюдается не всегда. Контактная группа каждого отдельного реле обладает определенным контактным сопротивлением, даже когда находится в замкнутом состоянии; такое сопротивление называют устойчивым.

Особенности прохождения нагрузки через контакты

При установке нового электромагнитного реле, контактное сопротивление при замыкании имеет небольшое значение, обычно менее 0,2 Ом.

Это объясняется тем, что новые контактные поверхности чисты, но со временем это сопротивление может увеличиваться.

Например, для контактов при токе 10 А падение напряжения составит 0,2 х 10 = 2 вольта (по закону Ома). Это означает, что если на контактное устройство подается 12 вольт, тогда напряжение для нагрузки составит 10 вольт (12-2).

Со временем, когда металлические контакты изнашиваются и не защищены от высоких индуктивных или емкостных нагрузок, повреждения от электрической дуги становятся неизбежными.

Электрическая дуга, возникающая на одном из контактов электромеханического устройства, может быть одной из причин разрушения контактной группы при отсутствии соответствующих мер защиты.

Электрическая дуга вызывает появление искр на контактах, что приводит к повышению сопротивления контактов и физическому повреждению.

Если продолжать использовать реле в таком состоянии, контакты могут полностью утратить свои функциональные качества.

Однако существует более серьезная проблема — в результате действия дуги контакты могут свариться, создавая условия для короткого замыкания.

В таких случаях существует риск повреждения цепи, управляемой ЭМР.

Например, если контактное сопротивление увеличивается на 1 Ом от воздействия электрической дуги, падение напряжения на контактах при том же токе нагрузки повышается до 1 х 10 = 10 вольт постоянного тока.

Это падение напряжения может оказаться критичным для нагрузки, особенно при использовании источников питания 12-24 В.

Материалы контактных поверхностей реле

Чтобы снизить влияние электрической дуги и высокие сопротивления, контактные наконечники современных электромеханических реле изготавливаются или покрываются различными сплавами на основе серебра.

Это позволяет существенно продлить срок службы контактной группы.

На практике используются различные материалы для обработки контактных наконечников электромагнитных (электромеханических) реле:

• Ag — серебро;
• AgCu — серебро-медь;
• AgCdO — серебро-оксид кадмия;
• AgW — серебро-вольфрам;
• AgNi — серебро-никель;
• AgPd — серебро-палладий.

Увеличение сроков службы контактных наконечников достигается благодаря использованию резисторно-конденсаторных фильтров (RC-демпферов), которые помогают уменьшить количество случаев образования электрической дуги.

Эти электросхемы содержат параллельно контактные группы электромеханических реле. При таком подходе пиковое напряжение, возникающее в момент размыкания контактов, оказывается безопасно коротким.

Использование RC-демпферов позволяет эффективно снижать уровень электрической дуги на концах контактов.

Стандартные типы контактов ЭМР

Кроме стандартных нормально открытых (NO) и нормально закрытых (NC) контактов, механическая реле-коммутация делится на разные категории в зависимости от принципа действия.

Характеристика соединительных элементов

Конструкции электромагнитных реле могут включать один или несколько независимых контактов переключателя в данном варианте.

Прибор может быть выполнен в конфигурации SPST — однополюсный и однонаправленный, но существуют и другие варианты.

Тип контактов определяется следующим набором сокращений:

• SPST (Single Pole Single Throw) – однополюсный однонаправленный;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – однополюсный двунаправленный;
• DPST (Double Pole Single Throw) – двухполюсный однонаправленный;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – двухполюсный двунаправленный.

Каждый из этих соединительных элементов называется «полюсом». Они могут быть подключены или отключены, одновременно активируя катушку реле.

Особенности применения реле

Несмотря на простоту конструкции электромагнитных коммутаторов, существуют важные нюансы в их использовании.

Специалисты настоятельно советуют избегать параллельного подключения всех контактов реле, чтобы не перегружать цепь с высокой нагрузкой.

К примеру, нельзя подключать нагрузку на 10 А, объединяя два контакта, каждый из которых допускает 5 А.

Эти рекомендации обусловлены тем, что контакты механических реле не срабатывают одновременно.

В результате один из контактов окажется под перегрузкой. Даже кратковременная перегрузка приведет к преждевременному выходу устройства из строя.

Неправильное использование или нарушение правил установки обычно заканчивается подобным результатом: внутри сгорело практически всё оборудование.

Электромагнитные устройства могут быть использованы в схемах с низким потреблением энергии для переключения относительно высоких напряжений и токов.

Однако настоятельно рекомендуется не пропускать разные напряжения через соседние контакты одного устройства.

Например, нельзя одновременно коммутировать 220 В переменного тока и 24 В постоянного тока; для каждой из этих схем всегда следует использовать отдельные реле во избежание рисков.

Методы защиты от обратного напряжения

Катушка является важной деталью любым электромеханическим реле, поскольку она имеет высокую индуктивность из-за проводной намотки.

Каждая катушка, состоящая из провода, обладает определённым импедансом, соединяющим индуктивность L и сопротивление R, что формирует последовательную цепь LR.

При протекании тока через катушку создаётся внешнее магнитное поле. Когда ток прекращается, происходит увеличение магнитного потока (по теории трансформации), что приводит к возникновению высокого обратного напряжения ЭДС (электродвижущей силы).

Это индуцированное обратное напряжение может значительно превышать по величине напряжение коммутируемой цепи.

Из-за этого существует риск повреждения полупроводниковых компонентов, находящихся рядом с реле, например, биполярных и полевых транзисторов, которые используются для подачи напряжения на катушку реле.

Существует ряд схемных решений, обеспечивающих защиту полупроводниковых элементов: биполярных и полевых транзисторов, микросхем и микроконтроллеров.

Одним из методов предотвращения повреждений является установка обратно смещённого диода в цепь катушки реле.

Когда ток, который ранее проходил через катушку, создает индуцированную обратную ЭДС, это напряжение активирует обратно смещённый диод.

Таким образом, накопленная энергия рассеивается, защищая управляющий полупроводник — транзистор, тиристор или микроконтроллер.

Такой диод часто называют:

• диодом-маховиком;
• шунтирующим диодом;
• возвращаемым диодом.

Основное различие между этими элементами небольшое, так как все они служат одной цели. Кроме диодов с обратным смещением, для защиты полупроводников можно использовать и другие устройства.

К таким устройства могут принадлежать RC-демпферы, варисторы (MOV), стабилитроны.

Обозначения электромагнитных реле

Технические характеристики, дающие частичную информацию о реле, обычно указываются на шасси самого устройства.

Обозначение представляется в виде сокращений и числовых значений.

Каждое электромеханическое коммутационное устройство традиционно маркируется. Обычно на корпусе или шасси отображается набор символов и цифр, информирующий о определённых параметрах.

Пример маркировки электромеханических реле выглядит так:

РЭС32 РФ4.500.335-01

Данная запись расшифровывается как электромагнитное реле низковольтной серии 32, соответствующее паспортным данным РФ4.500.335-01.

Однако подобные полные обозначения встречаются не так часто. Основная масса реле имеет сокращенные обозначения без упоминания ГОСТ:

РЭС32 335-01

К тому же на корпусе реле указывается дата производства и номер партии. Более подробная информация содержится в техническом паспорте на изделие, который прилагается каждому устройству или партии.

Заключение и полезное видео

Предлагаем вашему вниманию видеоролик, который доступным языком разъясняет принципы работы электромеханических реле. В нем освещаются важные аспекты конструкций, особенности подключения и другие нюансы:

Электромеханические реле давно находят применение в роли электронных компонентов. Однако можно сказать, что этот тип коммутационных устройств постепенно устаревает, и на их место приходят более современные решения — чисто электронные устройства, такие как твердотельные реле.

Если у вас возникли вопросы, замечания или интересные факты по теме, которыми вы хотите поделиться, пожалуйста, оставляйте свои комментарии, задавайте вопросы и делитесь опытом в разделе под статьей.