Przekaźnik elektromagnetyczny: budowa, oznaczenia, rodzaje + szczegóły podłączenia i regulacji

Przekształcanie sygnałów elektrycznych na odpowiednią wielkość fizyczną — ruch, siłę, dźwięk itp. — odbywa się za pomocą siłowników. Siłownik należy klasyfikować jako przetwornik, ponieważ to urządzenie zmienia jeden rodzaj wielkości fizycznej na inny.

Siłownik jest zwykle aktywowany lub sterowany sygnałem sterującym niskiego napięcia. Klasyfikowany jest dodatkowo jako urządzenie binarne lub ciągłe w zależności od liczby stanów stabilnych. I tak, przekaźnik elektromagnetyczny jest siłownikiem binarnym, biorąc pod uwagę dwa dostępne stany stabilne: włączony — wyłączony.

W przedstawionym artykule szczegółowo omówiono zasady działania przekaźnika elektromagnetycznego oraz zakres zastosowania urządzeń.

Podstawy wykonania siłownika

Termin „przekaźnik” jest charakterystyczny dla urządzeń, które zapewniają połączenie elektryczne między dwoma lub więcej punktami za pomocą sygnału sterującego.

Najbardziej powszechnym i szeroko stosowanym typem przekaźnika elektromagnetycznego (EMR) jest konstrukcja elektromechaniczna.

Tak wygląda jedna z licznej serii konstrukcji, określanych mianem przekaźników elektromagnetycznych. Tutaj pokazano zamknięty wariant mechanizmu za pomocą pokrywy z przezroczystego pleksi.

Schemat fundamentalnego sterowania dowolnym urządzeniem zawsze przewiduje możliwość włączenia i wyłączenia. Najprostszym sposobem wykonania tych czynności jest użycie przełączników blokujących zasilanie.

Przełączniki ręczne mogą być używane do sterowania, ale mają wady. Ich oczywistą wadą jest ustawianie stanów „włączony” lub „wyłączony” w sposób fizyczny, czyli ręcznie.

Urządzenia do ręcznego przełączania są zazwyczaj dużych rozmiarów, o opóźnionym działaniu, zdolne do przełączania niewielkich prądów.

Manualny mechanizm przełączania – „daleki krewny” przekaźników elektromagnetycznych. Zapewnia tę samą funkcjonalność – przełączanie linii roboczych, ale jest sterowany wyłącznie ręcznie.

Tymczasem przekaźniki elektromagnetyczne są reprezentowane głównie przez przełączniki ze sterowaniem elektrycznym. Urządzenia mają różne kształty, rozmiary i są podzielone według poziomu mocy znamionowej. Możliwości ich zastosowania są szerokie.

Takie urządzenia, wyposażone w jedną lub kilka par styków, mogą wchodzić w skład jednolitej konstrukcji większych mechanizmów wykonawczych – styczników, które są używane do przełączania napięcia sieciowego lub urządzeń wysokiego napięcia.

Podstawowe zasady działania przekaźnika elektromagnetycznego (EMR)

Tradycyjnie przekaźniki typu elektromagnetycznego są używane w elektrycznych (elektronicznych) układach sterowania przełączaniem. Przy tym są instalowane albo bezpośrednio na płytkach drukowanych, albo w swobodnej pozycji.

Ogólna budowa urządzenia

Prądy obciążenia używanych wyrobów zazwyczaj mierzy się od ułamków ampera do 20 A i więcej. Obwody przekaźnikowe są szeroko rozpowszechnione w praktyce elektronicznej.

Urządzenia o różnej konfiguracji, przeznaczone do instalacji na płytkach montażowych elektronicznych lub bezpośrednio jako osobno instalowane urządzenie

Konstrukcja przekaźnika elektromagnetycznego przekształca strumień magnetyczny wytwarzany przez przyłożone napięcie prądu zmiennego/stałego na siłę mechaniczną. Dzięki uzyskanej sile mechanicznej wykonywane jest sterowanie grupą styków.

Najbardziej rozpowszechnioną konstrukcją jest forma wyrobu obejmująca następujące komponenty:

• cewkę wzbudzającą;
• stalowy rdzeń;
• podwozie nośne;
• grupę styków.

Stalowy rdzeń ma stałą część zwaną jarzmem oraz ruchomą sprężynową część zwaną twornikiem.

Zasadniczo twornik uzupełnia obwód pola magnetycznego, zamykając szczelinę powietrzną między nieruchomą cewką elektryczną a ruchomym uzbrojeniem.

Szczegółowy rozkład konstrukcji: 1 – sprężyna powrotna; 2 – rdzeń metalowy; 3 – twornik; 4 – styk normalnie zamknięty; 5 – styk normalnie otwarty; 6 – styk wspólny; 7 – cewka z drutu miedzianego; 8 – jarzmo

Zbrojenie porusza się na zawiasach lub obraca swobodnie pod działaniem generowanego pola magnetycznego. W tym czasie zamykają się styki elektryczne przymocowane do zbrojenia.

Zazwyczaj sprężyna (sprężyny) powrotna znajdująca się między jarzmem a twornikiem przywraca styki do położenia początkowego, gdy cewka przekaźnika jest w stanie odłączonym.

Działanie przekaźnikowego układu elektromagnetycznego

Prosta klasyczna konstrukcja przekaźnika elektromagnetycznego ma dwa zestawy przewodzących styków.

Na tej podstawie realizowane są dwa stany grupy stykowej:

1. Styk normalnie otwarty.
2. Styk normalnie zamknięty.

W związku z tym para styków klasyfikowana jest jako normalnie otwarte (NO) lub, będąc w innym stanie, normalnie zamknięte (NC).

Dla przekaźnika z normalnie otwartym położeniem styków, stan „zamknięty” osiągany jest tylko wtedy, gdy prąd wzbudzenia przepływa przez cewkę indukcyjną.

Jeden z dwóch możliwych domyślnych wariantów montażu grupy stykowej. Tutaj w stanie odłączonym cewki domyślnie ustawione jest położenie normalnie zamknięte.

W innym wariancie – normalnie zamknięte położenie styków pozostaje stałe, gdy prąd wzbudzenia nie płynie w obwodzie cewki. Oznacza to, że styki przełącznika wracają do swojego normalnie zamkniętego położenia.

Dlatego terminy „normalnie otwarty” i „normalnie zamknięty” należy odnosić do stanu styków elektrycznych, gdy cewka przekaźnika jest odłączona od zasilania, czyli napięcie zasilania przekaźnika jest wyłączone.

Elektryczne grupy stykowe przekaźnika

Styki przekaźnikowe są zwykle reprezentowane przez przewodzące prąd elementy metalowe, które stykają się ze sobą, zamykają obwód, działając podobnie do prostego przełącznika.

Gdy styki są rozwarte, rezystancja między normalnie otwartymi stykami mierzona jest wysoką wartością w megaomach. Tworzy to warunek obwodu otwartego, gdy przepływ prądu w obwodzie cewki jest wykluczony.

Grupa stykowa dowolnego łącznika elektromechanicznego w stanie rozwartym ma rezystancję rzędu kilkuset megaomów. Wartość tej rezystancji może się nieco różnić w zależności od modelu.

Jeśli natomiast styki są zamknięte, rezystancja stykowa teoretycznie powinna wynosić zero – wynik zwarcia.

Jednak taki stan nie zawsze występuje. Grupa stykowa każdego poszczególnego przekaźnika posiada pewną rezystancję stykową w stanie zamkniętym. Taka rezystancja nazywana jest stabilną.

Cechy przepływu prądów obciążenia

W praktyce montażu nowego przekaźnika elektromagnetycznego rezystancja stykowa załączania jest niewielka, zazwyczaj poniżej 0,2 Ω.

Wyjaśnia się to prosto: nowe końcówki są na razie czyste, ale z czasem rezystancja końcówek nieuchronnie będzie wzrastać.

Na przykład dla styków pod prądem 10 A, spadek napięcia wyniesie 0,2×10 = 2 wolty (prawo Ohma). Stąd wynika, że jeśli napięcie zasilania dostarczone do grupy stykowej wynosi 12 woltów, wówczas napięcie dla obciążenia wyniesie 10 woltów (12-2).

Kiedy metalowe końcówki stykowe zużywają się, nie będąc odpowiednio chronione przed wysokimi obciążeniami indukcyjnymi lub pojemnościowymi, pojawienie się uszkodzeń spowodowanych efektem łuku elektrycznego staje się nieuniknione.

Łuk elektryczny na jednym ze styków elektromechanicznego urządzenia łączeniowego. Jest to jedna z przyczyn uszkodzenia grupy stykowej w przypadku braku odpowiednich środków

Łuk elektryczny – iskrzenie na stykach – prowadzi do wzrostu rezystancji stykowej końcówek, a w konsekwencji do uszkodzeń fizycznych.

Jeśli nadal używać przekaźnika w takim stanie, końcówki stykowe mogą całkowicie utracić fizyczną właściwość styku.

Ale istnieje poważniejszy czynnik, gdy w wyniku uszkodzenia przez łuk styki ostatecznie się zespawają, tworząc warunki zwarcia.

W takich sytuacjach nie jest wykluczone ryzyko uszkodzenia obwodu, który kontroluje EMR.

Tak, jeśli rezystancja styku wzrosła pod wpływem łuku elektrycznego o 1 om, spadek napięcia na stykach dla tego samego prądu obciążenia wzrasta do 1×10=10 woltów prądu stałego.

Tutaj wielkość spadku napięcia na stykach może być nieakceptowalna dla obwodu obciążenia, szczególnie przy pracy z napięciami zasilania 12-24 V.

Rodzaj materiału styków przekaźnika

W celu zmniejszenia wpływu łuku elektrycznego i wysokich rezystancji, końcówki stykowe nowoczesnych przekaźników elektromechanicznych wykonuje się lub pokrywa różnymi stopami na bazie srebra.

W ten sposób udaje się znacznie przedłużyć żywotność grupy stykowej.

Końcówki płytek stykowych elektromechanicznych urządzeń łączeniowych. Przedstawiono tutaj warianty końcówek pokrytych srebrem. Tego rodzaju pokrycie zmniejsza czynnik uszkodzeń.

W praktyce odnotowuje się stosowanie następujących materiałów, którymi są pokrywane końcówki grup stykowych przekaźników elektromagnetycznych (elektromechanicznych):

• Ag – srebro;
• AgCu – srebro-miedź;
• AgCdO – srebro-tlenek kadmu;
• AgW – srebro-wolfram;
• AgNi – srebro-nikiel;
• AgPd – srebro-pallad.

Zwiększenie żywotności końcówek grup stykowych przekaźników poprzez zmniejszenie liczby tworzenia się łuku elektrycznego osiąga się przez podłączenie filtrów rezystancyjno-kondensatorowych, zwanych również tłumikami RC.

Te elektroniczne łańcuchy włącza się równolegle do grup stykowych przekaźników elektromechanicznych. Szczyt napięcia, który występuje w momencie otwierania styków, przy takim rozwiązaniu wydaje się bezpiecznie krótki.

Zastosowanie tłumików RC pozwala tłumić łuk elektryczny powstający na końcówkach stykowych.

Typowe wykonanie styków przekaźnika EMR

Oprócz klasycznych styków normalnie otwartych (NO) i normalnie zamkniętych (NC), mechanika przełączania przekaźników zakłada również klasyfikację uwzględniającą działanie.

Cechy wykonania elementów łączeniowych

Konstrukcje przekaźników typu elektromagnetycznego w tym wariancie dopuszczają obecność jednego lub kilku oddzielnych styków przełącznika.

Tak wygląda urządzenie, technologicznie skonfigurowane do wykonania SPST – jednobiegunowy i jednokierunkowy. Istnieją również inne warianty wykonania.

Wykonanie styków charakteryzuje się następującym zestawem skrótów:

• SPST (Single Pole Single Throw) – jednobiegunowy jednokierunkowy;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – jednobiegunowy dwukierunkowy;
• DPST (Double Pole Single Throw) – dwubiegunowy jednokierunkowy;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – dwubiegunowy dwukierunkowy.

Każdy taki element łączący jest oznaczany jako „biegun”. Każdy z nich może być podłączony lub odłączany, jednocześnie aktywując cewkę przekaźnika.

Subtelności stosowania urządzeń

Pomimo całej prostoty konstrukcji przełączników elektromagnetycznych, istnieją pewne subtelności praktyki użytkowania tych urządzeń.

Tak więc specjaliści kategorycznie odradzają równoległe łączenie wszystkich styków przekaźnika, aby w ten sposób przełączać obwód obciążenia o wysokim prądzie.

Na przykład podłączanie obciążenia 10 A poprzez równoległe połączenie dwóch styków, z których każdy jest zaprojektowany na prąd 5 A.

Te subtelności montażu wynikają z faktu, że styki przekaźników mechanicznych nigdy nie zamykają się i nie otwierają w jednym momencie.

W rezultacie jeden ze styków i tak będzie przeciążony. Nawet biorąc pod uwagę krótkotrwałe przeciążenie, przedwczesna awaria urządzenia w takim połączeniu jest nieunikniona.

Nieprawidłowa eksploatacja, a także podłączenie przekaźnika niezgodnie z ustalonymi zasadami montażu, zwykle kończy się takim rezultatem. Wewnątrz wypaliła się prawie cała zawartość.

Urządzenia elektromagnetyczne można stosować w obwodach elektrycznych lub elektronicznych o niskim poborze mocy jako przełączniki relatywnie wysokich prądów i napięć.

Jednak kategorycznie nie zaleca się przepuszczania różnych napięć obciążenia przez sąsiednie styki jednego urządzenia.

Na przykład przełączanie napięcia prądu przemiennego 220 V i prądu stałego 24 V. Zawsze należy stosować oddzielne urządzenia dla każdego z wariantów w celu zapewnienia bezpieczeństwa.

Techniki ochrony przed napięciem wstecznym

Istotną częścią każdego przekaźnika elektromechanicznego jest cewka. Ta część należy do kategorii obciążenia o wysokiej indukcyjności, ponieważ ma uzwojenie z drutu.

Każda nawinięta drutem cewka posiada pewną impedancję, składającą się z indukcyjności L i rezystancji R, tworząc tym samym szeregowy obwód LR.

Po przepływie prądu przez cewkę, powstaje zewnętrzne pole magnetyczne. Gdy przepływ prądu w cewce ustaje w trybie „wyłączonym”, zwiększa się strumień magnetyczny (teoria transformacji) i powstaje wysokie napięcie wsteczne SEM (siły elektromotorycznej).

To indukowane napięcie wsteczne może kilkakrotnie przewyższać napięcie łączeniowe.

W związku z tym istnieje ryzyko uszkodzenia wszelkich elementów półprzewodnikowych umieszczonych w pobliżu przekaźnika. Na przykład tranzystora bipolarnego lub polowego używanego do podawania napięcia na cewkę przekaźnika.

Warianty schematów, dzięki którym zapewniana jest ochrona półprzewodnikowych elementów sterujących – tranzystorów bipolarnych i polowych, układów scalonych, mikrokontrolerów.

Jednym ze sposobów zapobiegania uszkodzeniu tranzystora lub dowolnego przełączającego urządzenia półprzewodnikowego, w tym mikrokontrolerów, jest opcja podłączenia diody spolaryzowanej zaporowo do obwodu cewki przekaźnika.

Gdy prąd przepływający przez cewkę tuż po wyłączeniu generuje indukowaną wsteczną SEM, to napięcie wsteczne otwiera diodę spolaryzowaną zaporowo.

Poprzez półprzewodnik zgromadzona energia jest rozpraszana, co zapobiega uszkodzeniu sterującego półprzewodnika – tranzystora, tyrystora, mikrokontrolera.

Często włączany do obwodu cewki półprzewodnik nazywany jest również:

• dioda kołowrotkowa;
• dioda bocznikująca;
• dioda odwrócona.

Jednak dużej różnicy między elementami nie ma. Wszystkie pełnią jedną funkcję. Oprócz stosowania diod z polaryzacją zaporową, do ochrony elementów półprzewodnikowych stosuje się również inne urządzenia.

Te same łańcuchy RC-tłumików, warystory metalowo-tlenkowe (MOV), diody Zenera.

Oznaczenia elektromagnetycznych urządzeń przekaźnikowych

Oznaczenia techniczne, niosące częściową informację o urządzeniach, zwykle podawane są bezpośrednio na podwoziu elektromagnetycznego urządzenia łączeniowego.

Wygląda to oznaczenie w postaci skróconego akronimu i zestawu liczbowego.

Każde elektromechaniczne urządzenie łączeniowe tradycyjnie jest oznaczane. Na obudowie lub podwoziu nanoszony jest mniej więcej taki zestaw symboli i cyfr, wskazujący określone parametry.

Przykład oznaczenia na obudowie przekaźników elektromechanicznych:

RES32 RF4.500.335-01

Ten zapis jest odczytywany następująco: przekaźnik elektromagnetyczny małoprądowy, seria 32, wykonanie zgodne z paszportem RF4.500.335-01.

Jednak takie oznaczenia są rzadkością. Częściej spotyka się wersje skrócone bez wyraźnego wskazania normy GOST:

RES32 335-01

Również na podwoziu (na obudowie) urządzenia odnotowuje się datę produkcji i numer partii. Szczegółowe dane zawarte są w karcie technicznej (paszporcie) wyrobu. Paszportem wyposaża się każde urządzenie lub partię.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film popularnie opowiada o tym, jak działa elektromechaniczna elektronika łączeniowa. Wyraźnie zaznaczono subtelności konstrukcji, cechy podłączeń i inne szczegóły:

Przekaźniki elektromechaniczne są od dłuższego czasu stosowane jako elementy elektroniczne. Jednak ten typ urządzeń łączeniowych można uznać za moralnie przestarzały. Zastępowane są coraz częściej przez nowocześniejsze urządzenia – czysto elektroniczne. Jednym z takich przykładów są przekaźniki półprzewodnikowe.

Czy pojawiły się pytania, znalazł Pan braki lub ma Pan ciekawe fakty na temat, którymi może się Pan podzielić z odwiedzającymi naszą stronę? Proszę pozostawiać swoje komentarze, zadawać pytania i dzielić się doświadczeniem w bloku kontaktowym pod artykułem.