Как работят и за какво са нужни електромагнитни реле

Електромагнитни реле: принцип на действие, строеж и приложение

Електромагнитни реле (понякога ги наричат просто електрически реле) – това са ключови компоненти в електронни и електротехнически системи, които се използват за управление и превключване на електрически вериги. Въпреки появата на твърдотелни (полупроводникови) реле, електромагнитни реле все още се използват широко благодарение на своята надеждност, простота и способност да работят с големи токове и напрежения. В тази статия ще разгледаме:

1. Строежа и принципа на работа на електромагнитното реле.
2. За какво се използват електромагнитни реле в различни области.
3. Техните предимства и недостатъци, както и типични области на приложение.

Полезни видеа по темата

Строеж на електромагнита в реле

За да разберем принципа на работа на реле, първо е необходимо да разгледаме основите на строежа на електромагнита. Електромагнитът е намотка от проводник, навита на ферромагнитно ядро (например, от стомана). Когато през намотката преминава електрически ток, се образува магнитно поле, което привлича или отблъсква подвижната част на реле – якор или друг механичен елемент.

Основни елементи на електромагнитното реле

1. Намотка (соленоид)

   • Това е проводник, навит на ядро. Когато в намотката постъпва ток, тя създава магнитно поле.
   • Намотъчният проводник има определено съпротивление, изчислено за работно напрежение (например, 5 V, 12 V, 24 V, 220 V и т.н.).

2. Якор (подвижен елемент)

   • Разположен е до намотката и изпълнява функцията на „заключващ механизъм“, който под влиянието на магнитното поле променя своето положение.
   • Якорът може да бъде прикрепен към въртящ лост или разположен по такъв начин, че да затваря или отваря контактите.

3. Контактна група

   • Състои се от неподвижни и подвижни контакти (NO/NC — Normally Open/Normally Closed).
   • При задействане на якоря контактите или се затварят, или се отварят, което води до превключване на електрическата верига.

4. Възвратна пружина

   • Осигурява връщането на якоря в изходно положение, когато намотката е без ток.
   • В отпуснато състояние контактите могат да бъдат както отворени, така и затворени – в зависимост от конструкцията на реле.

Принцип на работа на електромагнитното реле

1. Подаване на захранване на намотката
   Когато на намотката се подава захранване (електрически ток), се създава магнитно поле.

2. Привличане на подвижната част
   Това магнитно поле привлича или отблъсква якора (подвижната част). Резултатът е механично движение, което променя състоянието на контактите (отворени/затворени).

3. Превключване на контактите
   Благодарение на механичното движение се извършва свързване или разединяване на контактите в контактната група.

   • Ако контактът NO (Normally Open) — той обикновено е отворен, но става затворен при подаване на ток в намотката.
   • Ако контактът NC (Normally Closed) — той обикновено е затворен, но се отваря при подаване на ток.

4. Управление на външната верига
   Благодарение на промяната на състоянието на контактите може да се затварят или отварят външни електрически вериги. По този начин, малък ток в намотката може да управлява голям ток в друга верига.

5. Разрушаване на магнитното поле
   Когато захранването на намотката спре, магнитното поле изчезва. Пружината връща якоря в начална позиция, а контактите преминават в своето начално състояние.

Тази схема на действие демонстрира принципа на действие на електромагнитното реле, който е в основата на повечето конструкции на реле. Той е относително прост, надежден и универсален.

За какво се използват електромагнитни реле: основни области на приложение

1. Автоматизация и управление

• Управление на двигатели и механизми: В промишлени условия реле се използват за превключване на електродвигатели, помпи, вентилатори и други големи потребители, които не могат да се управляват директно от слаботокови електронни устройства.
• Системи за осветление: Използват се за автоматично включване/изключване на големи групи лампи или прожектори.
• Системи за отопление и климатизация: Позволяват управление на котли, конвектори, вентилационни системи и др., осигурявайки необходимата температура.

2. Електроника и микроконтролери

• Разширение на входовете/изходите: В микроконтролерни системи или PLC (програмируеми логически контролери) реле служат за превключване на големи токове и напрежения в сравнение със слаби сигнали от управляващата електроника.
• Галванична изолация: Електромагнитни реле осигуряват ясна електрическа изолация между управляващата верига и веригата на натоварването, което е важно за безопасността и защита от смущения.

3. Телекомуникации и свързаност

• Комутация на комуникационни линии: В телефонни станции, системи за предаване на данни реле се използват за превключване на гласови и цифрови линии.
• Защита и резервиране: При необходимост да се превключи сигнал от една антена на друга или от една линия на друга, реле могат да служат като надежден механизъм за комутация.

4. Енергетика и електрически мрежи

• Защита от претоварвания: В разпределителни табла реле могат да сработват при претоварвания или къси съединения, изключвайки веригата.
• Превключване между източници на захранване: В системи за непрекъсваемо захранване (например, превключване между градската мрежа и генератор) електромагнитни реле се използват за надеждна комутация.
• Автоматично резервиране: При загуба на захранване в един контур може автоматично да се включи резервно захранване.

5. Битова техника

• Управление на отделни възли: Хладилници, перални машини, климатици, бойлери и друга техника често използват реле за управление на големи токове на нагревателни елементи, компресори и други мощни възли.
• Функции за защита: В много устройства се инсталират реле за предотвратяване на аварийни режими на работа (защита от прегряване, скокове на напрежение и т.н.).

Предимства и недостатъци на електромагнитните реле

Предимства

1. Проста конструкция и надеждност: Механичният принцип на работа е добре изучен и усъвършенстван през десетилетията.
2. Висока комутационна способност: Могат да превключват относително големи токове и напрежения.
3. Електрическа изолация: Реле разделя управляващата верига и веригата на натоварването, намалявайки риска от повреда на електронни компоненти.
4. Универсалност: Подходящи са за много различни приложения – от промишлеността до битовите уреди.

Недостатъци

1. Механично износване: С времето контактите могат да се износват или окисляват, особено при големи токове или индуктивни натоварвания.
2. Ограничена скорост на превключване: Механичната природа на реле не позволява много високи честоти на сработване.
3. Енергийно потребление на намотката: За да се поддържат контактите в работно състояние, е необходимо постоянно захранване на намотката.
4. Силен звук: При сработване и изключване може да възникне характерно щракване.

Типове и класификация на електромагнитните реле

1. По тип на контактите

   • SPST (Single Pole Single Throw) — един полюс, един контакт.
   • SPDT (Single Pole Double Throw) — един полюс, два направления (NO/NC).
   • DPDT (Double Pole Double Throw) — два полюса, всеки с две направления и т.н.

2. По работно напрежение на намотката

   • Нисковолтови (3 V, 5 V, 9 V, 12 V, 24 V) – разпространени в електрониката и автоматизацията.
   • Високоволтови (110 V, 220 V и др.) – използват се в промишлени и битови мрежи.

3. По предназначение

   • Общо предназначение (General Purpose).
   • Реле време (с вградени таймери).
   • Защитни (за откриване на претоварвания, къси съединения).
   • Контактор (разновидност на мощно електромагнитно реле за високи токове).

4. По брой работни цикли (ресурс)

   • Обикновени реле със среден ресурс (десетки или стотици хиляди сработвания).
   • Специални промишлени реле с повишен ресурс (милиони сработвания).

Често задавани въпроси за електромагнитни реле

1. Какъв е принципът на работа на електромагнитното реле?

Принципът на действие е основан на създаването на магнитно поле в намотката. Когато токът преминава през намотката, тя привлича или отблъсква якор, който механично затваря или отваря електрическите контакти, позволявайки или прекратявайки протичането на ток в външната верига.

2. С какво електромагнитното реле се различава от твърдотелното?

Електромагнитното реле има механични контакти, затова издава характерно щракване при сработване и е подложено на механично износване. Твърдотелното реле (SSR) няма механични контакти и превключва веригата с помощта на полупроводникови компоненти. SSR са по-бързи в работата, по-тихи, но могат да бъдат по-скъпи и понякога изискват допълнителни радиатори за отвеждане на топлината.

3. За какво се използват електромагнитни реле?

Те се използват за управление на големи електрически натоварвания, автоматизация на промишлени процеси, превключване на комуникационни линии, осигуряване на защита от претоварвания и в множество битови уреди (климатици, перални машини, бойлери и т.н.).

4. Какво представлява строежът на електромагнита в реле?

Строежът предвижда намотка от проводник, навита на магнитопровод, и подвижна част (якор), която се привлича към ядрото под действието на електромагнитното поле. Именно това механично движение позволява на контакта да затваря или отваря електрическата верига.

5. Как да изберем електромагнитно реле?

Обърнете внимание на:

• Напрежението на захранване на намотката (5 V, 12 V, 24 V, 220 V и т.н.).
• Максималния ток и напрежение на контактите, които реле трябва да комутирa.
• Броя и типа на контактите (NO/NC, SPDT, DPDT и т.н.).
• Работното средище (температура, влажност, възможни механични натоварвания).
• Ресурс на сработване и изисквания за скорост на превключване.

6. Може ли електромагнитното реле да бъде заменено с електронно (твърдотелно)?

Да, в много случаи може, но трябва да се вземат предвид:

• Цената и съвместимостта с работното напрежение и ток.
• Необходимостта от радиатори за охлаждане за SSR при големи мощности.
• Предимствата и недостатъците на всеки вариант (електромагнитните реле по-добре изолират веригите, SSR могат да се нагряват и да причиняват допълнителни разходи за енергия).

Заключение

Електромагнитни реле – това е една от основните технологии, която позволява автоматизация и управление на сложни електрически вериги. Техният принцип на работа е основан на създаването на магнитно поле в намотката, което механично премества контактите, затваряйки или отваряйки външната верига. Благодарение на простотата, надеждността и способността да комутирaт големи токове, такива реле се използват широко в промишлени системи, телекомуникации, битови устройства и много други области.

Разбирането на строежа на електромагнита, механизма на превключване на контактите и особеностите на конструкцията на реле позволява правилно да се избере необходимия тип устройство и да се осигури дългосрочна и безопасна работа на електрическите системи. Вземането предвид на предимствата и недостатъците ще помогне да се вземе обосновано решение относно преминаването към други технологии (например, твърдотелни реле) или продължаването на използването на традиционни електромагнитни реле.