Как работает электромагнитное реле?
Реле – один из основных элементов автоматизации зданий любых масштабов.
За время развития технологии интеллектуальных зданий реле стали использовать совместно с контроллерами с программируемой логикой. Основная роль реле – управление различными функциями умного здания: включение и выключение их.
Они могут быть как корпусными полноформатными — размещаться в щите, или же иметь компактные размеры корпуса для установки в монтажную коробку за выключателем, или и вовсе быть бескорпусными для ещё большего повышения компактности.
Рассмотрим подробнее что такое реле, для чего они нужны и чем могут управлять:
Реле - это выключатель с электрическим управлением. Традиционно в реле используется электромагнит для механического управления переключателем. Однако в более новых версиях будет использоваться электроника. Такое реле называется твердотельным. Реле используются, когда необходимо управлять электрической цепью с помощью сигнала малой мощности или когда несколько цепей должны управляться одним сигналом.
Реле обеспечивают полную электрическую изоляцию между управляющей и упраляемой цепями. Реле часто используются в цепях для уменьшения тока, протекающего через первичный управляющий выключатель.
Переключатель для относительно низкой силы тока, таймер или датчик можно использовать при включении и выключении нагрузки гораздо большей мощности.
В реле есть две основные цепи: первичная и вторичная. Первичная цепь обеспечивает управляющий сигнал для приведения в действие реле. Это можно контролировать, например, при помощи ручного переключателя, термостата или датчиков самых разных типов.
Первичная цепь, как правило, подключается к источнику низкого напряжения постоянного тока. Вторичная цепь - это цепь, содержащая нагрузку, которую нужно переключать и контролировать.
Когда мы говорим о нагрузке, мы имеем в виду любое устройство, которое будет потреблять электроэнергию. Такое как лампочка, ворота или обычная розетка.
На первичной стороне мы имеем электромагнитную катушку. Это катушка индуктивности, которая создаёт магнитное поле, когда через нее проходит ток. Когда электричество проходит по проводу оно создает электромагнитное поле. Мы можем увидеть это поместив компасы вокруг медного провода.
Когда мы пропускаем ток через провод, стрелки компасов меняют направление, чтобы повернуться согласно электромагнитному полю. Когда мы наматываем провод на катушку, магнитные поля всех проводов объединяются, образуя более сильное магнитное поле. Мы можем управлять этим магнитным полем просто управляя током.
На конце электромагнита есть якорь. Это небольшая подвижная деталь. Когда электромагнит возбуждается, он притягивает якорь. Когда электромагнит обесточен, якорь возвращается в исходное положение. Как правило, для этого используется небольшая пружина, соединенная с якорем подвижным контактом.
Когда якорь притягивается к электромагниту, он замыкает и размыкает цепь на вторичной стороне. У нас есть два базовых типа реле: нормально разомкнутое и нормально замкнутое. Есть и другие типы реле, мы рассмотрим их немного позже.
При нормально разомкнутом типе ток во вторичной цепи не протекает, таким образом нагрузка выключена. Когда ток пропускается через первичную цепь, в электромагните индуцируется магнитное поле.
Это магнитное поле притягивает якорь и тянет подвижный контакт до тех пор, пока он не коснется клемм вторичной цепи.
Таким образом замыкается цепь и обеспечивается питание для нагрузки. При нормально замкнутом типе вторичная цепь замкнута, и поэтому нагрузка включена. Когда ток проходит через первичную цепь электромагнитное поле заставляет якорь отталкиваться, что отключает контакт и разрывает цепь. Это прерывает подачу тока на нагрузку.
Работа твердотельных реле в принципе аналогична, но в отличие от электромеханических реле, в них нет движущихся частей. В твердотельном реле используются электрические и оптические свойства твердотельных полупроводников для реализации изоляции между входом и выходом, а так же для реализации функции переключения.
В устройствах такого типа мы имеем светодиод на первичной стороне вместо электромагнита. Светодиод обеспечивает оптическую связь, направляя луч света через зазор в приемник из фоточувствительного транзистора. Мы управляем работой реле этого типа просто включая и выключая светодиод.
Фототранзистор действует как изолятор и не пропускает ток, если он не подвергается воздействию света. Внутри фототранзистора имеются разные слои полупроводниковых материалов.
Есть N-тип и P-тип, которые прижаты друг к другу. Материалы для н-типа и п-типа сделаны из кремния, но в каждом из них имеются примеси других веществ, чтобы изменить их электрические свойства. Н-тип содержит примеси веществ, которые дают ему много дополнительных свободных электронов.
Они могут перемещаться к другим атомам. П-тип имеет примеси других веществ, в которых меньше электронов.
Так что на этой стороне много свободного пространства, где электроны могут двигаться. Когда такие материалы соединяются вместе, возникает электрический барьер, препятствующий движению электронов.
Однако, когда светодиод включается, он испускает частицы, называемые фотонами. Фотон попадает в материал п-типа и выбивает электроны, толкая их через барьер в материал н-типа. Электроны первого барьера теперь тоже могут совершить скачок и так образуется электрический ток. Как только светодиод выключается, фотоны перестают выбивать электроны через барьер, поэтому ток на вторичной стороне прекращается. Таким образом мы можем управлять вторичной цепью, просто используя луч света.
Как мы видели ранее, у нас есть нормально разомкнутое реле. Это означает, что нагрузка вторичной стороны отключена до тех пор, пока цепь не будет замкнута на первичной обмотке. Мы могли бы использовать это, например, для управления вентилятором, используя биметаллическую полосу в качестве переключателя на первичной стороне.
Биметаллическая полоса будет изгибаться при повышении температуры. При определенной температуре она замкнет цель и включит вентилятор, чтобы обеспечить некоторое охлаждение.
Также есть нормально-замкнутые реле. Это означает, что нагрузка на вторичной стороне включена. Мы могли бы, например, управлять простой насосной системой для поддержания определенного уровня воды в резервуаре. Когда уровень воды низкий - насос включен, но как только уровень достигает нужного нам предела, замыкается первичная цепь и отключает контакт, который в свою очередь отключает питание насоса.
В стандартном нормально разомкнутом реле, как только первичная цепь обесточивается, электромагнитное поле исчезает, и пружина возвращает контакт в исходное положение.
Но иногда мы хотим, чтобы вторичная цепь оставалась под напряжением после того, как первичная цепь будет разомкнута. Для этого мы можем использовать защелкивающееся реле. Например, когда мы нажимаем кнопку вызова лифта, мы хотим, чтобы индикатор на кнопке оставался включенным, чтобы пользователь знал, что лифт приближается. Поэтому здесь мы можем использовать защелкивающееся реле.
Существует много различных конструкций реле этого типа, но в нашем очень упрощенном примере было три разделенных контура и шток, который находится между ними.
Первая схема - это кнопка вызова, вторая - лампа, а третья - схема сброса. Когда кнопка вызова нажата, она замыкает цепь и приводит в действие электромагнит. Это тянет шток и замыкает цепь, чтобы включить лампу. Сигнал также посылается на контроллер лифта, чтобы отправить лифт вниз. Кнопка отпущена, это отключает питание начальной цепи, но так как шток не подпружинен, он остается на месте и лампа остается включенной. Как только кабина лифта достигает нижнего этажа, она соприкасается с концевым выключателем. Это приводит в действие второй электромагнит и отводит шток в сторону, отключая питание лампы.
Таким образом, главное преимущество защелкивающихся реле - сохранение положения. После активации они останутся в последнем состоянии, без наличия какого-либо дополнительного входного сигнала или тока.
Реле могут быть однополюсными или двухполюсными. Термин полюс относится к количеству контактов, переключаемых при подаче напряжения на реле. Таким образом можно питать более одной вторичной цепи используя одну первичную. Мы могли бы, например, применить двухполюсное реле для управления охлаждающим вентилятором, а также сигнальной лампой. Вентилятор и лампа обычно выключены, но когда биметаллическая полоса на первичной цепи достаточно сильно нагревается, она изгибается, чтобы замкнуть цепь. Это создает электромагнитное поле и замыкает оба контакта на вторичной стороне. Это обеспечивает питание охлаждающего вентилятора, а также сигнальной лампы. Когда мы имеем дело с реле, то часто обращаем внимание входов, называемых полюсами, и выходов, называемых направлениями.
Реле с двумя направлениями сочетает в себе нормально разомкнутую и нормально-замкнутую цепи. Реле с двумя направлениями также называют перекидным реле, так как оно чередуется или переключается между двумя вторичными цепями.
В этом примере, когда первичная цепь разомкнута, пружина на вторичной стороне притягивает контакт к клемме Б, питая лампу. Вентилятор остается выключенным, потому что цепь не замкнута.
Когда на первичную сторону подается напряжение, электромагнит притягивает контакт к клемме А и отводит электричество, на этот раз питая вентилятор и выключая лампу. Таким образом мы можем использовать этот тип реле для управления различными цепями в зависимости от события.
Двухполюсное перекидное реле используется для управления двумя состояниями в двух отдельных цепях. Здесь мы можем видеть такое реле. Когда первичная цепь не замкнута клеммы Т1 и Т2 подключены к клеммам Б и Д соответственно. Красный светодиод и световой индикатор находятся под напряжением. Когда первичная цепь замкнута, то Т1 и Т2 подключаются к клеммам А и С - вентилятор включается и зеленый светодиод находится под напряжением.
Еще нам нужно учитывать при работе с электромагнитами обратную электродвижущую силу или, скоращённо, обратную ЭДС. Когда мы питаем катушку электромагнитное поле доходит до максимального значения, а магнитное поле накапливает энергию. Когда мы отключаем питание, электромагнитное поле ослабевает и быстро высвобождает накопленную энергию. Это ослабевающее поле продолжает толкать электроны и именно поэтому мы получаем обратную ЭДС. Это не очень хорошо, потому что может привести к большим скачкам напряжения, которые повредят нашу схему.
Чтобы избежать такой ситуации мы можем использовать диод. Диод позволяет току протекать только в одном направлении.
Поэтому при нормальной работе ток поступает на катушку, но, когда мы отключаем питание, обратная ЭДС будет толкать электроны и поэтому теперь диод обеспечит путь для безопасного рассеивания энергии, чтобы она не повредила нашу схему.
Обучитесь настройке систем умного дома с промокодом на скидку 5% VCRU5