1. Назначение. Принцип действия

В системах автоматики одним из наиболее распространенных элементов является реле — устройство, в котором при плавном изменении входного (управляющего) сигнала осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала.

В электромеханических реле изменение (переключение) выходного сигнала осуществляется посредством контактов, а усилие, перемещающее контакты, создается электромеханическим преобразователем электрической энергии в механическую. Простейшим из таких преобразователей является электромагнит. Поэтому из электромеханических реле наибольшее распространение получили электромагнитные реле.

Пусть входной сигнал х_вх изменяется во времени непрерывно (т. е. может принимать любые значения) от нуля до некоторого значения, а затем также непрерывно уменьшается, как показано на рис. 1, а. Сначала при малых значениях х_т выходной сигнал х_вых равен нулю. Но когда входной сигнал увеличится до некоторого значения х_вхср, выходной сигнал скачком примет значение х_выхср (рис. 1, б). При дальнейшем увеличении входного сигнала выходной сигнал не изменяется и остается равным х_выхср. При уменьшении сигнала х_вх значение выходного сигнала не изменяется, но при уменьшении его до значения х_выхотп выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При дальнейшем уменьшении входного сигнала нулевое значение выходного сигнала сохраняется. Зависимость выходного сигнала от входного показана на рис. 1, в.

Рис. 1. Характеристики реле

Значение входного сигнала х_{вх ср}, при котором выходной сигнал скачком изменяется от 0 до х_выхср, называется сигналом срабатывания. Значение входного сигнала х_вхотп, при котором выходной сигнал скачком изменяется от х_выхср до 0, называется сигналом отпускания. Как правило, сигнал срабатывания больше сигнала отпускания (х_тср > х_вхотп). Поэтому изменение х_вых при увеличении х_вх происходит по одному графику, а при уменьшении х_вх — по другому (рис. 1, в). В этом случае можно сказать, что характеристика реле имеет петлю гистерезиса. В ряде случаев, когда значения сигналов срабатывания и отпускания близки, гистерезисом можно пренебречь. В этом случае зависимость показана на рис. 1,г. Теперь рассмотрим изменение выходного сигнала при изменении полярности входного сигнала. Если полярность выходного сигнала не влияет на полярность выходного сигнала, то при х_вх = -х_{вх ср} выходной сигнал скачком изменяется от нуля до х_{вых. ср} (рис 1, д). Такую характеристику имеют нейтральные реле. Если полярность выходного сигнала влияет на полярность выходного сигнала, то при х_вх = -х_вхср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до -х_выхср (рис. 1, е). Такую характеристику и подобные ей имеют поляризованные реле.

По принципу действия различают электромеханические реле, магнитные бесконтактные реле, электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические реле и др.

Рис. 2. Схема сигнализации с электромагнитным реле

Реле применяются в схемах автоматического управления, а также для сигнализации, защиты и блокировки.

Рассмотрим работу реле на примере схемы сигнализации, показанной на рис. 2, с использованием реле. Реле состоит из обмотки 1, размещенной на неподвижном сердечнике 2, подвижного якоря 3 и контактов 4, 5, 6. Сердечник с обмоткой и якорем представляет собой электромагнит. Когда под действием напряжения U по обмотке 1 проходит ток I, якорь 3 притягивается к сердечнику 2 и перемещает подвижный контакт 6 влево. При этом контакты 5 и 6 размыкаются, а контакты 6 и 4 замыкаются. Контакт 6 размещен на плоской пружине. Когда ток в обмотке 1 прекратится, сила притяжения якоря 3 к сердечнику 2 будет равна нулю и усилие сжатой пружины контакта 6 заставит якорь вернуться в прежнее положение. При этом снова замкнутся контакты 5, 6 и разомкнутся контакты 6 и 4. Таким образом, основными частями реле являются электромагнит, контактный узел и противодействующая пружина.

Сигнализация по схеме на рис. 2 работает следующим образом. Пока кнопка не нажата, ток в реле не поступает и горит лампа HL1 (зеленая), которая питается напряжением сети переменного тока U_~ через замкнутые контакты 5 и 6. Лампа HL2 (красная) при этом не горит, поскольку контакты 6 и 4 разомкнуты. Если нажата кнопка, то ток идет в обмотку реле, оно срабатывает (т. е. в электромагните якорь 3 притягивается к сердечнику 2) и замыкаются контакты 6, 4, а контакты 5, 6 размыкаются. Загорается лампа HL2 (красная), получая питание через контакты 6, 4, а лампа HL1 гаснет. Так будет до тех пор, пока нажата кнопка. Если ее отпустить, то схема возвратится в исходное состояние.

На рис. 3 показана электрическая схема, соответствующая рис. 2, на которой использованы стандартные условные обозначения элементов. Обмотка реле обозначена прямоугольником. Контактные пары 5—6 и 6—4 показаны в том состоянии, в котором они находятся, когда ток по обмотке реле не проходит. Контакты 5—6 называются размыкающими, контакты 6—4 — замыкающими. Обратите внимание на то, что обмотка реле и его контакты обозначены одинаковыми буквами К. На электрической схеме они могут находиться в самых разных местах, хотя конструктивно относятся к одному и тому же устройству. Одно реле может иметь несколько замыкающих и размыкающих контактов, но все они должны обозначаться одинаковыми буквами (или буквами и цифрами, если в схеме используется несколько реле).

Рис. 3. Электрическая схема сигнализации (условное изображение)

Ток и мощность в цепи обмотки реле обычно значительно меньше, чем ток и мощность в цепи нагрузки, переключения в которой осуществляются с помощью контактов этого реле. Поэтому можно говорить об эффекте усиления, обеспечиваемом реле. Это значит, что кнопка в цепи обмотки реле может быть маломощной. Например, вместо нее можно применить путевой выключатель или микропереключатель. А контакты реле уже могут быть достаточно мощными, но они размещены в более благоприятных условиях, чем управляющие контакты путевого выключателя, находящегося непосредственно на производственном механизме. Само реле находится обычно в каком-либо шкафу управления, а в конструкции реле предусмотрены меры по защите контактов.