что значит моностабильное реле
Что такое реле: виды, принцип действия и устройство
Реле – одно из наиболее распространенных устройств, применяемых для автоматизации процессов в электротехнике. По факту, это автоматический выключатель, который соединяет или разъединяет электроцепи при достижении установленных значений или под внешним воздействием. Реле применяются в промышленности для автоматизации технологических процессов, в бытовой технике, которая есть в каждом доме, например в холодильниках и стиральных машинках, для защиты сети от слишком высоких или слишком низких параметров тока. Выбор нужного устройства упрощает классификация реле по различным признакам.
Содержание статьи
Общее описание конструкции
Понятие «реле» объединяет целое семейство устройств разной конструкции. Но в общем случае реле состоит из трех основных функциональных элементов:
Исполнение и принцип действия первичного элемента зависят от того, какое назначение имеет реле и на какую физическую величину (сила тока, напряжение, свет, тепло и т.п.) оно настроено.
Основные характеристики реле
Независимо от вида и принципа действия реле, выделяют несколько параметров, на которые обращают внимание при выборе этого прибора:
Виды реле: контактные и бесконтактные
По устройству исполнительного компонента реле делят на контактные и бесконтактные.
Контактные
Воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов. Их размыкание или замыкание полностью разъединяет или замыкает электроцепь. Для изготовления контактов используются: медь, серебро, вольфрам. Количество контактов – до 10 штук. Четырех- и пятиконтактные реле используются в электрических схемах автомобилей для включения и переключения цепей.
Бесконтактные
Такие реле воздействуют на управляемую цепь способом изменения электрических параметров выходных электроцепей – емкости, сопротивления, индуктивности, величины тока или напряжения.
Классификация реле по способу включения
Первичные
Эти устройства включаются непосредственно в цепь элемента, для защиты которого они предназначены. Их преимущества – не требуются измерительные трансформаторы, источники оперативного тока, контрольные кабели.
Вторичные
Подключаются в цепь с использованием вторичных трансформаторов. Это наиболее распространенный вид реле. Их преимущества – изоляция от высокого напряжения, возможность расположить устройство в месте, удобном для обслуживания. Вторичные реле выпускаются стандартными. Они рассчитаны на ток 5 (1) А и напряжение 100 В и могут устанавливаться в любые электроцепи, независимо от их тока и напряжения.
Виды реле по назначению
По назначению эти устройства бывают трех типов – управления, защиты, сигнализации.
Реле управления
Эти реле являются первичными. Монтируются непосредственно в электроцепь. Их роль – включение и выключение отдельных элементов схемы. Могут использоваться самостоятельно или в качестве комплектующих низковольтных комплектных устройств – ящиков, панелей, шкафов.
Реле защиты
Выполняют функции включения, отключения и защиты устройств, имеющих термические контакты – электродвигателей, вентиляторов. При превышении температуры термические контакты размыкаются. Оборудование может восстановить работу только после остывания термоконтактов до установленной температуры.
Сигнализации
Такие реле устанавливают в охранных системах автотранспорта, предприятий, придомовых территорий. Служат для формирования сигнала при достижении установленной величины параметра, который находится под контролем (ток, напряжение, частота, давление, температура, акустические параметры и другие).
Разновидности электромеханических реле
Наиболее распространенный вид электрических реле – электромеханические. К ним относятся: электромагнитные, индукционные, электротепловые устройства.
Электромагнитные
Один из видов электрических реле электромагнитное. В конструкции этого устройства имеются: обмотка со стальным сердечником, группа подвижных контактов, замыкающих и размыкающих управляемую электроцепь. Рассмотрим принцип их действия:
Разновидность электромагнитных реле – поляризованные, которые отличаются от нейтральных способностью реагировать на полярность управляющего сигнала. Размыкание или замыкание контактов зависит от полярности подключения электромагнита. Обладают более высокой чувствительностью, по сравнению с нейтральными реле. Такие устройства могут использоваться только в цепях постоянного тока.
Электротепловые (термические)
Тепловые реле представляют собой комплекс биметаллических пластин, для изготовления которых используются металлы с разным коэффициентом расширения при нагреве. Такие реле могут использоваться в качестве защитных устройств: при превышении температуры, установленной регулятором, контакты разъединяются, и поступление тока на потребителя прекращается.
Обычно тепловые реле используются в бытовых одно- и трехфазных сетях при подключении электрических двигателей. При увеличении нагрузки на двигатель выше установленной величины происходит нагрев биметаллического реле, которое при достижении определенной температуры размыкает электрическую цепь. Двигатель прекращает работу. После остывания биметаллических пластин цепь замыкается и двигатель возобновляет работу. Термические устройства могут оснащаться колесиком, с помощью которого регулируется температура отключения двигателя, и кнопкой принудительного запуска.
Существует разновидность термических реле, в которых биметаллические пластины заменены легкоплавящимся сплавом. Они срабатывают практически мгновенно – при достижении определенной температуры металл расплавляется и цепь размыкается. Принцип действия таких устройств похож на принцип действия предохранителей. После срабатывания такое реле, установленное непосредственно на оборудовании в качестве последней защиты от перегорания, подлежит замене.
Индукционные
Принцип действия этих устройств основан на взаимодействии между переменными магнитными потоками и токами, которые формируют переменные магнитные потоки. Индукционные приборы рассчитаны только на использование в цепях переменного тока. Существуют три типа индукционных реле – с рамкой, диском, цилиндрическим ротором («стаканом»). Эти устройства широко востребованы в системах релейной защиты и автоматики.
Другие виды электрических реле
Твердотельные
Эти электронные устройства компактны и долговечны, благодаря отсутствию трущихся механических частей. Работу механики здесь выполняют полупроводниковые элементы – биполярные и МОП-транзисторы, тиристоры, симисторы. По сравнению с твердотельными, они имеют следующие преимущества:
Однако твердотельные реле имеют не только достоинства, но и недостатки. Одним из них является слабая устойчивость к импульсным перенапряжениям, которые электромагнитным реле практически не страшны. При использовании твердотельных реле необходимо предусмотреть схемотехническое решение, которое ограничивает эти импульсы. Есть и еще минусы – нагрев при работе, наличие токов утечки, приводящих к наличию напряжения на фазном проводе даже при отключенном реле.
Твердотельные реле применяют в системах регулирования температуры, в которых в качестве нагревателей используются ТЭНы, в промышленной автоматике, телеметрии, механизмах оборудования, используемого в металлургической и химической индустрии, в медоборудовании, военной электронике.
Герконовые
Реле этого типа представляют собой герконовую катушку. Это баллон, заполненный инертным газом, или внутри которого создан вакуум. Внутри баллона располагают соединительные элементы из пермаллоя – прецизионного сплава (сплава с точно заданным химическим составом), включающего железо и никель. Эти соединительные элементы имеют вид проволоки с контактами. Их покрывают серебряным или золотым напылением. Геркон размещают в середине электрического магнита или в пределах действия его поля. При подаче тока на обмотку электромагнита образуется магнитный поток, который запирает контакты. Герконовые реле могут выполнять функции: замыкающие, переключающие, размыкающие. Преимущества этих устройств – компактные габариты, доступная цена, отсутствие трущихся частей, что продлевает срок службы. Тот факт, что контактная группа располагается в инертном газе или вакууме и надежно защищена от влаги, повышает надежность реле.
При использовании герконовых реле следует избегать:
Колба изготавливается обычно из стекла, поэтому ее нужно всячески оберегать от механических воздействий. При разбитой колбе контактная группа срабатывать не будет. Герконовые реле можно использовать только в системах, в которых параметры электропитания находятся в пределах, установленных в технической документации. При подаче слишком высоких токов произойдет размыкание контактов. Нарушения в работе герконовых реле наблюдаются и в случаях подачи тока слишком низкой частоты.
Фотоэлектронные (фотореле)
Основой фотоэлектронного реле является полупроводниковый элемент – фоторезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от изменения освещенности. Фотореле – прибор, широко применяемый коммунальными службами. Он надежен в работе и обеспечивает существенную экономию электроэнергии и безопасность на улицах. При повышении освещенности все осветительное оборудование отключается, а при наступлении темноты – включается. Большинство таких приборов оснащено регулятором порога срабатывания и механическим выключателем.
Виды реле по типу поступающего параметра
По этому параметру разделяют реле: тока, мощности, частоты, напряжения, давления, акустических величин, количества газа. Устройства могут быть максимальными и минимальными. Реле, которые срабатывают при превышении заданной величины, называют «максимальными», а при ее падении ниже заданного уровня – «минимальными».
Реле тока
Реле тока реагируют на резкие перепады тока и при необходимости отключают отдельную нагрузку или всю систему электроснабжения. Величина максимального тока, при которой необходимо отключить потребителей, устанавливается регулятором.
Реле напряжения
Реле напряжения реагируют на величину напряжения и включаются через трансформаторы напряжения. Используются для контроля фаз напряжения в электросетях и защиты электроприборов. Основой такого реле является контроллер быстрого реагирования, отслеживающий отклонения напряжения за установленные пределы. Общепринятый стандарт срабатывания таких реле – ниже 170 В и выше 250 В.
Реле частоты
Служат для контроля частоты переменного тока, которая должна быть равна 50 или 60 Гц в одно- и трехфазных сетях. Обычно имеют фиксированные задержки срабатывания. Пороги размыкания цепи, которая находится под контролем, можно регулировать. Режим работы этого устройства может предусматривать наличие «памяти» аварии.
Реле мощности
Устройство, ограничивающее мощность, действует аналогично ограничителю тока нагрузки. При превышении установленного порога мощности происходит отключение потребителя. Реле ограничения мощности часто оснащаются функцией автоматического повторного включения. То есть, после снижения нагрузки работа оборудования возобновляется автоматически.
Реле давления
Реле давления – важнейший прибор, используемый в насосном оборудовании для контроля перепадов давления воды, масла, нефти, воздуха. Различают два основных типа таких приборов – электромеханические и электронные.
Электромеханические реле имеют в конструкции особый элемент, реагирующий на изменение давления в системе, – гибкую мембрану, которая изгибается под напором жидкости (воздуха) в системе. Она соединяется с двумя пружинами, одна из которых настраивается на минимально допустимый напор, а вторая – на разницу между верхней и нижней границами давления в системе. При снижении давления в системе ниже минимального порога реле включает насосное оборудование, при превышении верхнего порога – отключает. Это простые и надежные устройства, но не очень удобные в эксплуатации. Оператору приходится регулярно проверять настройки и при необходимости их корректировать.
Электронные устройства имеют более сложную конструкцию. Пределы можно устанавливать очень точно и при эксплуатации контролировать их не требуется. Электронные приборы чувствительны к гидроударам, поэтому их оснащают небольшими гидробаками (объем – примерно 400 мл). Электронное реле давления устанавливается между насосным оборудованием и первой точкой водоразбора.
Реле акустические
Акустические реле реагируют на изменение акустических величин – частоты звуковой волны, ее давления или акустических характеристик материалов – коэффициентов поглощения и отражения. Принцип действия может быть механическим или электрическим. В акустических приборах механического действия предусмотрена мембрана, которая прогибается под давлением звуковых волн, и при достижении определенной величины давления происходит замыкание контакта. В состав электрических акустических приборов входят: воспринимающий орган (микрофон, фильтр), усилитель, выходное электрическое реле.
Устройства, срабатывающие на любой шум, часто используются совместно с системой освещения. Они реагируют на любой возникающий шум в помещении и дают сигнал на включение света. Обычно их устанавливают в коридорах и на лестничных площадках. Также акустические реле широко используются в охранных системах, «интеллектуальных» игрушках.
Газовые реле
Эти приборы применяются для обеспечения газовой защиты. Они представляют собой металлический корпус, врезанный в маслопровод. Реле в нормальном состоянии заполнено маслом, а его контакты находятся в разомкнутом состоянии. При повышении содержания газов они заполняют верхнюю часть реле с одновременным вытеснением масла. Поплавок, имеющийся в конструкции, с понижением уровня масла опускается, поворачивается вокруг своей оси и вызывает замыкание контактов в сигнальной цепи. Сформированный сигнал предупреждает о высокой загазованности среды.
Промежуточные реле
Часто функции промежуточных выполняют электромагнитные реле, в которых в зависимости от конструкции и области применения имеются контакты следующих типов:
Обозначение реле на схеме
На электрических схемах реле обозначается прямоугольником, от наибольших сторон которого показаны выводы питания. Функциональное назначение реле указывается на схеме буквами:
Для долгой службы: миниатюрные сигнальные реле IM и P2
В свете продолжающегося бурного развития телекоммуникационных технологий миниатюрные сигнальные электромеханические реле не теряют своей актуальности. TE Connectivity – один из мировых лидеров в производстве электромеханических реле самого различного назначения,- уделяет пристальное внимание этому направлению. Серии миниатюрных реле IM и P2 отлично зарекомендовали себя в самых разнообразных областях электроники, в частности, телекоммуникационном оборудовании, медицинских, измерительных и бытовых приборах.
Казалось бы, реле – далеко не новое устройство, на рынке огромное количество вариантов и производителей. На первый взгляд, все реле очень близки по исполнению и параметрам. Даже реле последнего, четвертого, поколения уже оформлены как промышленный стандарт (определены размеры, расположение выводов, ресурс, параметры коммутации и т.д.). Почему же так важен выбор производителя? Потому что в бесконечной гонке за миниатюризацией, долей рынка и стоимостью конечной продукции, только сильнейшие могут поддерживать на высоком уровне и качество продукции, и бесперебойность поставок, а также предоставлять полную техническую поддержку, образцы и т.д.
Рис. 1. История развития сигнальных реле AXICOM
Одним из крупнейших и авторитетнейших производителей сигнальных реле является компания AXICOM, которая входит в состав концерна TE Connectivity (бывший Tyco Electronics). Использование сигнальных реле TE Connectivity дает целый ряд преимуществ:
Сигнальные реле производства компании TE Connectivity нашли свое применение в самых разных областях:
Анализ параметров сигнальных реле
Область применения накладывает особые требования к характеристикам компонентов. Рассмотрим наиболее важные параметры сигнальных реле.
Выбор сигнального реле не должен быть поверхностным. Часто недостаточно просто ознакомиться с электрическими параметрами контактной группы и катушки управления. Важно также учитывать частотные характеристики, срок службы, условия эксплуатации. Более того, необходимо помнить о ряде особенностей, таких, например, как термоэлектрический потенциал и дребезг контактов. Поверхностное и безответственное отношение к, казалось бы, малозначительным нюансам может обернуться серьезными неприятностями на стадии серийного производства и эксплуатации. Рассмотрим некоторые особенности сигнальных реле.
Конфигурация контактной группы и магнитная система реле. Главной функцией реле является коммутация сигналов. Тип этой коммутации зависит от конфигурации контактной группы и магнитной системы реле. Существует большое количество различных конфигураций [4]. Однако наиболее распространенными являются однополюсные и двухполюсные реле с моностабильной или бистабильной магнитной системой (рисунок 2).
Рис. 2. Распространенные конфигурации контактных групп реле
В моностабильных реле переключение контактов из нормального состояния происходит только при возбуждении катушки током строго заданной полярности. При снятии напряжения с катушки контакты возвращаются в исходное положение.
Иной принцип работы имеют реле с бистабильной магнитной системой. В них переключение происходит не потенциальным, а импульсным сигналом, поданным на катушку. Так, например, при подаче импульса прямой полярности (сигнал SET) контакты нормально открытого бистабильного реле замыкаются. При подаче импульса обратной полярности (сигнал RESET) контакты размыкаются.
Бистабильные реле имеют два важных преимущества: они не потребляют статической мощности, так как управляются импульсными сигналами, и, кроме того, они защищены от переключений при исчезновении питающих напряжений. Впрочем, стоит помнить, что при сильных вибрациях контакты могут произвольно переключиться, именно поэтому производители настоятельно рекомендуют производить принудительный сброс подачей сигнала RESET/SET перед началом эксплуатации.
Большая часть бистабильных реле может управляться и статическими сигналами, но постоянное возбуждение катушки не всегда рекомендуется. Более подробно о допустимости статического управления необходимо узнавать в документации на конкретный компонент.
Частотные характеристики. Сигнальные реле имеют повышенное быстродействие, по сравнению с силовыми реле. Это может быть важным преимуществом в ряде приложений. Однако, чтобы избегать неприятностей, необходимо помнить о ряде особенностей (рисунок 3).
Рис. 3. Процесс включения и выключения реле
Во-первых, катушка реле имеет собственную индуктивность. Это значит, что переключения не происходят мгновенно. Для характеристики переключений приводят такие параметры, как время включения (мс) и время выключения (мс).
Во-вторых, неизбежным злом при переключении является дребезг – многочисленное замыкание и размыкание контактов. Этот процесс характеризуется временем дребезга (мс), которое приводятся в документации ответственных производителей.
Как видно на рисунке 3, время включения/отпускания не учитывает времени на дребезг.
Определив производителя и требования к сигнальным реле, можно произвести выбор конкретного компонента. Серии сигнальных реле P2 и IM производства TE Connectivity имеют отличные электрические характеристики и предоставляют широкий ассортимент наименований, отличающихся конфигурацией контактных групп, параметрами катушек и типом монтажа.
Сигнальные реле серии P2
Реле серии P2 являются стандартными телекоммуникационными реле и полностью соответствуют установившемуся промышленному стандарту. Эти реле применяются в автомобильных CAN-устройствах, Hi-Fi-оборудовании, медицинской и измерительной технике, отвечают требованиям стандартов для оборудования 3G telecom.
Эти реле выполнены с конфигурацией контактов 2 FORM C и выпускаются в трех версиях (рисунок 4): моностабильной, бистабильной с одной катушкой и бистабильной с двумя катушками. В версии с двумя катушками каждая из них может использоваться независимо.
Рис. 4. Версии исполнения магнитной системы реле серии P2
Реле способны коммутировать нагрузку до 2 А при напряжении до 220 В (DC) и 250 В (AC) (таблица 1). Коммутируемая мощность составляет 60 Вт, что является стандартным значением.
Таблица 1. Параметры сигнальных реле серии P2
Основные особенности функционирования и применения реле
В статье рассматривается особенности электромеханических и полупроводниковых реле.
Общие сведения
Электромеханические реле применяются в качестве интерфейсных модулей, устанавливаемых между периферийными устройствами технологических процессов и устройствами управления, регулирования и сигнализации, для согласования по уровню сигнала и мощности. Электромеханические реле подразделяются на две основные группы: моностабильные и бистабильные реле. Контакты моностабильных реле постоянного и переменного тока после снятия управляющего напряжения автоматически возвращаются в исходное положение. Контакты бистабильных реле продолжают оставаться в том положении, в котором они находились в момент отключения питания.
Активная часть
Входные цепи и типы напряжений
В зависимости от типа реле и управляющего напряжения применяются различные входные цепи. При использовании реле, предназначенных только для переменного тока (со входом переменного тока), входная цепь чаще всего ограничивается визуальным индикатором состояния. Частота управляющего напряжения, если не указано иное, составляет 50/ 60 Гц.
Принципиальная схема реле со входом переменного тока
Для входов только постоянного тока важным коммутационным элементом является безынерционный диод. Диод ограничивает возникающее на катушке индуктивное напряжение отключения на уровне приблизительно 0,7 В, который является безопасным для подключенных управляющих электронных устройств. Безынерционный диод выполняет свои функции только при соблюдении правильной полярности при подключении напряжения, поэтому дополнительно устанавливают диод для защиты от неправильной полярности.
Принципиальная схема реле со входом постоянного тока
Для работы с постоянными или переменными напряжениями во входной цепи используются мостовые выпрямители. Диоды выполняют функции выпрямления, а также защиты от режима работы без нагрузки и защиты от неправильной полярности. Напряжение отключения катушки ограничено значением прибл. 1,4 В. Для защиты входной цепи от импульсных перенапряжений перед мостовым выпрямителем дополнительно подключают варистор.
Принципиальная схема реле со входом переменного/ постоянного тока
Бистабильные реле с остаточным намагничиванием, в состав которых входят двойные обмотки, предназначаются только для цепей постоянного тока. Со стороны подачи управляющего воздействия реле данного типа имеют три контакта для подключения катушки. Наряду с общим контактом предусмотрены также один контакт для „срабатывания» и один контакт для „возврата», управляемые импульсами малой длительности. При нагревании реле теряет работоспособность. Одновременная подача обоих управляющих сигналов не допускается. Различают реле по типу полярности («+» или «-«) в зависимости от подключения безынерционного диода и диода защиты от неправильной полярности.
Принципиальная схема бистабильного реле с отрицательной полярностью
Принципиальная схема бистабильного реле с положительной полярностью
Диапазон рабочих напряжений
Окружающая температура на месте эксплуатации оказывает значительное влияние на некоторые рабочие параметры реле. При повышении температуры окружающей среды происходит нагревание обмоток катушки и вследствие этого возрастание напряжения срабатывания и возврата в исходное состояние. Одновременно с этим уменьшается максимально допустимое напряжение на катушке, и,таким образом, ограничивается размер полезной рабочей области. На нижеследующей диаграмме показана характеристическая кривая зависимости рабочего напряжения от температуры окружающей среды.
Принципиальная кривая рабочего напряжения реле
I: Максимально допустимое напряжение при 100%-ной продолжительности включения (ED) и соблюдении допустимой температуры катушки
II: Минимальное напряжение срабатывания
Паразитные напряжения и токи на стороне обмотки
Работоспособность реле может быть нарушена вследствие наведения паразитных напряжений индуктивного или емкостного характера в длинных входных проводах релейной катушки. Если наводимое напряжение превышает указанное в стандарте МЭК 61810-1 требуемое напряжение возврата, то это может привести к тому, что реле не сможет вернуться в исходное состояние. Напряжение возврата для реле постоянного тока составляет 0,05 х UN а для реле, предназначена только для цепей переменного тока, 0,15 xUN.
Подобные нарушения работы мог также происходить в том случае, если управление реле с малой входной мощностью производится с помощью электронного модуля с выходом переменного тока (RC-схемы). Типичные токи утечки таких RC-звеньев, составляющие всего несколько миллиампер, обладают достаточной мощностью, чтобы не допустить возврата реле в исходное состояние даже привести к его срабатыванию.
Уровень помехи, образованный паразитными напряжениями, можно снизить путем параллельного подключения RC-звеньев к катушке реле. Такие меры позволяют обеспечить дополнительную емкостную нагрузки подавить напряжения помехи.
Внешнее противопомеховое RC-цепочка для защиты от паразитных напряжений
Рекомендуются следующие параметры RC-звена:
Сторона контактов, материалы контактов
Реле находят широкий спектр применений в различных областях промышленности. В каждом конкретном случае требуется тщательный подбор материала контактов. Пригодность материала контактов определяется такими параметрами, как напряжение, ток и мощность. Другие критерии, влияющие на выбор:
— стойкость к выгоранию контактов.
— текучесть материала, вероятность приварки контактов,
Материалы, из которых изготавливаются контакты (в основном, это сплавы благородных металлов), одразделяются в зависимости от области применения. В таблице приведены некоторые из основных материалов.
Тип. области применении
Ориентировочные данные для областей применения
значительная стойкость к воздействию промышленных условий; при легировании никелем (AuNi) или серебром (AuAg) незначительное постоянное переходное сопротивление в области малых мощностей коммутации.
гальванически развязанные измерительные и коммутационные цепи, входы сигналов управления
высокая электропроводность; стойкость к воздействию серы, с этой целью для защиты при хранении очень часто наносится золотое покрытие (прибл. 0,2 мкм); легирование никелем (AgNi) или медью (AgCu) повышает механическую прочность и стойкость к обгоранию и снижается вероятность приварки контактов.
универсальное применение; для средних нагрузок; при легировании никелем (AgNi 0,15) возможно использование в цепях постоянного тока для нагрузок от средней до высокой
Серебро с покрытием золотом Ag+Au
Свойства аналогичны позолоченным контактам, при коммутации нагрузки > 30 В / 0,2 А слой твердого золотого покрытия (5-10 мкм) разрушается и приобретаются свойства и особенности серебряных контактов, при этом следует учитывать соответствующее сокращение срока службы.
предназначается для входов сигналов управления и других сигналов небольшой мощности.
серебро-оксид кадмии (AgCdO)
низкая вероятность приварки контактов; высокая стойкость к обгоранию при коммутации больших нагрузок
Специально для коммутации больших нагрузок (переменного тока), а также для индуктивных и емкостных нагрузок.
серебро-оксид кадмия + твердое золотое покрытие AgCdO +Au
Свойства аналогичны позолоченным контактам, при коммутации нагрузки > 30 В / 0,2 А слой твердого золотого покрытия (5-10 мкм) разрушается и приобретаются свойства и особенности контактов из AgCdO, при этом следует учитывать соответствующее сокращение срока службы.
предназначается для входов сигналов управления и других сигналов небольшой мощности.
самая высокая точка плавления; очень высокая стойкость к обгоранию; высокое переходное сопротивление; очень низкая вероятность припарки контактов; подверженность коррозии; часто применяется в качестве вспомогательного контакта.
высокая стойкость к обгоранию; низкая вероятность приварки контактов; высокое контактное сопротивление, как у контактов из чистого серебра.
универсальное применение; для нагрузок от средних до высоких; для цепей постоянного тока и индуктивных нагрузок.
Серебро-никель AgNi +Au
Свойства аналогичны позолоченным контактам, при коммутации нагрузки > 30 В / 0,2 А слой твердого золотого покрытия (5-10 мкм) разрушается и приобретаются свойства и особенности контактов из AgNi, при этом следует учитывать соответствующее сокращение срока службы.
предназначается для входов сигналов управления и других сигналов небольшой мощности.
низкая вероятность приварки контактов; очень высокая стойкость к обгоранию при коммутации больших нагрузок; низкая текучесть материала
Возможности применения очень сильно зависят от типа реле, величины нагрузки при включении и отключении (например, для ламп накаливания и люминесцентных), вида цепи; постоянного или переменного тока. Благодаря применению различных легирующих добавок и использованию различных процессов изготовления ограниченно также подходят и для небольших нагрузок.
Серебро-окись олова с твердым золотым
Свойства аналогичны позолоченным контактам, при коммутации нагрузки > 30 В / 0,2 А слой твердого золотого покрытия (5-10 мкм) разрушается и приобретаются свойства и особенности контактов из AgSnO. при этом следует учитывать соответствующее сокращение срока службы.
предназначается для входов сигналов управления и других сигналов небольшой мощности.
Цепь защиты контактов
Каждый потребитель электроэнергии представляет собой смешанную нагрузку с активной, емкостной и индуктивной составляющей. При коммутации этих нагрузок коммутирующий контакт подвергается различным перегрузкам. Для снижения перегрузки могут применяться соответствующие цепи защиты контактов. Поскольку на практике преобладают потребители с большой индуктивной составляющей, такие как контакторы, электромагнитные клапаны, электродвигатели и т.п., то такие случаи применения должны рассматриваться подробнее.
Для подавления электрической дуги организуют защитные схемы. При правильном подборе параметров этой цепи количество коммутационных циклов может быть достигнуто практически такого же количества, как и при активной нагрузке.
Имеются различные возможности реализации эффективного соединения:
1. Соединение контактов по специальной схеме,
2. Соединение потребителей по специальной схеме,
3. Комбинирование этих двух способов.
Схема соединения контактов
Схема соединения индуктивных потребителей
Защитные мероприятия должны организовываться, как правило, в месте расположения источника помехи. Схема соединения потребителей предпочтительнее схемы соединения контактов. Схема соединения потребителей имеет следующие преимущества (в таблице)
Схема соединения нагрузок
Дополнительная задержка отпускания
Определенное ограничение наведенного напряжения
Биполярное эффективное ослабление
Преимущества и недостатки
Преимущества:
• увеличение срока службы контактов
• некритичность при расчете параметров
• малые наведенные напряжения Недостатки:
• ослабление только с помощью нагрузочного сопротивления
• значительная задержка отпускания
от средней до малой
Преимущества:
• некритичность при расчете параметров
Недостатки:
• ослабление только свыше UZD
• незначительное влияние на срок службы контактов
от средней до малой
Преимуществ:
• некритичность при расчете параметров
• ограничение положительных пиковых значений
• предназначается для сетей переменного тока
Недостатки:
• ослабление только свыше UZD
• незначительное влияние на срок службы контактов
от средней до малой
Преимущества:
• высокое поглощение энергии
• некритичность при расчете параметров
• предназначается для сетей переменного тока
Недостатки:
• ослабление только свыше Uvdr
• незначительное влияние на срок службы контактов
от средней до малой
Преимущества:
• гашение высокочастотных колебаний благодаря аккумулированию энергии
• предназначается для сетей переменного тока
• ослабление вне зависимости от уровня
Недостатки:
• требуется точный расчет параметров
• высокий пиковый ток при включении
незначительное влияние на срок службы контактов
1. При отключении в схеме возникает только импульс противо-ЭДС. В цепи контакта таким образом образуется напряжение, равное сумме рабочего напряжения и противо-ЭДС.
2. При разомкнутом контакте нагрузка гальванически развязана с цепью рабочего напряжения.
3. При наличии нежелательных токов наводок, ложного срабатывания и залипания контактов не происходит благодаря RC-цепочке.
4. Пиковые токи, возникающие при отключении нагрузки, не приводят к наводкам в параллельно проложенных кабелях цепи управления.
Электромагнитные клапаны в настоящее время в большинстве случаев подключаются с помощью специальных разъемов, оснащаемых светодиодами и модулями для ограничения наведенного напряжения. Разъем с RC-звеном, варистором или диодом Зенера не всегда способен подавить коммутационную дугу и служит только для защиты от ЭМВ. Только разъемы со встроенными безынерционными диодами (1N4007) обеспечивают быстрое и надежное гашение коммутационной дуги и позволяют увеличить срок службы реле в 5-10.
Коммутация цепей малой мощности
Малые мощности в основном характерны для слаботочных сигнальных цепей (например, подключаемых ко входам контроллера). При этой нагрузке в области малых мощностей между контактами электрическая дуга образовываться не будет. Наряду с уже имеющимся эффектом чистки, проявляющимся при трении контактов, возникающая между контактами электрическая дуга обеспечивает пробой образующегося на поверхности контактов непроводящего загрязняющего слоя.
Пример использования: Входной сигнал ПЛК
Наружная пленка в основном состоит из продуктов окисления или сульфидирования материала контактов, например, серебра (Ag) или его сплавов, таких как сплавы серебро-никель (AgNi) или серебро- оксид олова (AgSnO). Образование этой пленки уже через небольшой промежуток времени приводит к значительному повышению контактного сопротивления, что в свою очередь не гарантирует надежной коммутации малых нагрузок. По этой причине силовые контакты из вышеупомянутых материалов не применяются при коммутации цепей малой мощности. Прежде всего благодаря низкому постоянному контактному сопротивлению в том числе и при очень малых нагрузках, а также нечувствительности к воздействию содержащей серу окружающей среды в данных областях в качестве материала контактов применяется золото (Au). Для коммутации малых нагрузок и поддержания высокой надежности контакта применяются реле со сдвоенными позолоченными контактами. Контактные пружины (каждая со шлицом) образуют две параллельные контактные площадки, обеспечивающие довольно малое контактное сопротивление и высокую надежность контакта.
Коммутация цепей большой мощности
При организации коммутации цепей большой мощности особое внимание должно уделяться выбору материала силовых контактов, которые могут быть изготовлены из серебра (Ag) или серебро-оксид олова (AgSnO).Принципиально коммутируемые цепи подразделяются на цепи переменного и постоянного тока.
Коммутация больших нагрузок переменного тока
Коммутация больших нагрузок постоянного тока
По сравнению с довольно большими значениями максимально допустимого переменного тока обычные реле способны коммутировать только очень небольшие по величине постоянные токи, что связано с отсутствием автоматического гашения при прохождении нулевой точки. Кроме того, это максимальное значение постоянного тока сильно зависит от величины коммутационного напряжения, а также от конструктивных особенностей, таких как расстояние между контактами и быстродействие реле.
Коммутация нелинейных (лампы) и емкостных нагрузок
Вне зависимости от рода тока различные типы ламп и нагрузок с емкостной составляющей предъявляют повышенные требования к коммутирующему контакту. В начальный пусковой момент, а также непосредственно на фазе динамического дребезга контактов реле, проявляются очень высокие пиковые токи, величины которых очень часто достигают нескольких десятков ампер, а иногда превышают и 100 А, что приводит к приварке контактов. В таких случая применяют специальные „ламповые реле», которые выдерживают пусковые нагрузки такой величины.
Коммутационная способность согласно категории использования АС15 и DC13 (МЭК 60947)
На практике и максимальная мощность отключения для нагрузок переменного тока и параметры отключения для цепей постоянного тока, взятые из кривых срабатывания, предоставляют лишь ориентировочные значения при выборе реле. А этого не достаточно, так как фактические нагрузки, применяющиеся в промышленности, имеют как индуктивную, так и емкостную составляющую, а кроме того нагрузки могут быть подключены по различным схемам. Как было указано ранее, все это оказывает большое влияние на сроки службы различных компонентов.
Наилучшую оценку для коммутационной способности и ожидаемого срока службы в каждом случае можно получить, только зная конкретные рабочие параметры. Путем сбора как можно большего количества данных в большинстве случаев применения достигается наиболее точная оценка срока службы и оптимизация к существующим требованиям. В особо критичных областях применения потребителям рекомендуется самостоятельно опытным путем рассчитывать предполагаемый срок службы устройств.
Основные особенности полупроводниковых реле
Цепь управления
Полупроводниковые реле, применяются в качестве интерфейсных модулей, устанавливаемых между периферийными устройствами технологических процессов и устройствами управления, регулирования и сигнализации и служащих для согласования по уровню сигнала и мощности. Встроенное в модуль полупроводниковое реле настраивается на определенный ограниченный диапазон напряжений. Потребляемый со стороны входной цепи ток зависит от конкретной схемы и уровня напряжения. Подача необходимых для промышленного оборудования напряжений (от 5 до 230 В) реализуется с помощью соответствующей входной схемы. Принципиально входы разделяют на входы постоянного и переменного напряжения.
Вход постоянного напряжения
Согласование с различными уровнями напряжения производится путем установки соответствующим образом настроенных электронных устройств. Для предотвращения повреждения модулей вследствие подачи неправильного управляющего напряжения применяются диоды, обеспечивающие защиту от неправильной полярности. Специально настроенные фильтры служат для надежного подавления высокочастотных импульсных помех.
Рисунок 1: способ коммутации, вход постоянного напряжения
Вход переменного тока
Для нормального функционирования полупроводникового реле требуется поддержание стабильного управляющего напряжения, что в случае входа переменного тока достигается подключением выпрямителя и сглаживающего конденсатора. Входная цепь постоянного тока как правило организуется за цепью выпрямления. Частота коммутации составляет менее половины частоты сети. Из-за сглаживающего конденсатора более высокая частота коммутации не может быть достигнута. В противном случае происходило бы непрерывное переключение контактов.
Рисунок 2: способ коммутации, вход переменного тока
Цепь нагрузки
К выходу полупроводникового реле предъявляются различные требования в зависимости от конкретных условий применения и типа нагрузки. Внимание должно уделяться следующему:
— согласование коммутационного напряжения и тока (переменный/ постоянный) и
— защита от короткого замыкания.
В различных областях применения выходные параметры полупроводниковых реле также должны быть согласованы с другими электронными устройствами.
Выход постоянного тока
Чтобы обеспечить требуемую выходную мощность, полупроводниковое реле дополняется одним или несколькими каскадами на базе полупроводниковых элементов.
С точки зрения пользователя выходные клеммы представляют собой только обычные компоненты для подключения реле. Необходимо следить только за соблюдением полярности.
Как показывает практика, при выборе модулей с полупроводниковым реле необходимо принимать во внимание следующие критерии:
2. Максимальный длительный ток (например, 1 А)
Этот параметр означает максимальный длительный ток. Частое превышение этого значения приводит к повреждению выходного полупроводникового устройства. Также необходимо обращать внимание на зависимость выходного тока полупроводникового реле от температуры окружающей среды. Для силовых полупроводниковых реле приводятся соответствующие графики изменения характеристик от температуры. На графиках показывается зависимость максимального тока нагрузки от температуры окружающей среды.
Выходная двухпроводная цепь оснащена одним механическим контактом. Необходимо обращать внимание только на полярность подключения.
Рисунок 3: Для 2-проподного выхода
Выход переменного тока
Для управления коммутационными и управляющими устройствами переменного тока за полупроводниковым реле в цепи переменного тока дополнительно устанавливается полупроводниковый компонент (триак или тиристор).
Как и в случае выходной цепи постоянного тока, здесь также необходимо учитывать зависимость максимального рабочего диапазона напряжений и максимального длительного тока нагрузки от температуры окружающей среды.
Дополнительно для выходов переменного тока необходимо также учитывать максимальное пиковое запирающее напряжение триака например, 600 В). Данный компонент также обеспечивает защиту от повреждения при колебании напряжений и всплесках напряжения помех. Выходы переменного тока всех полупроводниковых реле производства PhoenixContact защищены от пиковых напряжений помех внутренней защитной схемой (RC-цепочка).
Рисунок 5: Принципиальная схема, выход перемен, тока
Защитные схемы
При коммутации индуктивных нагрузок (контакторы, электромагнитные клапаны, электродвигатели) амплитуды импульсов перенапряжений могут достигать очень больших значений. Электронные компоненты очень чувствительны к перенапряжениям. Поэтому для предотвращения их повреждения следует предусматривать соответствующие защитные цепи.
Эффективное снижение коммутационных перенапряжений до безопасного уровня достигается путем параллельного подключения к нагрузке. В зависимости от выхода полупроводникового реле и типа нагрузки
— безынерционный / ограничительный диод (только постоянный ток),
— варистор (переменный и постоянный ток) или
— RC-звено (только переменный ток) обеспечивают необходимую защиту.
Рисунок 6: защитная цепь для выхода постоянного напряжения
Рисунок 7: защитная цепь для выхода переменного напряжения