Лекция 3 – Технические средства автоматизации, э/м реле, геркон, магнитные и электронные усилители, транзисторы, исполнительные механизмы.
Реле́ (фр. relais) — электромеханическое устройство (выключатель), предназначенное для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электромагнитные, пневматические и температурные реле.
Существует класс электронных полупроводниковых приборов именуемых оптореле (твердотельное реле), но он в данной статье не рассматривается.
В электронной схемотехнике иногда электронные блоки с функцией переключения цепи по изменению какого-либо физического параметра также называют реле. Например, фотореле, реле контроля фаз или реле-прерыватель указателей поворота автомобиля.
Устройство:
Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с сердечником из магнитного материала. Якорь — пластина из магнитного материала, через толкатель управляющая контактами. При пропускании электрического тока через обмотку электромагнита возникающее магнитное поле притягивает к сердечнику якорь, который через толкатель смещает, и тем самым переключает контакты. Переключатели могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими.
Историческая справка:
Первое реле было изобретено американцем Джозефом Генри в 1831 г. и базировалась на электромагнитном принципе действия, следует отметить, что реле Дж. Генри было не коммутационным. Слово реле возникло от английского relay, что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relay) уставшим спортсменом. Как самостоятельное устройство, реле впервые упомянуто в патенте на телеграф Самюэля Морзе.
Классификация реле:
По начальному состоянию контактов выделяются реле с:
Нормально замкнутыми контактами;
Нормально разомкнутыми контактами;
Переключающимися контактами.
По типу управляющего сигнала выделяются реле:
Постоянного тока;
Нейтральные реле: полярность управляющего сигнала не имеет значения, регистрируется только факт его присутствия/отсутствия. Пример: реле типа НМШ;
Поляризованные реле: чувствительны к полярности управляющего сигнала, переключаются при её смене. Пример: реле типа КШ;
Комбинированные реле: реагируют как на наличие/отсутствие управляющего сигнала, так и на его полярность. Пример: реле типа КМШ;
Переменного тока.
По допустимой нагрузке на контакты.
По времени срабатывания.
По типу исполнения
Электромеханические реле;
Электромагнитные реле (обмотка электромагнита неподвижна относительно сердечника);
Магнитоэлектрические реле (обмотка электромагнита с контактами подвижна относительно сердечника);
Термореле (биметаллическое);
Герконовые реле.
По контролируемой величине
Реле напряжения;
Реле тока;
Реле мощности;
Реле пневматического давления;
Реле контроля изоляции;
Специальные виды электромагнитных устройств:
Шаговой искатель.
Устройство защитного отключения.
Автоматический выключатель.
«Реле времени».
Электромеханический счётчик.
Обозначение на схемах:
1 — обмотка реле (A1, A2 — управляющая цепь), 2 — контакт замыкающий, 3 — контакт размыкающий, 4 — контакт замыкающий с замедлителем при срабатывании, 5 — контакт замыкающий с замедлителем при возврате, 6 — контакт импульсный замыкающий, 7 — контакт замыкающий без самовозврата, 8 — контакт размыкающий без самовозврата, 9 — контакт размыкающий с замедлителем при срабатывании, 10 — контакт размыкающий с замедлителем при возврате, 11 — общий контакт, 11-12 — нормально замкнутые контакты, 11-14 —нормально разомкнутые контакты.
На некоторых схемах ещё можно встретить обозначения по ГОСТ 7624-55[1].
Особенности работы:
Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются крышкой. Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.
В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче управляющего сигнала электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения управляющего напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.
Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей (такая ситуация часто обозначается в электротехнике как сухой контакт). Более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть: слаботочные электрические схемы (например дистанционного управления), различные датчики (света, давления, температуры и т. п.), и другие приборы которые на выходе имеют минимальные значения тока и напряжения. Таким образом, реле по сути выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были заменены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами — работающими в ключевом (переключательном) режиме. В настоящее время имеются попытки возродить релейные вычислительные машины с использованием нанотехнологий.
В настоящее время в электронике и электротехнике реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяютсятранзисторы или тиристоры.
При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая «масляная ячейка»).
Реле до сих пор очень широко применяются в бытовой электротехнике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надёжнее электроники, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя и, особенно, к сильному броску напряжения при его отключении.
Геркон
Герко́н (сокращение от «герметичный [магнитоуправляемый] контакт») — электромеханическое устройство, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу. При поднесении к геркону постоянногомагнита или включении электромагнита контакты замыкаются. Герконы используются как бесконтактные выключатели, датчики близости и т. д.
Геркон с электромагнитной катушкой составляет герконовое реле.
Существуют также герконы, размыкающие цепь при возникновении магнитного поля, и герконы с переключающей группой контактов.
Герконы различаются также по конструктивным особенностям. Они бывают сухими (с сухими контактами) и ртутными, в которых капля ртути смачивает контактирующие поверхности, уменьшая их электрическое сопротивление и предотвращая вибрацию пластин в процессе работы.
Параметры:
Магнитодвижущая сила срабатывания — значение напряженности магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона.
Магнитодвижущая сила отпускания — значение напряженности магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.
Сопротивление изоляции — электрическое сопротивление зазора между сердечниками (в разомкнутом состоянии).
Сопротивление контактного перехода — сопротивление контактной области, которая образуется при замыкании сердечников.
Пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит пробой геркона.
Время срабатывания — время между моментом приложения управляющего магнитного поля, и моментом первого физического замыкания электрической цепи герконом.
Время отпускания — время между моментом снятия приложенного к геркону магнитного поля, и моментом последнего физического размыкания электрической цепи герконом.
Емкость — электрическая емкость между выводами геркона в разомкнутом состоянии.
Максимальное число срабатываний — число срабатываний, при котором все основные параметры геркона остаются в допустимых пределах.
Максимальная мощность — максимальная мощность, коммутируемая герконом.
Коммутируемое напряжение
Коммутируемый ток
Преимущества:
Контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра.
Долговечность герконов. Считается, что если не бить геркон и не пропускать очень большие токи, то срок службы геркона бесконечен, (хотя в технических данных на герконы указаны ограничения, 108—109 и больше срабатываний).
Меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на такой же ток.
Отсутствие необходимости применения тугоплавких и драгоценных металлов для контактов.
Герконы почти бесшумны.
Высокое (относительно классических реле) быстродействие.
Недостатки:
Наличие дребезга при включении, что влечет за собой множественные срабатывания за небольшой промежуток времени.
Дороговизна и больший вес по сравнению с открытыми контактами.
Необходимость создания магнитного поля.
Сложность монтажа.
Хрупкость — герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.
Ограниченная скорость срабатывания
Иногда контакты «залипают» (остаются в замкнутом состоянии) — такой геркон подлежит замене.
Применение:
Клавиатуры — клавишных синтезаторов и компьютеров (в клавиатурах компьютеров практически не используется с середины 1990-х годов) (удачное использование всех достоинств геркона).
Клавиатуры промышленных приборов, где требуется долговечность и взрывобезопасность.
Датчики: охранные (датчик открытия двери), велокомпьютеров и т. п.
Подводное оборудование: фонари для дайвинга, подводной охоты.
Лифты: датчики позиционирования кабины
Телерадиоаппаратура
Электронные счётчики тока 1 фазные и 3х фазные (используемые в многоквартирных домах,в промышленности)
Усилители
Магнитный усилитель — это статический аппарат, предназначенный для управления величиной переменного тока посредством слабого постоянного тока. Применяется в схемах автоматического регулирования электродвигателей переменного тока.
Принцип действия:
Работа магнитного усилителя основана на нелинейности характеристики намагничивания магнитопровода. На крайних стержнях магнитного усилителя находится рабочая обмотка, которая состоит из двух катушек, соединённых последовательно. На среднем стержне размещается обмотка управления из большого количества витков W=. Если ток в неё не подаётся, а к рабочей обмотке, соединённой последовательно с нагрузкой, подведено переменное напряжение U~, то из за малого количества витков W~ магнитопровод не насыщается, и почти всё напряжение падает на реактивном сопротивлении рабочих обмоток Z~. На нагрузке в этом случае выделяется малая мощность.
Если теперь пропустить по обмотке управления ток Iу, то даже при небольшом его значении (из-за большого W=), возникает насыщение магнитопровода. В результате реактивное сопротивление рабочей обмотки резко уменьшается, а величина тока в цепи — увеличивается. Таким образом, посредством малых сигналов в обмотке управления можно управлять значительной величиной мощности в рабочей цепи магнитного усилителя.
В простейшем случае магнитный усилитель — это управляемая постоянным током индуктивность, которая включается в цепь переменного тока последовательно с нагрузкой. При большой индуктивности ток в последовательной цепи и в нагрузке маленький, при малой индуктивности ток в последовательной цепи и в нагрузке большой. Существует целый ряд разработок, в которых магнитный усилитель используется для удвоения частоты, бесконтактного переключения токов (бесконтактные реле), для стабилизации напряжения питания, для модуляции сигналов ВЧ сигналами НЧ.
Применение:
Основное назначение — управление силовым электроприводом (распространены в строительной технике), также применялись в бытовых стабилизаторах переменного тока, в регуляторах освещения киноконцертных залов, в двоичной ЭВМ ЛЭМ-1 Л. И. Гутенмахера и в троичных ЭВМ «Сетунь» и «Сетунь-70» Н. П. Брусенцов а также в цепях управления тепловоза[1][2][3].
По-прежнему магнитные усилители используются в системах, измеряющих постоянные токи от тензодатчиков. Гибридные схемы, сочетающие в себе миниатюрный магнитный усилитель с полупроводниковым, легко решают проблему дрейфа нуля и обладают высокой точностью.
Электронные усилители:
Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме иполупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры —радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.
Устройство и принцип действия: