Реле — это электрически управляемый переключатель . Он состоит из набора входных клемм для одного или нескольких сигналов управления и набора рабочих контактных клемм. Переключатель может иметь любое количество контактов в нескольких контактных формах , таких как замыкающие контакты, размыкающие контакты или их комбинации.
Реле используются там, где необходимо управлять цепью независимым маломощным сигналом или где несколько цепей должны управляться одним сигналом. Реле впервые были использованы в цепях телеграфной связи на большие расстояния в качестве повторителей сигнала: они обновляют сигнал, поступающий из одной цепи, передавая его по другой цепи. Реле широко использовались в телефонных станциях и ранних компьютерах для выполнения логических операций.
Традиционная электромеханическая форма реле использует электромагнит для замыкания или размыкания контактов, но были изобретены также реле, использующие другие принципы работы, например, твердотельные реле , которые используют свойства полупроводников для управления без использования подвижных частей . Реле с калиброванными рабочими характеристиками и иногда несколькими рабочими катушками используются для защиты электрических цепей от перегрузки или неисправностей; в современных электроэнергетических системах эти функции выполняют цифровые приборы, которые по-прежнему называются защитными реле или реле безопасности .
Для постоянного срабатывания переключателя реле с защелкой требуется только один импульс управляющей мощности. Другой импульс, подаваемый на второй набор управляющих клемм, или импульс с противоположной полярностью сбрасывает переключатель, в то время как повторные импульсы того же типа не оказывают никакого эффекта. Магнитные реле с защелкой полезны в приложениях, где прерывание питания не должно влиять на цепи, которые реле контролирует.
Электрические реле получили свое начало в применении к телеграфам . Американский ученый Джозеф Генри часто упоминается как изобретатель реле в 1835 году, чтобы улучшить свою версию электрического телеграфа , разработанного ранее в 1831 году. [1] [2] [3] [4]
Однако официальный патент на телеграф, который сейчас называется реле, был выдан только в 1840 году Сэмюэлю Морзе . Описанный механизм действовал как цифровой усилитель, повторяя телеграфный сигнал и, таким образом, позволяя сигналам распространяться так далеко, как хотелось бы. [5]
Слово «реле» появляется в контексте электромагнитных операций с 1860 года. [6]
Простое электромагнитное реле состоит из катушки провода, намотанной вокруг мягкого железного сердечника (соленоида), железного ярма, которое обеспечивает путь с низким сопротивлением для магнитного потока, подвижного железного якоря и одного или нескольких наборов контактов (в изображенном реле два контакта). Якорь шарнирно прикреплен к ярму и механически связан с одним или несколькими наборами подвижных контактов. Якорь удерживается на месте пружиной, так что когда реле обесточено, в магнитной цепи остается воздушный зазор. В этом состоянии один из двух наборов контактов в изображенном реле замкнут, а другой разомкнут. Другие реле могут иметь больше или меньше наборов контактов в зависимости от их функции. Реле на рисунке также имеет провод, соединяющий якорь с ярмом. Это обеспечивает непрерывность цепи между подвижными контактами на якоре и дорожкой цепи на печатной плате (ПП) через ярмо , которое припаивается к ПП.
Когда электрический ток проходит через катушку, он создает магнитное поле , которое активирует якорь, и последующее движение подвижного контакта(ов) либо замыкает, либо разрывает (в зависимости от конструкции) соединение с неподвижным контактом. Если набор контактов был замкнут, когда реле было обесточено, то движение размыкает контакты и разрывает соединение, и наоборот, если контакты были разомкнуты. Когда ток в катушке отключается, якорь возвращается силой, примерно в два раза слабее магнитной силы, в свое расслабленное положение. Обычно эта сила обеспечивается пружиной, но гравитация также широко используется в промышленных пускателях двигателей. Большинство реле изготавливаются для быстрого срабатывания. В низковольтном приложении это снижает шум; в высоковольтном или токовом приложении это уменьшает искрение.
Когда катушка запитана постоянным током , обратный диод или демпферный резистор часто размещают поперек катушки, чтобы рассеивать энергию от коллапсирующего магнитного поля ( обратная ЭДС ) при дезактивации, которая в противном случае генерировала бы скачок напряжения, опасный для компонентов полупроводниковой схемы. Такие диоды не использовались широко до применения транзисторов в качестве драйверов реле, но вскоре стали повсеместными, поскольку ранние германиевые транзисторы легко разрушались этим скачком. Некоторые автомобильные реле включают диод внутри корпуса реле. Резисторы, хотя и более долговечны, чем диоды, менее эффективны в устранении скачков напряжения, генерируемых реле [7], и поэтому не так широко используются.
Если реле управляет большой или, в особенности, реактивной нагрузкой, может возникнуть аналогичная проблема с токами перенапряжения вокруг выходных контактов реле. В этом случае демпферная цепь (конденсатор и резистор последовательно) на контактах может поглощать перенапряжение. Конденсаторы с соответствующим номиналом и соответствующий резистор продаются как единый упакованный компонент для этого обычного использования.
Если катушка предназначена для питания переменным током (AC), используется некий метод для разделения потока на два несовпадающих по фазе компонента, которые складываются, увеличивая минимальное тяговое усилие на якоре во время цикла переменного тока. Обычно это делается с помощью небольшого медного «затеняющего кольца», обжатого вокруг части сердечника, что создает задержанный, несовпадающий по фазе компонент, [8] который удерживает контакты во время нулевых переходов управляющего напряжения. [9]
Материалы контактов для реле различаются в зависимости от области применения. Материалы с низким сопротивлением контактов могут окисляться на воздухе или могут иметь тенденцию «прилипать» вместо того, чтобы чисто разъединяться при размыкании. Материал контактов может быть оптимизирован для низкого электрического сопротивления, высокой прочности, чтобы выдерживать повторяющиеся операции, или высокой емкости, чтобы выдерживать тепло дуги. Там, где требуется очень низкое сопротивление или низкие термически индуцированные напряжения, могут использоваться позолоченные контакты, а также палладий и другие неокисляющиеся полудрагоценные металлы. Серебряные или посеребренные контакты используются для переключения сигналов. Смоченные ртутью реле замыкают и размыкают цепи, используя тонкую самообновляющуюся пленку жидкой ртути. Для реле большей мощности, коммутирующих много ампер, таких как контакторы цепей двигателей, контакты изготавливаются из смесей серебра и оксида кадмия, что обеспечивает низкое сопротивление контакта и высокую устойчивость к теплу дуги. Контакты, используемые в цепях, выдерживающих десятки или сотни ампер, могут включать дополнительные структуры для рассеивания тепла и управления дугой, возникающей при прерывании цепи. [10] Некоторые реле имеют заменяемые в полевых условиях контакты, например, некоторые реле станков; их можно заменить при износе или изменить между нормально разомкнутым и нормально замкнутым состоянием, чтобы обеспечить изменения в управляемой цепи. [11]
Поскольку реле являются переключателями , терминология, применяемая к переключателям, также применяется к реле; реле переключает один или несколько полюсов , каждый из контактов которых может быть брошен путем подачи питания на катушку. Нормально разомкнутые (НО) контакты подключают цепь, когда реле активировано; цепь отключена, когда реле неактивно. Нормально замкнутые (НЗ) контакты отключают цепь, когда реле активировано; цепь подключена, когда реле неактивно. Все формы контактов включают комбинации соединений НО и НЗ.
Национальная ассоциация производителей реле и ее преемница Ассоциация производителей реле и переключателей определяют 23 различные формы электрических контактов , встречающихся в реле и переключателях. [12] Из них наиболее часто встречаются следующие:
Обозначение S ( одиночный ) или D ( двойной ) для количества полюсов может быть заменено числом, указывающим на несколько контактов, подключенных к одному приводу . Например, 4PDT обозначает четырехполюсное двухпозиционное реле, имеющее 12 переключающих клемм.
EN 50005 входит в число применимых стандартов для нумерации клемм реле; клеммы типичного реле SPDT, соответствующего EN 50005, будут пронумерованы 11, 12, 14, A1 и A2 для соединений C, NC, NO и катушки соответственно. [14]
DIN 72552 определяет номера контактов в реле для автомобильного применения:
В тех случаях, когда радиопередатчики и приемники совместно используют одну антенну, часто коаксиальное реле используется в качестве реле TR (передача-прием), которое переключает антенну с приемника на передатчик. Это защищает приемник от высокой мощности передатчика. Такие реле часто используются в приемопередатчиках , которые объединяют передатчик и приемник в одном устройстве. Контакты реле спроектированы так, чтобы не отражать никакую радиочастотную мощность обратно к источнику и обеспечивать очень высокую изоляцию между клеммами приемника и передатчика. Характеристическое сопротивление реле согласовано с сопротивлением линии передачи системы, например, 50 Ом. [15]
Контактор — это реле большой мощности с более высокими номинальными токами, [16] используемое для переключения электродвигателей и осветительных нагрузок. Номинальные постоянные токи для обычных контакторов варьируются от 10 ампер до нескольких сотен ампер. Контакты с высоким током изготавливаются из сплавов, содержащих серебро . Неизбежное искрение приводит к окислению контактов; однако оксид серебра по-прежнему является хорошим проводником. [17] Контакторы с устройствами защиты от перегрузки часто используются для запуска двигателей. [18]
Реле с принудительно управляемыми контактами имеет контакты реле, которые механически связаны друг с другом, так что когда катушка реле находится под напряжением или обесточена, все связанные контакты движутся вместе. Если один набор контактов в реле становится неподвижным, никакой другой контакт того же реле не сможет двигаться. Функция принудительно управляемых контактов заключается в том, чтобы позволить цепи безопасности проверять состояние реле. Принудительно управляемые контакты также известны как «контакты с положительным управлением», «замкнутые контакты», «заблокированные контакты», «механически связанные контакты» или «реле безопасности».
Эти реле безопасности должны соответствовать правилам проектирования и производства, которые определены в одном основном стандарте машиностроения EN 50205: Реле с принудительно управляемыми (механически связанными) контактами. Эти правила для проектирования безопасности определены в стандартах типа B, таких как EN 13849-2 как Основные принципы безопасности и Проверенные принципы безопасности для машин, которые применяются ко всем машинам.
Контакты с принудительным управлением сами по себе не могут гарантировать, что все контакты находятся в одинаковом состоянии, однако они гарантируют, при отсутствии грубой механической неисправности, что никакие контакты не находятся в противоположных состояниях. В противном случае реле с несколькими нормально разомкнутыми (НО) контактами может застрять при подаче питания, при этом некоторые контакты будут закрыты, а другие все еще слегка открыты, из-за механических допусков. Аналогично, реле с несколькими нормально замкнутыми (НЗ) контактами может застрять в неподключенном положении, так что при подаче питания цепь через один набор контактов разорвется с небольшим зазором, в то время как другой останется замкнутым. Вводя как НО, так и НЗ контакты, или, что более распространено, переключающие контакты, на одном реле, становится возможным гарантировать, что если любой НЗ контакт замкнут, все НО контакты разомкнуты, и наоборот, если любой НО контакт замкнут, все НЗ контакты разомкнуты. Невозможно надежно гарантировать, что какой-либо конкретный контакт замкнут, за исключением потенциально интрузивного и снижающего безопасность обнаружения условий его цепи, однако в системах безопасности обычно наиболее важным является состояние НО, и, как объяснялось выше, это надежно проверяется путем обнаружения замыкания контакта противоположного направления.
Реле с принудительно управляемыми контактами изготавливаются с различными основными контактными группами, либо НО, НЗ или переключающими, и одной или несколькими вспомогательными контактными группами, часто с пониженным током или напряжением, используемыми для системы мониторинга. Контакты могут быть все НО, все НЗ, переключающими или их смесью для контактов мониторинга, так что проектировщик системы безопасности может выбрать правильную конфигурацию для конкретного применения. Реле безопасности используются как часть инженерной системы безопасности.
Реле с защелкой, также называемое импульсным , бистабильным , удерживающим или реле с защелкой , или просто защелкой , поддерживает любое положение контакта неограниченно долго без подачи питания на катушку. Преимущество заключается в том, что одна катушка потребляет энергию только в течение мгновения, пока реле переключается, и контакты реле сохраняют эту настройку при отключении питания. Реле с защелкой позволяет дистанционно управлять освещением здания без гудения, которое может быть вызвано постоянно (переменным током) катушкой.
В одном механизме две противостоящие катушки с пружиной над центром или постоянным магнитом удерживают контакты в положении после того, как катушка обесточена. Импульс на одну катушку включает реле, а импульс на противоположную катушку выключает реле. Этот тип широко используется там, где управление осуществляется с помощью простых переключателей или одноконтактных выходов системы управления, и такие реле встречаются в авионике и многочисленных промышленных приложениях.
Другой тип защелкивания имеет остаточный сердечник, который удерживает контакты в рабочем положении с помощью остаточного магнетизма в сердечнике. Этот тип требует импульса тока противоположной полярности для освобождения контактов. Разновидность использует постоянный магнит, который производит часть силы, необходимой для замыкания контакта; катушка обеспечивает достаточную силу для размыкания или замыкания контакта, помогая или противодействуя полю постоянного магнита. [19] Реле с управлением полярностью требует переключателей или приводной схемы H-bridge для управления им. Реле может быть менее дорогим, чем другие типы, но это частично компенсируется возросшими затратами на внешнюю цепь.
В другом типе храповое реле имеет храповой механизм, который удерживает контакты замкнутыми после того, как катушка на мгновение запитана. Второй импульс, в той же или отдельной катушке, отпускает контакты. [19] Этот тип можно найти в некоторых автомобилях для переключения фар и других функций, где требуется попеременная работа при каждом срабатывании переключателя.
Шаговое реле — это специализированный вид многопозиционного реле с фиксацией, разработанный для первых автоматических телефонных станций .
В состав автоматического выключателя защиты от утечки на землю входит специализированное реле с блокировкой.
В ранних компьютерах биты часто хранились в реле с магнитной защелкой, например, в ферриде или в более позднем реле в коммутаторе 1ESS .
Некоторые ранние компьютеры использовали обычные реле в качестве своего рода защелки — они хранят биты в обычных пружинных реле или герконовых реле, подавая выходной провод обратно в качестве входа, что приводит к образованию петли обратной связи или последовательной цепи . Такое электрически защелкивающееся реле требует постоянного питания для поддержания состояния, в отличие от магнитно-защелкивающихся реле или механических храповых реле. Хотя (само)удерживающиеся цепи часто реализуются с помощью реле, их также можно реализовать другими способами.
В компьютерной памяти реле с защелкой и другие реле были заменены памятью с линиями задержки , которая, в свою очередь, была заменена серией все более быстрых и все более компактных технологий памяти.
Реле станка — это тип, стандартизированный для промышленного управления станками , передаточными машинами и другим последовательным управлением. Они характеризуются большим количеством контактов (иногда расширяемых в полевых условиях), которые легко преобразуются из нормально разомкнутого в нормально замкнутое состояние, легко заменяемыми катушками и форм-фактором , который позволяет компактно устанавливать множество реле на панели управления. Хотя такие реле когда-то были основой автоматизации в таких отраслях, как сборка автомобилей, программируемый логический контроллер (ПЛК) в основном вытеснил реле станка из приложений последовательного управления.
Реле позволяет переключать цепи с помощью электрооборудования: например, схема таймера с реле может переключать питание в заданное время. В течение многих лет реле были стандартным методом управления промышленными электронными системами. Несколько реле могут использоваться вместе для выполнения сложных функций ( релейная логика ). Принцип релейной логики основан на реле, которые включают и выключают связанные контакты. Релейная логика является предшественником лестничной логики , которая обычно используется в программируемых логических контроллерах .
Ртутное реле — это реле, в котором в качестве коммутационного элемента используется ртуть. Они используются там, где эрозия контактов была бы проблемой для обычных контактов реле. Из-за экологических соображений, связанных со значительным количеством используемой ртути, и современных альтернатив, они сейчас сравнительно редки.
Герконовое реле с ртутным смачиванием — это разновидность герконового реле, в котором используется ртутный переключатель , в котором контакты смачиваются ртутью . Ртуть снижает сопротивление контакта и смягчает связанное с этим падение напряжения. Загрязнение поверхности может привести к плохой проводимости для слаботочных сигналов. Для высокоскоростных приложений ртуть устраняет дребезг контактов и обеспечивает практически мгновенное замыкание цепи. Герконовые реле чувствительны к положению и должны устанавливаться в соответствии с техническими требованиями производителя. Из-за токсичности и дороговизны жидкой ртути эти реле все чаще выходят из употребления.
Высокая скорость переключения ртутного реле является заметным преимуществом. Капли ртути на каждом контакте объединяются , и время нарастания тока через контакты обычно считается несколькими пикосекундами. [ требуется ссылка ] Однако в практической схеме оно может быть ограничено индуктивностью контактов и проводки. До ограничений на использование ртути было довольно распространено использование ртутного реле в лаборатории в качестве удобного средства генерации импульсов с быстрым временем нарастания, однако, хотя время нарастания может составлять пикосекунды, точное время события, как и у всех других типов реле, подвержено значительному дрожанию, возможно, миллисекундам, из-за механических изменений.
Тот же самый процесс коалесценции вызывает другой эффект, который является неприятностью в некоторых приложениях. Контактное сопротивление нестабильно сразу после замыкания контакта и дрейфует, в основном вниз, в течение нескольких секунд после замыкания, изменение, возможно, составляет 0,5 Ом. [ необходима цитата ]
Многовольтные реле — это устройства, предназначенные для работы в широком диапазоне напряжений, например от 24 до 240 В переменного и постоянного тока, и в широком диапазоне частот, например от 0 до 300 Гц. Они предназначены для использования в установках, не имеющих стабильного напряжения питания.
Электродвигателям нужна защита от перегрузки по току , чтобы предотвратить повреждение от перегрузки двигателя или защитить от коротких замыканий в соединительных кабелях или внутренних неисправностей в обмотках двигателя. [20] Устройства обнаружения перегрузки представляют собой форму реле с тепловым приводом, где катушка нагревает биметаллическую полосу , или где расплавляется припойная ванна, чтобы управлять вспомогательными контактами. Эти вспомогательные контакты включены последовательно с катушкой контактора двигателя, поэтому они отключают двигатель при его перегреве. [21]
Эта тепловая защита работает относительно медленно, позволяя двигателю потреблять более высокие пусковые токи, прежде чем защитное реле сработает. Когда реле перегрузки подвергается воздействию той же температуры окружающей среды, что и двигатель, обеспечивается полезная, хотя и грубая компенсация температуры окружающей среды двигателя. [22]
Другая распространенная система защиты от перегрузки использует электромагнитную катушку последовательно с цепью двигателя, которая напрямую управляет контактами. Это похоже на реле управления, но требует довольно высокого тока короткого замыкания для управления контактами. Чтобы предотвратить кратковременные скачки тока перегрузки, вызывающие неприятное срабатывание, движение якоря демпфируется с помощью демпфера . Тепловые и магнитные обнаружения перегрузки обычно используются вместе в реле защиты двигателя. [ необходима цитата ]
Электронные реле защиты от перегрузки измеряют ток двигателя и могут оценить температуру обмотки двигателя, используя «тепловую модель» системы якоря двигателя, которую можно настроить для обеспечения более точной защиты двигателя. Некоторые реле защиты двигателя включают входы температурного детектора для прямого измерения от термопары или датчика термометра сопротивления, встроенного в обмотку. [23]
Поляризованное реле помещает якорь между полюсами постоянного магнита для повышения чувствительности. Поляризованные реле использовались в телефонных станциях середины 20-го века для обнаружения слабых импульсов и исправления телеграфных искажений .
Герконовое реле представляет собой геркон, заключенный в соленоид. Переключатель имеет набор контактов внутри стеклянной трубки, заполненной инертным газом или откачанной из нее , которая защищает контакты от атмосферной коррозии ; контакты изготовлены из магнитного материала, который заставляет их двигаться под воздействием поля заключенного в них соленоида или внешнего магнита.
Герконовые реле могут переключаться быстрее, чем более крупные реле, и требуют очень мало энергии от цепи управления. Однако они имеют относительно низкие значения тока переключения и напряжения. Хотя это случается редко, герконы могут со временем намагничиваться, что заставляет их оставаться «включенными», даже когда ток отсутствует; изменение ориентации герконов или размагничивание переключателя относительно магнитного поля соленоида может решить эту проблему.
Герметичные контакты с ртутной смачиваемостью имеют более длительный срок службы и меньший дребезг контактов, чем любые другие виды реле. [24]
Реле безопасности — это устройства, которые обычно реализуют функции защиты. В случае опасности задача такой функции безопасности заключается в использовании соответствующих мер для снижения существующего риска до приемлемого уровня. [25]
Твердотельный контактор — это твердотельное реле большой мощности, включающее необходимый теплоотвод, используемое там, где требуются частые циклы включения-выключения, например, в электрических нагревателях, небольших электродвигателях и осветительных нагрузках. Нет подвижных частей, которые могли бы изнашиваться, и нет дребезга контактов из-за вибрации. Они активируются управляющими сигналами переменного тока или управляющими сигналами постоянного тока от программируемых логических контроллеров (ПЛК), ПК, источников транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) или других микропроцессорных и микроконтроллерных элементов управления.
Твердотельное реле ( ТСР) — это твердотельный электронный компонент, который обеспечивает функцию, аналогичную электромеханическому реле, но не имеет подвижных компонентов, что увеличивает долговременную надежность. Твердотельное реле использует тиристор , триак или другое твердотельное коммутационное устройство, активируемое управляющим сигналом, для переключения контролируемой нагрузки вместо соленоида. Оптопара ( светоизлучающий диод (СИД), соединенный с фототранзистором ) может использоваться для изоляции управляющих и контролируемых цепей. [26]
Статическое реле состоит из электронной схемы, имитирующей все те характеристики, которые достигаются с помощью подвижных частей в электромагнитном реле.
Реле времени устанавливаются для преднамеренной задержки срабатывания их контактов. Очень короткая (доля секунды) задержка будет использовать медный диск между якорем и подвижным узлом лезвия. Ток, текущий в диске, поддерживает магнитное поле в течение короткого времени, удлиняя время срабатывания. Для немного более длительной (до минуты) задержки используется демпфер. Демпфер представляет собой поршень, заполненный жидкостью, которая медленно вытекает; используются как заполненные воздухом, так и заполненные маслом демпферы. Период времени можно изменять, увеличивая или уменьшая скорость потока. Для более длительных периодов времени устанавливается механический часовой таймер. Реле могут быть установлены для фиксированного периода времени или могут регулироваться в полевых условиях или устанавливаться дистанционно с панели управления. Современные реле времени на основе микропроцессора обеспечивают точность времени в большом диапазоне.
Некоторые реле сконструированы с механизмом "амортизатора", прикрепленным к якорю, который предотвращает немедленное, полное движение, когда катушка либо возбуждена, либо обесточена. Это дополнение дает реле свойство срабатывания с задержкой по времени. Реле с задержкой по времени могут быть сконструированы для задержки движения якоря при возбуждении катушки, ее обесточивании или и том, и другом.
Контакты реле задержки времени должны быть указаны не только как нормально разомкнутые или нормально замкнутые, но и как задержка действует в направлении замыкания или размыкания. Ниже приводится описание четырех основных типов контактов реле задержки времени.
Во-первых, у нас есть нормально открытый, с задержкой по времени (NOTC) контакт. Этот тип контакта нормально открыт, когда катушка обесточена (обесточена). Контакт замыкается при подаче питания на катушку реле, но только после того, как катушка непрерывно питается в течение указанного времени. Другими словами, направление движения контакта (либо замыкание, либо размыкание) идентично обычному нормально разомкнутому контакту, но есть задержка в направлении замыкания. Поскольку задержка происходит в направлении подачи питания на катушку, этот тип контакта также известен как нормально открытый, с задержкой включения.
Вакуумное реле — это чувствительное реле, контакты которого установлены в вакуумном стеклянном корпусе, что позволяет работать с радиочастотными напряжениями [ требуется разъяснение ] до 20 000 вольт без пробоя между контактами, даже если расстояние между контактами в открытом состоянии составляет всего несколько сотых дюйма.
Реле используются везде, где необходимо управлять цепью высокой мощности или высокого напряжения с помощью цепи низкой мощности, особенно когда желательна гальваническая развязка . Первое применение реле было в длинных телеграфных линиях, тогда как слабый сигнал, полученный на промежуточной станции, мог управлять контактом, восстанавливая сигнал для дальнейшей передачи. Высоковольтные или сильноточные устройства могут управляться с помощью небольшой низковольтной проводки и переключателей управления. Операторы могут быть изолированы от высоковольтной цепи. Маломощные устройства, такие как микропроцессоры, могут управлять реле для управления электрическими нагрузками за пределами их прямой приводной способности. В автомобиле реле стартера позволяет управлять высоким током пускового двигателя с помощью небольшой проводки и контактов в ключе зажигания.
Электромеханические коммутационные системы, включая телефонные станции Strowger и crossbar, широко использовали реле в вспомогательных цепях управления. Relay Automatic Telephone Company также производила телефонные станции, основанные исключительно на методах коммутации реле, разработанных Gotthilf Ansgarius Betulander. Первая общественная релейная телефонная станция в Великобритании была установлена во Флитвуде 15 июля 1922 года и оставалась в эксплуатации до 1959 года. [27] [28]
Использование реле для логического управления сложными коммутационными системами, такими как телефонные станции, изучалось Клодом Шенноном , который формализовал применение булевой алгебры к проектированию релейных схем в работе «Символический анализ релейных и коммутационных схем» . Реле могут выполнять основные операции булевой комбинаторной логики. Например, булева функция И реализуется путем последовательного соединения нормально разомкнутых контактов реле, функция ИЛИ — путем параллельного соединения нормально разомкнутых контактов. Инверсия логического входа может быть выполнена с помощью нормально замкнутого контакта. Реле использовались для управления автоматизированными системами для станков и производственных линий. Язык программирования Ladder часто используется для проектирования сетей релейной логики .
Ранние электромеханические компьютеры, такие как ARRA , Harvard Mark II , Zuse Z2 и Zuse Z3, использовали реле для логики и рабочих регистров. Однако электронные устройства оказались быстрее и проще в использовании.
Реле гораздо более устойчивы к ядерному излучению, чем полупроводники, поэтому они широко используются в критически важной для безопасности логике, такой как панели управления оборудованием для обработки радиоактивных отходов. Электромеханические защитные реле используются для обнаружения перегрузки и других неисправностей на электрических линиях путем размыкания и замыкания автоматических выключателей .
Для защиты электроприборов и линий электропередачи использовались электромеханические реле с точными рабочими характеристиками для обнаружения перегрузки, коротких замыканий и других неисправностей. Хотя многие такие реле продолжают использоваться, цифровые защитные реле теперь обеспечивают эквивалентные и более сложные защитные функции.
Железнодорожные сигнальные реле имеют большие размеры, учитывая в основном небольшие напряжения (менее 120 В) и токи (возможно, 100 мА), которые они переключают. Контакты широко разнесены, чтобы предотвратить перекрытия и короткие замыкания в течение срока службы, который может превышать пятьдесят лет.
Поскольку цепи железнодорожных сигналов должны быть высоконадежными, для обнаружения и предотвращения сбоев в релейной системе используются специальные методы. Для защиты от ложных сигналов часто используются двойные переключающие контакты реле как на положительной, так и на отрицательной стороне цепи, так что для возникновения ложного сигнала требуется две ложные подачи. Не все релейные цепи могут быть проверены, поэтому приходится полагаться на конструктивные особенности, такие как углеродно-серебряные контакты, чтобы противостоять сварке контактов, вызванной молнией, и обеспечить устойчивость к переменному току.
Оптоизоляторы также используются в некоторых случаях в железнодорожной сигнализации, особенно там, где необходимо переключить только один контакт.
Выбор подходящего реле для конкретного применения требует оценки множества различных факторов:
Существует множество соображений, связанных с правильным выбором реле управления для конкретного применения, включая такие факторы, как скорость работы, чувствительность и гистерезис . Хотя типичные реле управления работают в диапазоне от 5 мс до 20 мс, доступны реле со скоростью переключения до 100 мкс . Герконовые реле , которые приводятся в действие малыми токами и быстро переключаются, подходят для управления малыми токами.
Как и в случае с любым переключателем, ток контакта (не связанный с током катушки) не должен превышать заданного значения, чтобы избежать повреждения. В цепях с высокой индуктивностью , таких как двигатели , необходимо решать другие проблемы. Когда индуктивность подключена к источнику питания, существует входной импульсный ток или пусковой ток электродвигателя, превышающий установившийся ток. Когда цепь разомкнута, ток не может измениться мгновенно, что создает потенциально разрушительную дугу на разделительных контактах.
Следовательно, для реле, используемых для управления индуктивными нагрузками, мы должны указать максимальный ток, который может протекать через контакты реле при его срабатывании, номинал замыкания ; непрерывный номинал; и номинал отключения . Номинальный ток замыкания может быть в несколько раз больше, чем непрерывный номинал, который больше, чем номинал отключения.
Переключение «влажных» контактов (под нагрузкой) вызывает нежелательное искрение между контактами, что в конечном итоге приводит к свариванию контактов или выходу их из строя из-за накопления поверхностных повреждений, вызванных разрушительной энергией дуги. [29]
Внутри поперечных переключателей системы электронной коммутации № 1 (1ESS) и некоторых других высоконадежных конструкций герконы всегда переключаются «сухо» (без нагрузки), чтобы избежать этой проблемы, что приводит к значительному увеличению срока службы контактов. [30]
Без адекватной защиты контактов возникновение электрической дуги вызывает значительную деградацию контактов, которые получают значительные и видимые повреждения. Каждый раз, когда контакты реле размыкаются или замыкаются под нагрузкой, между контактами реле может возникнуть электрическая дуга, либо дуга разрыва (при размыкании), либо дуга замыкания / отскока (при замыкании). Во многих ситуациях дуга разрыва более энергична и, следовательно, более разрушительна, в частности, при индуктивных нагрузках, но это можно смягчить, замкнув контакты демпферной цепью . Пусковой ток ламп накаливания с вольфрамовой нитью обычно в десять раз превышает нормальный рабочий ток. Таким образом, реле, предназначенные для вольфрамовых нагрузок, могут использовать специальный состав контактов, или реле может иметь более низкие номинальные характеристики контактов для вольфрамовых нагрузок, чем для чисто резистивных нагрузок.
Электрическая дуга на контактах реле может быть очень горячей — тысячи градусов по Фаренгейту — заставляя металл на контактных поверхностях плавиться, скапливаться и мигрировать вместе с током. Чрезвычайно высокая температура дуги расщепляет окружающие молекулы газа, создавая озон , окись углерода и другие соединения. Со временем энергия дуги медленно разрушает контактный металл, в результате чего часть материала выбрасывается в воздух в виде мелких частиц. Это действие приводит к деградации и координации материала в контактах, что приводит к отказу устройства. Эта деградация контакта резко ограничивает общий срок службы реле до диапазона примерно от 10 000 до 100 000 срабатываний, что намного ниже механического срока службы устройства, который может превышать 20 миллионов срабатываний. [31]
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
Медиа, связанные с Relay на Wikimedia Commons