Электроника:Цифровая электроника/Электромеханические реле/Устройство реле

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Устройство реле[1]

Электричество и магнетизм

Когда электрический ток течёт по проводнику, вокруг него он создаёт силовые линии магнитного поля. Если проводник намотать в форму катушки, создаваемое магнитное поле будет ориентировано по длине катушки. Чем больше ток, тем больше напряжённость магнитного поля при прочих равных условиях:

Рис. 1. Электричество и магнетизм.
Рис. 1. Электричество и магнетизм.

Индукторы и магнитные поля

Индуктивные элементы реагируют на изменения тока из-за энергии, хранящейся в этом магнитном поле. Когда мы строим трансформатор из двух катушек индуктивности вокруг общего железного сердечника, мы используем это поле для передачи энергии от одной катушки к другой.

Однако есть более простые и прямые способы использования электромагнитных полей, чем те, которые мы видели с использованием индукторов и трансформаторов.

Магнитное поле, создаваемое катушкой с токопроводящим проводом, можно использовать для приложения механической силы к любому магнитному объекту, точно так же, как мы можем использовать постоянный магнит для притяжения магнитных объектов. Разница разве что в том, что этот электромагнит (образованный катушкой) может включаться или выключаться за счёт включения или выключения тока в катушке.

Соленоиды

Если мы поместим магнитный объект рядом с такой катушкой (дабы заставить этот объект двигаться), то, когда мы запитываем катушку электрическим током, мы получаем так называемый соленоид. Подвижный магнитный объект называется якорем, и большинство якорей можно перемещать с помощью постоянного (DC) или переменного (AC) тока, питающего катушку.

Полярность магнитного поля не важна для притяжения железного якоря. Соленоиды могут использоваться для электрического открытия дверных защёлок, открытия/закрытия клапанов, перемещения роботизированных манипуляторов и даже приведения в действие механизмов электрических переключателей. Однако, если для приведения в действие набора переключающих контактов используется соленоид, то это будет настолько полезное устройство, что оно заслуживает собственного названия: реле.

Реле

Реле чрезвычайно полезны, когда нам необходимо управлять большим током/напряжением с помощью слабого электрического сигнала.

Катушка реле, создающая магнитное поле, может потреблять лишь доли ватта мощности, в то время как контакты, замыкаемые/размыкаемые этим магнитным полем, могут передавать нагрузке в сотни раз больше энергии. Фактически, реле действует как двоичный (включенный или выключенный) усилитель.

Как и в случае с транзисторами, способность реле управлять одним электрическим сигналом с помощью другого применяется при построении логических функций. Более подробно эта тема будет рассмотрена в другом уроке. А пока мы исследуем «усиливающую» способность реле.

Рис. 2. Катушка реле запитана от источника низкого напряжения.
Рис. 2. Катушка реле запитана от источника низкого напряжения.

На приведённой на рисунке 2 выше схеме катушка реле запитана от источника низкого напряжения (12 В постоянного тока), а однополюсный однонаправленный контакт (ОПОН) прерывает цепь высокого напряжения (480 В переменного тока).

Вполне вероятно, что ток, необходимый для включения катушки реле, будет в сотни раз меньше номинального тока контакта. Типичные токи обмотки реле значительно ниже 1 А, в то время как номинальные характеристики контактов промышленных реле составляют не менее 10 А.

Реле в сборке

Один катушечный узел, состоящий из реле и якоря, может использоваться для приведения в действие более чем одного набора контактов. Контакты этого набора могут быть все нормально разомкнутыми, все нормально замкнутыми или любой их комбинацией.

Как и в случае с переключателями, «нормальным» состоянием контактов реле является то состояние, когда катушка обесточена, то есть, как если вы бы обнаружили реле, лежащее на полке, не подключённое к какой-либо цепи.

Контакты реле могут быть открытыми площадками из металлического сплава, ртутными трубками или даже магнитными «язычками», как и в различных типах переключателей. Выбор контактов в реле зависит от тех же факторов, которые диктуют выбор контактов в других типах переключателей.

Контакты в открытом виде лучше всего подходят для сильноточных приложений, но их склонность к коррозии и искрению может вызвать проблемы в некоторых промышленных средах. Ртутные и герконовые контакты не имеют искр и не подвержены коррозии, но ограничены в своей пропускной способности по току.

Примеры физических релейных устройств

Здесь показаны три небольших реле (около двух дюймов в высоту каждое), установленных на панели как часть системы электрического управления на городской станции водоочистки:

Рис. 3. Примеры физических релейных устройств.
Рис. 3. Примеры физических релейных устройств.

Показанные здесь релейные блоки называются «октальный цоколь», потому что они подключаются к соответствующим гнёздам, а электрические соединения закрепляются с помощью восьми (лат. octo – рус. восемь) металлических штырей в нижней части реле. Винтовые клеммы, которые вы видите на фотографии, где провода подключаются к реле, на самом деле являются частью узла розетки, в который вставляется каждое реле.

Такая конструкция облегчает снятие и замену реле в случае выхода последних из строя.

Прочие преимущества реле

Помимо способности позволять относительно небольшому электрическому сигналу переключать относительно большой электрический сигнал, реле также обеспечивают электрическую изоляцию между катушкой и контактными цепями. Это означает, что цепь катушки и цепь контактов электрически изолированы друг от друга.

Одна цепь может быть постоянным током, а другая - переменным током (например, в примере схемы, показанной ранее на рисунке 2), и/или они могут иметь совершенно разные уровни напряжения между соединениями или между соединениями и «землёй».

Ток втягивания и ток отпускания

Хотя реле по сути являются двоичными устройствами, полностью включёнными или полностью выключенными, существуют рабочие условия, при которых их состояние может быть неопределённым, как и в случае с полупроводниковыми логическими вентилями. Для того чтобы реле положительно «втягивало» якорь и приводило в действие контакт(-ы), через катушку должен проходить определённый минимальный ток.

Эта минимальная величина называется током втягивания и аналогична минимальному входному напряжению, которое требуется логическому вентилю для гарантии «высокого» состояния (обычно 2 В для ТТЛ, 3,5 В для КМОП).

Однако, когда якорь подтягивается ближе к центру катушки, требуется меньший поток магнитного поля (меньший ток катушки), чтобы удерживать его там. Следовательно, ток катушки должен упасть ниже значения, значительно меньшего, чем ток втягивания, прежде чем якорь «выпадет» в подпружиненное положение и контакты вернутся в нормальное состояние.

Этот уровень тока называется током отпускания, и он аналогичен максимальному входному напряжению, при котором вход логического элемента позволяет гарантировать «низкое» состояние (обычно 0,8 В для ТТЛ, 1,5 В для КМОП).

Гистерезис (как разница между токами втягивания и отпускания) приводит к работе, аналогичной работе логического элемента триггера Шмитта. Токи (и напряжения) втягивания и отпускания сильно различаются от одного реле к другому, их значения указываются производителем в спецификации.

Итог

  • Соленоид – устройство, производящее механическое движение, в результате подачи напряжения на катушку электромагнита. Подвижная часть соленоида называется якорем.
  • Реле – электромагнитный набор (катушка + якорь) для приведения в действие переключающих контактов, когда катушка находится под напряжением. Реле является разновидностью соленоида.
  • Ток втягивания – минимальное количество тока в катушке, необходимое для приведения в действие соленоида/реле из его «нормального» (невозбуждённого) состояния.
  • Ток отпускания – максимальный ток катушки, ниже которого включённое реле вернётся в свое «нормальное» состояние.

См.также

Внешние ссылки