Поляризирани релета
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 2, 2011
Принципна действие, основни параметри, приложения
Електромеханичните релета са сред най-старите елементи в електротехниката и продължават да имат сериозни приложения, независимо от появата на множество нови разновидности на основата на полупроводникови прибори (полупроводникови релета). Важна част от тях са самозадържащите релета (Latching Relay), понякога наричани тригерни или бистабилни релета, на една от чиито разновидности, а именно - поляризираните релета, е посветена настоящата статия.
Мястото на самозадържащите релета
Основното предимство на полупроводниковите релета е липсата на механични контакти, което по принцип осигурява по-голяма надеждност и по-дълъг експлоатационен срок. Едновременно с това те имат недостатъци, които ограничават и в много случаи правят използването им нерационално в сравнение с електромеханичните релета. Една от особеностите на полупроводниковите устройства, чрез които се заместват механичните комутационни прибори е, че съпротивлението им в отпушено състояние обикновено е по-голямо от омичното съпротивление на затворените механични контакти и нараства с увеличаване на допустимото им напрежение в запушено състояние (т. е. върху отворения контакт). Това означава по-големи загуби на енергия върху полупроводниковия прибор и по-силното му нагряване, особено при превключване на по-високи напрежения. Последното води до необходимост от радиатори, а понякога и от принудително охлаждане, с всички произтичащи от това проблеми. В резултат от това електромеханичните релета запазват своето важно място в индустриалните, комуникационните и много други устройства и системи.
Сред недостатъците им може да бъде отбелязана значителната консумация на електрическа енергия в задействано състояние. Този проблем е решен при самозадържащите релета, които в задействано състояние практически нямат консумация, а енергия им е необходима само в кратките интервали на промяната му.
Така например, намотката на типично електромеханично реле за включване и изключване на климатизационна система консумира 12 W, което при 8-часова ежедневна работа означава годишна консумация от 35 kWh и за 1 милион климатика (в средноголяма европейска държава) трябва да се произведат годишно 35 GWh. Използването на самозадържащи релета с аналогична намотка, но задействана 2 пъти в денонощие (при включване и при изключване) по за 0,2 s, изисква годишна консумация на енергия приблизително 4 MWh (над 8000 пъти по-малко). Това предимство на самозадържащите релета придобива особено значение в съвременен аспект - по-малката консумация на електрическа енергия означава намаляване на отделяните вредни газове при производството й и е принос за ограничаване на глобалното затопляне.
Действие на поляризираните релета
Два са начините за задържане на релетата в задействано състояние. Първият е чрез подходяща механична система. Понякога, обаче, подобни решения са сравнително сложни, с по-висока цена и недотам надеждни за работа при определени приложения. В такива случаи се използват релета, при които задържането се осигурява чрез постоянен магнит. Прието е те да се наричат поляризирани релета.
В зависимост от вида на контактите на поляризираните релета има две основни разновидности, в чийто принцип на действие има съществени различия.
Първата, която условно може да бъде наречена класическо поляризирано реле, е с контакти във въздушна среда, а принципът й на действие е изяснен на фиг. 1. При липса на постоянен ток през намотката (фиг. 1а) интензивността на полето на постоянния магнит не е достатъчна, за да бъде привлечен към сърцевината и контактът е отворен. При подаване на импулсно напрежение U с определена полярност и съответно протичане на ток през намотката в дадена посока, създаденото допълнително магнитно поле се сумира с това на магнита, който се долепва да сърцевината и подвижният контакт се допира до неподвижния (фиг. 1б). След прекратяване на импулса магнитът остава на място и затвореното състояние на контакта се запазва.
За възстановяване на незадействаното състояние е необходимо в сърцевината да се създаде магнитно поле в обратна посока, което да се извади от това на магнита. Съществуват две възможности за това и съответно два типа поляризирани релета. Първият са с една намотка (1-coil relay), на която трябва да се подаде импулс с обратна полярност. Независимо от максимално опростената реализация на електрическата им система, този тип се използват по-рядко поради необходимостта от двуполярни импулси, което пък усложнява схемата за управление.
Вторият тип е с две самостоятелни намотки (или една със среден извод), навити така, че при импулс с дадена полярност създадените магнитни полета да са противоположни - чрез едната намотка контактът се затваря, а чрез другата се отваря. За улеснение на свързването на намотката в някои каталози се дават съответните означения, пример за каквито е показан на фиг. 2.
Гореописаното действие е на поляризирано реле с нормално отворен (NO) контакт. Аналогична е работата на поляризираните релета при други типове контакти. Като пример на фиг. 3 е дадено вътрешното свързване на изводите на серия поляризирани релета, част от които са с нормално отворен контакт (извод 2 не се използва), а други са с превключващ контакт (даден с прекъсната линия). Самата намотка също може да се използва по два начина. За работа като реле с една намотка външното импулсно напрежение се подава между изводи 5 и 3, като 5 е положителен (според означението) спрямо 3. Свързването като реле с две намотки изисква за задействане (свързване на изводи 1 и 6) изводи 3 и 5 да са положителни спрямо извод 4.
Добре познатите предимства на рид-контактите се използват и при реализация на поляризирани рид-релета, но описаният принцип на действие е леко променен. От едната страна на ампулата е нормално отворен (NO) рид-контакт (фиг. 4) и долепен до нея е неподвижният постоянен магнит, обикновено от сплав AlNiCo, чието поле не е достатъчно за затваряне на контакта. Това се постига чрез подаване на импулс (в скоби) на включващата намотка А с такава полярност, че създаденото от намотката магнитно поле да се сумира с това на магнита. Особено съществено е, че след прекратяване на импулса контактът трябва да остане затворен, което се осигурява чрез хистерезис с действие според фигура 5а.
Състояние 1 показва създаденото от магнита поле F3, което е по-малко от прага на отваряне F4 (това е минималната интензивност на магнитното поле, необходима за затваряне на рид-контакта). Импулс през намотката за затваряне трябва да създаде сумарно магнитно поле над прага за затваряне F4 - например за да се получи интензивност F5 (състояние 2), трябва създаденото от намотката поле да е F5 - F3. След прекратяването на импулса (състояние 3) оставащото поле от магнита не отваря контакта, тъй като за това е необходимо интензивността на полето да намалее под прага за отваряне F2. Тя се осигурява от импулс на изключващата намотка В (състояние 4), като създаденото от нея поле се изважда от това на магнита, за да се получи сумарна интензивност по-малка от прага на отваряне F1 (фиг. 5а показва, че е създадена интензивност F3 - F1). И накрая, прекратяването в намотка В (състояние 5) и възстановяването на интензивността F3 не променя положението на контакта, тъй като е под F4.
Аналогично е действието на поляризираните рид-релета с нормално затворен (NC) контакт. Полезно е да се отбележи, че класическите (без самозадържане) рид-релета също имат хистерезис, но създаваните от магнита и единствената намотка магнитни полета са с друга интензивност. Пример за такова реле с NC контакт е показан на фиг. 5б. Там състояние 1 и 3 са без импулс в намотката, а състояние 2 е с импулс, което намалява интензивността на полето около контакта от F5 на F1.
Видове контакти
Контактите на поляризираните релета обикновено са от сребърно-калаена сплав AgSnO2 и основните им 4 вида са показани на фиг. 6. Контактите Form A и Form В са вече споменатите, съответно, NO и NC, т. е. отворен и затворен в незадействано състояние на релето. Двата са известни още като еднополюсни единични контакти със съкращение SPST. Единичният превключващ контакт е известен като Form С и SPDT. Твърде често поляризираните релета имат повече от един еднакви или различни контакти, които едновременно сменят състоянието си. Например два NO контакта се отбелязват като 2А, 2 Form A и DPST, три NC контакта - като 3B, 3 Form B и 3PST, два превключващи контакта - като 4C, 4 Form C и 4PDT. При комбинация от два или повече различни контакти се обединяват символичните означения на използваните, например DPDT+DPST-NO означава два превключващи контакта и два нормално отворени.
Основни параметри
Те са 3 групи, първата от които са тези на контактите. Максималният ток през затворените контакти е с типични стойности между няколко А и няколко стотици А, а максимално допустимото напрежение върху отворените контакти (Nominal Operating Contact Voltage, Switching Voltage) има типични стойности няколко стотици волта, когато е променливо с мрежова честота и до десетина пъти по-малко, когато е постоянно. Често токът и напрежението се дават заедно с наименование Contact Rating като основна характеристика на релето и се отбелязва за какъв вид на товара (обикновено резистивен) са в сила. Нерядко те са и част от наименованието на самото реле, например 200А/28VDC. Произведението на двата параметъра е максималната допустима мощност (Maximal Switching Power) на товара - за примера тя е 55,4 kW. Съпротивлението на затворените контакти (Contact Resistance) се дава с типичната (между няколко mW и няколко десети от W) или максималната си стойност, като и двете са при фиксирани стойности на тока и напрежението на товара.
Гарантираният брой превключвания на контактите се оценява чрез два параметъра: от гледна точка на механичната конструкция (Mechanical Endurance) и електрическата издръжливост (Electrical Endurance), като обикновено първият е по-голям (например 107 и 105 превключвания). Важно е, че той зависи от тока през контактите - при нарастването му броят намалява, като някои производители дават в каталога съответната графика. Един пример е даден на фиг. 7, като по хоризонталата е токът в А, а по вертикалата - броят на превключванията в хиляди. Горната графика е за 220-волтов променливотоков резистивен или индуктивен с cosj=0,4 товар, а долната за 24-волтов резистивен товар и индуктивен товар с времеконстанта 7 ms.
Втората група параметри са на намотката (Coil Data). На първо място те включват номиналното й напрежение (Rated Voltage) с типични стойности между 5 и 220 V. Освен него понякога като параметър се дава и минималното напрежение за сигурно задействане (Pick-Up Voltage, Must Operate Voltage) обикновено с около 20% по-малко от номиналното. Токът на задействане (Rated Current) е с типични стойности десетина mA и понякога се замества от мощността върху бобината (Rated Power Consumption, Nominal Power), тъй като тя е произведението му с номиналното напрежение. Стойностите й са между няколко десети от W и няколко W. Съществен параметър е омичното съпротивление на намотката, което е право пропорционално на номиналното напрежение, т. е. намотки за по-голямо номинално напрежение са по-високоомни от тези за по-ниско напрежение, като типичните стойности са между няколко десетки W и няколко kW. Важни параметри са също така минималната продължителност на прилагане на номиналното напрежение за сигурно задействане на релето (Operation Time) и за сигурното му изключване (Release Time), като двете са равни или второто е по-малко при типични стойности от десетина ms до няколко стотици ms. Препоръчва се продължителността на импулсите през намотката да е поне 2 пъти по-голяма от тези времена, като някои производители дават препоръчваната от тях минимална продължителност (Minimum Coil Voltage Duration Time).
Третата група са общите параметри, като в немалко каталози те се дават заедно с тези на контактите и се отнасят за релетата като цяло. В тях влизат работният температурен обхват, теглото и допустимата влажност на околния въздух.
Специфични параметри на поляризираните релета:
- Изолационно съпротивление (Insulation Resistance) между намотката и контактите с типични стойности около 1 GW.
- Диелектрична якост (Dielectric Strength) - представлява максималното променливо напрежение с мрежова честота, което може да бъде приложено за 1 минута. Поотделно се дават неговите стойности между намотката и контактите и върху отворените контакти, като и двете са с типични стойности няколко kV, но първата е 2-5 пъти по-голяма от втората. Понякога към тези две напрежения се прибавя и допустимото импулсно напрежение намотка-контакти (Surge Strength) със стандартната форма 1,2x50 ms (продължителности на предния и задния фронт) и стойност десетина kV.
Управление на поляризираните релета
Необходимите импулси на намотките могат да се осигуряват чрез подходящи транзистори, пример за което е даден на фиг. 8. Релето е с две намотки с общ извод (както на фиг. 3), свързан към постоянното напрежение UB. Едната намотка се задейства от транзистора Т1 чрез импулс между горния (към резистора R1) и долния извод, а другата - от транзистора Т2 чрез импулс между средния (към резистора R2) и долния извод.
Типични приложения
Както вече бе изтъкнато, основно предимство на поляризираните релета е изключително малкото количество енергия, което е необходимо за тяхното превключване. Те имат нужда от импулс с определена мощност, който обаче действа много кратко време. Това е особено полезно, когато устройството се захранва от автономен източник или когато е необходимо да се гарантира работоспособност, дори при прекъсване на електрозахранването. Класическо решение в последния случай е използването на кондензатор с голям капацитет. Когато мрежовото напрежение е налице, кондензаторът се зарежда и неговият заряд е достатъчен за осъществяване на малък (но достатъчен) брой превключвания, дори при отпадане на захранването. Това е ценно качество при изграждане на защитна апаратура. С поляризирани електромагнити се изгражда задвижването на много съвременни прекъсвачи средно напрежение.
В индустрията поляризираните релета намират приложение в системите за управление на производствени процеси - например при производството на пластмасови изделия, в линии за монтаж на електроника, ОВК инсталации, вакуум помпи, помпи за течности в хранително-вкусовата и нефтопреработвателната промишленост и много други.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 9/2024
