Elektromagnetisk relæ: opbygning, mærkning, typer + detaljer om tilslutning og justering

Omformning af elektriske signaler til en tilsvarende fysisk størrelse — bevægelse, kraft, lyd osv. — sker ved hjælp af aktuatorer. En aktuator bør klassificeres som en omformer, da enheden ændrer en type fysisk størrelse til en anden.

En aktuator aktiveres eller styres normalt af et lavspændingsstyresignal. Den klassificeres yderligere som en binær eller kontinuerlig enhed baseret på antallet af stabile tilstande. For eksempel er et elektromagnetisk relæ en binær aktuator, da det har to stabile tilstande: tændt og slukket.

I den præsenterede artikel er principperne for elektromagnetiske relæers funktion og anvendelsesområder detaljeret gennemgået.

Grundlæggende om aktuatorens konstruktion

Udtrykket 'relæ' er typisk for enheder, der sikrer elektrisk forbindelse mellem to eller flere punkter via et styresignal.

Den mest almindelige og udbredte type elektromagnetisk relæ (EMR) er en elektromekanisk konstruktion.

Sådan ser en konstruktion ud fra det store udvalg af produkter, der kaldes elektromagnetiske relæer. Her vises en lukket version af mekanismen med et dæksel af gennemsigtigt plexiglas.

Et fundamentalt kontrolsystem for ethvert udstyr inkluderer altid muligheden for at tænde og slukke. Den enkleste måde at udføre disse handlinger på er at bruge afbrydere til at blokere strømforsyningen.

Manuelle afbrydere kan bruges til styring, men har ulemper. En åbenlys ulempe er, at indstilling af tilstandene 'tændt' eller 'slukket' sker fysisk, dvs. manuelt.

Manuelle skifteanordninger er typisk store, langsomme og i stand til at omskifte små strømme.

Manuel skiftemekanisme – en 'fjern slægtning' til elektromagnetiske relæer. Den giver samme funktionalitet – omskiftning af arbejdslinjer, men styres udelukkende manuelt.

Elektromagnetiske relæer er hovedsageligt elektrisk styrede kontakter. Enhederne har forskellige former og størrelser og inddeles efter nominelle effektniveauer. Deres anvendelsesmuligheder er brede.

Sådanne enheder, der har et eller flere kontaktpar, kan indgå i en samlet konstruktion af større effektudløsere – kontakter, som anvendes til at skifte netspænding eller højspændingsudstyr.

Grundlæggende principper for EMR's funktion

Elektromagnetiske relæer anvendes traditionelt i elektriske (elektroniske) koblingsstyringskredsløb. De monteres enten direkte på printkort eller fritstående.

Generel opbygning af enheden

Belastningsstrømmen for anvendte enheder måles typisk fra brøkdele af en ampere til 20 A og derover. Relækredsløb er udbredt i elektronisk praksis.

Enheder i mange forskellige konfigurationer beregnet til installation på elektroniske printkort eller som separat monteret enhed.

Konstruktionen af et elektromagnetisk relæ omdanner den magnetiske flux, der skabes af den påtrykte veksel- eller jævnstrømsspænding, til en mekanisk kraft. Denne mekaniske kraft styrer kontaktgruppen.

Den mest almindelige konstruktion er en enhedsform, der omfatter følgende komponenter:

• en erregende spole;
• en stålkerne;
• et støttechassis;
• en kontaktgruppe.

Stålkernen har en fast del, kaldet vippen, og en bevægelig fjederbelastet del, kaldet ankeret.

Ankeret fuldender magnetfeltets kredsløb ved at lukke luftspalten mellem den faste elektriske spole og den bevægelige armatur.

Detaljeret konstruktionslayout: 1 – tilbagetryksfjeder; 2 – metalstålkerne; 3 – anker; 4 – normalt lukket kontakt; 5 – normalt åben kontakt; 6 – fælles kontakt; 7 – kobbertrådsspole; 8 – vippe

Armaturen bevæger sig på hængsler eller drejer frit under påvirkning af det genererede magnetfelt. Derved slutter de elektriske kontakter, der er fastgjort til armaturen, sig.

Som regel bringer en (eller flere) tilbagegangsfjeder placeret mellem vippen og ankeret kontakterne tilbage til udgangspositionen, når relæspolen er spændingsløs.

Funktion af relæets elektromagnetiske system

En simpel klassisk EMR-konstruktion har to sæt elektrisk ledende kontakter.

Derfor realiseres to tilstande for kontaktgruppen:

1. Normalt åben kontakt.
2. Normalt lukket kontakt.

Derfor klassificeres et kontaktpar som normalt åbent (NO) eller, i en anden tilstand, normalt lukket (NC).

For et relæ med normalt åbne kontakter opnås tilstanden 'lukket' kun, når excitationsstrømmen løber gennem induktionsspolen.

En af to mulige standardmonteringsmuligheder for kontaktgruppen. Her, i spolens strømløse tilstand, er normalt lukket (sluttet) position indstillet som standard.

I den anden mulighed forbliver kontakternes normalt lukkede position konstant, når der ikke er excitationsstrøm i spolekredsen. Det vil sige, at afbryderkontakterne vender tilbage til deres normalt lukkede position.

Derfor skal udtrykkene 'normalt åben' og 'normalt lukket' henvise til tilstanden af de elektriske kontakter, når relæspolen er strømløs, det vil sige, når relæets forsyningsspænding er afbrudt.

Relæets elektriske kontaktgrupper

Relækontakter består typisk af elektrisk ledende metalelementer, der berører hinanden og slutter kredsløbet, idet de fungerer som en simpel afbryder.

Når kontakterne er åbne, måles modstanden mellem de normalt åbne kontakter til en høj værdi i megaohm. Dette skaber en åben kredsløbstilstand, hvor strømmen i spolekredsen udelukkes.

En kontaktgruppe i enhver elektromekanisk afbryder har i åben tilstand en modstand på flere hundrede megaohm. Størrelsen af denne modstand kan variere lidt mellem forskellige modeller.

Hvis kontakterne er sluttede, bør kontaktmodstanden teoretisk set være nul – resultatet af en kortslutning.

En sådan tilstand forekommer dog ikke altid. Hvert enkelt relæs kontaktgruppe har en vis kontaktmodstand i 'lukket' tilstand. En sådan modstand kaldes stabil.

Særlige forhold ved belastningsstrømmens passage

I praksis ved montering af et nyt elektromagnetisk relæ, er kontaktmodstanden ved tilkobling lille, normalt under 0,2 ohm.

Dette forklares enkelt: nye spidser forbliver rene, men over tid vil spidsmodstanden uundgåeligt stige.

For eksempel, for kontakter med en strøm på 10 A, vil spændingsfaldet være 0,2 x 10 = 2 volt (Ohms lov). Heraf følger, at hvis den påtrykte forsyningsspænding til kontaktgruppen er 12 volt, så vil spændingen til belastningen være 10 volt (12-2).

Når de metalliske kontaktspidser slides og ikke er tilstrækkeligt beskyttet mod høje induktive eller kapacitive belastninger, bliver skader fra lysbueeffekten uundgåelige.

Elektrisk lysbue på en af kontakterne i et elektromekanisk koblingsapparat. Dette er en af årsagerne til beskadigelse af kontaktgruppen, hvis der ikke træffes passende foranstaltninger.

Elektrisk lysbue – gnistdannelse på kontakterne – fører til øget kontaktmodstand i spidserne og som følge heraf fysisk skade.

Hvis relæet fortsat anvendes i denne tilstand, kan kontaktspidserne fuldstændig miste deres fysiske kontaktevne.

Men der er en mere alvorlig faktor: som følge af lysbueskade kan kontakterne til sidst svejses sammen, hvilket skaber kortslutning.

I sådanne situationer er der risiko for beskadigelse af det kredsløb, som EMR styrer.

Hvis kontaktmodstanden stiger med 1 ohm på grund af den elektriske lysbue, øges spændingsfaldet over kontakterne for den samme belastningsstrøm til 1×10=10 volt jævnstrøm.

Her kan spændingsfaldet over kontakterne være uacceptabelt for belastningskredsløbet, især ved drift med forsyningsspændinger på 12-24 V.

Relækontaktmaterialets type

For at reducere påvirkningen fra elektrisk lysbue og høj modstand fremstilles eller belægges kontaktspidserne i moderne elektromekaniske relæer med forskellige sølvbaserede legeringer.

På denne måde kan kontaktgruppens levetid forlænges betydeligt.

Spidserne på kontaktpladerne i elektromekaniske koblingsapparater. Her vises varianter af sølvbelagte spidser. Denne type belægning reducerer skadesfaktoren.

I praksis anvendes følgende materialer til behandling af spidserne på kontaktgrupper i elektromagnetiske (elektromekaniske) relæer:

• Ag – sølv;
• AgCu – sølv-kobber;
• AgCdO – sølv-cadmiumoxid;
• AgW – sølv-volfram;
• AgNi – sølv-nikkel;
• AgPd – sølv-palladium.

Forøgelse af levetiden for kontaktgruppernes spidser ved at reducere antallet af elektriske lysbuer opnås ved at tilslutte resistive-kondensatorfiltre, også kaldet RC-dæmpere.

Disse elektroniske kæder tilsluttes parallelt med kontaktgrupperne i elektromekaniske relæer. Spændingsspidsen, der opstår i det øjeblik kontakterne åbner, bliver med denne løsning sikkert kort.

Ved anvendelse af RC-dæmpere kan den elektriske lysbue, der dannes på kontaktspidserne, undertrykkes.

Typisk udførelse af EMR-kontakter

Ud over de klassiske normalt åbne (NO) og normalt lukkede (NC) kontakter, omfatter relækoblingsmekanikken også en klassificering baseret på funktion.

Særlige forhold ved forbindelseselementernes konstruktion

Konstruktioner af relæer af elektromagnetisk type i denne variant kan have en eller flere separate kontakter i en kontakt.

Sådan ser enheden ud, teknologisk konfigureret til SPST-udførelse – enpolet og enkeltkastet. Der findes også andre udførelsesvarianter.

Kontaktudførelsen karakteriseres ved følgende sæt forkortelser:

• SPST (Single Pole Single Throw) – enpolet enkeltkastet;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – enpolet dobbeltkastet;
• DPST (Double Pole Single Throw) – dobbeltpolet enkeltkastet;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – dobbeltpolet dobbeltkastet.

Hvert sådant forbindelseselement betegnes som en 'pol'. Enhver af dem kan tilsluttes eller afbrydes, samtidig med at relæspolen aktiveres.

Nuancer ved anvendelse af enhederne

På trods af den enkle konstruktion af elektromagnetiske kontakter, er der nogle finesser ved brugen af disse enheder.

Specialister fraråder på det kraftigste at parallelkoble alle relækontakter for at skifte en belastningskreds med høj strøm.

For eksempel at tilslutte en belastning på 10 A ved at parallelkoble to kontakter, der hver er beregnet til 5 A.

Disse monteringsfinesser skyldes, at kontakterne i mekaniske relæer aldrig lukker og åbner på samme tidspunkt.

Som resultat vil en af kontakterne under alle omstændigheder blive overbelastet. Og selv med hensyntagen til kortvarig overbelastning er en for tidlig fejl på enheden i en sådan tilslutning uundgåelig.

Forkert brug samt tilslutning af relæet uden for de fastsatte monteringsregler ender normalt med sådan et resultat. Indvendigt er næsten alt indhold brændt op.

Elektromagnetiske produkter kan anvendes i elektriske eller elektroniske kredsløb med lavt strømforbrug som kontakter for relativt høje strømme og spændinger.

Det anbefales dog på det kraftigste ikke at føre forskellige belastningsspændinger gennem nabokontakter på samme enhed.

For eksempel at skifte vekselspænding 220 V og jævnspænding 24 V. Man bør altid bruge separate produkter til hver variant af sikkerhedsmæssige hensyn.

Metoder til beskyttelse mod omvendt spænding

En betydningsfuld del af ethvert elektromekanisk relæ er spolen. Denne del hører til kategorien belastning med høj induktans, da den har en ledningsvikling.

Enhver spole viklet med ledning har en vis impedans bestående af induktans L og modstand R, og danner dermed en serie LR-kreds.

Efterhånden som strømmen løber gennem spolen, skabes et eksternt magnetfelt. Når strømmen i spolen ophører i 'fra'-tilstand, øges magnetfluxen (transformationsteori) og der opstår en høj modspænding (EMS, elektromotorisk kraft).

Denne inducerede modspænding kan være flere gange større end koblingsspændingen.

Derfor opstår der risiko for beskadigelse af alle halvlederkomponenter, der er placeret i nærheden af relæet. For eksempel en bipolar- eller felteffekttransistor, der bruges til at levere spænding til relæspolen.

Kredsløbsvarianter, der sikrer beskyttelse af halvlederstyringskomponenter – bipolare og felteffekttransistorer, integrerede kredsløb, mikrocontrollere

En måde at forhindre beskadigelse af en transistor eller enhver anden koblingshalvlederenhed, herunder mikrocontrollere, er at tilslutte en reversspændingsdiode i relæspolens kredsløb.

Når strømmen, der løber gennem spolen umiddelbart efter afbrydelse, genererer en induceret modspænding (EMK), åbner denne modspænding den reversspændingsdiode.

Den lagrede energi spredes gennem halvlederen, hvilket forhindrer beskadigelse af styrehalvlederen – transistoren, tyristoren eller mikrocontrolleren.

Den halvleder, der ofte indgår i spolens kredsløb, kaldes også:

• svinghjulsdiode;
• shuntdiode;
• vendt diode.

Der er dog ikke stor forskel på komponenterne. De udfører alle samme funktion. Ud over at bruge reversspændingsdioder anvendes også andre enheder til beskyttelse af halvlederkomponenter.

De samme RC-dæmperkæder, metaloxid-varistorer (MOV), zenerdioder.

Mærkning af elektromagnetiske relæer

Tekniske betegnelser, der indeholder delvis information om enhederne, angives normalt direkte på chassiset af den elektromagnetiske kontaktenhed.

En sådan betegnelse ser ud som en forkortet forkortelse og et numerisk sæt.

Hver elektromekanisk koblingsenhed mærkes traditionelt. På kabinettet eller chassiset påføres omtrent et sådant sæt af tegn og tal, der angiver bestemte parametre.

Eksempel på kabinetmærkning af elektromekaniske relæer:

RES32 RF4.500.335-01

Denne betegnelse udlægges som: elektromagnetisk svagstrømsrelæ, serie 32, svarende til udførelse i henhold til datablad RF4.500.335-01.

Sådanne betegnelser er dog sjældne. Oftere ses forkortede versioner uden eksplicit angivelse af GOST:

RES32 335-01

Også på chassiset (på kabinettet) af enheden er fremstillingsdato og batch-nummer markeret. Detaljerede oplysninger findes i produktets tekniske datablad. Hver enhed eller batch leveres med et datablad.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Videoen fortæller på en populær måde, hvordan elektromekanisk koblingselektronik fungerer. Der vises tydeligt konstruktionsdetaljer, tilslutningsspecifikationer og andre detaljer:

Elektromekaniske relæer har i temmelig lang tid været anvendt som elektroniske komponenter. Imidlertid kan denne type kontaktenheder betragtes som forældet. Mere moderne enheder – rent elektroniske – erstatter i stigende grad de mekaniske. Et eksempel er solid state-relæer.

Har du spørgsmål, fundet fejl, eller har du interessante fakta om emnet, som du vil dele med besøgende på vores side? Efterlad venligst dine kommentarer, stil spørgsmål, del erfaringer i kontaktblokken under artiklen.