Elektromagnetické relé: zariadenie, značenie, typy + detaily zapojenia a regulácie

Prevod elektrických signálov na zodpovedajúcu fyzikálnu veličinu — pohyb, silu, zvuk atď., sa uskutočňuje pomocou pohonov. Pohon by sme mali klasifikovať ako prevodník, pretože toto zariadenie mení jeden typ fyzikálnej veličiny na iný.

Pohon je zvyčajne aktivovaný alebo riadený nízkonapäťovým príkazovým signálom. Ďalej sa klasifikuje ako binárne alebo kontinuálne zariadenie na základe počtu stabilných stavov. Takže elektromagnetické relé je binárny pohon, vzhľadom na dva stabilné stavy: zapnuté — vypnuté.

V predloženom článku sú podrobne rozobrané princípy činnosti elektromagnetického relé a oblasť použitia prístrojov.

Základy konštrukcie pohonu

Termín „relé“ je charakteristický pre zariadenia, ktoré zabezpečujú elektrické spojenie medzi dvoma alebo viacerými bodmi pomocou riadiaceho signálu.

Najrozšírenejším a najpoužívanejším typom elektromagnetického relé (EMR) je elektromechanická konštrukcia.

Takto vyzerá jedna konštrukcia z početného radu výrobkov nazývaných elektromagnetické relé. Tu je zobrazený uzavretý variant mechanizmu pomocou krytu z priehľadného plexiskla.

Schéma fundamentálnej kontroly nad akýmkoľvek zariadením vždy zahŕňa možnosť zapnutia a vypnutia. Najjednoduchší spôsob vykonania týchto činností je použiť prepínače blokovania napájania.

Prepínače ručného ovládania možno použiť na riadenie, ale majú nevýhody. Ich zjavnou nevýhodou je nastavenie stavov „zapnuté“ alebo „vypnuté“ fyzickým spôsobom, teda ručne.

Zariadenia na ručné prepínanie sú spravidla veľkorozmerné, pomalého účinku a schopné spínať malé prúdy.

Ručný mechanizmus prepínania – „vzdialený príbuzný“ elektromagnetických relé. Poskytuje rovnakú funkcionalitu – spínanie pracovných vedení, ale ovláda sa výlučne ručne.

Medzitým sú elektromagnetické relé zastúpené najmä prepínačmi s elektrickým riadením. Prístroje majú rôzne tvary, rozmery a delia sa podľa úrovne menovitých výkonov. Možnosti ich použitia sú rozsiahle.

Takéto prístroje, vybavené jedným alebo niekoľkými pármi kontaktov, môžu byť súčasťou jednotnej konštrukcie väčších silových výkonných mechanizmov — kontaktorov, ktoré sa používajú na spínanie sieťového napätia alebo vysokonapäťových zariadení.

Základné princípy činnosti EMR

Tradične sa relé elektromagnetického typu používajú v rámci elektrických (elektronických) schém riadenia spínania. Pritom sa inštalujú buď priamo na doskách plošných spojov, alebo vo voľnej polohe.

Celková konštrukcia prístroja

Zaťažovacie prúdy používaných výrobkov sa zvyčajne merajú od zlomkov ampéra do 20 A a viac. Reléové obvody sú široko rozšírené v elektronickej praxi.

Prístroje veľmi rôznych konfigurácií, navrhnuté na inštaláciu na montážnych elektronických doskách alebo priamo vo forme samostatne inštalovaného zariadenia

Konštrukcia elektromagnetického relé premieňa magnetický tok, vytváraný priloženým napätím striedavého/jednosmerného prúdu, na mechanickú silu. Vďaka získanej mechanickej sile sa vykonáva riadenie kontaktnej skupiny.

Najrozšírenejšou konštrukciou je forma výrobku, ktorá zahŕňa nasledujúce komponenty:

• budiacu cievku;
• oceľové jadro;
• nosné šasi;
• kontaktnú skupinu.

Oceľové jadro má pevnú časť, nazývanú vahadlo, a pohyblivú pružinovú súčiastku, nazývanú kotva.

V podstate kotva dopĺňa obvod magnetického poľa, uzatvárajúc vzduchovú medzeru medzi nehybnou elektrickou cievkou a pohyblivou armatúrou.

Podrobný rozpis konštrukcie: 1 – odtláčacia pružina; 2 – kovové jadro; 3 – kotva; 4 – normálne zatvorený kontakt; 5 – normálne otvorený kontakt; 6 – spoločný kontakt; 7 – cievka medeného drôtu; 8 – vahadlo

Armatúra sa pohybuje na kĺboch alebo sa voľne otáča pôsobením generovaného magnetického poľa. Pritom sa zatvárajú elektrické kontakty pripevnené k armatúre.

Spravidla pružina (pružiny) spätného chodu umiestnená medzi vahadlom a kotvou vracia kontakty do pôvodnej polohy, keď je cievka relé v beznapäťovom stave.

Činnosť reléovej elektromagnetickej sústavy

Jednoduchá klasická konštrukcia EMR má dve sady elektricky vodivých kontaktov.

Na základe toho sa realizujú dva stavy kontaktnej skupiny:

1. Normálne otvorený kontakt.
2. Normálne zatvorený kontakt.

Preto je pár kontaktov klasifikovaný ako normálne otvorený (NO) alebo, ak je v inom stave, normálne zatvorený (NC).

Pre relé s normálne otvorenou polohou kontaktov sa stav „zatvorené“ dosiahne len vtedy, keď budiaci prúd prechádza cez indukčnú cievku.

Jedna z dvoch možných možností inštalácie kontaktnej skupiny predvolene. Tu je v nepripojenom stave cievky „predvolene“ nastavená normálne zatvorená (uzavretá) poloha.

V druhej možnosti – normálne zatvorená poloha kontaktov zostáva konštantná, keď budiaci prúd chýba v obvode cievky. To znamená, že kontakty spínača sa vracajú do svojej normálnej uzavretej polohy.

Preto termíny „normálne otvorený“ a „normálne zatvorený“ by sa mali vzťahovať na stav elektrických kontaktov, keď je cievka relé bez napätia, teda napájacie napätie relé je odpojené.

Elektrické kontaktné skupiny relé

Reléové kontakty sú zvyčajne tvorené elektricky vodivými kovovými prvkami, ktoré sa navzájom dotýkajú, uzatvárajú obvod a fungujú analogicky ako jednoduchý spínač.

Keď sú kontakty rozpojené, odpor medzi normálne otvorenými kontaktmi sa meria vysokou hodnotou v megohmoch. Takto sa vytvára podmienka rozpojeného obvodu, keď je prechod prúdu v obvode cievky vylúčený.

Kontaktná skupina akéhokoľvek elektromechanického spínača v rozpojenom režime má odpor niekoľko stoviek megohmov. Veľkosť tohto odporu sa môže u rôznych modelov mierne líšiť.

Ak sú kontakty zatvorené, kontaktný odpor by sa teoreticky mal rovnať nule – výsledok skratu.

Avšak takýto stav nie je vždy pozorovaný. Kontaktná skupina každého jednotlivého relé má určitý kontaktný odpor v stave „zatvorené“. Takýto odpor sa nazýva ustálený.

Vlastnosti prechodu prúdov záťaže

Pre prax inštalácie nového elektromagnetického relé sa kontaktný odpor zapnutia vyznačuje malou hodnotou, zvyčajne menej ako 0,2 Ω.

Vysvetľuje sa to jednoducho: nové hroty zostávajú zatiaľ čisté, ale časom sa odpor hrotov nevyhnutne zvýši.

Napríklad pre kontakty pod prúdom 10 A bude úbytok napätia 0,2 × 10 = 2 volty (Ohmov zákon). Z toho vyplýva – ak je napájacie napätie privádzané na kontaktnú skupinu 12 voltov, potom napätie pre záťaž bude 10 voltov (12-2).

Keď sa kovové kontaktné hroty opotrebúvajú, nie sú náležite chránené pred vysokými indukčnými alebo kapacitnými záťažami, stáva sa nevyhnutným vznik poškodení v dôsledku účinku elektrického oblúka.

Elektrický oblúk na jednom z kontaktov elektromechanického spínacieho prístroja. Toto je jedna z príčin poškodenia kontaktnej skupiny pri absencii vhodných opatrení.

Elektrický oblúk (iskrenie na kontaktoch) vedie k zvýšeniu kontaktného odporu hrotov a v dôsledku toho k fyzickému poškodeniu.

Ak sa relé v takomto stave naďalej používa, kontaktné hroty môžu úplne stratiť fyzikálnu vlastnosť kontaktu.

Existuje však vážnejší faktor, keď sa v dôsledku poškodenia oblúkom kontakty nakoniec zvaria, čím vytvoria podmienky na skrat.

V takýchto situáciách nie je vylúčené riziko poškodenia obvodu, ktorý EMR riadi.

Takže, ak sa odpor kontaktu zvýšil vplyvom elektrického oblúka o 1 Ohm, pokles napätia na kontaktoch pre rovnaký zaťažovací prúd sa zvýši na 1×10=10 voltov jednosmerného prúdu.

Tu môže byť veľkosť poklesu napätia na kontaktoch neprijateľná pre záťažový obvod, najmä pri práci s napájacími napätiami 12-24 V.

Typ materiálu kontaktov relé

Na zníženie vplyvu elektrického oblúka a vysokých odporov sa kontaktné hroty moderných elektromechanických relé vyrábajú alebo potiahnu rôznymi zliatinami na báze striebra.

Týmto spôsobom je možné výrazne predĺžiť životnosť kontaktnej skupiny.

Hroty kontaktných dosiek elektromechanických spínacích prístrojov. Tu sú uvedené varianty hrotov potiahnutých striebrom. Tento typ povlaku znižuje faktor poškodenia.

V praxi sa používajú nasledujúce materiály, ktorými sa upravujú hroty kontaktných skupín elektromagnetických (elektromechanických) relé:

• Ag – striebro;
• AgCu – striebro-meď;
• AgCdO – striebro-oxid kademnatý;
• AgW – striebro-wolfrám;
• AgNi – striebro-nikel;
• AgPd – striebro-paládium.

Zvýšenie životnosti hrotov kontaktných skupín relé znížením počtu výskytov elektrického oblúka sa dosahuje pripojením odporovo-kondenzátorových filtrov, nazývaných aj RC tlmivky.

Tieto elektronické obvody sa pripájajú paralelne ku kontaktným skupinám elektromechanických relé. Napäťová špička, ktorá sa vyskytuje v okamihu otvorenia kontaktov, je pri tomto riešení bezpečne krátka.

Použitím RC tlmiviek je možné potlačiť elektrický oblúk, ktorý vzniká na kontaktných hrotoch.

Typické prevedenie kontaktov EMR

Okrem klasických normálne otvorených (NO) a normálne zatvorených (NC) kontaktov mechanika reléového spínania zahŕňa aj klasifikáciu podľa činnosti.

Vlastnosti vyhotovenia spojovacích prvkov

Konštrukcie relé elektromagnetického typu v tomto variante umožňujú prítomnosť jedného alebo viacerých samostatných kontaktov prepínača.

Takto vyzerá zariadenie technologicky nakonfigurované na vyhotovenie SPST – jednopólové a jednosmerné. Existujú aj iné varianty vyhotovenia.

Vyhotovenie kontaktov je charakterizované nasledujúcou sadou skratiek:

• SPST (Single Pole Single Throw) – jednopólový jednosmerný;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – jednopólový dvojsmerný;
• DPST (Double Pole Single Throw) – dvojpólový jednosmerný;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – dvojpólový dvojsmerný.

Každý takýto spojovací prvok sa označuje ako „pól“. Ktorýkoľvek z nich môže byť pripojený alebo odpojený, pričom súčasne aktivuje cievku relé.

Jemnosti použitia prístrojov

Napriek jednoduchosti konštrukcie elektromagnetických spínačov existujú určité jemnosti v praxi používania týchto zariadení.

Odborníci kategoricky neodporúčajú pripájať paralelne všetky kontakty relé, aby sa týmto spôsobom spínal obvod záťaže s vysokým prúdom.

Napríklad pripájať záťaž 10 A paralelným spojením dvoch kontaktov, z ktorých každý je dimenzovaný na prúd 5 A.

Tieto jemnosti montáže sú spôsobené tým, že kontakty mechanických relé sa nikdy nezatvárajú a neotvárajú v rovnakom okamihu.

V dôsledku toho bude jeden z kontaktov v každom prípade preťažený. A aj s ohľadom na krátkodobé preťaženie je predčasné zlyhanie zariadenia pri takomto zapojení nevyhnutné.

Nesprávna prevádzka, ako aj pripojenie relé mimo stanovených pravidiel montáže, zvyčajne končí takýmto výsledkom. Vnútri vyhorelo prakticky všetko.

Elektromagnetické výrobky je možné používať v elektrických alebo elektronických obvodoch s nízkou spotrebou energie ako spínače relatívne vysokých prúdov a napätí.

Dôrazne sa však neodporúča viesť rôzne napätia záťaže cez susedné kontakty jedného zariadenia.

Napríklad spínať napätie striedavého prúdu 220 V a jednosmerného prúdu 24 V. Vždy by sa mali používať samostatné výrobky pre každú z možností z dôvodu zaistenia bezpečnosti.

Techniky ochrany proti spätnému napätiu

Významnou súčasťou každého elektromechanického relé je cievka. Táto súčasť patrí do kategórie záťaže s vysokou indukčnosťou, pretože má drôtové vinutie.

Každá cievka navinutá drôtom má určitú impedanciu pozostávajúcu z indukčnosti L a odporu R, čím tvorí sériový obvod LR.

Pri pretekaní prúdu cez cievku sa vytvára vonkajšie magnetické pole. Keď sa tok prúdu v cievke v režime „vypnuté“ zastaví, magnetický tok sa zvyšuje (teória transformácie) a vzniká vysoké spätné napätie EMF (elektromotorickej sily).

Táto indukovaná hodnota spätného napätia môže niekoľkokrát prekročiť spínacie napätie.

V dôsledku toho vzniká riziko poškodenia všetkých polovodičových komponentov umiestnených v blízkosti relé. Napríklad bipolárny alebo unipolárny tranzistor používaný na privedenie napätia na cievku relé.

Obvodové varianty, vďaka ktorým je zabezpečená ochrana polovodičových prvkov riadenia – bipolárnych a unipolárnych tranzistorov, integrovaných obvodov, mikrokontrolérov

Jedným zo spôsobov, ako zabrániť poškodeniu tranzistora alebo akéhokoľvek spínacieho polovodičového zariadenia vrátane mikrokontrolérov, je možnosť pripojenia spätne polarizovanej diódy do obvodu cievky relé.

Keď prúd pretekajúci cez cievku ihneď po vypnutí generuje indukované spätné elektromotorické napätie, toto spätné napätie otvára spätne polarizovanú diódu.

Cez polovodič sa akumulovaná energia rozptýli, čím sa zabráni poškodeniu riadiaceho polovodiča – tranzistora, tyristora, mikrokontroléra.

Polovodič často zahrnutý v obvode cievky sa nazýva aj:

• dióda – zotrvačník;
• bočná dióda;
• obrátená dióda.

Medzi týmito prvkami však nie je veľký rozdiel. Všetky vykonávajú jednu funkciu. Okrem použitia spätne polarizovaných diód sa na ochranu polovodičových komponentov používajú aj iné zariadenia.

Rovnaké RC tlmiace obvody, kovovo-oxidové varistory (MOV), Zenerove diódy.

Označovanie elektromagnetických reléových prístrojov

Technické označenia, ktoré nesú čiastočné informácie o prístrojoch, sa zvyčajne uvádzajú priamo na šasi elektromagnetického spínacieho prístroja.

Takéto označenie má podobu skrátenej skratky a číselného súboru.

Každé elektromechanické spínacie zariadenie sa tradične označuje. Na tele alebo na šasi sa nanáša približne takýto súbor symbolov a číslic, ktorý označuje určité parametre.

Príklad označenia na tele elektromechanických relé:

RES32 RF4.500.335-01

Tento zápis sa dešifruje takto: relé elektromagnetické slaboprúdové, 32. séria, zodpovedajúce vyhotoveniu podľa pasu RF4.500.335-01.

Takéto označenia sú však zriedkavé. Častejšie sa vyskytujú skrátené varianty bez výslovného uvedenia GOST:

RES32 335-01

Taktiež na šasi (na tele) prístroja je uvedený dátum výroby a číslo šarže. Podrobné informácie sú obsiahnuté v technickom pase výrobku. Pasom je vybavený každý prístroj alebo šarža.

Závery a užitočné video k téme

Video populárne vysvetľuje, ako funguje elektromechanická elektronika spínania. Názorne sú uvedené jemnosti konštrukcií, vlastnosti pripojení a ďalšie podrobnosti:

Elektromechanické relé sa už dlhší čas používajú ako elektronické súčiastky. Tento typ spínacích prístrojov však možno považovať za morálne zastaraný. Mechanické zariadenia čoraz častejšie nahrádzajú modernejšie prístroje – čisto elektronické. Jedným z takýchto príkladov sú polovodičové relé.

Máte otázky, našli ste nedostatky alebo máte zaujímavé fakty k téme článku, o ktoré sa môžete podeliť s návštevníkmi našej stránky? Prosím, zanechajte svoje komentáre, pýtajte sa, zdieľajte skúsenosti v bloku na komunikáciu pod článkom.