Реле и релейные устройства

Реле – это устройства, у которых при достижении входной величиной определенного значения, сигнал на выходе изменяется скачкообразно.

Реле классифицируются:

1. по роду физической величины, на изменение которой реагируют (по виду входного сигнала):

а) электрические: токовые, напряжения, частоты, мощности и т.д.;

б) неэлектрические: давления, температуры, уровня и др.;

2. по назначению: управления, времени, защиты, сигнализации и др.;

3. по реакции на изменение входного сигнала:

   • нейтральные (на реагируют на изменение знака сигнала),

   • поляризованные (реагируют на изменение знака сигнала);

4. по характеру воздействия на выходные цепи:

   • контактные (замыкают или размыкают выходные цепи) - электромеханические,

   • бесконтактные (изменяют какой-либо параметр) - магнитоэлектрические, полупроводниковые;

5. по исполнению: открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащитные, герметичные.

Статическая характеристика данных устройств – релейная гистерезисная петля, которая объясняется неоднозначностью процессов при подаче и снятии входного сигнала.

Двухпозиционное (нейтральное) Трехпозиционное (поляризованное)

с зоной нечувствительности

Рис. 1: A) при подаче х_вх (включение):

1) при х_вх  х_ср х_вых = х_{вых min};

2) при х_вх = х_ср х_вых = х_{вых max};

3) при х_вх  х_ср х_вых = х_{вых max};

Б) при снятии х_вх (выключение):

1) при х_вх  х_воз х_вых = х_{вых max};

2) при х_вх = х_воз х_вых = х_{вых min};

3) при х_вх  х_воз х_вых = х_{вых min}.

Характеристики электрических реле:

1. Мощность срабатывания – это мощность потребляемая реле для его срабатывания.

2. Параметр срабатывания (как правило, время срабатывания – время от подачи х_вх до момента воздействия реле на выходную цепь).

3. Параметр возврата (как правило, время возврата – время от снятия х_вх до момента реле воздействия на выходную цепь).

4. Коэффициент возврата – это отношение параметра возврата к параметру срабатывания k = x_ср / х_воз  1 (характеризует относительную ширину релейной петли статической характеристики).

5. Коэффициент усиления k = x_{вых max} / х_ср.

6. Выходная мощность – это произведение максимально отключающего тока на напряжение питания N = UI_{max откл.}

Электромеханические реле постоянного и переменного тока

Особенностью их конструкции является наличие подвижной системы, вызывающей замыкание или размыкание выходных контактов при воздействии входного сигнала.

Различают: электромагнитные (постоянного и переменного тока), магнитоэлектрические, индукционные, электродинамические.

Электромагнитные реле.

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током, протекающего по катушке реле с подвижным якорем устройства.

Количество выходных блок-контактов от 2 до 16.

При подаче на вход напряжения в катушке появляется ток, приводящий к появлению магнитного поля и возникновению электромагнитной силы, действующей на якорь. При нарастании тока эта сила преодолевает силу упругости пружины, обеспечивая перемещение якоря. В результате происходит замыкание или размыкание контактов.

Электромагнитная сила:

- для постоянного тока ;

- для переменного тока ,

г де _о - магнитная проницаемость среды;

W - число витков катушки;

S - площадь воздушного зазора;

 - величина воздушного зазора.

В конструктивном исполнении реле постоянного и переменного токов одинаковы. Несмотря на переменный характер тока у последних, направление электромагнитной силы, действующей на якорь, не меняется [(Iw)²], обеспечивая этим перемещение якоря и срабатывание реле.

- значение электромагнитной силы меньше, т.к. sin t  1;

- наличие вибрации в силу переменного характера токаи как следствие подгорание контактов (для устранения этого недостатка в обмотке реле используют специальный короткозамкнутый виток).

Статические характеристики:

1 – расчетная зависимость;

2 – реальная зависимость;

3 – зависимость F_{max =} f();

(F_max – суммарные механические силы сопротивления возвратных и контактных пружин.)

Изменение на участке _н обусловлено влиянием токов рассеивания, а на участке _к влиянием магнитного сопротивления стального магнитопровода (_к  0, т.к. на якоре устанавливают немагнитные прокладки или штифты). При подаче входного напряжения F_э  F _max и в начальный момент происходит нарастание тока (L= const) ,

где Т₁ = L₁ /R - постоянная реле времени;

R - сопротивление обмотки реле;

L₁ – индуктивность катушки при _н

Затем при F_э  F _max срабатывает реле. При снятии U_вх осуществляется падение тока в катушке по экспоненте ,

где Т₂ = L₂ /R - постоянная реле времени;

L₂ – индуктивность катушки при _к

Таким образом при F_э  F _max происходит отпускание реле. Якорь возвращается в первоначальное положение.

Полупроводниковые реле.

Среди них различают контактные и бесконтактные устройства.

Контактные. Такие реле представляют собой сочетание электронного (полупроводникового) усилителя и выходного электромеханического реле.

Е_см – дополнительное напряжение

смещения (используется для надежной

работы транзисторов при широком

изменении частоты)

На выходе полупроводникового усилителя подключена катушка электромагнитного реле. Усиление входного сигнала повышает чувствительность реле. Подобные схемы могут быть реализованы на переменном токе.

Бесконтактные. Такими устройствами являются реле, у которых и воспринимающая и исполнительная части не имеют механического контакта, а выходным сигналом является скачек напряжения.

Данные реле можно реализовать на двухкаскадных транзисторных усилителях постоянного тока с положительной обратной связью. У обычного двухкаскадного усилителя статическая характеристика U_вых = f(U_вх) имеет линейный характер, если напряжение на выходе при изменении сигнала на входе изменяется плавно без скачков. При достаточно глубокой положительной ОС такой усилитель приобретает релейную характеристику. Возможно введение ОС по току (эмиттерная ОС) и по напряжению (коллекторная ОС).

Рассмотрим усилитель с эмиттерной ОС, являющимся транзисторным реле. ОС между VT2 и VT1 осуществляется через резистор R_э, включенный в эммитерную цепь. При этом падение напряжения на нем прикладывается к входу первого каскада. При отсутствии входного сигнала транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт и находится в состоянии насыщения. Выходной сигнал имеет минимальное значение

,

где R_к, E_к - сопротивление и ЭДС в цепи коллектора.

При подаче входного сигнала отрицательной полярности и достижении им параметра срабатывания (а именно U_вх.ср) транзистор VT1 отпирается, а VT2 запирается. Транзисторное реле скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния в другое при котором напряжение на выходе равно напряжению источника -E_к. Увеличение входного сигнала не изменяет состояние схемы. При его уменьшении состояние схемы сначала не изменяется. Однако при U_вх = U_.возв. происходит скачкообразное изменение состояния устройства и схема возвращается в исходное состояние.

Фотореле.

Такие устройства состоят из усилителя, на входе которого есть воспринимающее устройство (в виде фотоэлемента), и исполнительной части - электромеханического реле. В качестве фотоэлемента могут быть применены фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

Ф отореле, работающие на двух уровнях освещенности, преобразуют при помощи фотоэлементов падающий на них световой поток в изменение сопротивления или ЭДС.

В цепь фоторезистора включено слаботочное реле постоянного тока К1, выполняющее функции промежуточного усилителя и управляющее мощным выходным сигналом реле К2. При затемнении сопротивление ВLR велико и ток в цепи КV1 мал, а следовательно U_вых = 0. При освещении фоторезистора, его сопротивление резко падает, что ведет к увеличению тока в цепи катушки первого реле. Оно срабатывает и включает в работу более мощное реле. В результате появляется выходной сигнал.

Реле с магнитоуправляемыми контактами (МК).

Данные электромагнитные реле являются безъякорными и находят все большее применение в системах электроавтоматики.

Р еле с МК представляют собой стеклянную ампулу, заполненную инертным газом или вакуумированную, в которую впаяны тонкие упругие ферромагнитные платины, выполняющие одновременно роль контактов, упругих элементов и части магнитопровода. Поэтому они также называются герконами (герметизированными контактами).

При подаче сигнала вход реле ток, протекающий по катушке, создает магнитный поток, замыкающийся внутри катушки по ферромагнитным пластинам. Пластинки намагничиваются и приобретают противоположную полярность, что приводит к их притяжению и замыканию. В результате на выходе появляется сигнал.

Реле времени

Реле времени – это такое реле, которое осуществляет задержку по времени своего срабатывания (или возврата). Задержка достигается электрическими (схемными), механическими или конструктивными методами. Реле времени состоит из трех основных органов: воспринимающего, задержки, исполнительного.

Широко применяются моторные, электронные (полупроводниковые), а также электромагнитные (различающиеся в зависимости от способа получения выдержки на механические, гидравлические, пневматические).

Электрические (схемные ) реле реализуются путем включения R, L, С, а также RС- и RL- цепочек в цепь катушки данного устройства. Рассмотрим, простейшие из них, которые осуществляют задержку по времени от десятых долей секунды до нескольких секунд.

За счет наличия L нарастание магнитного потока реле замедляется, тем самым время срабатывания увеличивается.

Второй способ состоит в том, что при отключении конденсатор расходуется на поддержание протекания тока через обмотку, что задерживает отпускание якоря. Шунтироваться катушка может также резистором или диодом.

В реле времени с электромагнитной задержкой замедление времени срабатывания (отпускания) достигается за счет электромагнитного демпфирования, которое осуществляется с помощью специальной короткозамкнутой обмотки. Выдержка времени составляет 0,15-10 с.

Электромагнитное реле времени с пневматической задержкой имеет пневматический механизм задержки. Выдержка времени составляет от 0,2-180 с.

Полупроводниковые реле времени. Состоят из электронного усилителя, на входе которого имеются RС- цепочки (создающие замедление во времени), а на выходе электромагнитное реле (исполнительная часть).

П ри отсутствии входного сигнала транзистор VT1 заперт, реле КV2 обесточено (U_вых = 0). При подаче сигнала на вход устройства (замыкание контакта КV1) отрицательный потенциал Е_к подается на базу транзистора VT1, который отпирается. Появление напряжения на катушке КV2 приводит к ее срабатыванию, т.е. замыканию его контактов и появлению выходного напряжения. В это время начинается и зарядка конденсатора по переходу по переходу: R₁ – Б – Э – VD1. При снятии входного сигнала, напряжение на транзисторе некоторое время сохраняется. Это время обусловлено (определено) разрядкой конденсатора по переходу: R₂ – Э – Б – R₁ . По окончании разрядки транзистор VT1 запирается, что приводит к падению напряжения катушке КV2, размыканию ее контакта и обесточиванию выходной цепи.

Данный тип реле относится к контактным, т.к. его исполнительной частью является электромеханическое реле. Есть полупроводниковые реле и бесконтактные (см. метод. указ. «Электронное реле времени»).