Электромагнитные реле

Основными конструктивными элементами нейтрального реле постоянного тока (рис. 3.35) являются магнитопровод 1, якорь 2, катушка 3, противодействующая пружина 4 и контактная группа 5. В зависимости от характера движения якоря различают реле с поворотным якорем (рис. 3.35, а) и реле с втяжным якорем (рис. 3.35, б). Контакты реле делятся на две группы (рис. 3.35, в): замыкающими (РЗ) называются контакты, разомкнутые при отсутствии тока в обмотке и замыкающиеся при срабатывании реле; размыкающими называются контакты, замкнутые при отсутствии тока в обмотке и размыкающиеся при срабатывании реле.

а б в
Рис. 3.35. Основные конструктивные разновидности
нейтральных электромагнитных реле:

а – реле с поворотным якорем; б – реле с втяжным якорем;
в – электрическая схема реле:
1 – магнитопровод; 2 – якорь; 3 – катушка;
4 – противодействующая пружина; 5 – контакты электромагнитных реле

Одно реле может иметь несколько контактных пар, одни из которых являются нормально замкнутыми, а другие – нормально разомкнутыми. Так, реле, изображенное на рис. 3.35, а, имеет две контактные пары (подвижный контакт у обеих пар общий), одна из которых (верхняя) при срабатывании реле размыкается, а вторая – замыкается. Такое реле позволяет одновременно коммутировать две электрические цепи. Реле с развитой контактной системой, содержащей несколько десятков контактных пар, получили название кодовых реле. Коммутационные возможности кодовых реле весьма велики.

Входным сигналом (сигналом, подаваемым на обмотку реле) электромагнитных реле является напряжение U_вх постоянного тока. Контакты реле могут быть включены в цепь источника постоянного или переменного напряжения.

По величине мощности Р _1ср, потребляемой при срабатывании, электромагнитные реле можно разделить на высокочувствительные (P _1ср < 10 мВт), чувствительные (Р _1ср < 0,1 Вт) и нормальные (P _1cp > 0,1 Вт).

В зависимости от величины коммутируемой мощности различают: реле для коммутирования цепей малой мощности (до 50 Вт постоянного тока); реле для коммутирования цепей средней мощности (до 150 Вт постоянного тока); реле для коммутирования цепей повышенной мощности (более 150 Вт постоянного тока); контакторы (коммутируемая мощность более 500 Вт).

Нейтральные электромагнитные реле не реагируют на знак входного сигнала: их срабатывание происходит одинаково при любом направлении тока в обмотке. Между тем во многих устройствах необходимы реле, реагирующие на знак входного сигнала и замыкающие ту или другую группу контактов в зависимости от направления тока в обмотке реле. Такие реле называются поляризованными (рис. 3.36, 3.37).

Рис. 3.36. Поляризованные реле с дифференциальной магнитной системой	Рис. 3.37. Поляризованное реле с мостовой магнитной системой

Основные свойства поляризованных реле обусловливаются наличием вспомогательного источника энергии (постоянного магнита или электромагнита), поляризующего (подмагничивающего) магнитную систему реле. Результирующее усилие или момент, приводящие в движение якорь поляризованного реле, образуются в результате взаимодействия двух магнитных потоков: потока, создаваемого током, протекающим по обмотке реле, и поляризующего потока, создаваемого вспомогательным источником энергии. Изменение направления тока в обмотке при таких условиях вызывает изменение направления сил, действующих на якорь. Работа по перемещению якоря частично производится за счет энергии поляризующего источника, в результате чего чувствительность и быстродействие поляризованных реле значительно выше нейтральных. Мощность, необходимая для срабатывания некоторых типов поляризованных реле, составляет величину порядка 5–10 мВт, а время срабатывания может быть уменьшено до 0,05–0,3 м×с. Коэффициент усиления поляризованных реле по мощности k_у = 10 000 ¸ 100 000.

Недостатком поляризованных реле являются относительно большие габариты, непропорционально возрастающие при увеличении мощности выходного сигнала. Поэтому поляризованные реле обычно выполняются маломощными.

Электромагнитные реле переменного тока. По принципу работы и устройству электромагнитные реле переменного тока (рис. 3.38, а)аналогичны реле постоянного тока. Несмотря на переменный характер тока, направление электромагнитной силы, действующей на якорь, не меняется [ F _эº(iw)²],обеспечивая этим перемещение якоря и срабатывание реле. Если ферромагнитный сердечник (ФМС) реле не насыщен, то при синусоидальном напряжении ток в катушках реле тоже будет синусоидальным. При x _к = w L >> R _квеличина тока в катушке I = U / Z» U / (w L).Так как индуктивность катушки L» w²μ₀ S / δ, то при R _мб > > R _м.ст

I = U d / (w w ²μ₀ S). (3.13)

Из выражения (3.13) следует, что при Ф_S = 0 и R _м.ст = 0 ток I в катушке реле переменного тока линейно зависит от величины зазора δ между якорем и сердечником (прямая 1, рис. 3.38, б). Реальная зависимость (кривая 2,рис. 3.38, б)отличается от приближенной аналитической зависимости (3.13), так как при больших δ сказывается влияние магнитного потока рассеяния Ф_S, а при малых δ – магнитного сопротивления R _м.ст сердечника. При максимальном зазоре ток имеет наибольшее значение, так как мала индуктивность катушки. При перемещении якоря и уменьшении δ увеличивается L,что приводит к уменьшению I. Тяговая характеристика 3 реального электромагнитного реле переменного тока F _э(δ) приведена на рис. 3.14, б.

Особенностью реле переменного тока является возникновение пульсаций магнитного потока. При синусоидальном характере напряжения питания таких реле магнитный поток также синусоидален Φ = Ф_msinw t.

а б в

Рис. 3.38. Электромагнитное реле переменного тока (а)
и его характеристики (б, в)

Тяговая электромагнитная сила в соответствии с (3.14)

(3.14)

Следовательно, она изменяется от нуля до максимального значения,пульсируя с двойной частотой (кривая F _эм1,рис. 3.38, в). Пульсация тяговой силы вызывает вибрацию якоря и контактов. Для устранения вибрации якоря 2 и контактов 1 (рис. 3.38, а) обычно применяют короткозамкнутый виток 3 (рис. 3.38, а), устанавливаемый на расщепленном полюсе ферромагнитного сердечника 4, на конце которого переменный магнитный поток Φ катушки 5 разветвляется на Φ₁ и Ф₂. Поток Ф₂ наводит в короткозамкнутом витке ЭДС и, следовательно, в нем возникает ток, который создает свой магнитный поток Ф_к, направленный навстречу потоку Ф₂, его вызвавшему. Поток Ф_к замедляет изменение основного магнитного потока Ф₂, проходящего через экранированную витком часть полюса. Поэтому в рабочем зазоре магнитопровода реле действуют магнитные потоки Φ_I и Ф_II соответственно в неэкранированной и экранированной, витком части полюса, смещенные по фазе на угол ψ:

Φ_Ι = Φ₁ + Ф_к = Ф_m1sinw t; Ф_II = Ф₂ – Ф_к = Ф_mIIsin(w t – y). (3.15)

Таким образом, в рабочем зазоре будет действовать результирующая тяговая электромагнитная сила, создаваемая потоками Φ_I и Ф_II и в соответствии с (3.14) равная:

или

. (3.16)

Результирующее тяговое усилие F _эм1 + F _эм2 (рис. 3.38, в) по-прежнему имеет пульсирующий характер. Однако его мгновенные значения не снижаются до нуля. При этом выполняется условие, чтобы тяговое усилие во все моменты времени было больше противодействующих механических сил.

Электромагнитные реле переменного тока, несмотря на недостатки (сложность конструкции, дополнительные потери в магнитопроводе и др.), достаточно широко применяют в системах автоматики.

Реле с магнитоуправляемыми контактами. Наряду с электромагнитными реле с поворотным или втягивающимся якорем в системах релейной автоматики все большее применение находят безъякорные электромагнитные реле с магнитоуправляемыми контактами. Магнитоуправляемые контакты (МК), называемые также герконами (герметизированные контакты) (рис. 3.39, а – г).

а	б	в	г

Рис. 3.39. Реле с магнитоуправляемыми контактами

Промышленность выпускает разнообразные магнитоуправляемые контакты-герконы (КЭМ, МКВ, МК и др.), а также реле с МК на различные токи и напряжения с замыкающими, размыкающими и переключающими контактами (рис. 3.39, а – в).Внутри катушки может находиться один или несколько герконов (рис. 3.39, г). Управление МК можно осуществлять с помощью постоянных магнитов.

Реле на магнитоуправляемых контактах, выпускаемые промышленностью, предназначены для использования в схемах автоматики в качестве промежуточных реле, реле защиты и запоминающих элементов. Реле промежуточные РПГ и промежуточные миниатюрные РПГ-2 имеют большие функциональные возможности и повышенную надежность благодаря использованию замыкающих и размыкающих контактов на герконах КЭМ-1 и нескольких обмоток в катушке, взаимозаменяемости элементов в одном корпусе. Реле с магнитной памятью РМГ применяют в схемах автоматики и вычислительной техники в качестве элементов памяти.

Промышленность выпускает ряд типов поляризованных реле (РП-4, РП-5, РП-7 и др.) на различные напряжения и токи.

3.2.2. Электронные, полупроводниковые
и фотоэлектрические реле

В схемах автоматики широко применяют устройства на ламповых и полупроводниковых триодах, работающие в релейном режиме с контактными и бесконтактными выходами.

Электронные (полупроводниковые) контактные реле. Такие реле представляют собой сочетание электронного (полупроводникового) усилителя и выходного электромеханического реле. На рис. 3.40 показана схема такого реле, состоящая из полупроводникового усилителя, на выходе которого включена катушка электромагнитного реле K. Усиление входного сигнала повышает чувствительность реле.

Рис. 3.40. Электронное реле с контактным выходом

Бесконтактные транзисторные реле. В качестве таких релейных устройств можно использовать двухкаскадные транзисторные усилители постоянного тока с положительной обратной связью. У обычного двухкаскадного усилителя статическая характеристика U _вых = j(U _вх)имеет линейный характер, если напряжение на выходе при изменении сигнала на входе изменяется плавно без скачков. При достаточно глубокой положительной обратной связи такой усилитель приобретает релейную характеристику. Возможно введение обратной связи (ОС) по току (эмиттерная ОС) и обратной связи по напряжению (коллекторная ОС).

В усилителе с эмиттерной ОС (рис. 3.41, а),являющемся транзисторным реле, обратная связь между VT2 и VT1 осуществляется через резистор R _эвключенный в эмиттерную цепь. При этом падение напряжения на R _э прикладывается к входу первого каскада. При отсутствии входного сигнала (U _вх = 0) транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт и находится в состоянии насыщения. Выходной сигнал имеет минимальное значение, т. е.

.

При подаче входного сигнала отрицательной полярности и при достижении им величины параметра срабатывания транзисторного реле (U _ср транзистор VT1 отпирается, а VT2 запирается. Транзисторное реле скачкообразно переходит в новое состояние (рис. 3.41, б), при котором напряжение на выходе равно напряжению источника + Е _к. Увеличение входного сигнала не изменяет состояние схемы. При уменьшении входного сигнала U _вхсостояние транзисторного реле сначала не изменяется. Однако при U _вх = U _взвпроисходит скачкообразное изменение состояния бесконтактного реле. В результате схема возвращается в исходное состояние.

В схеме с коллекторной обратной связью (рис. 3.41, в)в связи с отсутствием сопротивления ОС в общей эмиттерной цепи и входные сигналы могут иметь меньшую величину. В этой схеме обратная связь осуществляется с помощью электрической связи коллектора выходного транзистора VT2 с базой транзистора VT1. При отсутствии входного сигнала (U _вх = 0)транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт и на выходе сигнала не будет (U _вых = U _вых0). При подаче U _вхтранзистор VT1 откроется и на базу транзистора VT2 будет подан положительный потенциал, который обеспечит запирание VT2. В результате напряжение на выходе близко к напряжению источника питания (рис. 3.41, в). Рассмотренные схемы являются основой триггерных схем.

Статический триггер представляет собой переключающее устройство, имеющее два устойчивых состояния. Триггеры применяют в качестве запоминающих устройств, в цифровых счетчиках, для управления различными ключевыми схемами и т. д. Триггер на рис. 3.41, г является симметричным, так как состоит из двух усилительных каскадов с одинаковыми параметрами. Он может работать в режимах раздельных входов или общего входа. В режиме раздельных входов переключение триггера в новое устойчивое состояние осуществляется подачей запускающих импульсов одинаковой полярности поочередно на раздельные входы (Bx1 и Вх2 или подачей импульсов изменяющейся полярности на один и тот же вход.

а	б
в	г

Рис. 3.41. Бесконтактные транзисторные реле

В режиме общего (счетного) входа Вх перевод триггера в новое устойчивое состояние осуществляется подачей запускающих импульсов одной полярности одновременно на оба транзистора. Если в исходном состоянии транзистор VT2 заперт, то напряжение на коллекторе транзистора VT2,а следовательно, на выходе Вых2 близко к + Е _к.Так как при этом транзистор VT1 открыт, то напряжение на его коллекторе и, следовательно, на выходе Вых1 имеет минимальное значение, которое принимается за нуль. При подаче на Bx1 запускающего импульса положительной полярности транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется. Переключение триггера из одного состояния в другое происходит за время, не превышающее единиц микросекунд. Поэтому изменение потенциалов на выходах триггера имеет характер перепадов напряжений. Эти напряжения, являющиеся выходными, используются для управления различными ключевыми схемами, другими триггерами и т. д.

Фотоэлектрические реле. Такие реле состоят из фотоэлемента (воспринимающего элемента), усилителя и выходного электромеханического реле. Фотоэлемент преобразует падающий на него световой поток в изменение величины сопротивления или ЭДС.

Фотореле применяют в системах автоматического контроля и регулирования различных величин и параметров (температуры, уровня, размеров и т. д.), изменение которых приводит к изменению светового потока. Наряду с фотоэлементами с внешним фотоэффектом (вакуумные, газонаполненные) в системах автоматики широко применяют фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы), а также вентильные фотоэлементы (фотодиоды и фототранзисторы).

На рис. 3.42, а приведена схема фотореле с фоторезистором ФС и релейными усилителями K1 и K2,срабатывающая при освещении ФС. В цепь фоторезистора включено слаботочное реле постоянного тока K1,выполняющее функцию промежуточного усилителя, которое управляет мощным выходным реле K2. При затемнении фоторезистора ФСего сопротивление велико и поэтому ток в цепи катушки реле K1 мал. Реле K1 находится в исходном состоянии. При освещении ΦС его сопротивление резко уменьшается (в десятки и сотни раз), что приводит к возрастанию тока в цепи катушки K1 и последовательному срабатыванию K1 и K2.

Фоторезисторы имеют малые габариты и массу, высокуючувствительность и надежность. Однако они более инерционны, чем другие фотоэлементы. При использовании в фотореле в качестве выходных элементов электромеханических реле, время срабатывания которых значительно, инерционность фоторезисторов не имеет существенного значения. В то же фоторезисторы имеют большую мощность рассеяния, что позволяет получать простые и надежные схемы фотореле.

В схеме фотореле с фотодиодом (рис. 3.42, б) в качестве промежуточного усилителя используют полупроводниковый усилитель на транзисторе VT,в коллекторную цепь которого включена катушка выходного реле K. При затемнении фотодиода ФД,включенного в непроводящем направлении, его сопротивление велико и, следовательно, транзистор VT заперт. Выходное реле при этом обесточена и сигнал на выходе отсутствует. При освещении фотодиода его сопротивление в непроводящем направлении уменьшается во много раз, что обусловливает возникновение тока в цепи базы. Транзистор отпирается и возникающий ток в коллекторной цепи обеспечивает срабатывание выходного реле и появление сигнала на выходе. Диод VD обеспечивает защиту транзистора VT от перенапряжений при его запирании. Необходимо отметить, что фотодиод, так как и фототранзистор, можно включить в схему без внешнего источника питания. В этом случае в фотоэлементе под действием нового потока возникает ЭДС. Фотодиоды, как и все полупроводниковые элементы, достаточно надежны, имеют малые размеры и большую чувствительность, чем фотоэлементы и фоторезисторы.

а б

Рис. 3.42. Схемы фотореле

Фототранзисторы представляют собой полупроводниковые приборы трехслойной структуры с двумя р-n -переходами. Они обладают наибольшей из всех фотоэлементов чувствительностью. Широко применяют двухполюсную схему включения фототранзистора по действию аналогичную фотодиоду. При использовании всех трех выводов фототранзистора он приобретает новые свойства, дающие возможность подавать на вход как световой, так и электрический сигналы.