Коммутируемая мощность что это

6

МОЩНОСТЬ КОММУТИРУЕМАЯ

Примечание. Коммутируемая мощность обычно указывают в ваттах для постоянного тока и в вольт-амперах для переменного тока.

[ГОСТ IEC 60050-444-2014. Международный электротехнический словарь. Часть 444. Элементарные реле]

Мощность коммутируемая (switching power) — мощность, передаваемая или прерываемая контактом реле.
Примечание. Коммутируемая мощность обычно указывается в ваттах (Вт) для постоянного тока и в вольт-амперах (ВА) для переменного тока.

[ГОСТ IEC 61810-1-2013. Реле логические электромеханические с ненормируемым временем срабатывания. Часть 1. Общие требования]

Мощность коммутируемая

Мощность коммутируемая (switching power) — мощность, которую замыкает или размыкает контакт реле.

Примечание. Коммутируемая мощность обычно указывают в ваттах для постоянного тока и в вольт-амперах для переменного тока.

[ГОСТ IEC 60050-444-2014. Международный электротехнический словарь. Часть 444. Элементарные реле]

Мощность коммутируемая (switching power) — мощность, передаваемая или прерываемая контактом реле.
Примечание. Коммутируемая мощность обычно указывается в ваттах (Вт) для постоянного тока и в вольт-амперах (ВА) для переменного тока.

[ГОСТ IEC 61810-1-2013. Реле логические электромеханические с ненормируемым временем срабатывания. Часть 1. Общие требования]

Правообладателям! В случае если свободный доступ к данному термину является нарушением авторских прав, составители готовы, по требованию правообладателя, убрать ссылку, либо сам термин (определение) с сайта. Для связи с администрацией воспользуйтесь формой обратной связи.

2.10 Реле

На рынке существует несколько тысяч разновидностей реле. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор реле является важнейшим вопросом для его успешной работы. При проектировании необходимо принимать во внимание функциональное назначение и схему, номинальные значения напряжения и тока, показатели эффективности и надежности, срок службы, размер, стоимость и т. д.

Для наиболее удачного выбора реле для конкретной области применения необходимо знать основные функциональные возможности, а также преимущества и недостатки различных типов реле. Давайте сосредоточимся на наиболее традиционных типах реле: электромеханические (электромагнитные), твердотельные и герконовые.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УКАЗАНИЯ ПО ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ РЕЛЕ

• 3, 5, 6, 12, 24, 48, 100 В (постоянный ток)
• 12, 24, 100, 120, 200—240 В (переменный ток)

• Входное напряжение — 3—60 В (постоянный ток), 18—280 В (переменный ток)
• Напряжение нагрузки — до 600 В
• Ток нагрузки — до 160 А

• Напряжение нагрузки (переменный/постоянный ток) от 60 до 600 В
• Ток нагрузки — до 6 A

• Коммутируемая нагрузка — до 120 Вт
• Ток коммутации — до 3 А
• Вход (напряжение обмотки): 3, 4.5, 5, 6, 12, 15, 24 В (постоянный ток)*

* Нормативные значения отмечены жирным

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ: ОБМОТКА И ПРИНЦИП РАБОТЫ. ОСНОВНАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ

• Single Side Stable — одностороннее позиционное реле
  Включается, когда на обмотку подается питание, и отключается при её обесточивании.
• Latching Relays — реле с механической блокировкой
  В реле с механической блокировкой контакт остается в рабочем положении даже после прекращения подачи управляющего тока на обмотку.
• 1-Coil Latching Type — однообмоточное реле с фиксацией
  Может находиться в положениях «вкл.» и «выкл.» при подаче и снятии импульсного входного сигнала. При обмотке с фиксацией реле включается и отключается путём подачи сигналов противоположной полярности, в то время как контакты остаются в том же положении при обесточивании обмотки.
• 2-Coils Latching Type — двухобмоточное реле с фиксацией
  Состоит из двух обмоток: обмотка с фиксацией включения и обмотка с фиксацией выключения. Реле устанавливается в рабочее положение или положение возврата путём поочередной подачи импульсных сигналов одинаковой полярности.
• Nominal Coil Voltage (Rated Coil Voltage) — номинальное напряжение об мотки (рабочее напряжение обмотки)
  Напряжение, приложенное к обмотке, при использовании реле в нормальных рабочих условиях.
• Must Operate Voltage (Pick-Up Voltage, Pull-In Voltage) — напряжение срабатывания
  Минимальное значение напряжения обмотки, необходимое для срабатывания контактов реле при температуре 20 °C.
• Must Release Voltage (Drop-Out Voltage) — напряжение отпускания
  Максимальное значение сниженного напряжения обмотки, при котором отпускаются контакты, при температуре 20 °C.
• Maximum Applied Voltage — максимальное прикладываемое напряжение
  Максимальное значение напряжения, которое может быть постоянно приложено к обмотке без повреждений и превышения температурных ограничений.
• Nominal Operating Current (Rated Coil Current) — номинальный рабочий ток (номинальный ток обмотки)
  Величина тока, протекающего по обмотке, при приложенном номинальном напряжении и температуре 20 °C.
• Nominal Operating Power (Coil Power Consumption) — номинальная рабочая мощность (потребляемая мощность обмотки)
  Величина мощности, потребляемой обмоткой, при приложенном к ней номинальном напряжении. Номинальная рабочая мощность равна произведению номинального напряжения обмотки на номинальный рабочий ток. В обмотках постоянного тока она выражается в Вт; в обмотках переменного тока — в ВА.
• Coil Resistance — сопротивление обмотки
  Это сопротивление обмотки по постоянному току в реле постоянного тока при температурных условиях, указанных в каталоге; обычно — при стандартной температуре 20 °C (68 °F).
• Maximum Switching Voltage — максимальное напряжение коммутации
  Максимальное значение напряжения к контактам, при котором надежно переключаются контакты.
• Maximum Carrying Current — максимальный пропускаемый ток
  Значение тока, который может непрерывно протекать по контактам без превышения граничных значений максимальной температуры. Это значение обычно равно или выше значения максимального тока коммутации.
• Maximum Switching Current — максимальный ток коммутации
  Максимальное значение тока контакта, при котором надежно переключаются контакты.
• Maximum Switching Power — максимальная коммутируемая мощность
  Максимальная активная мощность, при которой контакты переключаются без превышения проектных параметров реле. Необходимо проявлять осторожность и не превышать это значение.
• Mechanical Life — механическая долговечность
  Минимальное количество циклов работы реле в номинальном режиме без какой-либо электрической нагрузки на контактах.
• Electrical Life — электрическая долговечность
  Минимальное количество циклов работы реле в номинальном режиме при переключении контактами номинальной нагрузки.
• Maximum Switching Frequency — максимальная частота коммутаций
  Максимальное количество полных циклов переключения в секунду.
• Operating Time (Set Time for Latching Relays) — время срабатывания (время включения для реле с механической блокировкой)
  Время с момента подачи питания на обмотку реле до момента замыкания контактов. Для реле с несколькими полюсами время рассчитывается до замыкания последнего контакта. Время дребезга контактов не учитывается.
• Release Time (Reset Time for Latching Relays) — время отпускания (время возврата для реле с механической блокировкой)
  Время с момента прекращения подачи номинального напряжения на обмотку до момента отпускания контакта. Время дребезга контактов не учитывается.
• Bounce — дребезг
  Скачкообразное размыкание и замыкание контактов вследствие соударения подвижных частей при срабатывании и отпускании реле.

КОНТАКТЫ

Форма контактов определяет тип контактного механизма реле и количество контактов в электрической цепи.

Устройство контактов определяет доступные в реле комбинации переключения контактов и определяется количеством полюсов, количеством положений (на одно направление, на два направления и т. д.), исходным положением (открытый или замкнутый контакт) и последовательностью замыкания и размыкания контактов.

Табл. 2.45. Формы контактов и обозначения

Табл. 2.46. Многополюсные конфигурации

Ведущие мировые производители электромагнитных реле: Panasonic, OMRON, NEC-Tokin (ныне Kemet), TE Connectivity (Axicom), Fujitsu, American Zettler, Finder.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ РЕЛЕ

Долгие годы электромеханические реле были единственными устройствами для коммутации в электрических выходных цепях путём движения механических частей. На протяжении последних десятилетий, благодаря интенсивному развитию полупроводниковых технологий, выходные цепи переключения с сигналом электроуправления могут быть построены с помощью электронных, магнитных и оптических средств и электрических компонентов для осуществления развязки и релейной коммутации. В таких реле не используется механическое движение, поэтому они называются твердотельными.

Твердотельные реле, также называемые статическими или полупроводниковыми, были изобретены в 1972 году. Они отличаются от электромеханических реле тем, что вместо механических компонентов в них используются полупроводниковые коммутационные элементы, такие как тиристоры, симисторы, диоды и транзисторы. Твердотельное реле можно использовать для управления большинством цепей, которые может контролировать электромеханическое реле. Эти реле могут быть разработаны для коммутации переменного или постоянного тока на нагрузку, выполняя ту же функцию, которую выполняют электромеханические реле во многих областях применения, но без использования подвижных частей, которые имеют склонность к физическому износу. Твердотельные реле предоставляют преимущества практически бесконечного коммутационного срока службы, более низкого энергопотребления, более быстрого срабатывания, работы без дребезга контактов, невосприимчивости к радиопомехам, слабого сигнала управления, высокой ударопрочности и вибростойкости, а также малого размера.

Твердотельное реле — чисто электронное устройство, которое обычно состоит из управляющей стороны с низким током (соответствует обмотке в электромеханическом реле) и стороны нагрузки с высоким током (соответствует контактам обычного реле). Твердотельные реле используют оптические полупроводники (оптроны) для развязки входной (сторона управления реле) и выходной цепи (сторона нагрузки реле) на несколько тысяч вольт (от 2500 до 5000 В переменного тока), а также полупроводниковые устройства — для коммутации. Существует два вида твердотельных реле, и они отличаются полупроводниковым устройством, используемым для коммутации выходной цепи: симисторные (TRIAC) или реле на базе кремниевого управляемого диода (SCR), которые относятся к одному семейству тиристорных реле (см. рис. 2.48), а также двойные МОП-транзисторные реле.

Симистор — это твердотельный коммутатор переменного тока. Маленький ток на выводе управляющего электрода может коммутировать высокие переменные токи. Симисторное реле состоит из двух противовключенных кремниевых управляемых диодов, в которых катод одного подключен к аноду другого, и наоборот. Выводы соединены друг с другом. Так как в реле используются два кремниевых управляемых диода, эта конфигурация обеспечивает коммутацию в обоих полуциклах. Твердотельное реле часто имеет внутреннюю цепь детектора перехода через ноль для включения симистора при переходе напряжения переменного тока через ноль синусоиды. Это позволяет избежать повреждений нагрузки и скачков напряжения. Реле также создает более низкие электромагнитные/радиопомехи. Симисторные твердотельные реле — реле общего назначения, которые обычно используются для работы с резистивными нагрузками. Твердотельные реле на базе кремниевых управляемых диодов используются для коммутации резистивных или индуктивных нагрузок, особенно при больших бросках тока.

Недостаток твердотельных реле заключается в том, что полупроводники никогда не бывают полностью включенными или отключенными. Во включенном состоянии существенное значение сопротивления может привести к значительному тепловыделению при протекании тока. Поэтому твердотельные реле необходимо устанавливать на теплоотводы. Реле чувствительны к температуре окружающей среды, и поэтому при их использовании в жарких климатических условиях или без теплоотводов необходимо снижать их номинальные параметры.

Основные виды монтажа:

• крепление на панели;
• монтаж на печатной плате (при малых размерах);
• монтаж на рейке DIN.

Передовые мировые производители твердотельных реле: Crydom, Weidmuller, Crouzet, IDEC, Hongfa.

ФОТО-МОП РЕЛЕ*
* Иллюстрации взяты из технических материалов компании Panasonic (Matsushita Electric Works)

В твердотельных реле постоянного тока используются мощные биполярные транзисторы или полевые МОП-транзисторы. Твердотельные реле, использующие для коммутации в цепи нагрузки МОП-транзисторы, называются реле на базе МОП-транзисторов или фото-МОП реле.

Реле на базе МОП-транзистора — это полностью твердотельное реле, которое состоит из светодиода во входной цепи и МОП-транзистора на выходе.
Конструкция фото-МОП реле показана на рис. 2.49.

Входные контакты подключены к светодиоду, который излучает свет, когда через него проходит прямой ток. Светодиод установлен напротив фотоэлементного датчика, и при попадании света на этот датчик генерируется напряжение, при подаче которого на затвор МОП-транзистора, МОП-транзистор включает и отключает ток стока. Светодиод и датчик запрессованы в светопрозрачную смолу, которая обеспечивает беспрепятственное прохождение света, в то же время обеспечивая диэлектрическую изоляцию между входной и выходной цепями (рис. 2.47).

Двойные полевые МОП-транзисторы установлены на выходной стороне и выполняют в цепи нагрузки функцию коммутатора. Они соединены последовательно и включены обратно с общим истоком. Таким образом, они могут коммутировать и переменный ток, так как такое реле пропускает постоянный ток в обоих направлениях: один МОП-транзистор коммутирует положительную полуволну, а второй — отрицательную.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ФОТО-МОП РЕЛЕ

На блок-схемах на рис. 2.51, 2.52 изображен принцип работы фото-МОП реле.

Рис. 2.51. Когда реле включается

Рис. 2.52. Когда реле отключается

Так как оптически связанные МОП-транзисторы имеют очень низкий ток возбуждения, равный нескольким мА, и, в отличие от катушек, не имеют индукции на входе, ими можно управлять непосредственно с помощью логических комплементарных МОП-вентилей. Есть еще большое количество других преимуществ фото-МОП реле:

• низкое энергопотребление;
• малый ток утечки;
• постоянное значение сопротивления во включенном состоянии на протяжении всего срока службы;
• высокая скорость коммутации;
• высокая надежность и долговечность;
• компактность;
• высокая вибростойкость и ударопрочность;
• отсутствие помех коммутации и дребезга контактов;
• фото-МОП реле не создают и не чувствительны к электромагнитным помехам (EMI).

Фото-МОП реле все чаще используются в различных сферах; особенно в качестве альтернативы герконовым и электромеханическим реле в измерительных приборах и в телекоммуникационных системах.

Таблица 2.47 (стр. 117) — «Преимущества и недостатки электромеханических, герконовых и твердотельных реле» — поможет проектировщикам принять наиболее правильное и оптимальное решение.

Передовые мировые производители фотореле на базе полевых МОПтранзисторов: Panasonic, Omron, Renesas, Toshiba, Avago Technologies, IXYS, Solid State Optronics.

ГЕРКОНОВЫЕ РЕЛЕ

Герконовый переключатель был впервые изобретен корпорацией Bell Telephone Laboratories в 1936 году.

Он состоит из двух ферромагнитных лепестков (называемых герконами и состоящими обычно из железа и никеля), герметично запаянных в стеклянную капсулу с чистым инертным газом или вакуумом. На перекрытии у герконов располагаются контакты; контактная поверхность обычно покрыта родием для обеспечения более низкого сопротивления контактов при их замыкании.

• Magnetic Sensitivity (Магнитная чувствительность) — определяется в единицах измерения АТ (Ampere Turns), т. е. в ампер-витках и равняется величине тока (А), протекающего по обмотке с определённым количеством витков (Т), при срабатывании коммутирующих контактов. Это произведение величины тока в амперах, необходимого для питания обмотки, на количество витков обмотки. Для обмотки с 3 тыс. витками и протекающим по ней током величиной 10 мА магнитная чувствительность равна 30 АТ.
• Pull-In (Must Operate Condition) — значение магнитодвижущей силы обмотки (в ампер-витках), при котором включается реле, т. е. ампервитки срабатывания реле.
• Drop-Out (Must Reset Condition) — аналогичный параметр при отключении (отпускании) реле.

Базовая конструкция герконового реле включает в себя капсулу герконового переключателя, окруженную электромагнитной обмоткой для срабатывания и упакованную в формованный или герметизированный корпус. Когда обмотка возбуждается из-за наличия магнитного поля, два геркона притягиваются друг к другу настолько, что их контакты замыкают цепь реле. Когда обмотка обесточивается, натяжение пружины в герконах размыкает контакты.

Основные конфигурации переключающихся контактов герконовых реле:

• форма A (нормально открытые);
• форма B (нормально закрытые);
• форма C (однополюсные, на два направления — нормально закрытый контакт размыкается перед тем, как замыкается нормально открытый контакт);
• форма D (однополюсные, на два направления — нормально открытый контакт замыкается перед тем, как размыкается нормально закрытый контакт).

Герконовое реле имеет надёжную изоляцию входной цепи от выходной с сопротивлением изоляции, достигающим 10 15 Ом. Это позволяет снизить токи утечки до фемтоампер (10 –15 A). Как было указано выше, контакты герметично запаяны, поэтому контактное сопротивление минимально, а контакты защищены от воздействия окружающей среды. Благодаря этому они могут работать практически в любых условиях: в загрязненных, коррозионных и других суровых промышленных и взрывоопасных средах. Герконовые реле могут коммутировать очень низкие токи и напряжения.

Электромеханические реле этого делать не могут из-за напряжения искрения. Полупроводники твердотельных реле обладают емкостью, характеризуются токами утечки и напряжениями смещения, а это препятствует коммутации и обнаружению низких напряжений и токов.

Максимальная коммутируемая мощность герконового реле определяется любым сочетанием постоянного напряжения и тока, коммутируемыми при замыкании контактов, при условии, что не превышается максимальное значение мощности. Иногда с этим параметром возникает путаница, поэтому очень важно пояснить, что он означает. В герконовом реле с номинальным напряжением коммутации 20 В, током коммутации 1 А и мощностью коммутации 20 Вт, произведение любого напряжения на ток при коммутации не должно превышать значение 20 Вт. Таким образом, при необходимости коммутации 200 В разрешается коммутировать токи до 100 мА. И, если необходимо коммутировать ток 1 А, максимальное значение коммутируемого напряжения не должно превышать 20 В.

При коммутации больших нагрузок, особенно индуктивных, емкостных и ламповых, ожидаемый срок службы может значительно сократиться.

В отличие от описанного герконового реле с сухими контактами, ртутное герконовое реле — это тип реле, в котором контакты смочены ртутью. Такие реле не имеют дребезга контактов и используются для:

• коммутации низких напряжений (ниже 1 В): ртуть снижает контактное сопротивление и, как следствие, способствует падению напряжения;
• коммутации малых токов: в случаях, когда загрязнение поверхности может привести к плохому контакту;
• для быстродействующих систем, в которых ртуть устраняет дребезг контактов.

Недостатки этого типа герконового реле следующие: температура замерзания ртути равна –38 °C, а также низкая ударопрочность и вибростойкость. Кроме того, ртутные реле являются позиционно-чувствительными и для правильной работы должны быть установлены вертикально. Из экологических соображений (токсичность ртути), а также исходя из затрат на жидкую ртуть, в настоящее время эти реле используются довольно редко.

Сферы применения герконовых реле:

• телекоммуникация;
• автоматизированное испытательное оборудование;
• приборы (принтеры, сканеры, системы измерения);
• промышленное производство и робототехника;
• системы безопасности.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ, ГЕРКОНОВЫХ И ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ РЕЛЕ

• Богатый ассортимент и разнообразие конфигураций
• Долговечность
• Малое контактное сопротивление и низкое падение напряжения
• Низкая выходная ёмкость
• Низкая стоимость контакта
• Отказы происходят чаще всего в разомкнутом положении контактов (более безопасно)
• Отсутствуют токи утечки

• Возможность использования в суровых атмосферных условиях
• Компактность и небольшой вес
• Очень высокое изоляционное сопротивление (до 1015 Ом)
• Высокое напряжение коммутации (до 10 кВ постоянного тока)
• Малые токи утечки
• Не требуется нагрузка (мкВ/пA)

• Высокий КПД, длительный срок службы и долговременная надежность
• Низкое энергопотребление
• Возможность быстрой коммутации
• Работа непосредственно от цифровой логической цепи из-за низкого входного тока
• Отсутствие дребезга, искрения и помех коммутации
• Ударопрочность/ вибростойкость

• Низкая скорость коммутации
• Ограниченный срок службы контактов (механический срок службы)
• Помехи коммутации, возможные электромагнитные помехи
• Отсутствие ударопрочности и вибростойкости
• Дребезг контактов и искрение

• Максимальный ток коммутации — 3 A
• Чувствительность к магнитному полю
• Ударо- и виброчувствительность
• Чувствительность к резким скачкам напряжения

• Высокая стоимость
• Отсутствие гальванической развязки
• Твердотельные реле обычно могут коммутировать либо только переменный ток, либо только постоянный
• Высокое падение напряжения и нагрев во включенном состоянии
• Отказы обычно происходят в замкнутом положении контактов

ВЕДУЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ РЕЛЕ

Электромагнитные реле

Твердотельные реле (симисторные / на базе кремниевого управляемого диода)

Твердотельные реле (фото-МОП реле)

Герконовые реле

Благодарности, вопросы и пожелания касательно Путеводителя по электронным компонентам вы можете отправлять непосредственно автору — Льву Шапиро. Он также готов проконсультировать вас по вопросам, связанным с микроэлектроникой.

Коммутируемая мощность реле что это

В наших проектах можно встретить реле различного назначения. Начинающие проектировщики могут допустить очень грубую ошибку при проектировании схем с использованием реле. Неправильное использование реле в лучшем случае приведет лишь поломке самого реле…

А если у вас будет какой-то непрерывный технологический процесс, представляете, какой возможен ущерб?

В своих схемах я стараюсь не использовать контакты реле для коммутации силовой нагрузки. Но, если мы не превышаем допустимую нагрузку, то почему бы нам не коммутировать контактами реле силовую нагрузку?

На мой взгляд, силовая нагрузка – понятие достаточно условное. Скажем, к нагрузкам до 500 Вт его можно не применять (ИМХО).

Например, управлять контактором КТИ-7630 (на 630А) не так просто, поскольку при срабатывании он потребляет 1650ВА и здесь следует задуматься о допустимом токе (мощности) контактов, которыми вы управляете контактором.

В каталоге «F&F» имеется таблица максимальной мощности в зависимости от типа нагрузки и номинального тока контактов реле:

Максимальная мощность контактов реле

На столбец (АС1) я бы все-таки не обращал внимание, т.к. цифры в нем меня смущают. Вот что мне ответили по этому поводу:

В общем, если вы видите контакты с номинальным током 16А, это совсем не значит, что на эти контакты можно подключать нагрузку с таким током.

Где-то я читал такое правило, что номинальный ток контактов нужно делить на 3, т.е. для реле с током 16А, допустимый ток будет 5А или 1 кВт. Как видим из таблицы, в целом это правило соответствует действительности.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромагнитные реле — электромеханические устройства, работа которых основана на явлениях, известных по экспериментам с электромагнетизмом. Известно, что принцип действия обычных контактных выключателей заключается в том, что металлические элементы соприкасаются и через них может течь ток. Когда они разомкнуты, воздух между ними становится непроходимой преградой для тока. А эти контакты перемещаются электромагнитом, управляемым отдельной схемой.

Электромагнит был изобретен ещё 200 лет назад и с тех пор в его конструкции мало что изменилось. Но теперь есть больше знаний и технологических возможностей для изготовления миниатюрных электромагнитов с низким энергопотреблением, с возможностью питания постоянного или переменного тока и других особенностей. Электромагнитные реле (или просто реле) — это компоненты, которые чаще всего закрываются в прямоугольный корпус с выводами для пайки или установки в разъём. Внутри находится электромагнит, металлический якорь, который перемещает контакты.

Параметры реле

Правильный выбор реле важен. Часто критерий выбора ограничивается ценой в магазине или запасом в радиолюбительской мастерской. Просто берут подходящее по току/напряжению. Но к этому вопросу следует подходить более профессионально. Давайте обсудим менее популярные параметры и посмотрим на них под другим углом, потому что многие из них часто слишком поверхностны.

Напряжение питания катушки

На корпусе реле написано, например, 12 В, что означает для его срабатывания потребуется 12 В. Вот только редко бывает напряжение точно требуемого значения. И что делать если напряжение в схеме упадёт до 9 В или повыситься до 15 В?

Если напряжение будет слишком высоким, катушка соленоида, обычно герметично закрытая в небольшом пластиковом корпусе, просто перегреется. Закон Джоуля здесь неумолим. К счастью производители предоставляют некоторый запас по напряжению. И наоборот, если напряжение слишком низкое, через катушку постоянного сопротивления будет протекать меньший ток, что сделает якорь менее слабым на притягивание. А если сила тока слишком низкая, якорь вообще не сдвинется с места.

Термин «напряжение питания катушки» неточен, потому что каждый производитель реле должен предоставить по крайней мере два разных напряжения характеризующих катушку. Первое — это напряжение срабатывания, а второе — напряжение отпускания. Напряжение переключения близко к напряжению, указанному на корпусе.

Это значение, при котором производитель гарантирует замыкание контакта. Оно дается для строго определенной температуры, чаще всего комнатной или аналогичной. При более высоких температурах сопротивление провода увеличивается, поэтому приложение того же напряжения к катушке вызовет протекание более низкого тока (что может быть недостаточно для перемещения якоря).

Напряжение отключения (отпускания) информирует, до какого значения необходимо снизить напряжение питания катушки, чтобы контакты вернулись в исходное положение. Часто это всего лишь 10% от номинального напряжения! Таким образом, реле с напряжением питания 5 В, указанным на корпусе, отключится когда падение напряжения упадёт до 0,5 В, что даже меньше прямого напряжения кремниевых p-n переходов. Разница в процентах вызвана магнитным гистерезисом ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник электромагнита.

Это очень удобно, поскольку позволяет значительно снизить энергопотребление катушки в установившемся режиме. Реле с номинальным напряжением питания 12 В достаточно для подачи напряжения выше 8,4 В, а затем его понижения (например до 2 В). Экономия электроэнергии, важная для схем с батарейным питанием, будет огромной.

Фактическое напряжение питания катушки может отличаться от указанного на корпусе, и в довольно широких пределах. Об этом стоит помнить. Подтянув якорь электромагнитом, можно снизить напряжение питания катушки и сэкономить энергию.

Максимальная переключаемая мощность

При поиске реле на сайтах магазинов можно встретить такие описания, как «максимальная коммутируемая мощность: 4000 ВА». Это соответствует значению, указанному производителями в примечаниях и означает произведение максимального тока на максимальное напряжение, которое может проводить данное реле. Для 16 А и 250 В переменного тока это ровно 4000 ВА.

На самом деле это бесполезное число. На это указывает диаграмма зависимости напряжения в коммутируемой обратной цепи от тока (максимальная коммутируемая мощность). В то время как для переменного тока параметры, такие как 16 А и 250 В переменного тока, верны, для постоянного тока — не совсем.

Постоянный ток имеет очень нежелательную особенность для контактных элементов. При их отключении (размыкании) возникает электрическая дуга, которая не гаснет сразу, а продолжается до тех пор, пока расстояние между контактами не станет достаточно большим.

Во время дуги контакты плавятся, как при сварке. Переменный ток более «мягкий» по своей природе, потому что напряжение между контактами упадет до нуля максимум за половину периода, что для цепей, работающих с частотой 50 Гц, составляет всего 10 мс. Следовательно, максимальная мощность которую может переключить то же реле, размещенное в цепи постоянного тока, будет значительно ниже «переменных» 4000 Вт. При высоком напряжении 300 В максимальный ток может составлять только 200 мА, поэтому нагрузка будет потреблять только 60 Вт.

Большинство имеющихся на рынке реле средней мощности предназначены для работы в цепях переменного тока (особенно в более низком ценовом диапазоне). Постоянный ток требует оснащения реле дополнительными элементами, ускоряющими гашение электрической дуги, что увеличивает его стоимость.

Параметр минимального прямого тока и минимальной коммутируемой мощности часто указывается не в примечаниях напрямую, а в виде комментариев. Например, в спецификации к типовому реле только на третьей странице можно найти информацию, написанную маленькими буквами, о том, что минимальное коммутируемое напряжение составляет 5 В постоянного тока, а минимальный коммутируемый ток составляет 10 мА (в реле с позолоченными контактами). Эти условия должны выполняться одновременно.

Причина указанного ограничения кроется в самом характере работы контактных элементов. Когда они проводят электричество достаточно высокой интенсивности, искры, образующиеся при подключении и отключении, могут очистить их поверхность от оксидов, сульфидов и других примесей. Это называется эффект самоочищения. Для этого производители реле должны выбрать силу, с которой контакты прижимаются друг к другу, чтобы этот слой мог стираться.

Если этот процесс не выполняется должным образом, контактное сопротивление может медленно увеличиваться, пока не возникнут проблемы с проводимостью тока. Эффект особенно заметен при использовании реле, предназначенных для переключения нагрузок средней или большой мощности, в местах где протекающие токи прослеживаются, например в тракте аудиосигнала.

Явление видно еще лучше, когда реле не имеет герметичного корпуса и атмосфера внутри него содержит загрязняющие вещества из воздуха (главный виновник здесь — сера и ее соединения). Поэтому так называемые реле малосигнальные должны иметь герметичный корпус. Только в этом случае можно гарантировать, что они будут исправно работать в течение многих лет в средах с различной степенью загрязнения.

Кроме того, контакты следует покрыть подходящим металлом. Чаще всего для гальваники используют золото, но бывают и сплавы серебра и палладия, которые характеризуются гораздо меньшим сопротивлением.

Контактный ток передачи

И контакты, и металлические выводы к ним, представляют собой элементы с конечной площадью поперечного сечения. Существует ограничение на количество тока, который может проходить через них без опасения перегрева.

На значение этого параметра влияют форма контактов, контактная поверхность, материал контактов и сила их давления. Как для нормально разомкнутых (NO), так и для нормально замкнутых (NC) контактов, идентичность первых трех параметров легко достигается. Достаточно если они будут из одного материала, с использованием одинаковых форм.

Параметр усилия нажима повторить сложнее. Контакты сталкиваются с большой силой и затем удерживаются на месте якорем. Давление на замыкающие контакты обеспечивается только пружиной, которая не должна быть слишком сильной, чтобы электромагнит реле мог ее согнуть. По этой причине ток, который могут проводить замыкающие контакты, может быть больше чем ток, протекающий через замыкающие контакты. Некоторые производители правда оговаривают, что максимальный прямой ток замыкающих контактов доступен при номинальном напряжении питания катушки. Многие производители учитывают это и проектируют свою продукцию таким образом, чтобы не было разницы в параметрах между нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами.

Тип нагрузки реле

Максимальный прямой ток контактов — это параметр, который может различаться для постоянного и переменного тока. Он также может различать резистивные и реактивные нагрузки. Чаще всего резистивная нагрузка может потреблять больше тока, чем реактивная.

Некоторые производители предоставляют более подробную спецификацию в своих примечаниях к реле, например с учетом нагрузки на двигатель. Например несмотря на высокий максимальный прямой ток контактов, который достигает 16 А, максимальная мощность управляемого двигателя может составлять всего 650 Вт. Причина проста — индуктивная нагрузка представляет собой проблему для контактов из-за возникающего перенапряжения, да и пусковые токи. Поэтому с виду «сильного» реле может оказаться недостаточно.

Время переключения

Понятно что реле работают медленнее полупроводниковых приборов. В некоторых устройствах необходимо ввести соответствующие последовательности переключения. Те же пассивные регуляторы громкости. Быстрое переключение резисторов в резистивном делителе необходимо, чтобы получить ощущение плавности при быстром изменении громкости звука. Здесь следует помнить, что оставление цепи разомкнутой даже на мгновение, когда одно реле уже отключилось, а соседнее еще не сработало, может привести к очень неприятному потрескиванию из динамиков. Это недопустимо в аудиоаппаратуре высокого класса, а в студии звукозаписи вообще нонсенс.

Следует учитывать время включения следующего реле до того, как предыдущее перестанет работать. И учитывать возможное отклонение напряжения питания в сторону уменьшения, а также повышенную температуру окружающей среды, что увеличивает время переключения. Поэтому лучше предполагать, что время вдвое больше, чем указано в даташитах на реле.

Корпуса электромагнитных реле

Все большую популярность приобретают реле с герметичными корпусами, но все еще доступны реле и в негерметичном корпусе в виде пластиковой крышки, устанавливаемой на защелки. При разработке оборудования для дома или в офисе, это не имеет особого значения. Но в загрязненной или сырой среде на это стоит обратить внимание.

Разумеется только герметичные реле следует размещать в среде с повышенной влажностью. Но есть и помещения с совершенно другой спецификой, например, котельные. Воздух в них обычно сухой и теплый, но загрязнен угольной пылью и выхлопными газами. Примеси богаты серой, которая является неотъемлемым спутником всех видов углерода. Если сжигание в небольших котельных оказывает незначительное влияние на окружающую среду, то электроника внутри котельной может это сразу почувствовать. Большинство реле средней мощности имеют контакты из сплава серебра, идеально реагирующие с серой с образованием сульфида серебра, который нерастворим и не электропроводен. То есть контакты реле за короткое время сульфатируются.

Возникала такая ситуация в контроллере тонкой печи центрального отопления, где использовались реле без герметизации. Через два года печь стала «странно работать» и окончательно перестала включать насосы. Причина — сильно сульфатированные контакты реле. Внутри они были липкими от смолистой пыли. После замены на герметичный кожух печь безупречно работает долгие годы.

В своих примечаниях производители обращают внимание на использование реле с негерметичным корпусом только в местах, свободных от пыли, соединений серы и азота. Это сказывается и на классе герметичности — блоки с герметичным корпусом обычно имеют класс IP67, а обычные только IP40.

Установка элемента в разъём

Реле являются электромеханическими компонентами, поэтому они подвержены износу. В большинстве серийно выпускаемых устройств этим можно пренебречь — срок службы реле обычно больше ожидаемого срока службы устройства. Даже если реле выходит из строя (например, при сварке контактов) или преждевременно изнашивается, это простая и рутинная операция по замене компонента в сервисном центре.

Иная ситуация с приборами промышленной автоматики. В тех случаях, когда твердотельные реле (SSR) не могут быть использованы или устройство не новое, остается регулярная замена реле. Следует учитывать, что устройства часто работают в очень плохих условиях, например, с повышенной влажностью (вызывающей коррозию клемм), вибрацией, пылью (ухудшающей изоляцию) или чрезвычайно высокой или чрезвычайно низкой температурой. Тогда не остается ничего другого, как использовать розетку для реле. Некоторые из них имеют клеммы, которые позволяют как пайку в печатную плату, так и установку в розетку с прижимным зажимом, чтобы предотвратить их выпадение.

Во многих розетках контакты расположены на том же расстоянии, что и реле, установленные в них. Благодаря этому в устройство можно добавить гнездо для реле, не меняя конструкции печатной платы. Это особенно важно, когда на этапе проектирования неизвестно будет ли данное реле часто выходить из строя. Учтите что реле встроенное в розетку, обычно имеет меньший допустимый прямой ток контактов.

Бистабильное и моностабильное

Бистабильные реле становятся дешевле и доступнее, но многие разработчики пока не обращают на них внимания. В схемах с питанием от сети энергоэффективность не очень важна, но где требуется экономия энергии, они могут оказаться большим подспорьем. Для удержания якоря в одном положении не требуется приложения энергии. Потребление тока происходит при переключении контактов, которое длится несколько десятков миллисекунд, после чего его источник может быть отключен. Устройство будет оставаться в устойчивом состоянии столько, сколько надо, отсюда и название.

Типичные реле имеют только одно стабильное положение, а поддержание другого требует непрерывного протекания тока через катушку.

Есть два типа бистабильных реле: с одной катушкой и с двумя. В случае двухкатушечных реле все просто, потому что одна из них используется для «включения», а другая для «выключения», то есть для переключения контактов в положения 1 и 2.

Бистабильные реле доступны как реле малой мощности, так и средней, для переключения устройств с питанием от сети с потреблением тока в несколько ампер. Практически каждая крупная компания занимающаяся производством реле, имеет их в своем предложении, поэтому выбор действительно велик.

Использование в электронике

Помимо защиты электроники от разрушительных последствий переключения катушки (имеется в виду импульс самоиндукции, возникающий при затухании тока в катушке), стоит защитить ее и от помех, создаваемых искрящими контактами. Особенно страдают микроконтроллеры, работающие рядом с реле, что может вызвать сбой программы. Наблюдения показывают, что это особенно верно для нагрузок с высокой индуктивностью, таких как электромагнитные клапаны 220 В переменного тока. Примером такой схемы защиты является последовательная RC-цепь. Это могут быть другие конфигурации, включая, например, переходной диод или, в цепях постоянного тока, быстродействующий полупроводниковый диод.

Выводы

1. Электромагнитные реле не уйдут с рынка электронных компонентов ещё много лет, несмотря на прогресс и миниатюризацию деталей. Напротив, производители продолжают развивать и инвестировать в эту технологию, о чем свидетельствует спектр доступных реле на рынке.
2. Бистабильные реле становятся все более популярными. Цена у них доступная, что побуждает к внедрению. Акцент на сокращении потребления электроэнергии электронными схемами, вероятно, подтолкнет проектировщиков внимательнее присмотреться к этой архитектуре, особенно там, где автономное питание.

Используйте реле по назначению, соблюдая естественно требование максимального коммутируемого тока, и они будут служить долго и безотказно.

Форум по обсуждению материала ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Схема усилителя и микрофона из пьезоэлемента, подходящая для сборки своими руками.

Описание нового Блютус протокола беспроводной связи — Bluetooth Mesh.

Кодовая кнопка для ограничения доступа к объектам, простая схема с реле на МК Attiny13.

Самодельный 8-канальный PWM MOSFET LED Chaser на микроконтроллере 16F628A.