Relé, jako elektrotechnická součástka se obecně chová jako spínací zařízení, které se využívá v elektrotechnických a elektronických zařízeních, jako automatizační prvek, a to zejména v oblasti spojovací techniky.
Základní pojmy a rozdělení relé
V zásadě rozdělujeme relé dle principu na:
a. elektromagnetická
b.
tepelná
Relé jako elektrotechnická součástka je konstruováno k připojení do elektrického obvodu technikou drátových forem nebo do plošných spojů.
Stejnosměrné elektromagnetické relé neutrální s kotvou
Elektromagnetické relé je v podstatě elektromagnet, který se sestává z jádra z měkké oceli (kruhového nebo obdélníkového průřezu), kotvy, rovněž z měkké oceli, cívky s vinutím uložené na jádře relé a pérového svazku. Kotva je pohyblivě uložena na břitu jha rovněž z měkké oceli, které tak doplňuje magnetický obvod. Vinutí relé je navinuto na izolační cívce (nasazené na jádře) je vyvedeno na pájecích špičkách, vzájemně odizolovaných.
Po zavedení elektrického stejnosměrného proudu do vinutí vznikne elektromagnetické pole cívky, vytvoří se magnetický tok, který v magnetickém obvodu relé přitáhne kotvu k jádru. Pohyb kotvy působí mechanicky na svazek kontaktních per, která tak dle druhu vlastního kontaktu zapojují, rozpojují, nebo přepínají připojené elektrické obvody.
Po přerušení elektrického proudu se kotva působením tlaku (váhy) pérového svazku vrátí zpět do klidové základní polohy, stejně tak kontaktní pera jednotlivých kontaktů. Pro omezení lepení kotvy relé vlivem zbytkového (remanentního) magnetismu je kotva opatřena tzv. distančním nárazníkem z nemagnetického materiálu, který vytváří malou vzduchovou mezeru mezi kotvou a jádrem. Lepení kotvy relé způsobuje pomalý odpad kotvy a vytvořenou mezerou nárazníkem je možné dobu odpadu kotvy nastavit (jedná se o mechanický způsob)
Obr. 80: Relé
Podmínky a vlastnosti pro činnost neutrálního elektromagnetického relé
Podmínka:
Při činnosti elektromagnetického neutrálního relé působí proti sobě v podstatě dvě síly. Jednou je takzvaná síla přítahu kotvy Fp, kterou vytváří vlastní elektromagnet a síla způsobující odpad kotvy, kterou vytváří tlak – váha pérového svazku označovaná jako síla direktivní Fd.
Pro činnost relé platí, že síla přítahu musí být větší než síla direktivní. Fp > Fd
Síla přítahu Fp je obecně dána elektrickým proudem I a počtem závitů N (zv. Ampérzávity) Fp = I × N
Síla direktivní Fd je odvislá od počtu kontaktních per, nebo vratného péra a jejich napružení proti síle přítahu Fp. Síla direktivní je tedy sílou mechanickou. Platí čím větší počet kontaktních per a jejich napružení, tím větší Fd.
Vlastnost:
Procházející proud I cívkou (tj. vinutím na relé), který způsobí přítah kotvy elektromagnetického relé za dobu tp je označován proud přítahu Ip. Proud, při kterém kotva relé odpadá, se označuje jako proud odpadu Io. Doba odpadu kotvy relé se označuje to.
Čas přítahu a odpadu kotvy elektromagnetického relé
Čas přítahu a odpadu kotvy elektromagnetického relé v rozsahu jednotek až stovek ms, lze ovlivnit v zásadě dvěma způsoby:
- mechanicky;
- elektronicky.
Podle doby přítahu a odpadu kotvy označujeme relé:
- s normálním odpadem i přítahem;
- se zpožděným přítahem a normálním odpadem;
- se zpožděným odpadem a normálním přítahem;
- se zpožděným přítahem i odpadem;
- s rychle přitahující nebo odpadající (kotvou).
a. Mechanické způsoby ovlivňování času přítahu a odpadu kotvy elektromagnetického relé:
- vahou, tj. napružením kontaktních per nebo vratného pera – pomalý přítah (rychlý odpad);
- vzdálenosti kotvy od jádra relé v klidové poloze – pomalý přítah (pomalý odpad);
- silou distančního nárazníku, tj. mezerou mezi jádrem a kotvou v přitaženém stavu – pomalý odpad (normální přítah).
b. Elektrotechnické způsoby ovlivňování času přítahu a odpadu kotvy elektromagnetického relé:
Pro tento způsob ovlivňování času přítahu a odpadu kotvy relé se využívá vlastních kontaktů relé a dalších vinutí na vlastním relé a vnějším připojením elektrotechnických součástek do obvodu vlastního vinutí relé.
Příklady jednotlivých způsobů:
-
Pomocí druhého vinutí relé
Obr. 81: Zpožděný přítah i odpad kotvy
-
Pomocí druhého vinutí a vlastního kontaktu relé
Obr. 82: Zpožděný přítah, normální odpad kotvy
Obr. 83: Normální přítah, zpožděný odpad kotvy
Obr. 84: Zpožděný přítah i odpad kotvy pomocí paralelně zapojených kondenzátorů nebo žárovky k vinutí relé
Druhy vinutí elektromagnetického relé
Relé může mít jedno, nebo více vinutí o jednom a více závitů. První závit je současně začátkem vinutí a poslední závit je jeho koncem. Začátek a konec vlastního vinutí je vyveden z cívky podle typu konstrukce relé na příslušné pájecí špičky pro připojení vinutí do elektrického obvodu pomocí drátové formy, nebo je vyveden na pájecí vývod, určený k pájení a zapojení do plošného spoje. Přičemž začátek každého vinutí je vždy připojen na pájecí špičku nebo pájecí vývod označené menším číslem než jeho konec.
V zásadě rozlišujeme na relé tyto typy vinutí:
- pracovní nesymetrické;
- pracovní nesymetrické složené;
- pracovní symetrické;
- tlumící;
- bifilární – bezindukční odporové.
Jednotlivá vinutí na jedné cívce relé jsou navinuta jako izolovaná, od sebe oddělená, a to uložením na sobě, ve vrstvách (tzv. řadové navinutí, tj. závit vedle závitu).
Potřebné technické údaje při montáži nebo opravě relé, jako je typ relé, výrobce, rok výroby a kompletní údaje o počtu a druhu vinutí, jsou uvedeny na štítku cívky relé. Údaj o vinutí uvedený na štítku relé je v podstatě navíjecí předpis, který uvádí ohmický odpor vinutí, počet závitů vinutí, druh vodiče, jeho izolaci a průměr.
Vlastnosti jednotlivých vinutí:
Pracovní nesymetrické vinutí je takové vinutí, které při průchodu pracovního proudu vinutím způsobí přítah kotvy relé. K ostatním společným vinutím na cívce relé je svými hodnotami vždy rozdílné a tím i svými vlastnostmi, tj. nesymetrické. Např. při stejném počtu závitů a průměru vodiče bude výsledný ohmický odpor rozdílný, neboť vinutí, které je blíže jádru má menší délku závitu.
Uvedení na štítku relé a schematická značka:
Pořadí vinutí směrem od jádra ohmický odpor, počet závitů průměr a materiál vodiče s izolací (ohm / / mm / / měď / / smalt)
Pracovní nesymetrické vinutí složené je rozdílné od pracovního nesymetrického vinutí tím, že na potřebnou ohmickou hodnotu je dovinuto odporovým vodičem. Vlastní vinutí je navinuté z větší části měděným vodičem a z menší části odporovým, a je tedy složené z dvou částí.
Uvedení na štítku relé a schematická značka:
Složené vinutí v pořadí II + III celkový odpor 500 Ω celkový počet závitů 1025 vodiče tj. Cu a odporový vodič a izolace 2 × hedvábí.
Pracovní symetrické vinutí - jedná se o dvě vinutí, která vlastním způsobem navinutí při stejném průřezu vodičů a stejné vodivosti mají shodné hodnoty a jsou tedy k sobě a k obvodu napájení symetrické. Vlastní způsob navinutí spočívá v tom, že se první vinutí rozdělí do polohy I a III a mezi se navine vinutí II. Tím obě vinutí tak mají stejnou délku středního závitu a tím i stejné hodnoty.
Uvedení na štítku relé a schematická značka:
Tlumící vinutí je v podstatě vinutí o velmi malém odporu a jednom závitu, tzv. závit nakrátko. Vlastní provedení tlumícího vinutí je realizováno nasazenou měděnou trubkou přímo na jádro relé o síle 1, 2 a 3 mm, nebo neizolovaným vinutím z pocínovaného měděného vodiče o průměru 0,5 mm ve dvou, čtyř a šesti vrstvách, tj. tvořící sílu 1, 2 a 3 mm.
Při zapojení proudu do pracovního vinutí se indikuje v tlumícím vinutí elektromotorické napětí a proud opačného směru. Působí proti přítahu kotvy relé, takže magnetické pole pracovního vinutí vzrůstá pomaleji a tím se doba kotvy relé prodlužuje. Při přerušení proudu v pracovním vinutí se do tlumícího vinutí indikuje elektromotorické napětí a proud souhlasného směru, takže kotva relé odpadá zpožděně.
Čím silnější je průměr závitu nakrátko a čím menší jeho elektrický odpor, tím větší je tlumení přítahu a odpadu kotvy relé.
Časy tlumení přítahu a odpadu kotva relé:
- 1 mm = 2 vrstvy 0,5 mm = 20 ms;
- 2 mm = 4 vrstvy 0,5 mm = 40 ms;
- 3 mm = 6 vrstev 0,5 mm = 60 ms.
Bifilární – bezindukční odporové vinutí je v podstatě drátový vinutý rezistor, který je vinut tak, aby procházející elektrický proud vlastním odporovým vodičem nevytvářel magnetický tok a neměl žádný vliv na přítah a odpad kotvy relé. Nahrazuje tak diskrétní rezistor, jako součástku, která je potřeba v reléových obvodech. Jde o racionální využití volného místa na cívce relé. Vlastní způsob navinutí bifilárního vinutí – viz obrázek.
Uvedení na štítku relé a schematická značka:
Pérové svazky a kontakty elektromechanického relé s kotvou
Vlastní pérové svazky jsou tvořeny navzájem od sebe odizolovanými kontaktními péry, s vlastními elektrickými kontakty (kontaktními doteky). Každé kontaktní pero je uzpůsobeno k připojení do elektrického obvodu, a to pájením nebo formou konektorového spojení.
Správná funkce pérového svazku je dána nastavovacím předpisem výrobce relé, tzv. justážním předpisem, který určuje předpružení jednotlivých kontaktních per, vytvářející požadovaný dotekový tlak, s předepsanou vzájemnou vzdáleností jednotlivých doteků.
Kontaktní péra jsou vyrobena z fosforové bronzi. Vlastní doteky, které jsou vyrobeny převážně ze slitin tvrdého stříbra se musí udržovat v požadované čistotě pro dosažení uváděných elektrických parametrů.
Proti jiskření u impulsních kontaktů a následnému poškození jejich doteků vzniklým elektrickým obloukem jsou doteky vlastního impulsního kontaktu chráněny tzv. zhášecím obvodem.
Základní funkce jednotlivých kontaktů relé a jejich značení v elektrickém obvodě
Popisné funkční označení relé v technické dokumentaci
Podle účelu a způsobu použití relé v daném zařízení se funkčně relé v popisu činnosti zařízení označují jako impulsní, přijímací, dohlížecí, zkoušecí, blokovací, dohledová atd.
Časový diagram funkce zařízení s relé je v podstatě grafické znázornění činnosti relé a ostatních prvků zařízení na jednotlivých časových osách, od zapnutí, po vypnutí zařízení. Časový diagram slouží k pochopení funkce zařízení v závislostech na přítahu a odpadu kotvy relé a tak k odstraňování poruch apod.
Čtení reléových schémat při použití časového diagramu
Pro čtení, tj. poznání činnosti reléových obvodových schémat daného elektrotechnického zařízení s relé se často používá, tzv. časový diagram. Vlastní časový diagram vyjadřuje graficky vzájemnou činnost jednotlivých elektromagnetických relé a ostatních součástek, na jednotlivých časových osách, v daném časovém okamžiku, tj. např. od okamžiku zapnutí zařízení po jeho vypnutí.
Časová osa:
M – značí okamžik přivedení proudu do relé
N – značí okamžik přitažení kotvy
P – značí okamžik vypnutí proudu z relé
Q – značí okamžik odpadnutí kotvy
Obvodové schéma:
Obr. 85: Časový diagram
Používané typy relé ve spojovací technice
S ohledem na poměrně širokou typovou řadu relé používaných historicky ve spojovací technice, bude popis zaměřen na současně nejčastěji používané typy.
Relé Tesla R65
Slaboproudé, stejnosměrné, neutrální relé moderní konstrukce, určené pro systémy automatických telefonních ústředen a zařízení druhé a vyšší generace.
Popis konstrukce:
Relé Tesla R65 je válcové elektromagnetické neutrální relé s lomenou kotvou, nově s vratným perem a tím s inversně ovládaným pérovým svazkem.
Skládá se z cívky 1, jádra 2, odporově svařeného se jhem 3, pólového nástavce 4, kotvy 5 a pérového svazku. Cívka relé je navinuta na samostatném tělísku a navlečena na jádro. Pólový nástavec je naražen na jádře. Pérový svazek je sestaven z jednotlivých bloků kontaktních per, uložených v držáku pérového svazku 6. Direktivní sílu na kotvu vyvozuje vratné pero 7. Překládání doteků se děje ovládacím můstkem 8.
Obr. 86: Popis elektromagnetického relé TESLA – R65
Pérový svazek
Pérový svazek relé tvoří bloky kontaktních per zalisovaných do plastické izolační hmoty. Jednotlivé bloky se stavebnicově skládají na sebe a tvoří tak různé kombinace svazků. Při plné výstavbě má pérový svazek 24 kontaktních per.
Vinutí
Cívka relé tvoří samostatný celek. Nosnou součástí pro vinutí je kostra cívky s čely, která je buď z plastické hmoty, nebo pro relé se zpožděným odpadem z elektrolytické mědi. Tato relé jsou potom uváděna jako relé s tlumením (1, 2, 3 mm).
Pro vývody vinutí a připojení má vývodní čelo 6 pájecích špiček. Pořadové číslo pájecí špičky je vyznačeno na spodní časti východního čela cívky.
Vybrané elektrotechnické parametry relé TESLA R65
Nejvyšší napětí na vinutí 125 V =
Max. výkon cívky 4 W
Max. napětí na kontaktech 125 V
Max. proud na kontaktech 1 A (při bezinduktivní zátěži)
Max. vypínací výkon na kontaktech 30 W
Elektrická pevnost 500 V / 50 Hz
Rozsah pracovních teplot –10 až +40 °C
Odpor vinutí 0,1 až 29 000 Ω
Max. počet vinutí 3
Čas přítahu 5 až 60 ms (bez tlumícího vinutí)
Čas odpadu 4 až 25 ms (bez tlumícího vinutí)
Distanční doraz (síla dist. nárazníčku) 0,1 nebo 0,2 nebo 0,3 mm
Min. mezera doteků 0,3 mm
Kontaktový tlak 20 p
Max. počet kontaktních per 24
Dotekový materiál Ag (popř. Ag + Pd nebo Pt + Ir)
Druhy kontaktů zapínací, rozpínací, přepínací, následně zapínací, následně rozpínací přepínač bez přerušení
Pracovní poloha vodorovná, kotva vlevo – pérový svazek vpravo
Jazýčkové relé TESLA JR65
Jedná se o bezkotvové elektromagnetické relé, kde funkci kotvy a pérového svazku nahrazuje vlastní jazýčkový kontakt.
Vlastní jazýčkový kontakt se skládá ze skleněné trubičky, do jejích protilehlých stran jsou zatavena kontaktní pera (jazýčky) z magneticky měkkého materiálu, jež se svými volnými konci překrývají tak, že mezi nimi vzniká vzduchová mezera. Na dotykových plochách jsou kontaktní pera opatřena vrstvou drahého kovu, takže přechodový odpor kontaktů je velmi nízký. Zatavený kontakt je plněn netečným (inertním) plynem.
Jeden až šest jazýčkových kontaktů vyplňuje dutinu vlastní cívky, která se základní destičkou s vývody do plošných spojů je překryta krytem z magnetického materiálu. Průchodem elektrického proudu ve vinutí cívky dojde k vytvoření elektromagnetického pole, které zmagnetuje vlastní jazýčky, které se k sobě spojí.
Jazýčkové relé, při své jednoduché konstrukci, se vyznačuje velmi krátkými přítahovými časy. Původně bylo relé konstruované jako neutrální, jen se zapínacími kontakty. Později bylo vybaveno permanentními magnety, které přemagnetují příslušné jazýčky, které jsou takto v klidu spojeny. Při průchodu elektrického proudu ve vinutí cívky relé dojde u předmagnetovaných jazýčku k součtu nebo rozdílu obou magnetických polí.
Pokud elektromagnetické pole cívky je silnější, než magnetické pole permanentního magnetu příslušného kontaktu, dochází k jeho rozpojení. Takto upravené relé vytváří možnost mít zapojovací, rozpojovací i přepínací kontakty.
Jazýčkové relé svou velikostí a konstrukcí je určeno do elektronických spojovacích zařízení v technice plošných spojů.
Obr. 87: Princip konstrukce jazýčkového relé TESLA JR
Elektrotechnické parametry relé Tesla JR65
Max. napětí vinutí 125 V
Max. spínané proudy 150 ma při 60 V
Max. proud sepnutým kontaktem 0,4 A
Max. výkon cívky (při 6 jaz. kont.) 1,7 W
Max. počet vinutí 2
Max. počet jazýčkových kontaktů 6
Přechodový odpor kontaktu 0,15 Ω
Max. doba přítahu 0,5 ms
Max. doba odpadu 0,5 ms
Pracovní teplota –10 až + 40°C
Pracovní poloha libovolná
Miniaturní relé
Miniaturní relé elektromagnetická jsou konstruovaná jako elektromechanická s kotvou, nebo jazýčková do miniaturních plastových, nebo kovových pouzder s vývody na plošné spoje. Velikostí jsou srovnatelné s integrovanými obvody v pouzdrech.
Obr. 88: Miniaturní relé
Tepelné relé
Tepelné relé je zvláštní druh relé, jehož funkce je založena na nestejné roztažnosti různých kovových slitin, které tvoří tzv. dvojkov. Dvojkov vznikne svařením dvou plochých kovových pásků, přičemž jeden je ze slitin mědi a niklu, druhý z niklové oceli. Izolovaně navinuté pracovní odporové vinutí průchodem proudu zahřívá dvojkov, který se vlivem nestejné roztažnosti obou kovů ohýbá, čímž následně způsobuje i pohyb kontaktního pérového svazku, viz obrázek č. 67
Tepelné relé lze ovládat stejnosměrným i střídavým proudem. Pohyb pérového svazku se děje až po ohřátí dvojkovu, stejně tak jeho pohyb při vychlazování do klidové polohy, což vykazuje značné zpoždění, a to až desítky sekund. Čas potřebný k sepnutí vlastního kontaktu lze měnit seřízením kontaktního pérového svazku, nebo změnou zahřívacího proudu. Tepelné relé má funkci časového spínače nebo rozpínače.
Obr. 89: Tepelné relé
Relé na střídavý proud
Relé na střídavý proud je v podstatě relé neutrální, které je upraveno, aby se jeho kotva průchodem střídavého proudu nechvěla a byla řádně přitažena k jádru relé. K dosažení požadovaných vlastností s použitím neutrálního relé se provádějí tyto úpravy:
- mechanické, s těžkou setrvačnou kotvou s lehkým pérovým svazkem;
- magnetické, s úpravou magnetického obvodu jádra relé;
- vnějším zapojením, s usměrněním střídavého proudu usměrňovačem.
Úprava vnějším zapojením, s usměrněním pracovního střídavého proudu, je dnes nejpoužívanější způsob v zařízení spojovací techniky.