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

Табл. 2.44

* Нормативные значения отмечены жирным

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РЕЛЕ: ОБМОТКА И ПРИНЦИП РАБОТЫ. ОСНОВНАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ

S – рабочее положение, R – положение возврата
Рис. 2.47а. Одностороннее реле (однопозиционное)	Рис. 2.47б. Однообмоточное реле с фиксацией (двухпозиционное)	Рис. 2.47в. Двухобмоточное реле с фиксацией (двухпозиционное)

• 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 обмотки (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

Формы контактов	Обозначение контактов	Примечание
Контакт формы A (нормально открытый контакт)		НО-контакт или замыкающий контакт; однополюсный, нормально разомкнутый контакт, на одно направление
Контакт формы B (нормально закрытый контакт)		НЗ-контакт или размыкающий контакт; однополюсный, нормально замкнутый контакт, на одно направление
Контакт формы C (переключающий контакт)		Перекидной контакт; однополюсный, нормально разомкнутый / нормально замкнутый контакт, на два направления
Контакт формы D (MBB) — контактный механизм, в котором контакты формы A (НО) замыкаются перед тем, как размыкаются контакты формы B (НЗ)		Непрерывные или закорачивающие контакты (Make-Before-Break Contacts)
Скользящий контакт		Применяется в автомобилестроении
Контакт с храповым механизмом		Поочередное замыкание/размыкание при каждой подаче импульсного сигнала

Табл. 2.46. Многополюсные конфигурации

Формы контактов	Обозначение контактов	Примечание
2 контакта формы A		Двухполюсный, с нормально разомкнутыми, на одно направление
2 контакта формы B		Двухполюсный, с нормально замкнутыми, на одно направление
2 контакта формы С		Двухполюсный на два направления
4 контакта формы С		Четырёхполюсный на два направления

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.

Рис. 2.48

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.

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.

Рис. 2.50

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 10¹⁵ 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

Табл. 2.47

ВЕДУЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ РЕЛЕ

Электромагнитные реле

Finder www.findernet.com/en
NEC-Tokin (Kemet) www.nec-tokin.com/english
Omron www.omron.com
Panasonic industrial.panasonic.com
TE Connectivity (Axicom) www.te.com

Твердотельные реле (симисторные / на базе кремниевого управляемого диода)

Crouzet www.crouzet.com
Crydom www.crydom.com
Hongfa www.hongfa.com
Weidmuller www.weidmuller.com

Твердотельные реле (фото-МОП реле)

Avago Technologies www.avagotech.com
IXYS www.ixys.com
Omron www.omron.com
Panasonic industrial.panasonic.com
Renesas Electronics www.renesas.eu
Solid State Optronics www.ssousa.com
Toshiba www.semicon.toshiba.co.jp/eng

Герконовые реле

Comus (Coto Technology) www.comus-intl.com
Hamlin www.hamlin.com
Standex-Meder Electronics www.standexmeder.com