Як працюють і навіщо потрібні електромагнітні реле

Електромагнітні реле: принцип дії, будова та застосування

Електромагнітні реле (їх іноді називають просто як електричне реле) – це ключові компоненти в електронних та електротехнічних системах, які використовуються для керування та перемикання електричних кіл. Незважаючи на появу твердотільних (напівпровідникових) реле, електромагнітні реле досі широко застосовуються завдяки своїй надійності, простоті та здатності працювати з великими струмами й напругами. У цій статті розглянемо:

1. Будову та принцип роботи електромагнітного реле.
2. Для чого використовують електромагнітні реле в різних галузях.
3. Їхні переваги та недоліки, а також типові сфери застосування.

Корисні відео по темі

Будова електромагніту в реле

Щоб зрозуміти принцип роботи реле, спочатку варто розглянути основи будови електромагніту. Електромагніт – це котушка з дроту, намотана на феромагнітне осердя (наприклад, зі сталі). Коли через котушку проходить електричний струм, утворюється магнітне поле, яке притягує або відштовхує рухому частину реле – якір чи інший механічний елемент.

Основні елементи електромагнітного реле

1. Котушка (соленоїд)

   • Це дріт, намотаний на осердя. Коли в котушку надходить струм, вона створює магнітне поле.
   • Намотувальний дріт має певний опір, розрахований на робочу напругу (наприклад, 5 В, 12 В, 24 В, 220 В тощо).

2. Якір (рухомий елемент)

   • Розташований поряд із котушкою й виконує функцію “замка”, який під впливом магнітного поля змінює своє положення.
   • Якір може бути прикріплений до поворотного важеля або розміщений таким чином, що він замикає або розмикає контакти.

3. Контактний блок

   • Складається з нерухомих та рухомих контактів (NO/NC — Normally Open/Normally Closed).
   • При спрацьовуванні якоря контакти або замикаються, або розмикаються, що призводить до перемикання електричного кола.

4. Пружина повернення

   • Забезпечує повернення якоря у вихідне положення, коли котушка знеструмлена.
   • У розслабленому стані контакти можуть бути як розімкнутими, так і замкнутими – залежно від того, як сконструйоване реле.

Принцип роботи електромагнітного реле

1. Подача живлення на котушку
   Коли на котушку подається живлення (електричний струм), створюється магнітне поле.

2. Притягання рухомої частини
   Це магнітне поле притягує або відштовхує якір (рухому частину). Результатом є механічний рух, який змінює стан контактів (відкриті/закриті).

3. Перемикання контактів
   Завдяки механічному руху відбувається з’єднання або роз’єднання контактів у контактному блоці.

   • Якщо контакт NO (Normally Open) — він зазвичай розімкнутий, але стає замкнутим при подачі струму в котушку.
   • Якщо контакт NC (Normally Closed) — він зазвичай замкнутий, але розмикається при подачі струму.

4. Керування зовнішнім колом
   Завдяки зміні стану контактів можна замикати або розмикати зовнішні електричні ланцюги. Таким чином, невеликий струм у котушці може керувати великим струмом у іншому колі.

5. Розрив магнітного поля
   Коли живлення на котушку припиняється, магнітне поле зникає. Пружина повертає якор в початкове положення, і контакти переходять у свій початковий стан.

Ця схема дії демонструє принцип дії електромагнітного реле, що лежить в основі більшості конструкцій реле. Він відносно простий, надійний та універсальний.

Для чого використовують електромагнітні реле: основні сфери застосування

1. Автоматизація та управління

• Керування двигунами та механізмами: В промислових умовах реле застосовують для перемикання електродвигунів, насосів, вентиляторів та інших великих споживачів, якими не можна керувати безпосередньо від слабкострумних електронних пристроїв.
• Системи освітлення: Використовуються для автоматичного вмикання/вимикання великих груп ламп чи прожекторів.
• Системи опалення та кондиціонування: Дозволяють керувати котлами, конвекторами, вентиляційними системами тощо, забезпечуючи потрібну температуру.

2. Електроніка та мікроконтролери

• Розширення входів/виходів: У мікроконтролерних системах або ПЛК (програмованих логічних контролерах) реле слугують для перемикання великих струмів і напруг порівняно зі слабкими сигналами від керуючої електроніки.
• Гальванічна розв’язка: Електромагнітні реле забезпечують чітку електричну ізоляцію між керуючим колом і колом навантаження, що важливо для безпеки та захисту від перешкод.

3. Телекомунікації та зв’язок

• Комутація ліній зв’язку: У телефонних станціях, системах передачі даних реле використовуються для перемикання голосових і цифрових ліній.
• Захист та резервування: При необхідності перемкнути сигнал з однієї антени на іншу чи з однієї лінії на іншу, реле можуть слугувати надійним механізмом комутації.

4. Енергетика та електричні мережі

• Захист від перевантажень: У розподільчих щитах реле можуть спрацьовувати під час перевантажень чи короткого замикання, вимикаючи ланцюг.
• Перемикання між джерелами живлення: У безперебійних системах живлення (наприклад, перемикання між міською мережею та генератором) електромагнітні реле використовуються для надійної комутації.
• Автоматичне резервування: При зникненні живлення в одному контурі може автоматично вмикатися резервне живлення.

5. Побутова техніка

• Керування окремими вузлами: Холодильники, пральні машини, кондиціонери, бойлери та інша техніка часто застосовують реле для керування великими струмами нагрівальних елементів, компресорів та інших потужних вузлів.
• Функції захисту: У багатьох пристроях встановлюють реле для запобігання аварійним режимам роботи (захист від перегріву, стрибків напруги тощо).

Переваги та недоліки електромагнітних реле

Переваги

1. Проста конструкція та надійність: Механічний принцип роботи добре вивчений і вдосконалюється десятиліттями.
2. Висока комутаційна здатність: Можуть перемикати відносно великі струми та напруги.
3. Електрична ізоляція: Реле розділяє коло управління та коло навантаження, знижуючи ризик пошкодження електронних компонентів.
4. Універсальність: Підходять для багатьох різних застосувань – від промисловості до побутових приладів.

Недоліки

1. Механічний знос: З часом контакти можуть зношуватися або окислюватися, особливо при великих струмах чи індуктивних навантаженнях.
2. Обмежена швидкість перемикання: Механічна природа реле не дозволяє дуже високих частот спрацьовування.
3. Енергоспоживання котушки: Для утримання контактів у робочому стані треба постійно живити котушку.
4. Гучний звук: Під час спрацьовування й відключення може виникати характерне клацання.

Типи та класифікація електромагнітних реле

1. За типом контактів

   • SPST (Single Pole Single Throw) — один полюс, один контакт.
   • SPDT (Single Pole Double Throw) — один полюс, два напрямки (NO/NC).
   • DPDT (Double Pole Double Throw) — два полюси, кожен з двома напрямками, тощо.

2. За робочою напругою котушки

   • Низьковольтні (3 В, 5 В, 9 В, 12 В, 24 В) – поширені в електроніці й автоматиці.
   • Високовольтні (110 В, 220 В та ін.) – застосовуються у промислових і побутових мережах.

3. За призначенням

   • Загального призначення (General Purpose).
   • Реле часу (з вбудованими таймерами).
   • Захисні (для виявлення перевантажень, коротких замикань).
   • Контактор (різновид потужного електромагнітного реле для високих струмів).

4. За кількістю робочих циклів (ресурсом)

   • Звичайні реле середнього ресурсу (десятки чи сотні тисяч спрацьовувань).
   • Спеціальні промислові реле з підвищеним ресурсом (мільйони спрацьовувань).

FAQ про електромагнітні реле

1. Який принцип роботи електромагнітного реле?

Принцип дії заснований на створенні магнітного поля в котушці. Коли струм проходить через котушку, вона притягує або відштовхує якор, який механічно замикає або розмикає електричні контакти, дозволяючи або припиняючи протікання струму у зовнішньому колі.

2. Чим електромагнітне реле відрізняється від твердотільного?

Електромагнітне реле має механічні контакти, тому воно видає характерне клацання під час спрацьовування й схильне до механічного зносу. Твердотільне реле (SSR) не має механічних контактів і перемикає коло за допомогою напівпровідникових компонентів. SSR швидші в роботі, тихіші, але можуть бути дорожчими та іноді потребувати додаткових радіаторів для відведення тепла.

3. Для чого використовують електромагнітні реле?

Їх застосовують для керування великими електричними навантаженнями, автоматизації промислових процесів, перемикання ліній зв’язку, забезпечення захисту від перевантажень та в безлічі побутових приладів (кондиціонери, пральні машини, бойлери тощо).

4. Що таке будова електромагніту в реле?

Будова передбачає котушку з дроту, намотаного на магнітопровід, та рухому частину (якір), яка притягується до осердя під дією електромагнітного поля. Саме цей механічний рух і дозволяє контакту замикати чи розмикати електричне коло.

5. Як обрати електромагнітне реле?

Зверніть увагу на:

• Напругу живлення котушки (5 В, 12 В, 24 В, 220 В тощо).
• Максимальний струм та напругу контактів, які реле має комутувати.
• Кількість та тип контактів (NO/NC, SPDT, DPDT тощо).
• Робоче середовище (температура, волога, можливі механічні навантаження).
• Ресурс спрацювання та вимоги до швидкості перемикання.

6. Чи можна замінити електромагнітне реле на електронне (твердотільне)?

Так, у багатьох випадках можна, але слід враховувати:

• Вартість та сумісність із робочою напругою й струмом.
• Необхідність радіаторів охолодження для SSR при великих потужностях.
• Переваги та недоліки кожного варіанту (електромагнітні реле краще ізолюють кола, SSR можуть нагріватися та спричиняти додаткові витрати енергії).

Висновок

Електромагнітні реле – це одна з базових технологій, що дає змогу автоматизувати й керувати складними електричними колами. Їх принцип роботи заснований на створенні магнітного поля в котушці, яке механічно переміщує контакти, замикаючи або розмикаючи зовнішній ланцюг. Завдяки простоті, надійності та здатності комутувати великі струми, такі реле широко застосовують у промислових системах, телекомунікаціях, побутових пристроях та багатьох інших галузях.

Розуміння будови електромагніту, механізму перемикання контактів та особливостей конструкції реле дозволяє правильно підібрати потрібний тип пристрою і забезпечити довготривалу й безпечну роботу електричних систем. Врахування переваг і недоліків допоможе прийняти обґрунтоване рішення щодо переходу на інші технології (наприклад, твердотільні реле) або продовження використання традиційних електромагнітних реле.