Elektromagnetiskt relä: konstruktion, märkning, typer + finesser vid anslutning och justering

Omvandling av elektriska signaler till motsvarande fysiska storheter – rörelse, kraft, ljud etc. – sker med hjälp av ställdon. Ställdonet bör klassificeras som en omvandlare eftersom enheten omvandlar en typ av fysisk storhet till en annan.

Ett ställdon aktiveras eller styrs vanligtvis av en lågspänningsstyrsignal. Det klassificeras ytterligare som en binär eller kontinuerlig enhet baserat på antalet stabila tillstånd. Ett elektromagnetiskt relä är således ett binärt ställdon med två stabila tillstånd: på och av.

I denna artikel analyseras i detalj principerna för elektromagnetiska relän och deras användningsområden.

Grundläggande utförande av ställdon

Termen 'relä' är karakteristisk för enheter som skapar elektrisk kontakt mellan två eller flera punkter med hjälp av en styrsignal.

Den vanligaste och mest använda typen av elektromagnetiskt relä (EMR) är den elektromekaniska konstruktionen.

Så här ser en konstruktion ut bland de många produkter som kallas elektromagnetiska relän. Här visas en sluten variant av mekanismen med ett lock av genomskinlig plexiglas.

Grundläggande styrning av all utrustning innebär alltid möjlighet att slå på och stänga av. Det enklaste sättet att göra detta är att använda strömbrytare för strömförsörjning.

Manuella strömbrytare kan användas för styrning men har nackdelar. En tydlig nackdel är att ställa in tillstånden 'på' eller 'av' fysiskt, det vill säga manuellt.

Manuella omkopplingsenheter är vanligtvis stora, långsamma och kan hantera små strömmar.

Manuell omkopplingsmekanism – en 'avlägsen släkting' till elektromagnetiska relän. Den ger samma funktionalitet – omkoppling av arbetsledningar – men styrs enbart manuellt.

Elektromagnetiska reläer är i huvudsak elektriskt styrda omkopplare. Enheterna finns i olika former och storlekar och delas in efter nominell effektnivå. Deras användningsområden är omfattande.

Sådana enheter, utrustade med ett eller flera kontaktpar, kan ingå i en gemensam konstruktion med större kraftställdon – kontaktorer, som används för att koppla nätspänning eller högspänningsenheter.

Grundläggande principer för EMR

Elektromagnetiska reläer används traditionellt i elektriska (elektroniska) kopplingsstyrningskretsar. De monteras antingen direkt på kretskort eller i fritt läge.

Allmän uppbyggnad av enheten

Belastningsströmmarna för de använda produkterna mäts vanligtvis från bråkdelen av en ampere upp till 20 A eller mer. Reläkretsar är vanliga inom elektronisk praktik.

Enheter i olika konfigurationer, avsedda för installation på elektroniska monteringskort eller direkt som en separat enhet

Konstruktionen av ett elektromagnetiskt relä omvandlar det magnetiska flödet som skapas av en applicerad växel-/likspänning till en mekanisk kraft. Tack vare den resulterande mekaniska kraften styrs kontaktgruppen.

Den vanligaste konstruktionen är en produktform som innehåller följande komponenter:

• en magnetspole;
• en stålkärna;
• ett stödchassi;
• en kontaktgrupp.

Stålkärnan har en fast del som kallas vippa och en rörlig fjäderbelastad del som kallas ankare.

I huvudsak kompletterar ankaret magnetfältskretsen genom att stänga luftgapet mellan den fasta elektriska spolen och den rörliga armeringen.

Detaljerad konstruktionslayout: 1 – återfjädringsfjäder; 2 – metallkärna; 3 – ankare; 4 – normalt sluten kontakt; 5 – normalt öppen kontakt; 6 – gemensam kontakt; 7 – koppartrådsspole; 8 – vippa

Armeringen rör sig på gångjärn eller roterar fritt under påverkan av det genererade magnetfältet. Samtidigt sluts de elektriska kontakterna som är fästa vid armeringen.

Vanligtvis återför återgångsfjädern (fjädrarna) som är placerad mellan vippan och ankaret kontakterna till sitt ursprungsläge när reläspolen är strömlös.

Funktion av det elektromagnetiska reläsystemet

En enkel klassisk EMR-konstruktion har två uppsättningar elektriskt ledande kontakter.

Utifrån detta realiseras två tillstånd för kontaktgruppen:

1. Normalt öppen kontakt.
2. Normalt sluten kontakt.

Ett kontaktpar klassificeras därmed som normalt öppen (NO) eller, i ett annat tillstånd, normalt stängd (NC).

För reläer med normalt öppna kontakter uppnås tillståndet 'sluten' endast när exciteringsströmmen går genom induktionsspolen.

Ett av två möjliga standardmonteringsalternativ för kontaktgruppen. Här är kontaktgruppen i normalt slutet (stängt) läge när spolen är strömlös.

I det andra alternativet förblir kontakterna normalt stängda när exciteringsströmmen inte finns i spolkretsen. Det vill säga, omkopplarens kontakter återgår till sitt normala slutna läge.

Därför bör termerna 'normalt öppen' och 'normalt stängd' avse tillståndet på de elektriska kontakterna när reläspolen är strömlös, det vill säga när reläets matningsspänning är bortkopplad.

Elektriska kontaktgrupper i reläet

Reläkontakter består vanligtvis av elektriskt ledande metallelement som kommer i kontakt med varandra, sluter kretsen och fungerar som en enkel strömbrytare.

När kontakterna är öppna mäts resistansen mellan normalt öppna kontakter som ett högt värde i megaohm. Detta skapar ett öppet kretstillstånd, vilket förhindrar strömflöde i spolkretsen.

Kontaktgruppen hos en elektromekanisk brytare har i öppet läge en resistans på flera hundra megaohm. Detta resistansvärde kan variera något mellan olika modeller.

Om kontakterna är slutna borde kontaktresistansen teoretiskt vara noll – resultatet av en kortslutning.

Detta tillstånd uppnås dock inte alltid. Varje reläts kontaktgrupp har ett visst kontaktmotstånd i slutet läge. Detta motstånd kallas stabilt.

Egenskaper för belastningsströmmar

Vid installation av ett nytt elektromagnetiskt relä är kontaktresistansen vid tillslag låg, vanligtvis mindre än 0,2 ohm.

Detta förklaras enkelt: de nya kontakterna är fortfarande rena, men med tiden kommer kontaktresistansen oundvikligen att öka.

Till exempel, för kontakter med en ström på 10 A blir spänningsfallet 0,2 × 10 = 2 volt (Ohms lag). Det innebär att om matningsspänningen till kontaktgruppen är 12 volt, blir spänningen till lasten 10 volt (12-2).

När metallkontakterna slits, eftersom de inte är ordentligt skyddade mot höga induktiva eller kapacitiva laster, blir skador från ljusbåge oundvikliga.

Elektrisk ljusbåge på en av kontakterna i en elektromekanisk kopplingsanordning. Detta är en av orsakerna till skador på kontaktgruppen om lämpliga åtgärder inte vidtas.

Elektrisk ljusbåge – gnistbildning på kontakterna – leder till ökad kontaktresistans i ändarna och därmed fysiska skador.

Om reläet fortsätter att användas i detta tillstånd kan kontaktändarna helt förlora sin fysiska kontaktförmåga.

Men det finns en allvarligare faktor: när kontakterna till följd av ljusbågsskador slutligen smälter samman, vilket skapar förutsättningar för kortslutning.

I sådana situationer kan risken för skador på kretsen som reläet styr inte uteslutas.

Så om kontaktresistansen har ökat med 1 Ω på grund av elektrisk ljusbåge, ökar spänningsfallet över kontakterna för samma lastström till 1×10=10 volt likström.

Här kan spänningsfallets storlek över kontakterna vara oacceptabel för lastkretsen, särskilt vid drift med matningsspänningar på 12-24 V.

Typ av kontaktmaterial i reläet

För att minska effekterna av elektrisk ljusbåge och höga resistanser tillverkas eller beläggs kontaktändarna på moderna elektromekaniska reläer med olika silverbaserade legeringar.

På så sätt kan livslängden för kontaktgruppen förlängas avsevärt.

Ändar på kontaktplattor i elektromekaniska kopplingsapparater. Här visas olika alternativ av silverbelagda ändar. Denna typ av beläggning minskar skadefaktorn.

I praktiken används följande material för att behandla ändarna på kontaktgrupper i elektromagnetiska (elektromekaniska) reläer:

• Ag – silver;
• AgCu – silver-koppar;
• AgCdO – silver-kadmiumoxid;
• AgW – silver-volfram;
• AgNi – silver-nickel;
• AgPd – silver-palladium.

Ökad livslängd på ändarna i reläets kontaktgrupper genom minskning av antalet elektriska ljusbågar uppnås genom anslutning av resistiv-kapacitiva filter, även kallade RC-dämpare.

Dessa elektroniska kretsar kopplas parallellt med kontaktgrupperna i elektromekaniska reläer. Spänningstoppen som uppstår när kontakterna öppnas blir med denna lösning säkert kort.

Genom användning av RC-dämpare kan den elektriska ljusbåge som bildas på kontaktändarna undertryckas.

Typisk utförande av EMR-kontakter

Förutom klassiska normalt öppna (NO) och normalt slutna (NC) kontakter, förutsätter reläkopplingsmekaniken också en klassificering baserad på funktion.

Egenskaper för anslutningselementens utförande

Konstruktioner av elektromagnetiska reläer i denna variant tillåter en eller flera separata omkopplingskontakter.

Så här ser enheten ut, tekniskt konfigurerad för utförande SPST – enpolig och envägs. Det finns även andra utföranden.

Kontaktutförandet karakteriseras av följande förkortningar:

• SPST (Single Pole Single Throw) – enpolig envägs;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – enpolig dubbelriktad;
• DPST (Double Pole Single Throw) – tvåpolig envägs;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – tvåpolig dubbelriktad.

Varje sådant anslutningselement betecknas som 'pol'. Alla dessa kan anslutas eller kopplas bort samtidigt som reläspolen aktiveras.

Detaljer om enheternas användning

Trots den enkla konstruktionen av elektromagnetiska omkopplare finns det vissa finesser i praktiken med dessa enheter.

Experter avråder starkt från att parallellkoppla alla reläkontakter för att på så sätt koppla en högströmsbelastningskrets.

Till exempel att ansluta en 10 A belastning genom parallellkoppling av två kontakter, var och en märkt för 5 A.

Dessa installationsdetaljer beror på att kontakterna i mekaniska reläer aldrig sluts eller öppnas vid exakt samma tidpunkt.

Som ett resultat kommer en av kontakterna i alla fall att överbelastas. Och även med hänsyn till kortvarig överbelastning är ett för tidigt fel på enheten oundvikligt vid en sådan anslutning.

Felaktig användning, samt anslutning av reläet i strid med installeringsreglerna, slutar vanligtvis på detta sätt. Nästan allt innehåll inuti har bränts upp.

Elektromagnetiska produkter får användas i elektriska eller elektroniska kretsar med låg energiförbrukning som omkopplare för relativt höga strömmar och spänningar.

Det rekommenderas dock starkt att inte föra olika lastspänningar genom närliggande kontakter på samma enhet.

Till exempel att koppla en växelspänning på 220 V och en likspänning på 24 V. Man bör alltid använda separata enheter för varje variant för att säkerställa säkerheten.

Metoder för skydd mot backspänning

En viktig del av varje elektromekaniskt relä är spolen. Denna del tillhör kategorin höginduktiv last eftersom den har en trådlindning.

Varje trådlindad spole har en viss impedans bestående av induktansen L och resistansen R, och bildar på så sätt en serie LR-krets.

När ström flyter genom spolen skapas ett yttre magnetfält. När strömflödet i spolen upphör i läget 'avstängd' ökar det magnetiska flödet (transformationsteorin) och en hög backspänning EMF (elektromotorisk kraft) uppstår.

Detta inducerade backspänningsvärde kan vara flera gånger större än kopplingsspänningen.

Därmed uppstår risk för skada på alla halvledarkomponenter som placeras nära reläet. Till exempel en bipolär eller fälteffekttransistor som används för att mata spänning till reläspolen.

Kretsalternativ som ger skydd för halvledarstyrningselement – bipolära och fälteffekttransistorer, integrerade kretsar, mikrokontroller.

Ett sätt att förhindra skada på en transistor eller någon halvledaromkopplingsanordning, inklusive mikrokontroller, är att ansluta en backspänningsdiod i reläspolens krets.

När strömmen som flyter genom spolen omedelbart efter frånkoppling genererar en inducerad back-EMK, öppnar denna backspänning den backspänningsdioden.

Genom halvledaren dissiperas den lagrade energin, vilket förhindrar skada på styrande halvledare – transistor, tyristor, mikrokontroller.

Den halvledare som ofta är inkopplad i spolkretsen kallas också:

• flybackdiod;
• shuntdiod;
• backdiod.

Men det är ingen stor skillnad mellan elementen. De har alla samma funktion. Förutom användning av backspänningsdioder används även andra anordningar för att skydda halvledarkomponenter.

Samma RC-dämparkretsar, metalloxidvaristorer (MOV), zenerdioder.

Märkning av elektromagnetiska reläenheter

Tekniska beteckningar som ger delvis information om apparaterna anges vanligtvis direkt på chassit på den elektromagnetiska omkopplingsapparaten.

En sådan beteckning ser ut som en förkortad kod och ett numeriskt set.

Varje elektromekanisk omkopplingsenhet är traditionellt märkt. På höljet eller chassit finns ungefär en sådan uppsättning symboler och siffror som anger vissa parametrar.

Exempel på höljesmärkning av elektromekaniska reläer:

RES32 RF4.500.335-01

Denna notation tolkas som: elektromagnetiskt relä, lågström, serie 32, motsvarande utförande enligt pass RF4.500.335-01.

Men sådana beteckningar är sällsynta. Oftare förekommer förkortade varianter utan explicit GOST-angivelse:

RES32 335-01

På chassit (höljet) av apparaten anges även tillverkningsdatum och partinummer. Detaljerad information finns i den tekniska specifikationen för produkten. Varje apparat eller parti levereras med ett pass.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Videoklippet berättar populärt om hur elektromekanisk omkopplingselektronik fungerar. Konstruktionens fina detaljer, anslutningsfunktioner och andra detaljer visas tydligt:

Elektromekaniska reläer har under lång tid använts som elektroniska komponenter. Dock kan denna typ av kopplingsapparatur anses vara föråldrad. Allt oftare ersätts mekaniska enheter med modernare apparater – helt elektroniska. Ett exempel på detta är halvledarrelä.

Har du frågor, har du hittat brister eller har du intressanta fakta om ämnet som du kan dela med besökare på vår webbplats? Vänligen lämna dina kommentarer, ställ frågor, dela erfarenheter i kontaktformuläret under artikeln.