Электромагнитное реле

Электромагнитное реле

Для управления различными исполнительными устройствами, коммутации цепей, управления приборами в электронике активно применяется электромагнитное реле.

Устройство реле достаточно просто. Его основой является катушка, состоящая из большого количества витков изолированного провода.

Внутрь катушки устанавливается стержень из мягкого железа. В результате получается электромагнит. Также в конструкции реле присутствует якорь.Он закреплён на пружинящем контакте. Сам же пружинящий контакт закреплён на ярме. Вместе со стержнем и якорем ярмо образует магнитопровод.

Если катушку подключить к источнику тока, то образовавшееся магнитное поле намагничивает сердечник. Он в свою очередь притягивает якорь. Якорь укреплён на пружинящем контакте. Далее пружинящий контакт замыкается с другим неподвижным контактом. В зависимости от конструкции реле, якорь может по-разному механически управлять контактами.

Устройство реле.

В большинстве случаев реле монтируется в защитном корпусе. Он может быть как металлическим, так и пластмассовым. Рассмотрим устройство реле более наглядно, на примере импортного электромагнитного реле Bestar. Взглянем на то, что внутри этого реле.

Вот реле без защитного корпуса. Как видим, реле имеет катушку, стержень, пружинящий контакт, на котором закреплен якорь, а также исполнительные контакты.

На принципиальных схемах электромагнитное реле обозначается следующим образом.

Условное обозначение реле на схеме состоит как бы из двух частей. Одна часть (К1) – это условное обозначение электромагнитной катушки. Она обозначается в виде прямоугольника с двумя выводами. Вторая часть (К1.1; К1.2) – это группы контактов, которыми управляет реле. В зависимости от своей сложности реле может иметь достаточно большое количество коммутируемых контактов. Они разбиваются на группы. Как видим, на обозначении изображены две группы контактов (К1.1 и К1.2).

Как работает реле?

Принцип работы реле наглядно иллюстрирует следующая схема. Есть управляющая цепь. Это само электромагнитное реле K1, выключатель SA1 и батарея питания G1. Также есть исполнительная цепь, которым управляет реле. Исполнительная цепь состоит из нагрузки HL1 (лампа сигнальная), контактов реле K1.1 и батареи питания G2. Нагрузкой может быть, например, электрическая лампа или электродвигатель. В данном случае в качестве нагрузки используется сигнальная лампа HL1.

Как только мы замкнём управляющую цепь выключателем SA1, ток от батареи питания G1 поступит на реле K1. Реле сработает, и его контакты K1.1 замкнут исполнительную цепь. На нагрузку поступит напряжение питания от батареи G2 и лампа HL1 засветится. Если разомкнуть цепь выключателем SA1, то с реле K1 будет снято напряжение питания и контакты реле K1.1 вновь разомкнуться и лампа HL1 выключится.

Коммутируемые контакты реле могут иметь своё конструктивное исполнение. Так, например, различают нормально-разомкнутые контакты, нормально-замкнутые контакты и контакты на переключение (перекидные). Разберёмся с этим поподробнее.

Нормально разомкнутые контакты

Нормально разомкнутые контакты – это контакты реле, которые находятся в разомкнутом состоянии до тех пор, пока через катушку реле не потечёт ток. Говоря проще, когда реле выключено, контакты тоже разомкнуты. На схемах реле с нормально-разомкнутыми контактами обозначается вот так.

Нормально замкнутые контакты

Нормально замкнутые контакты – это контакты реле, находящиеся в замкнутом состоянии, пока через катушку реле не начнёт течь ток. Таким образом, получается, что при выключенном реле контакты замкнуты. Такие контакты на схемах изображают следующим образом.

Переключающиеся контакты

Переключающиеся контакты – это комбинация из нормально-замкнутых и нормально-разомкнутых контактов. У переключающихся контактов есть общий провод, который переключается с одного контакта на другой.

Современные широко распространённые реле, как правило, имеют переключающиеся контакты, но могут встречаться и реле, которые имеют в своём составе только нормально-разомкнутые контакты.

У импортных реле нормально-разомкнутые контакты реле обозначаются сокращением N.O. А нормально-замкнутые контакты N.C. Общий контакт реле имеет сокращение COM. (от слова common – «общий»).

Теперь обратимся к параметрам электромагнитных реле.

Параметры электромагнитных реле.

Как правило, размеры самих реле позволяют наносить на корпус их основные параметры. В качестве примера, рассмотрим импортное реле Bestar BS-115C. На его корпусе нанесены следующие надписи.

COIL 12VDC – это номинальное напряжение срабатывания реле (12V). Поскольку это реле постоянного тока, то указано сокращённое обозначение постоянного напряжения (сокращение DC обозначает постоянный ток/напряжение). Английское слово COIL переводится как «катушка», «соленоид». Оно указывает на то, что сокращение 12VDC имеет отношение к катушке реле.

Далее на реле указаны электрические параметры его контактов. Понятно, что мощность контактов реле может быть разная. Это зависит как от габаритных размеров контактов, так и от используемых материалов. При подключении нагрузки к контактам реле нужно знать мощность, на которую они рассчитаны. Если нагрузка потребляет мощность больше той, на которую рассчитаны контакты реле, то они будут нагреваться, искрить, «залипать». Естественно, это приведёт к скорому выходу из строя контактов реле.

Для реле, как правило, указываются параметры переменного и постоянного тока, которые способны выдержать контакты.

Так, например, контакты реле Bestar BS-115C способны коммутировать переменный ток в 12А и напряжение 120V. Эти параметры зашифрованы в надписи 12А 120VAC (сокращение AC обозначает переменный ток).

Также реле способно коммутировать постоянный ток силой 10А и напряжением 28V. Об этом свидетельствует надпись 10A 28VDC. Это были силовые характеристики реле, точнее его контактов.

Потребляемая мощность реле.

Теперь обратимся к мощности, которую потребляет реле. Как известно, мощность постоянного тока равна произведению напряжения (U) на ток (I): P=U*I. Возьмём значения номинального напряжения срабатывания (12V) и потребляемого тока (30 mA) реле Bestar BS-115C и получим его потребляемую мощность (англ. — Power consumption).

Таким образом, мощность реле Bestar BS-115C составляет 360 милливатт (mW).

Есть ещё один параметр – это чувствительность реле. По своей сути, это и есть мощность потребления реле во включённом состоянии. Понятно, что реле, которому требуется меньше мощности для срабатывания, является более чувствительным по сравнению с теми, которые потребляют большую мощность. Такой параметр, как чувствительность реле, особенно важен для устройств с автономным питанием, так как включенное реле расходует заряд батарей. К примеру, есть два реле с потребляемой мощностью 200 mW и 360 mW. Таким образом, реле мощностью 200 mW обладает большей чувствительностью, чем реле мощностью 360 mW.

Как проверить реле?

Электромагнитное реле можно проверить обычным мультиметром в режиме омметра. Так как обмотка катушки реле обладает активным сопротивлением, то его можно легко измерить. Сопротивление обмотки реле может варьироваться от нескольких десятков ом (Ω), до нескольких килоом (). Обычно самое низкое сопротивление обмотки имеют миниатюрные реле, которые рассчитаны на номинальное напряжение 3 вольта. У реле, номинальное напряжение которых составляет 48 вольт, сопротивление обмотки намного выше. Это прекрасно видно по таблице, в которой указаны параметры реле серии Bestar BS-115C.

Номинальное напряжение (V, постоянное) Сопротивление обмотки (Ω ±10%) Номинальный ток (mA) Потребляемая мощность (mW)
3 25 120 360
5 70 72
6 100 60
9 225 40
12 400 30
24 1600 15
48 6400 7,5
Читайте также  Маленький напильник

Отметим, что потребляемая мощность всех типов реле этой серии одинакова и составляет 360 mW.

Электромагнитное реле является электромеханическим прибором. Это, наверное, является самым большим плюсом и в то же время весомым минусом.

При интенсивной эксплуатации любые механические части изнашиваются и приходят в негодность. Кроме этого, контакты мощных реле должны выдерживать огромные токи. Поэтому их покрывают сплавами драгоценных металлов, таких как платина (Pt), серебро (Ag) и золото (Au). Из-за этого качественные реле стоят довольно дорого. Если ваше реле всё-таки вышло из строя, то замену ему можно купить здесь.

К положительным качествам электромагнитных реле можно отнести устойчивость к ложным срабатываниям и электростатическим разрядам.

2. Типы переключателей.

По типу переключения все реле можно поделить на 2 основных типа:

— реле размыкает или замыкает контакт (SPST). Такое реле имеет один вход и один выход, и работает как ключ. При этом одно такое реле может содержать несколько пар независимых контактов, т.е. иметь несколько баз со своими контактами (DPST).

— реле переключается между двумя и более контактами (SPDT. Здесь имеется одна база, но может быть несколько выходов. Такие реле так же могут иметь в себе несколько пар контактов (DPDT).

SPDT (Single Pole, Double Throw). Один полюс, два направления. Т.е. Есть один общий контакт, который может переключаться с двумя направлениями.

DPDT (Double Pole, Double Throw). Два полюса на два направления, т.е. 2 группы переключателей. По сути это два реле SPDT в одном, но имеющие общую катушку. Иногда реле типа DPDT так и обозначается -2SPDT. Таким образом может быть реализовано и реле с гораздо большим количеством переключателей.

SPST (Single Pole, Single Throw). Один полюс на одно направление. Формально это управляемый ключ, который может быть либо нормально замкнутым, либо нормально разомкнутым.

DPST (Double Pole, Single Throw). Два полюса на одно направление. Реле DPST с двойным полюсом эквивалентно двум переключателям SPST (NO нормально разомкнутый и NC нормально замкнутый) и может использоваться для переключения двух разных нагрузок.

У нас есть 2 сценария в зависимости от типа реле

Без напряжения на катушке:

С NO, нагрузки будут ОТКЛЮЧЕНЫ, поскольку ток не может протекать.

С NC нагрузки будут ВКЛЮЧЕНЫ, поскольку ток может протекать

С напряжением на катушке:

С NO, нагрузки будут ВКЛЮЧЕНЫ, поскольку ток может протекать.

С NC нагрузки будут ОТКЛЮЧЕНЫ, поскольку ток не может протекать.

Как устроено электромагнитное реле?

Электромагнитное реле — это электромеханическая система, состоящая, в самом простом случае, из катушки с проводом (обмотки), помещенной на металлический сердечник и подвижной части (якоря), соединенного с пружинящими контактными пластинами. Работа его основана на принципе электромагнитной индукции.

При подаче напряжения на обмотку по ней протекает ток, возникает электромагнитная индукция, намагничивающая сердечник из магнитомягкого материала.

Магнитомягкий материал представляет собой специальный сплав на основе железа, который быстро намагничивается и быстро теряет намагниченность при исчезновении электромагнитного поля.

При определённой величине тока в обмотке сила притяжения сердечника превышает силу упругости пружины якоря — и якорь притягивается к сердечнику.

С якорем соединены механические элементы с гибкими контактами, которые при притяжения якоря к сердечнику замыкаются или размыкаются, в зависимости от конкретной конструкции.

Одно реле может иметь несколько групп контактов.

Для уменьшения переходного сопротивления рабочие части контактов покрывают благородными металлами (золото, палладий) или сплавами на основе серебра, кадмия и других металлов. Вид покрытия контактов влияет на стоимость реле в целом.

Для защиты обмотки и контактов от внешних воздействий вся конструкция очень часто помещается в закрытый корпус. На корпус наносится маркировка.

Примеры

Пример 1. Нарисуем схему, которая реализует следующий алгоритм: если насос включен – горит зелёная лампочка, а если выключен – красная.

В тот момент, когда насос включается, внутри него замыкается концевик (нормально открытый контакт), который мы ввели в нашу схему. При этом на катушку реле K1 «приходит» напряжение – реле срабатывает, размыкая НЗ контакт К1.1, и красная лампочка гаснет. Одновременно с этим, при замыкании контакта внутри насоса, загорается зелёная лампочка.

Пример 2. Реализуем пример 1 с использованием перекидного контакта реле.

В этой схеме контакт реле K1.1 — перекидной. Когда реле в «нормальном» состоянии, горит красная лампа. При срабатывании реле K1.1 меняет своё состояние и зелёная лампа загорается.

Что такое контакты

Применительно к реле, это вопрос не праздный, как может показаться. Дело в том, что в этом случае имеются в виду не только механические контакты, которые переключаются внутри устройства. Когда говорят о реле, подразумевают все выводы, находящиеся на его корпусе. Разделить их можно на два вида:

  1. Контакты обмотки. Иногда на реле их может быть больше двух.
  2. Коммутируемые.

Чтобы избежать путаницы, эти выводы часто называют контактами подключения реле. Иногда их количество может достигать 10. При этом из-за отсутствия стандартизации не всегда понятно, куда какую цепь подключать. Разобраться поможет распиновка контактов реле, которая почти всегда нанесена на его корпус. Если нет – придется искать описание. Контакты обмотки подключены непосредственно к ее выводам. На них подается напряжение, от которого срабатывает реле. Обмоток может быть несколько и у каждой будет своя пара контактов. Иногда катушки могут быть соединены между собой проводниками, если необходимо обеспечить определенный алгоритм их срабатывания.

Электромеханическое или полупроводниковое реле

Реле в системах контроля доступа – это электронный элемент, предназначенный для управления исполнительными механизмами (замками, воротами, шлагбаумами и т.д.).

Самым часто используемым элементом для этой задачи является электромеханическое реле, которое по сути представляет собой электрический магнит, служащий для замыкания или размыкания контактов. Работает это подобно тому, как если бы контакты замыкались или размыкались с помощью обычной кнопки или выключателя. Только в случае электромеханического реле усилие для замыкания/размыкания контактов генерируется электромагнитным полем обмотки. Тем самым слабый входной ток обмотки полностью изолирован от цепи питания замка, что позволяет управлять практически любыми нагрузками (замками) в зависимости от модели реле. Признаком срабатывания электромеханического реле являются щелчки при замыкании или размыкании контактов. По этим щелчкам можно легко определить работает реле или нет.

В системах контроля доступа и домофонии для управления замками иногда используются полупроводниковые (твердотельные) реле (от англ. Solid-state relay). Чаще всего в роли твердотельного реле выступает простейший радиоэлектронный компонент – транзистор, который не имеет подвижных частей и механического контакта, что положительно сказывается на сроке его службы. Транзистор изготовлен из полупроводникового материала, за счёт которого в зависимости от входного сигнала он может управлять значительной нагрузкой (питанием замка). Транзисторы в отличие от электромеханического реле имеют малые габаритные размеры, поэтому могут использоваться в местах, где использование громоздкого электромеханического реле нецелесообразно и невозможно, например, в автономных контроллерах СКУД и вызывных панелях видеодомофонов. Также твердотельное реле работает бесшумно и его состояние нельзя изменить сильным постоянным магнитом. У такого реле отсутствует искрение, что особенно актуально для взрывоопасных объектов.

Читайте также  Чем очистить медь

К недостаткам полупроводникового реле относится возможность повреждения статическим электричеством и перегревом. Стоит отметить, что через полупроводниковое реле должен проходить ток, то есть без нагрузки его использование невозможно.

В статьях про отключение вентиляции и закрытие огнезадерживающих клапанов (ОЗК) было подробно рассмотрено использование релейного усилителя (устройства коммутационного) «УК-ВК».

«УК-ВК» можно управлять:

  1. при помощи реле, коммутируя напряжение питания 12/24В;
  2. выходом напряжения (открытый коллектор, контролируемый выход, ключ . ).

Управляющий выход может быть:

  1. активированным в дежурном режиме;
  2. активирующимся при переходе в режим «Пожар».

Контакты реле УК-ВК могут быть:

  1. нормально замкнуты (НЗ);
  2. нормально-открыты (НО).

Но не все способы годятся с точки зрения необходимости контроля целостности.

Для управления «УК-ВК» в пожарной системе можно использовать:

  1. Выход напряжения с включенным контролем целостности, на котором появляется или исчезает напряжение при сработке пожарной сигнализации;
  2. Выход напряжения с выключенным контролем целостности, на котором исчезает напряжение при сработке пожарной сигнализации;
  3. НЗ/НО контакт реле так, чтобы напряжение на катушке «УК-ВК» исчезало при сработке.

Я не уверен формальной допустимости 2 и 3 подхода с точки зрения норм и исхожу из того, что не зачем контролировать линию управления, нарушение которой все равно приводит к переходу исполнительного устройства в состояние защиты.

Но мы же можем подключать несколько «УК-ВК» на одну линию управления, как если бы мы подключали несколько оповещателей или несколько табло «Выход»:

Вместо табло к контролируемому выходу можно подключать «УК-ВК».

Назовём это гирляндой «УК-ВК», хотя правильное название — линия управления (шлейф) сигнала противопожарной защиты (СПЗ).

К линии СПЗ предъявляется целый ряд неприятных требований: 22.07.2008 N 123-ФЗ статья 82 и ГОСТ 31565-2012, на которые, впрочем, все забивают.

Если соблюсти все требования к автоматизации инженерных систем, то цена таких мероприятий может выскочить даже больше, чем сама пожарная сигнализация.

Объединение направлений средств противопожарной защиты.

Но может можно вообще всем управлять одной линией управления: и звуковым оповещением, и световым оповещением, и управлением автоматикой?

Вот что об этом говорится в ГОСТ Р 53325—2012:

7.4 Требования назначения к приборам управления
7.4.1 ППУ должны обеспечивать выполнение следующих функций:
д) включение (пуск) исполнительных устройств систем противопожарной защиты раздельно по каждому направлению в ручном режиме следующими способами:
— при помощи органов управления ППУ;
— при помощи элементов дистанционного управления (ЭДУ).
В ППУ должна быть предусмотрена возможность использования обоих способ включения (пуска) исполнительных устройств систем противопожарной защиты раздельно по каждому направлению.

То-есть, СПЗ должны быть разбиты на отдельные направления и объединению есть предел.

Какими устройствами можно управлять сухими контактами реле из пожарной сигнализации?

Это подробно рассматривалось в обзорной статье об управлении инженерными системами при пожаре, а если коротко:

НЗ/НО сухими контактами реле можно управлять:

  1. Только НЗ — цепью катушки реле, пускателя или контактора, если размыкание цепи приводит к выключению устройства.
  2. Только НЗ — шкафом управления системой, у которого есть вход «Пожар», размыкание которого приводит к переходу системы в состояние защиты.
  3. Только НЗ — линией питания устройствами, если размыкание линии приводит к их переходу в состояние защиты.
  4. НЗ/НО — прибором или шкафом управления, если прибор или шкаф сами контролируют целостность линии управления и выдают соответствующий сигнал при ее нарушении.

Устройства коммутации, аналогичные «УК-ВК».

Для использования устройств в противопожарных системах необходимо наличие не просроченного сертификата соответствия и указаний к применению в руководстве по эксплуатации.

Устройства с маркировкой «УК-ВК» сейчас производят три производителя.

Эти «УК-ВК» можно встретить во многих старинных системах пожарной сигнализации:

Существуют подобные устройства с другим названием.

Все вышеперечисленные устройства должны иметь не просроченный сертификат соответствия для применения в противопожарных системах (для «УК-ВК/01-06» производства «Радий» такого не обнаружил). Более того, как было показано в самом начале, необходимо еще наличие «правильных» формулировок в руководстве по эксплуатации.

Это требование отсекает применение множества более дешевых подобных релейных усилителей:

Контактор модульный.

Контактор ABB представляет собой устройство, контакты которого замыкаются или размыкаются катушкой (электромагнитом). Подали напряжение на катушку (электромагнит), и контакты самого контактора в зависимости от его исполнения или замкнулись или разомкнулись. Катушки контактора рассчитаны на напряжение, как переменного тока (АС), так и постоянного (DC), поэтому при выборе контактора обращайте внимание на этот параметр. Напряжение можно подключать от 12 до 415 В, на это тоже обязательно надо обратить внимание, т.к. модульный контактор, рассчитанный на напряжение 12В при подаче на него 220 В просто сгорит.

Модульные контакторы ABB делятся на две серии: ESB и EN. Отличие в том, что контакторы ESB управляются только подачей или отключением напряжения и рассчитаны на токи 20, 24, 40 и 63А, а контакторы EN имеют дополнительное ручное управление (включение/отключение) и рассчитаны на токи до 40А.

У контакторов два вида контактов. Одни контакты – это силовые контакты, которые размыкают или замыкают силовые цепи, а другие – контакты управления самим контактором, т.е. непосредственно дают команду на замыкание/размыкание силовых.

Контакты управления А1-А2 обозначаются одинаково на всех контакторах. Именно к ним надо подать или снять напряжение, чтобы силовые контакты размыкались или замыкались.

Силовые контакты, которые включают или отключают нагрузку, подключенную к контактору, всегда парные 1-2, 3-4, 5-6, 7-8 и т.д.

Количество пар силовых контактов у магнитных пускателей ABB чётное, или два или четыре. Обозначаются или НО (нормально открытый) или НЗ (нормально закрытый). Т.е. при отсутствии напряжения на катушке НО – разомкнуты, при подаче напряжения на катушку НО замыкаются, ну а НЗ соответственно наоборот. Вариации бывают разными 2НО (два открытых контакта), 3НО-1НЗ (три открытых + один закрытый) и т.д., и обозначаются на корпусе контактора цифрами 40 (четыре контакта НО), 20 (два контакта НО), 22 (два НО и два НЗ), 02 (два НЗ).

Например, из названия контактора ABB EN40-40N следует, что этот модульный контактор рассчитан на номинальный ток 40А и имеет четыре НО (нормально открытых) контакта. Также указано, что катушка контактора рассчитана на напряжение 230В переменного или постоянного тока.

Для защиты катушки управления контактора правильно ставить в её цепь автоматический выключатель, и т.к. мощность потребляемая катушкой мизерная, то номинал автомата лучше брать не более 1А .

Контактор ESB 20А занимает 1 модуль, 24А – 2 модуля, 40 и 63А – занимают по 3 модуля на дин-рейке.

Контакторы бывают также и с ручным управлением, точнее с комбинированным. Т.е. можно при помощи переключателя включать и выключать модульный контактор руками, передвигая рычажок. На фото ниже показан контактор ABB EN-40-4НО с ручным управлением.

К контакторам, как и к другим модульным приборам ведущих серий ABB, Легранд, Шнейдер Электрик, Хагер, можно прикреплять по бокам дополнительный контакт. Только следует учитывать, что это “не совсем полноценные” контакты, у них номинальный ток только до 6А.

Читайте также  Что такое верстак

Ниже привожу пример дополнительного контакта к контактору Legrand. В дополнительном контакте на самом деле имеется два контакта, один НЗ, другой НО.

Сцепить модульный контактор и дополнительный контакт несложно. Схема сцепления устройств между собой изображена на самом дополнительном контакте. Важно, чтобы отверстие в контакторе и “рычажок” дополнительного контакта точно совпали.

А так выглядят совмещенные приборы, в том числе, и уже подключенные в электрическом щитке.

Уход за магнитным пускателем

Типичными проблемами являются перегрев (часто связан с замыканиями между витков катушки или изношенными контактами, тогда соответствующие детали надо заменить) и генерация громкого гудящего звука. Последняя может быть обусловлена очень разными факторами: слишком низким сетевым напряжением, недостаточным прилеганием якорной части к сердечнику, попаданием в корпус пыли и грязи, механической деформацией комплектующих.

Для обеспечения исправной работы прибора надо выбрать подходящую для данной сети схему и следить за тем, чтобы на поверхность и внутрь корпуса не попадали вода и пыль. При невозможности самостоятельной диагностики рекомендуется вызвать профессионального электротехника.