Электромагнитное реле

Контакты

Контакты различают по тому, что они делают при подаче тока на катушку (Panasonic ASCTB41E):

• Замыкающий (форма A, NO — normally open) — разомкнут, пока катушка обесточена, и замыкается при срабатывании.
• Размыкающий (форма B, NC — normally closed) — замкнут без тока в катушке и размыкается при срабатывании.
• Переключающий (форма C) — общий вывод COM без тока соединён с NC, при срабатывании переключается на NO.

Число групп контактов и их форму записывают в обозначении: 1a — одна замыкающая группа, 1c — одна переключающая, 2c — две переключающие. Реле Panasonic JW выпускают в вариантах 1a, 1c, 2a и 2c.

Реле бывают моностабильные — без тока в катушке возвращаются в исходное положение пружиной — и бистабильные (с фиксацией, latching). Бистабильное реле переключается коротким импульсом и остаётся в новом положении без тока: с одной катушкой его возвращают импульсом обратной полярности, с двумя — импульсом на вторую катушку.

Параметры катушки

Возьмём реле Panasonic JW с катушками на 5–48 В. Данные катушек при 20 °C из каталога:

Мощность катушки у всех исполнений одна, поэтому ток обратно пропорционален напряжению: P = U · I. Остальные параметры катушки задают допустимый диапазон напряжения:

• Напряжение срабатывания (pick-up, must operate) — напряжение, при котором или ниже которого все контакты гарантированно переключаются, если плавно поднимать напряжение. У JW — не выше 70 % номинального.
• Напряжение отпускания (drop-out, must release) — напряжение, при котором или выше которого все контакты гарантированно возвращаются при плавном снижении. У JW — не ниже 10 % номинального. Пока напряжение на катушке не упало ниже этой границы, реле может оставаться включённым.
• Наибольшее допустимое напряжение — его можно держать на катушке длительно без повреждения. У JW — 130 % номинального при 60 °C для изоляции класса E и 120 % при 85 °C для класса B.

Напряжение срабатывания — это граница, при которой якорь только-только притягивается, а не рабочая точка. Panasonic требует подавать на катушку номинальное напряжение: для реле постоянного тока — в пределах ±5 %, от источника с пульсациями меньше 5 %. Если рассуждать в токах, ток катушки берут в 1,5–2 раза больше паспортного тока срабатывания, чтобы учесть разброс напряжения и сопротивления и нагрев катушки.

Нагрев важнее, чем кажется. Сопротивление медного провода растёт примерно на 0,4 % на каждый градус, и вместе с ним растёт напряжение срабатывания. Если реле долго было включено, а потом его выключили и сразу включили снова, горячей катушке нужно больше напряжения, чем холодной, — то же самое происходит при высокой температуре в корпусе прибора. Проверяйте и просадку питания: если катушка и нагрузка питаются от одного источника, в момент включения мощной нагрузки напряжение на катушке падает.

Плавно поднимать напряжение на катушке нельзя: при медленном нарастании переключение неустойчиво, давление на контакты падает, растёт дребезг. Катушку включают ключом — транзистором или контактом другого реле.

Параметры контактов

Коммутируемая мощность — произведение напряжения и тока, которое контакты могут безопасно разорвать. По определению Panasonic она бывает меньше произведения наибольшего напряжения на наибольший ток, поэтому проверяют все три ограничения сразу: у реле Panasonic TX, например, при 60 В постоянного тока допустим ток всего 1 А. Все эти цифры — для активной нагрузки. На постоянном токе нет перехода тока через ноль, как на переменном, и возникшая при размыкании дуга гаснет хуже, поэтому предельные напряжения для постоянного и переменного тока различаются: у JW — 30 В против 250 В.

Минимальная нагрузка — ориентир для слабых сигналов: при слишком малом токе и напряжении на контактах может образоваться плёнка, и контакт перестаёт проводить. Panasonic подчёркивает, что это не гарантированное значение, а сопротивление контакта тем стабильнее, чем больше ток. Для слабых сигналов берут реле с золочёными контактами или параллельно нагрузке ставят резистор, который увеличивает ток через контакты. Если реле переключается реже раза в месяц, контакты стоит периодически проверять: на них может образоваться органическая плёнка.

Материал контактов подбирают под нагрузку:

Пусковой ток нагрузки

Самая частая причина сваренных контактов — пусковой ток. Холодная спираль лампы, неподвижный двигатель, разряженный конденсатор в момент включения берут ток в разы больше рабочего. Контакты замыкаются с дребезгом, и каждый отскок под таким током — маленькая дуга, которая плавит и переносит металл. Panasonic даёт ориентировочные кратности:

Для нагрузок с пусковым током Panasonic советует измерить и рабочий, и пусковой ток и выбирать реле с большим запасом. Ещё одна ловушка — длинные провода в цепи контактов: при длине в десятки метров их ёмкость сама создаёт пусковой ток, и последовательно с контактами ставят резистор примерно 10–50 Ом.

Защита контактов от ЭДС самоиндукции

При размыкании цепи с индуктивностью — катушки другого реле, соленоида, двигателя постоянного тока — ток не может прерваться мгновенно, и на индуктивности возникает ЭДС e = −L · di/dt величиной в сотни и тысячи вольт. Пробой воздуха при нормальных условиях начинается примерно при 200–300 В, поэтому такой выброс пробивает зазор между расходящимися контактами, а энергия L · I² / 2 уходит в дугу. Контакты обгорают и чернеют от нагара. Panasonic советует ограничивать выброс до 200 В и ниже одной из цепей:

Защитный элемент ставят рядом с нагрузкой или контактами — по рекомендации Panasonic, не дальше 50 см. Конденсатор без резистора прямо на контактах ставить нельзя: при замыкании через контакты разряжается накопленный в нём заряд, и контакты свариваются.

Тот же выброс возникает и на катушке самого реле, когда её выключает транзистор. Поэтому в схеме драйвера параллельно катушке стоит диод — он защищает транзистор, а платой за это становится более долгое отпускание.

Время срабатывания и ресурс

Время срабатывания — от подачи напряжения на катушку до замыкания контактов формы A, время отпускания — от снятия напряжения до возврата контактов формы B; дребезг в них не входит. У реле JW при номинальном напряжении и 20 °C срабатывание — не дольше 15 мс, отпускание без диода на катушке — не дольше 5 мс. Чем больше напряжение на катушке, тем быстрее срабатывание, но тем дольше дребезг замыкающих контактов.

Механический ресурс — число переключений без нагрузки, электрический — с заданной нагрузкой на контактах. У JW механический ресурс — не меньше 5 миллионов переключений, электрический на номинальной активной нагрузке 5 А 250 В~ — не меньше 100 тысяч. Паспортный ресурс определён по стандарту JIS C 5442 при 15–35 °C и влажности 25–75 %: при высокой температуре, частых переключениях и реальных нагрузках с пусковым током он меньше, и Panasonic советует проверять его в реальных условиях. Ещё одна причина быстрого износа — переключение синхронно с фазой сети: если микроконтроллер или таймер включает реле всегда в одной и той же точке синусоиды, контакты быстрее свариваются из-за переноса материала.

Изоляция

Реле изолирует цепь управления от нагрузки, и даташит нормирует эту изоляцию. У JW между катушкой и контактами — испытательное напряжение 5 000 В (ср. кв.) в течение 1 минуты и импульс 10 000 В формы 1,2/50 мкс, между разомкнутыми контактами — 1 000 В (ср. кв.), сопротивление изоляции — не меньше 1 000 МОм при 500 В. Но изоляция реле — это ещё и расстояния на плате: дорожки сетевой цепи контактов должны идти на безопасном расстоянии от низковольтной части схемы.

Реле или полупроводниковый ключ

Альтернатива механическому реле — твердотельное реле или фотосимистор с силовым симистором. У полупроводникового ключа нет дребезга и дуги на контактах, он надёжнее при частых переключениях и меньше по размеру при том же токе (Vishay AN34). Механическое реле, в свою очередь, почти не греется под нагрузкой, полностью разрывает цепь и одинаково коммутирует и постоянный, и переменный ток.

Типичные ошибки

• Расчёт по напряжению срабатывания. Реле, которое щёлкает на столе при 3,5 В на катушке пятивольтового реле, откажет в жару или при просадке питания. Подавайте номинальное напряжение.
• Нагрузка по паспортному току без учёта пускового. Лампы, двигатели и блоки питания с конденсаторами на входе сваривают контакты реле, рассчитанного «с запасом» по рабочему току.
• Постоянный ток по цифрам переменного. Реле, рассчитанное на 250 В переменного тока, на постоянном токе может разрывать гораздо меньшее напряжение: у JW — не больше 30 В.
• Индуктивная нагрузка без защиты. Соленоид или двигатель на постоянном токе без диода или варистора быстро сжигает контакты.
• Слабый сигнал на силовом реле. Контакты, рассчитанные на амперы, ненадёжно коммутируют микроамперы — для сигналов нужны реле с золочёными контактами.
• Реверс двигателя на контактах A и B. Panasonic запрещает схемы реверса, в которых замыкающий и размыкающий контакты могут закоротить питание: зазор между ними мал, и дуга может их замкнуть.