Elektromagnetické relé: konstrukce, značení, typy + jemnosti zapojení a seřízení

Převod elektrických signálů na odpovídající fyzikální veličinu – pohyb, síla, zvuk atd. – se provádí pomocí pohonů. Pohon by měl být klasifikován jako měnič, protože toto zařízení mění jeden typ fyzikální veličiny na jiný.

Pohon je obvykle aktivován nebo ovládán nízkonapěťovým příkazovým signálem. Dále je klasifikován jako binární nebo spojité zařízení na základě počtu stabilních stavů. Takže elektromagnetické relé je binární pohon, vzhledem ke dvěma stabilním stavům: zapnuto – vypnuto.

V předloženém článku jsou podrobně rozebrány principy činnosti elektromagnetického relé a oblast použití přístrojů.

Základy provedení pohonu

Termín „relé“ je charakteristický pro zařízení, která zajišťují elektrické spojení mezi dvěma nebo více body prostřednictvím řídicího signálu.

Nejrozšířenějším a široce používaným typem elektromagnetického relé (EMR) je elektromechanická konstrukce.

Takto vypadá jedna konstrukce z mnoha výrobků nazývaných elektromagnetická relé. Zde je zobrazena uzavřená verze mechanismu pomocí víka z průhledného plexiskla.

Schéma fundamentální kontroly nad jakýmkoli zařízením vždy předpokládá možnost zapnutí a vypnutí. Nejjednodušší způsob, jak tyto úkony provést, je použít blokovací spínače napájení.

Ruční spínače mohou být použity pro ovládání, ale mají nevýhody. Jejich zjevnou nevýhodou je nastavování stavů „zapnuto“ nebo „vypnuto“ fyzickým způsobem, tedy ručně.

Ruční spínací zařízení jsou obvykle velkorozměrná, s pomalou činností, schopná spínat malé proudy.

Ruční spínací mechanismus – „vzdálený příbuzný“ elektromagnetických relé. Poskytuje stejnou funkčnost – spínání pracovních linek, ale je ovládán výhradně ručně.

Elektromagnetická relé jsou v podstatě představována přepínači s elektrickým ovládáním. Přístroje mají různé tvary, rozměry a dělí se podle úrovně jmenovitých výkonů. Možnosti jejich použití jsou široké.

Takové přístroje, vybavené jednou nebo několika páry kontaktů, mohou být součástí jediné konstrukce větších silových akčních mechanismů – stykačů, které se používají ke spínání síťového napětí nebo vysokonapěťových zařízení.

Základní principy činnosti EMR

Tradičně se relé elektromagnetického typu používají jako součást elektrických (elektronických) obvodů pro řízení spínání. Přičemž se instalují buď přímo na desky plošných spojů, nebo ve volné poloze.

Celková stavba přístroje

Zatěžovací proudy používaných výrobků se obvykle měří od zlomků ampéru do 20 A a více. Reléové obvody jsou v elektronické praxi široce rozšířeny.

Přístroje nejrůznějších konfigurací, určené k instalaci na montážní elektronické desky nebo přímo jako samostatně montované zařízení

Konstrukce elektromagnetického relé převádí magnetický tok, vytvářený přiloženým napětím střídavého/stejnosměrného proudu, na mechanickou sílu. Díky výsledné mechanické síle je ovládána kontaktní skupina.

Nejběžnější konstrukcí je forma výrobku, zahrnující následující součásti:

• budicí cívku;
• ocelové jádro;
• nosný rám;
• kontaktní skupinu.

Ocelové jádro má pevnou část, nazývanou třmen, a pohyblivou pružinovou součást, nazývanou kotva.

V podstatě kotva doplňuje obvod magnetického pole tím, že uzavírá vzduchovou mezeru mezi nehybnou elektrickou cívkou a pohyblivou armaturou.

Detailní rozložení konstrukce: 1 – odtlačovací pružina; 2 – kovové jádro; 3 – kotva; 4 – normálně zavřený kontakt; 5 – normálně otevřený kontakt; 6 – společný kontakt; 7 – cívka měděného drátu; 8 – třmen

Armatura se pohybuje na kloubech nebo se volně otáčí působením generovaného magnetického pole. Přitom se sepnou elektrické kontakty připevněné k armatuře.

Zpravidla pružina (pružiny) zpětného chodu umístěná mezi třmenem a kotvou vrací kontakty do výchozí polohy, když je cívka relé v odpojeném stavu.

Činnost reléové elektromagnetické soustavy

Jednoduchá klasická konstrukce EMR má dvě skupiny elektricky vodivých kontaktů.

Z toho vyplývají dva stavy kontaktní skupiny:

1. Normálně otevřený kontakt.
2. Normálně zavřený kontakt.

Dvojice kontaktů se tedy klasifikuje jako normálně rozepnuté (NO), nebo, pokud je v jiném stavu, jako normálně sepnuté (NC).

U relé s normálně rozepnutými kontakty je stav „sepnutý“ dosažen pouze tehdy, když budicí proud prochází indukční cívkou.

Jedna ze dvou možných výchozích variant instalace kontaktní skupiny. Zde je v beznapěťovém stavu cívky „výchozí“ nastavena normálně sepnutá (zavřená) poloha.

V druhé variantě zůstává normálně sepnutá poloha kontaktů konstantní, když v obvodu cívky není budicí proud. To znamená, že kontakty přepínače se vracejí do své normální sepnuté polohy.

Proto je třeba termíny „normálně rozepnutý“ a „normálně sepnutý“ vztahovat ke stavu elektrických kontaktů, když je cívka relé bez napětí, tj. napájecí napětí relé je vypnuto.

Elektrické kontaktní skupiny relé

Reléové kontakty jsou obvykle tvořeny elektricky vodivými kovovými prvky, které se vzájemně dotýkají, uzavírají obvod a fungují podobně jako jednoduchý spínač.

Když jsou kontakty rozepnuty, odpor mezi normálně rozepnutými kontakty je naměřen vysokou hodnotou v megaohmech. Tím se vytvoří podmínka rozepnutého obvodu, kdy je vyloučeno protékání proudu v obvodu cívky.

Kontaktní skupina jakéhokoli elektromechanického spínače má v rozepnutém režimu odpor několik set megaohmů. Velikost tohoto odporu se může u různých modelů mírně lišit.

Jsou-li kontakty sepnuty, měl by se kontaktní odpor teoreticky rovnat nule – výsledek zkratu.

Tento stav však není vždy pozorován. Kontaktní skupina každého jednotlivého relé má určitý kontaktní odpor ve stavu „sepnutý“. Takový odpor se nazývá stabilní.

Specifika průchodu zatěžovacích proudů

V praxi instalace nového elektromagnetického relé je kontaktní odpor při sepnutí malý, obvykle méně než 0,2 Ω.

Vysvětlení je jednoduché: nové kontakty zůstávají zatím čisté, ale časem se jejich odpor nevyhnutelně zvýší.

Například pro kontakty s proudem 10 A činí úbytek napětí 0,2 × 10 = 2 volty (Ohmův zákon). Z toho vyplývá – pokud je napájecí napětí přivedené na kontaktní skupinu 12 voltů, pak napětí pro zátěž bude 10 voltů (12–2).

Když se kovové kontaktní hroty opotřebovávají, aniž by byly řádně chráněny před vysokými indukčními nebo kapacitními zátěžemi, stává se nevyhnutelným vznik poškození v důsledku účinku elektrického oblouku.

Elektrický oblouk na jednom z kontaktů elektromechanického spínacího přístroje. Toto je jedna z příčin poškození kontaktní skupiny při absenci vhodných opatření

Elektrický oblouk – jiskření na kontaktech – vede ke zvýšení kontaktního odporu hrotů a v důsledku toho k fyzickému poškození.

Pokud se relé v tomto stavu nadále používá, kontaktní hroty mohou zcela ztratit fyzickou vlastnost kontaktu.

Existuje však závažnější faktor: v důsledku poškození obloukem se kontakty nakonec svaří, čímž vzniknou podmínky pro zkrat.

V takových situacích není vyloučeno riziko poškození obvodu, který EMR řídí.

Pokud se odpor kontaktu vlivem elektrického oblouku zvýšil o 1 Ohm, vzroste úbytek napětí na kontaktech pro stejný zatěžovací proud na 1×10=10 voltů stejnosměrného proudu.

Zde může být velikost úbytku napětí na kontaktech nepřijatelná pro schéma zátěže, zejména při práci s napájecími napětími 12-24 V.

Typ materiálu kontaktů relé

Za účelem snížení vlivu elektrického oblouku a vysokých odporů se kontaktní hroty moderních elektromechanických relé vyrábějí nebo potahují různými slitinami na bázi stříbra.

Tímto způsobem lze výrazně prodloužit životnost kontaktní skupiny.

Hroty kontaktních destiček elektromechanických spínacích přístrojů. Zde jsou uvedeny varianty hrotů potažených stříbrem. Tento typ povlaku snižuje faktor poškození

V praxi se používá následujících materiálů, kterými se opracovávají hroty kontaktních skupin elektromagnetických (elektromechanických) relé:

• Ag – stříbro;
• AgCu – stříbro-měď;
• AgCdO – stříbro-oxid kademnatý;
• AgW – stříbro-wolfram;
• AgNi – stříbro-nikl;
• AgPd – stříbro-palladium.

Prodloužení životnosti hrotů kontaktních skupin relé díky snížení počtu formací elektrického oblouku se dosahuje připojením rezistorově-kondenzátorových filtrů, nazývaných také RC tlumiče.

Tyto elektronické obvody se zapojují paralelně ke kontaktním skupinám elektromechanických relé. Napěťový špička, která se objevuje v okamžiku otevření kontaktů, je při tomto řešení bezpečně krátká.

Použitím RC tlumičů se daří potlačovat elektrický oblouk, který vzniká na kontaktních hrotech.

Typické provedení kontaktů EMR

Kromě klasických normálně otevřených (NO) a normálně zavřených (NC) kontaktů mechanika reléového spínání také předpokládá klasifikaci s ohledem na činnost.

Specifika provedení spojovacích prvků

Konstrukce relé elektromagnetického typu v této variantě umožňují přítomnost jednoho nebo několika samostatných kontaktů přepínače.

Takto vypadá zařízení technologicky nakonfigurované pro provedení SPST – jednopólové a jednosměrné. Existují také jiná provedení.

Provedení kontaktů je charakterizováno následující sadou zkratek:

• SPST (Single Pole Single Throw) – jednopólové jednosměrné;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – jednopólové dvousměrné;
• DPST (Double Pole Single Throw) – dvoupólové jednosměrné;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – dvoupólové dvousměrné.

Každý takový spojovací prvek je označován jako „pól“. Kterýkoli z nich může být připojen nebo odpojen, přičemž současně aktivuje cívku relé.

Nuance použití přístrojů

Přes veškerou jednoduchost konstrukce elektromagnetických spínačů existují určité jemnosti v praxi používání těchto zařízení.

Tak například odborníci kategoricky nedoporučují paralelně zapojovat všechny kontakty relé, aby se tímto způsobem spínal obvod zátěže s vysokým proudem.

Například připojovat zátěž 10 A paralelním spojením dvou kontaktů, z nichž každý je dimenzován na proud 5 A.

Tyto jemnosti montáže jsou způsobeny tím, že kontakty mechanických relé se nikdy nespínají a nerozpínají v jediném okamžiku.

V důsledku toho bude jeden z kontaktů v každém případě přetížen. A i s ohledem na krátkodobé přetížení je předčasné selhání zařízení při takovém zapojení nevyhnutelné.

Nesprávná obsluha a také zapojení relé mimo stanovená pravidla montáže obvykle končí takovýmto výsledkem. Uvnitř vyhořel prakticky veškerý obsah.

Elektromagnetická zařízení je přípustné používat v elektrických nebo elektronických obvodech s nízkou spotřebou energie jako spínače relativně vysokých proudů a napětí.

Avšak kategoricky se nedoporučuje propouštět různá napětí zátěže přes sousední kontakty jednoho zařízení.

Například spínat napětí střídavého proudu 220 V a stejnosměrného proudu 24 V. Vždy by se měla používat samostatná zařízení pro každou variantu z důvodu zajištění bezpečnosti.

Způsoby ochrany proti zpětnému napětí

Významnou součástí každého elektromechanického relé je cívka. Tato součást patří do kategorie zátěže s vysokou indukčností, protože má drátové vinutí.

Jakákoli cívka navinutá drátem má určitou impedanci, sestávající z indukčnosti L a odporu R, čímž tvoří sériový obvod LR.

Během průtoku proudu cívkou vzniká vnější magnetické pole. Když proud cívkou ustane v režimu „vypnuto“, magnetický tok se zvýší (teorie transformace) a vznikne vysoké zpětné napětí EMS (elektromotorické síly).

Tato indukovaná hodnota zpětného napětí může několikanásobně převyšovat spínací napětí.

V důsledku toho vzniká riziko poškození všech polovodičových součástek umístěných v blízkosti relé. Například bipolární nebo unipolární tranzistor používaný k napájení cívky relé.

Schémata, která zajišťují ochranu polovodičových řídicích prvků – bipolárních a unipolárních tranzistorů, integrovaných obvodů, mikrokontrolérů

Jedním ze způsobů, jak zabránit poškození tranzistoru nebo jakéhokoli spínacího polovodičového zařízení, včetně mikrokontrolérů, je zapojení zpětně předpjaté diody do obvodu cívky relé.

Když proud protékající cívkou bezprostředně po vypnutí generuje indukované zpětné elektromotorické napětí, toto zpětné napětí otevře zpětně předpjatou diodu.

Přes polovodič se nahromaděná energie rozptýlí, čímž se zabrání poškození řídicího polovodiče – tranzistoru, tyristoru, mikrokontroléru.

Polovodič často zařazovaný do obvodu cívky se také nazývá:

• volnoběžná dioda;
• bočníková dioda;
• inverzní dioda.

Mezi těmito prvky však není velký rozdíl. Všechny plní stejnou funkci. Kromě použití zpětně předpjatých diod se k ochraně polovodičových součástek používají i další zařízení.

Například RC tlumicí obvody, varistory na bázi oxidů kovů (MOV), Zenerovy diody.

Označování elektromagnetických reléových přístrojů

Technická označení, která nesou částečné informace o přístrojích, se obvykle uvádějí přímo na šasi elektromagnetického spínacího přístroje.

Toto označení vypadá jako zkrácená zkratka a číselná sada.

Každé elektromechanické spínací zařízení je tradičně označeno. Na tělese nebo na šasi je uvedena přibližně tato sada znaků a čísel, která udává určité parametry.

Příklad označení na tělese elektromechanických relé:

RES32 RF4.500.335-01

Tento zápis se dešifruje takto: relé elektromagnetické slaboproudé, série 32, odpovídající provedení podle pasu RF4.500.335-01.

Tato označení jsou však vzácná. Častěji se vyskytují zkrácené varianty bez výslovného uvedení GOST:

RES32 335-01

Na šasi (na tělese) přístroje je také uvedeno datum výroby a číslo šarže. Podrobné informace jsou obsaženy v technickém pasu výrobku. Každý přístroj nebo šarže je vybaven pasem.

Závěry a užitečné video k tématu

Video populárně vypráví o tom, jak funguje elektromechanická spínací elektronika. Názorně jsou uvedeny nuance konstrukcí, zvláštnosti zapojení a další podrobnosti:

Elektromechanická relé se již poměrně dlouhou dobu používají jako elektronické součástky. Tento typ spínacích přístrojů však lze považovat za morálně zastaralý. Mechanická zařízení stále častěji nahrazují modernější přístroje – čistě elektronické. Jedním z takových příkladů je polovodičové relé.

Máte dotazy, našli jste nedostatky nebo máte zajímavá fakta k tématu článku, která byste chtěli sdílet s návštěvníky našeho webu? Prosím, zanechte své komentáře, ptejte se a sdílejte zkušenosti v bloku pro komunikaci pod článkem.