Hur elektromagnetiska reläer fungerar och varför de behövs

Elektromagnetiska reläer: principer, konstruktion och tillämpningar

Elektromagnetiska reläer (de kallas ibland bara elektriska reläer) – är nyckelkomponenter i elektroniska och elektrotekniska system som används för att styra och växla elektriska kretsar. Trots framväxten av solid-state (halvledar) reläer, används elektromagnetiska reläer fortfarande i stor utsträckning tack vare deras tillförlitlighet, enkelhet och förmåga att arbeta med stora strömmar och spänningar. I denna artikel kommer vi att diskutera:

1. Konstruktion och princip för elektromagnetiska reläer.
2. Användningsområden för elektromagnetiska reläer inom olika branscher.
3. Deras fördelar och nackdelar samt typiska tillämpningsområden.

Nytta av videor om ämnet

Konstruktion av elektromagneten i reläet

För att förstå principen för reläets funktion är det först nödvändigt att titta på grunderna i elektromagnetens konstruktion. En elektromagnet är en spole av tråd som är lindad runt en ferromagnetisk kärna (till exempel av stål). När elektrisk ström passerar genom spolen skapas ett magnetfält som drar eller stöter bort den rörliga delen av reläet – ankar eller annan mekanisk komponent.

Huvudkomponenter i elektromagnetiska reläer

1. Spole (solenoid)

   • Detta är en tråd som är lindad runt en kärna. När ström passerar genom spolen skapar den ett magnetfält.
   • Lindningstråden har ett visst motstånd, beräknat för arbetsspänning (till exempel 5 V, 12 V, 24 V, 220 V osv.).

2. Ankar (rörlig del)

   • Ligger nära spolen och fungerar som en ”lås” som under påverkan av magnetfältet ändrar sin position.
   • Ankaret kan vara fäst vid en vridarm eller placeras så att det stänger eller öppnar kontakter.

3. Kontaktblock

   • Består av fasta och rörliga kontakter (NO/NC — Normalt Öppen/Normalt Stängd).
   • Vid aktivering av ankaret stängs eller öppnas kontakterna, vilket leder till växling av den elektriska kretsen.

4. Returfjäder

   • Säkerställer att ankaret återgår till sitt ursprungliga läge när spolen är strömlös.
   • I avslappnat tillstånd kan kontakterna vara antingen öppna eller stängda – beroende på hur reläet är konstruerat.

Principen för elektromagnetiska reläers funktion

1. Strömförsörjning till spolen
   När ström tillförs spolen skapas ett magnetfält.

2. Attraktion av den rörliga delen
   Detta magnetfält drar eller stöter bort ankaret (den rörliga delen). Resultatet är en mekanisk rörelse som ändrar kontaktens tillstånd (öppna/stängda).

3. Växling av kontakter
   Genom den mekaniska rörelsen sker en anslutning eller frånkoppling av kontakterna i kontaktblocket.

   • Om kontakten NO (Normalt Öppen) – är den vanligtvis öppen, men blir stängd när ström tillförs spolen.
   • Om kontakten NC (Normalt Stängd) – är den vanligtvis stängd, men öppnas när ström tillförs.

4. Styrning av externa kretsar
   Genom att ändra kontaktens tillstånd kan man stänga eller öppna externa elektriska kretsar. På så sätt kan en liten ström i spolen styra en stor ström i en annan krets.

5. Brytning av magnetfältet
   När strömförsörjningen till spolen avbryts försvinner magnetfältet. Fjädern återför ankaret till sitt ursprungliga läge, och kontakterna går tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd.

Denna handlingsschema demonstrerar principen för elektromagnetiska reläers funktion, som ligger till grund för de flesta relädesigns. Den är relativt enkel, pålitlig och mångsidig.

Användningsområden för elektromagnetiska reläer: huvudsakliga tillämpningar

1. Automation och styrning

• Styrning av motorer och mekanismer: I industriella miljöer används reläer för växling av elektriska motorer, pumpar, fläktar och andra stora förbrukare som inte kan styras direkt från lågströms elektroniska enheter.
• Belysningssystem: Används för automatisk på- och avstängning av stora grupper av lampor eller strålkastare.
• Värme- och kylsystem: Möjliggör styrning av pannor, konvektorer, ventilationssystem osv., för att säkerställa önskad temperatur.

2. Elektronik och mikrokontroller

• Utökning av ingångar/utgångar: I mikrokontroller-system eller PLC (programmerbara logiska kontroller) används reläer för att växla stora strömmar och spänningar i förhållande till svaga signaler från styrande elektronik.
• Galvanisk isolering: Elektromagnetiska reläer ger tydlig elektrisk isolering mellan styrkretsen och belastningskretsen, vilket är viktigt för säkerhet och skydd mot störningar.

3. Telekommunikation och kommunikation

• Växling av kommunikationslinjer: I telefonstationer och datatransmissionssystem används reläer för växling av röst- och digitala linjer.
• Skydd och reservdelar: Vid behov av att växla signalen från en antenn till en annan eller från en linje till en annan kan reläer fungera som en pålitlig växlingsmekanism.

4. Energi och elnät

• Överbelastningsskydd: I distributionsskåp kan reläer aktiveras vid överbelastningar eller kortslutningar, vilket stänger av kretsen.
• Växling mellan strömkällor: I avbrottsfri strömförsörjning (till exempel växling mellan stadsnät och generator) används elektromagnetiska reläer för pålitlig växling.
• Automatisk reservdel: Vid strömavbrott i en krets kan reservström automatiskt aktiveras.

5. Hushållsapparater

• Styrning av enskilda enheter: Kylskåp, tvättmaskiner, luftkonditioneringar, varmvattenberedare och annan utrustning använder ofta reläer för att styra stora strömmar av värmeelement, kompressorer och andra kraftfulla enheter.
• Skyddsfunktioner: Många apparater har reläer installerade för att förhindra nödsituationer (överhettning, spänningsspikar osv.).

Fördelar och nackdelar med elektromagnetiska reläer

Fördelar

1. Enkel konstruktion och tillförlitlighet: Den mekaniska principen för funktion är välkänd och har förbättrats under årtionden.
2. Hög växlingskapacitet: Kan växla relativt stora strömmar och spänningar.
3. Elektrisk isolering: Reläet separerar styrkretsen från belastningskretsen, vilket minskar risken för skador på elektroniska komponenter.
4. Mångsidighet: Lämpliga för många olika tillämpningar – från industri till hushållsapparater.

Nackdelar

1. Mekaniskt slitage: Med tiden kan kontakterna slitas eller oxidera, särskilt vid stora strömmar eller induktiva laster.
2. Begränsad växlingshastighet: Reläets mekaniska natur tillåter inte mycket höga frekvenser av aktivering.
3. Energiförbrukning av spolen: För att hålla kontakterna i arbetsläge måste spolen ständigt försörjas med ström.
4. Högt ljud: Vid aktivering och avstängning kan ett karakteristiskt klickande ljud uppstå.

Typer och klassificering av elektromagnetiska reläer

1. Efter kontakttyp

   • SPST (Single Pole Single Throw) — en pol, en kontakt.
   • SPDT (Single Pole Double Throw) — en pol, två riktningar (NO/NC).
   • DPDT (Double Pole Double Throw) — två poler, var och en med två riktningar, osv.

2. Efter arbetsspänning för spolen

   • Låga spänningar (3 V, 5 V, 9 V, 12 V, 24 V) – vanliga inom elektronik och automation.
   • Höga spänningar (110 V, 220 V osv.) – används i industriella och hushållsnät.

3. Efter användningsområde

   • Allmänna ändamål (General Purpose).
   • Tidsreläer (med inbyggda tidtagare).
   • Skyddande (för att upptäcka överbelastningar, kortslutningar).
   • Kontaktorer (en typ av kraftfullt elektromagnetiskt relä för höga strömmar).

4. Efter antal arbetscykler (livslängd)

   • Vanliga reläer med medellivslängd (tiotusentals eller hundratusentals aktiveringar).
   • Speciella industriella reläer med förlängd livslängd (miljoner aktiveringar).

FAQ om elektromagnetiska reläer

1. Vad är principen för elektromagnetiska reläers funktion?

Principen för funktion baseras på skapandet av ett magnetfält i spolen. När ström passerar genom spolen drar den eller stöter bort ankaret, vilket mekaniskt stänger eller öppnar elektriska kontakter, vilket tillåter eller stoppar strömflödet i den externa kretsen.

2. Hur skiljer sig elektromagnetiska reläer från solid-state reläer?

Elektromagnetiska reläer har mekaniska kontakter, så de ger ifrån sig ett karakteristiskt klickande ljud vid aktivering och är benägna att mekaniskt slitas. Solid-state reläer (SSR) har inga mekaniska kontakter och växlar kretsen med hjälp av halvledarkomponenter. SSR är snabbare i drift, tystare, men kan vara dyrare och ibland kräva extra kylflänsar för att avleda värme.

3. Vad används elektromagnetiska reläer till?

De används för att styra stora elektriska laster, automatisera industriella processer, växla kommunikationslinjer, säkerställa skydd mot överbelastningar och i många hushållsapparater (luftkonditioneringar, tvättmaskiner, varmvattenberedare osv.).

4. Vad är konstruktionen av elektromagneten i reläet?

Konstruktionen omfattar en spole av tråd som är lindad runt en magnetkärna och en rörlig del (ankare) som dras till kärnan under påverkan av det elektromagnetiska fältet. Det är denna mekaniska rörelse som gör att kontakten kan stänga eller öppna den elektriska kretsen.

5. Hur väljer man ett elektromagnetiskt relä?

Tänk på:

• Spänningen för spolen (5 V, 12 V, 24 V, 220 V osv.).
• Maximal ström och spänning för kontakterna som reläet ska växla.
• Antal och typ av kontakter (NO/NC, SPDT, DPDT osv.).
• Arbetsmiljö (temperatur, fukt, möjliga mekaniska belastningar).
• Livslängd och krav på växlingshastighet.

6. Kan ett elektromagnetiskt relä ersättas med ett elektroniskt (solid-state)?

Ja, i många fall kan det, men man bör beakta:

• Kostnad och kompatibilitet med arbetsspänning och ström.
• Behovet av kylflänsar för SSR vid stora effekter.
• Fördelar och nackdelar med varje alternativ (elektromagnetiska reläer isolerar kretsar bättre, SSR kan bli varma och orsaka extra energiförbrukning).

Slutsats

Elektromagnetiska reläer är en av de grundläggande teknologierna som möjliggör automatisering och styrning av komplexa elektriska kretsar. Deras funktionsprincip baseras på skapandet av ett magnetfält i spolen, vilket mekaniskt flyttar kontakterna och stänger eller öppnar den externa kretsen. Tack vare enkelheten, tillförlitligheten och förmågan att växla stora strömmar används sådana reläer i stor utsträckning inom industriella system, telekommunikation, hushållsapparater och många andra områden.

Att förstå konstruktionen av elektromagneten, mekanismen för kontaktväxling och egenskaperna hos reläets konstruktion gör det möjligt att korrekt välja rätt typ av enhet och säkerställa långvarig och säker drift av elektriska system. Att beakta fördelar och nackdelar hjälper till att fatta ett välgrundat beslut om att övergå till andra teknologier (till exempel solid-state reläer) eller fortsätta använda traditionella elektromagnetiska reläer.