Электромагнит был изобретен ещё 200 лет назад и с тех пор в его конструкции мало что изменилось. Но теперь есть больше знаний и технологических возможностей для изготовления миниатюрных электромагнитов с низким энергопотреблением, с возможностью питания постоянного или переменного тока и других особенностей. Электромагнитные реле (или просто реле) — это компоненты, которые чаще всего закрываются в прямоугольный корпус с выводами для пайки или установки в разъём. Внутри находится электромагнит, металлический якорь, который перемещает контакты.
Напряжение питания катушки
На корпусе реле написано, например, 12 В, что означает для его срабатывания потребуется 12 В. Вот только редко бывает напряжение точно требуемого значения. И что делать если напряжение в схеме упадёт до 9 В или повыситься до 15 В?
Если напряжение будет слишком высоким, катушка соленоида, обычно герметично закрытая в небольшом пластиковом корпусе, просто перегреется. Закон Джоуля здесь неумолим. К счастью производители предоставляют некоторый запас по напряжению. И наоборот, если напряжение слишком низкое, через катушку постоянного сопротивления будет протекать меньший ток, что сделает якорь менее слабым на притягивание. А если сила тока слишком низкая, якорь вообще не сдвинется с места.
Термин «напряжение питания катушки» неточен, потому что каждый производитель реле должен предоставить по крайней мере два разных напряжения характеризующих катушку. Первое — это напряжение срабатывания, а второе — напряжение отпускания. Напряжение переключения близко к напряжению, указанному на корпусе.
Это значение, при котором производитель гарантирует замыкание контакта. Оно дается для строго определенной температуры, чаще всего комнатной или аналогичной. При более высоких температурах сопротивление провода увеличивается, поэтому приложение того же напряжения к катушке вызовет протекание более низкого тока (что может быть недостаточно для перемещения якоря).
Напряжение отключения (отпускания) информирует, до какого значения необходимо снизить напряжение питания катушки, чтобы контакты вернулись в исходное положение. Часто это всего лишь 10% от номинального напряжения! Таким образом, реле с напряжением питания 5 В, указанным на корпусе, отключится когда падение напряжения упадёт до 0,5 В, что даже меньше прямого напряжения кремниевых p-n переходов. Разница в процентах вызвана магнитным гистерезисом ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник электромагнита.
Это очень удобно, поскольку позволяет значительно снизить энергопотребление катушки в установившемся режиме. Реле с номинальным напряжением питания 12 В достаточно для подачи напряжения выше 8,4 В, а затем его понижения (например до 2 В). Экономия электроэнергии, важная для схем с батарейным питанием, будет огромной.
Фактическое напряжение питания катушки может отличаться от указанного на корпусе, и в довольно широких пределах. Об этом стоит помнить. Подтянув якорь электромагнитом, можно снизить напряжение питания катушки и сэкономить энергию.
Показания к применению
Твердотельные реле рекомендуются к применению в случаях, когда стандартные устройства не справляются с обязательствами. К примеру, когда в процессе коммутации они плавятся или сгорают.
С помощью ТТР гарантируется надежность цепи и своевременная подача напряжения к нагрузке. В отличие от простых устройств, для ТТР не проблема справиться с нагрузкой индукционного характера.
Кроме того, твердотельное устройство стоит использовать при дефиците места в процессе монтажа и при высоких требованиях надежности цепи.
Максимальная переключаемая мощность
При поиске реле на сайтах магазинов можно встретить такие описания, как «максимальная коммутируемая мощность: 4000 ВА». Это соответствует значению, указанному производителями в примечаниях и означает произведение максимального тока на максимальное напряжение, которое может проводить данное реле. Для 16 А и 250 В переменного тока это ровно 4000 ВА.
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 параметры, такие как 16 А и 250 В переменного тока, верны, для постоянного тока — не совсем.
Постоянный ток имеет очень нежелательную особенность 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 при сварке. Переменный ток более «мягкий» по своей природе, потому что напряжение между контактами упадет до нуля максимум за половину периода, что для цепей, работающих с частотой 50 Гц, составляет всего 10 мс. Следовательно, максимальная мощность которую может переключить то же реле, размещенное в цепи 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 имеющихся на рынке реле средней мощности предназначены для работы в цепях переменного тока (особенно в более низком ценовом диапазоне). Постоянный ток требует оснащения реле дополнительными элементами, ускоряющими гашение электрической дуги, что увеличивает его стоимость.
Параметр минимального прямого тока и минимальной коммутируемой мощности часто указывается не в примечаниях напрямую, а в виде комментариев. Например, в спецификации к типовому реле только на третьей странице можно найти информацию, написанную маленькими буквами, о том, что минимальное коммутируемое напряжение составляет 5 В постоянного тока, а минимальный коммутируемый ток составляет 10 мА (в реле с позолоченными контактами). Эти условия должны выполняться одновременно.
Причина указанного ограничения кроется в самом характере работы контактных элементов. Когда они проводят электричество достаточно высокой интенсивности, искры, образующиеся при подключении и отключении, могут очистить их поверхность от оксидов, сульфидов и других примесей. Это называется эффект самоочищения. Для этого производители реле должны выбрать силу, с которой контакты прижимаются друг к другу, чтобы этот слой мог стираться.
Если этот процесс не выполняется должным образом, контактное сопротивление может медленно увеличиваться, пока не возникнут проблемы с проводимостью тока. Эффект особенно заметен при использовании реле, предназначенных для переключения нагрузок средней или большой мощности, в местах где протекающие токи прослеживаются, например в тракте аудиосигнала.
Явление видно еще лучше, когда реле не имеет герметичного корпуса и атмосфера внутри него содержит загрязняющие вещества из воздуха (главный виновник здесь — сера и ее соединения). Поэтому так называемые реле малосигнальные должны иметь герметичный корпус. Только в этом случае можно гарантировать, что они будут исправно работать в течение многих лет в средах с различной степенью загрязнения.
Кроме того, контакты следует покрыть подходящим металлом. Чаще всего для гальваники используют золото, но бывают и сплавы серебра и палладия, которые характеризуются гораздо меньшим сопротивлением.
Подключение ТТР
При подключении реле необходимо строго соблюдать полярность.
Напряжение подается на управляющие входы. К выходным клеммам подключаются нагрузки. Соединения выполняются посредством винтовых соединений (без пайки).
При подключении напряжения следует убедиться в правильности выполнения коммутации.
Не допускается размещение приборов вблизи легко воспламеняющихся материалов.
Корпус реле может нагреваться в процессе работы. При наборе температуры выше 60°С, монтируют ТТР через радиатор охлаждения.
Схема подключения
Контактный ток передачи
И контакты, и металлические выводы к ним, представляют собой элементы с конечной площадью поперечного сечения. Существует ограничение на количество тока, который может проходить через них без опасения 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 если они будут из одного материала, с использованием одинаковых форм.
Параметр усилия нажима 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 мог ее согнуть. По этой причине ток, который могут проводить замыкающие контакты, может быть больше чем ток, протекающий через замыкающие контакты. Некоторые производители правда оговаривают, что максимальный прямой ток замыкающих контактов доступен при номинальном напряжении питания катушки. Многие производители учитывают это и проектируют свою продукцию таким образом, чтобы не было разницы в параметрах между нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами.
Тип нагрузки реле
Максимальный прямой 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.
Некоторые производители предоставляют более подробную спецификацию в своих примечаниях к реле, например с учетом нагрузки на двигатель. 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 представляет собой проблему для контактов из-за возникающего перенапряжения, да и пусковые токи. Поэтому с виду «сильного» реле может оказаться недостаточно.
Где используются?
Твердотельные реле — уникальные устройства, которые после монтажа не требуют особого обслуживания. Здесь работает принцип «установил и забыл». К примеру, в простых моделях очистка контактной группы осуществляется с определенной периодичностью — как правило, через определенное число циклов. Если изделие работает редко, это не вызывает проблем.
Но как быть с аппаратурой, для работы которой требуется частое срабатывание — один раз в секунду или даже чаще? Пример такой техники — станок с клапанами соленоидного типа.
Подача напряжения происходит через реле, которому приходится разрывать до десяти ампер индуктивного I. Если поставить контактное устройство, его замену придется осуществлять раз в 1-2 месяца. Если поставить твердотельный аналог, об этом можно забыть на долгие годы.
Несмотря на надежность работы, ТТР требуют периодического осмотра. Базовые рекомендации в этом вопросе дает производитель изделия. Как правило, речь идет о проверке факта замыкания контактов, целостности корпуса и изоляции.
Время переключения
Понятно что реле работают медленнее полупроводниковых приборов. В некоторых устройствах необходимо ввести соответствующие последовательности переключения. Те же пассивные регуляторы громкости. Быстрое переключение резисторов в резистивном делителе необходимо, чтобы получить ощущение плавности при быстром изменении громкости звука. Здесь следует помнить, что оставление цепи разомкнутой даже на мгновение, когда одно реле уже отключилось, а соседнее еще не сработало, может привести к очень неприятному потрескиванию из динамиков. Это недопустимо в аудиоаппаратуре высокого класса, а в студии звукозаписи вообще нонсенс.
Следует учитывать время включения следующего реле до того, как предыдущее перестанет работать. И учитывать возможное отклонение напряжения питания в сторону уменьшения, а также повышенную температуру окружающей среды, что увеличивает время переключения. Поэтому лучше предполагать, что время вдвое больше, чем указано в даташитах на реле.
Схемы подключения
Электрические схемы строятся в зависимости от особенностей подключения нагрузки.
К наиболее распространенным схемам относятся:
- Разомкнутая или открытая. При наличии управляющего сигнала реле находится под напряжением. При обесточенных входах приборы находятся в отключенном состоянии.
- Замкнутая. При отсутствии управляющего сигнала нагрузка реле находится под напряжением. При обесточенных входах подключенные приборы находятся в рабочем состоянии.
- Трехфазная — контакты соединяются по схеме «Звезда», «Звезда с нейтралью» или «Треугольник».
- Реверсивная— включают два уровня управления. Изготавливается в трехфазном варианте.
Электрические цепи с твердотельными реле собирают точно по схеме, с соблюдением полярности.
Неправильное подключение приборов может привести к удару электричеством, выходу из строя из-за КЗ.
Корпуса электромагнитных реле
Все большую популярность приобретают реле с герметичными корпусами, но все еще доступны реле и в негерметичном корпусе в виде пластиковой крышки, устанавливаемой на защелки. При разработке оборудования для дома или в офисе, это не имеет особого значения. Но в загрязненной или сырой среде на это стоит обратить внимание.
Разумеется только герметичные реле следует размещать в среде с повышенной влажностью. Но есть и помещения с совершенно другой спецификой, например, котельные. Воздух в них обычно сухой и теплый, но загрязнен угольной пылью и выхлопными газами. Примеси богаты серой, которая является неотъемлемым спутником всех видов углерода. Если сжигание в небольших котельных оказывает незначительное влияние на окружающую среду, то электроника внутри котельной может это сразу почувствовать. Большинство реле средней мощности имеют контакты из сплава серебра, идеально реагирующие с серой с образованием сульфида серебра, который нерастворим и не электропроводен. То есть контакты реле за короткое время сульфатируются.
Возникала такая ситуация в контроллере тонкой печи центрального отопления, где использовались реле без герметизации. Через два года печь стала «странно работать» и окончательно перестала включать насосы. Причина — сильно сульфатированные контакты реле. Внутри они были липкими от смолистой 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 сказывается и на классе герметичности — блоки с герметичным корпусом обычно имеют класс IP67, а обычные только IP40.
Установка элемента в разъём
Реле являются электромеханическими компонентами, поэтому они подвержены износу. В большинстве серийно выпускаемых устройств этим можно пренебречь — срок службы реле обычно больше ожидаемого срока 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.
Иная ситуация с приборами промышленной автоматики. В тех случаях, когда твердотельные реле (SSR) не могут быть использованы или устройство не новое, остается регулярная замена реле. Следует учитывать, что устройства часто работают в очень плохих условиях, например, с повышенной влажностью (вызывающей коррозию клемм), вибрацией, пылью (ухудшающей изоляцию) или чрезвычайно высокой или чрезвычайно низкой температурой. Тогда не остается ничего другого, как использовать розетку для реле. Некоторые из них имеют клеммы, которые позволяют как пайку в печатную плату, так и установку в розетку с прижимным зажимом, чтобы предотвратить их выпадение.
Во многих розетках контакты расположены на том же расстоянии, что и реле, установленные в них. Благодаря этому в устройство можно добавить гнездо для реле, не меняя конструкции печатной платы. Это особенно важно, когда на этапе проектирования неизвестно будет ли данное реле часто выходить из строя. Учтите что реле встроенное в розетку, обычно имеет меньший допустимый прямой ток контактов.
Бистабильное и моностабильное
Бистабильные реле становятся дешевле и доступнее, но многие разработчики пока не обращают на них внимания. В схемах с питанием от сети энергоэффективность не очень важна, но где требуется экономия энергии, они могут оказаться большим подспорьем. Для удержания якоря в одном положении не требуется приложения энергии. Потребление тока происходит при переключении контактов, которое длится несколько десятков миллисекунд, после чего его источник может быть отключен. Устройство будет оставаться в устойчивом состоянии столько, сколько надо, отсюда и название.
Типичные реле имеют только одно стабильное положение, а поддержание другого требует непрерывного протекания тока через катушку.
Есть два типа бистабильных реле: с одной катушкой и с двумя. В случае двухкатушечных реле все просто, потому что одна из них используется для «включения», а другая для «выключения», то есть для переключения контактов в положения 1 и 2.
Бистабильные реле доступны как реле малой мощности, так и средней, для переключения устройств с питанием от сети с потреблением тока в несколько ампер. Практически каждая крупная компания занимающаяся производством реле, имеет их в своем предложении, поэтому выбор действительно велик.
Использование в электронике
Помимо защиты электроники от разрушительных последствий переключения катушки (имеется в виду импульс самоиндукции, возникающий при затухании тока в катушке), стоит защитить ее и от помех, создаваемых искрящими контактами. 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-цепь. Это могут быть другие конфигурации, включая, например, переходной диод или, в цепях постоянного тока, быстродействующий полупроводниковый диод.
Конструктивные особенности
В основе твердотельного реле лежит электронная плата, в состав которой входит три главных элемента — узлы управления и развязки, а также силовой ключ. В роли силовых элементов применяются такие детали:
- Для постоянного I — транзисторы полевого типа, простые транзисторы, модульные элементы класса IGBT, а также MOSFET-транзисторы.
- Для переменного I — сборки на базе тиристоров, а также симисторы.
Развязка цепи обеспечивается оптронами — изделиями, состоящими из излучающего и принимающего свет устройства. Между ними установлен диэлектрик, имеющий прозрачную структуру.
Управляющий узел выполнен в виде стабилизирующей схемы, обеспечивающей оптимальные уровни тока и напряжения для излучающего свет элемента. Напряжение на входе схемы должно быть от 70 до 280 Вольт.
Что касается напряжения нагрузки, его величина — до 480 Вольт. Расположение электроприбора (до или после ТТР) не имеет значения.
Как правило, устройство монтируется после нагрузки с последующим подключением к «земле». При таком варианте схемы удается защитить внутренние элементы от протекания тока КЗ (он потечет через заземляющий провод).
