Объяснение электрических реле: Руководство по их работе и типам

Реле, возможно, и не является основным, незаменимым компонентом, который можно представить на огромной арене электротехники и электроники, но можно с уверенностью сказать, что оно является одним из самых основных и адаптируемых. Он позволяет молча управлять бесконечным множеством систем, начиная с автомобиля, на котором вы ездите, и заканчивая автоматизированной фабрикой, на которой создаются вещи, которые вы покупаете каждый день. Однако что же представляет собой этот элемент кризиса и как он выполняет свою важнейшую роль?

В этом уроке мы подробно рассмотрим электрическое реле. Мы разберем его до основных принципов, противопоставим различные варианты, рассмотрим, как оно используется на практике, и дадим несколько практических советов по его выбору, подключению и устранению неисправностей. Будучи студентом или специалистом по самоделкам, а также инженером, это подробное описание вооружит вас прочными знаниями об электрическом реле.

Что такое электрическое реле?

Что такое реле? Электрическое реле - это переключатель с электрическим приводом в самом базовом значении. Основное применение относительно небольшой электрической мощности в одной цепи заключается в регулировании переключения (размыкания/замыкания) другой, часто гораздо более крупной цепи, которая может включать высокую мощность или большой ток. Реле позволяет большим количеством слаботочных управляющих сигналов управлять мощной электрической нагрузкой. Такая способность не просто удобна, она является основой современных электрических систем и обеспечивает три основные ценности:

• Управление: Реле обеспечивают безопасный способ выполнения опасной в других случаях задачи передачи низковольтного слаботочного сигнала, например, сигнала, посылаемого микроконтроллером, датчиком или простым переключателем на приборной панели, для управления действиями высоковольтного сильноточного устройства, такого как двигатель, компрессор или набор мощных ламп.
• Изоляция (гальваническая изоляция): Это один из самых важных защитных элементов реле. Цепь управления (“вход”) и цепь нагрузки (“выход”) электрически и физически развязаны. Такая развязка позволяет избежать обратной передачи мощных электрических сигналов со стороны нагрузки на чувствительную управляющую электронику, подключенное оборудование и оператора.
• Усиление: В реальном смысле слова реле будет служить в качестве усилитель сигнала. Миллиампер или около того тока через катушку реле может эффективно управлять цепью с десятками или даже сотнями ампер, поэтому реле может быть использовано для удовлетворительной работы с индуктивными нагрузками или даже нагрузками постоянного тока, включая приложения с большими токами.

Как работают реле: Основные принципы

Для того чтобы правильно понять, что такое реле, необходимо сначала рассмотреть самый распространенный и естественный тип реле - электромеханическое реле (ЭМР). Его функционирование - это реальное проявление электромагнетизма в действии, и оно концептуально используется при формулировании других типов реле.

EMR - это комплекс из множества элементов, которые должны работать совместно:

• Катушка: Предмет в форме цилиндра с медным проводом, заключенным в металлический сердечник. При прохождении тока через эту проволоку сердечник временно становится магнитом - электромагнитом.
• Арматура: Подвижная деталь из железа, которая притягивается к заряду, являющемуся электромагнитом. Она может поворачиваться.
• Ярмо: Жесткая железная конструкция, обеспечивающая путь магнитного потока с малым сопротивлением, благодаря чему магнитное поле концентрируется на якоре.
• Контакты: Это физические компоненты переключателя, которые контактируют друг с другом, образуя цепь, а при разъединении разрывают ее. Реле имеют различные типы контактов, такие как нормально разомкнутые (NO) и нормально замкнутые (NC). Количество и характер контактов зависит от конкретного применения.
• Нормально открытый (NO): Когда реле не подается напряжение, набор контактов не подключен. Цепь разомкнута.
  • Нормально закрытый (NC): Это обратное нормально разомкнутому состояние, при котором контакты реле находятся в контакте, когда на реле не подано напряжение. Оно замкнуто.
  • Общий (COM): Якорь подключен к клемме, которая перемещается к размыкающим или замыкающим контактам.
• Весна: Часть, обеспечивающая переход якоря в положение покоя, когда на катушку больше не подается напряжение.

Механические и твердотельные реле (SSR)

Электромеханическое реле при всей своей продуманности является устройством с подвижными частями. С развитием технологий появился полностью электронный вариант, известный как твердотельное реле (SSR). Хотя они имеют общее назначение, внутреннее устройство и характер работы в них практически не отличаются. Это различие очень важно при проектировании современных систем.

SSR не содержит движущихся частей. Для переключения электрической нагрузки в нем используются полупроводники, в частности, тиристоры, TRIAC или силовые транзисторы. Управляющий сигнал традиционно подключается к переключающему полупроводнику через оптопару (светодиод и фотодетектор), что обеспечивает абсолютную гальваническую развязку, как в ЭМР. Это позволяет обеспечить безопасное функционирование в более сложных условиях, таких как высокое воздействие электрической дуги или необходимость регулирования электронных устройств.

Вот подробное сравнение этих двух устройств:

Как видите, в условиях повышенных требований к надежности, быстроте переключения и длительному сроку службы твердотельные реле являются лучшим выбором. Их также можно использовать в современных системах управления и автоматизации, где они работают бесшумно, а также устойчивы к ударам и вибрации.

Почему современные системы предпочитают твердотельные реле

В компании OMCH мы специализируемся на высокопроизводительных Твердотельные реле разработаны для промышленной автоматизации. Такие реле OMCH, как серия OMCH SSR-DA/AA, обеспечивают точное управление и исключительную долговечность, устраняя такие проблемы, как контактное сопротивление или электрическая дуга которые могут возникнуть в традиционных механических реле. Это обеспечивает максимальное время безотказной работы и эффективность для таких критически важных приложений, как системы управления освещением или системы безопасности.

Общие приложения и примеры использования

Гибкость реле объясняет, почему они используются практически во всех областях техники. Они также необходимы в большом количестве приложений благодаря своей способности безопасно проводить большие токи или постоянный ток:

• В автомобильных системах: Автомобиль 21 века - это целая вселенная реле. Они нужны потому, что электронное управление автомобилем (ЭБУ, модуль управления кузовом) работает на очень низких токах, в то время как для таких вещей, как фары, стартеры и вентиляторы охлаждения, требуется очень большой ток. Реле восполняют этот пробел, а также кажущуюся безопасность и эффективность управления этими тяжелыми нагрузками с помощью небольшого переключателя на приборной панели или сигнала ЭБУ.
• В промышленных панелях управления: Промышленная автоматизация в значительной степени зависит от реле. Они являются посредниками в панели управления между мощным оборудованием на заводе и программируемым логическим контроллером (ПЛК). В качестве примера можно привести выход сигнала 24 В постоянного тока ПЛК, который может активировать реле, которое, в свою очередь, может включить или выключить трехфазный двигатель 480 В переменного тока. SSR находят здесь особое применение, так как имеют длительный срок службы в таких высокоцикличных системах, как управление нагревателями и приводами двигателей.
• В разделе Умный дом и проекты DIY: В проектах, где любителю или создателю нужно обеспечить связь своих проектов с реальным миром, реле - это выход. Небольшая машина, такая как лампа, кофеварка или бытовой прибор, не может напрямую питаться от маленького микроконтроллера, такого как Arduino или Raspberry Pi. С помощью релейного модуля микроконтроллер можно использовать для безопасного переключения обычного переменного тока, который можно найти в доме, и эта схема является основой любого проекта умного дома или автоматизации, который только можно себе представить.

Как выбрать правильное реле

Выбор правильного реле имеет решающее значение для безопасности и надежности вашей цепи. Он предполагает соответствие технических характеристик реле требованиям вашего приложения. Учитывайте следующие важные факторы:

• Напряжение и ток нагрузки: Это самая важная спецификация. Каково напряжение (переменного или постоянного тока) устройства, которое необходимо переключить? Какой ток потребуется для его работы? Эти значения должны быть меньше номинала контактов (или выхода) реле. Никогда не забывайте о 20-30-процентном запасе прочности.
• Напряжение управляющего сигнала: Напряжение, необходимое для полного включения катушки реле (ЭМР) или входной цепи (УСБ). Оно должно быть равно или больше, чем выход вашего устройства управления (например, Arduino выдает 5 В, автомобильный аккумулятор - 12 В, ПЛК - 24 В).
• Частота переключения: Какое количество раз реле должно включаться и выключаться? В большинстве коммутационных приложений (более одного раза в секунду) целесообразно использовать только твердотельное реле, поскольку даже EMR может выйти из строя механически из-за высокой частоты коммутации.
• Окружающая среда Факторы: Условия работы. Существуют ли сильные вибрации или удары? Необходимо ли работать в тишине? Имеются ли взрывоопасные газы (где необходимо герметичное реле)? SSR обычно является лучшей и более безопасной альтернативой в условиях сильной вибрации, например, там, где необходима тишина и высокая надежность.

Практическое руководство по релейной проводке

Для нумерации клемм большинства автомобильных и промышленных реле используется стандартная схема, которая упрощает подключение таких реле. Наиболее часто встречающимися являются:

• 85 и 86: Это клеммы катушки реле. Реле активируется при подаче на них нужного напряжения. Для большинства реле постоянного тока полярность не имеет значения, хотя они могут иметь внутренний диод подавления, в этом случае они будут помечены.
• 30: Общая клемма. Обычно связана с подачей питания на цепь нагрузки.
• 87: Нормально разомкнутая (NO) клемма. Это клемма, на которую заводится клемма 30, когда реле замыкается.
• 87a: Нормально замкнутый (НЗ) контакт (на 5-контактном реле). Это конечная клемма, которая соединяется с клеммой 30, когда реле не работает.

Устранение распространенных проблем с реле

Реле обычно становится виновником сбоя в цепи, особенно если источник питания не работает должным образом. Ниже приведены некоторые проблемы, с которыми обычно сталкиваются, и способы их диагностики:

Проблема 1: Реле издает звук “щелчок”, но нагрузка не работает.

• Возможная причина: Это означает, что цепь управления (на катушку подается напряжение) в порядке; в цепи нагрузки имеется неисправность. Внутренние контакты реле могут быть сильно изношены или подгорели (питтинг), так что хороший электрический контакт невозможен. Также причиной может быть плохо подключенная нагрузка, отсоединенный или оборванный провод или перегоревший предохранитель на стороне нагрузки (контакты 30 и 87).

Проблема 2: Реле сильно нагревается.

• Возможная причина: В случае ЭМР катушка может быть подключена только до определенного напряжения, после чего она перегревается и сгорает. Как в ЭМР, так и в SSR, если реле слишком мало для того, чтобы справиться с током нагрузки, оно постепенно перегревается и выходит из строя.

Проблема 3: Реле всегда включено или всегда выключено.

• Возможная причина: В ЭМП огромный скачок тока может даже сварить внутренние контакты, оставив реле в режиме “включено”. В свою очередь, перегоревший провод катушки не позволит ему включиться. Сильное перенапряжение или перегрузка по току в SSR может повредить внутренний полупроводник, в результате чего реле окажется в постоянно разомкнутой цепи (или в постоянно замкнутой цепи с предохранителем).