Pull to refresh

Электромагнитное реле. Что мы знаем о нём, кроме того, что слово произошло от французского «relais»?

Reading time13 min
Views10K
image

«Вольная борьба — с соблазнами, классическая — с предрассудками.»
В. Ерофеев, записные книжки aka «Бесполезное ископаемое».


Once upon a time… (где то около года несколько лет назад я кратко поспорил на Хабре:
olartamonov
Диод, накоротко шунтирующий обмотку реле, сильно увеличивает время его размыкания — и, соответственно, искрение на контактах.
VT100
… Это может показаться контринтуитивным, но увеличивает он не столько время размыкания, сколько время от снятия сигнала управления до начала размыкания. Это следует из энергии запасённой в обмотке реле и квадрата отношения напряжений питания и отпускания реле (при типичных напряжениях — не менее 90% энергии будет рассеяно на диоде). А собственно время размыкания — определяется, в основном, только механикой реле (усилие пружин и инерция подвижных частей).

Да, там есть ещё некоторый всплеск тока катушки, обусловленный изменением индуктивности при размыкании магнитопровода. Но начальный момент его размыкания — это ещё не момент начала размыкания контактов, КМК. …
olartamonov
Нет, это не так.

TL;DR
Я считаю, что предрассудок «диод параллельно катушке реле это плохо» — не верен. Влияние диода не так велико, а в некоторых случаях — полезно.


Конструкция типичного реле


Как многие помнят, типичное реле состоит из электромагнита (катушки с сердечником из магнито-мягкого материала), подвижной системы (якорь, притягиваемый электромагнитом, его возвратная пружина и пружины контактов) и контактов, замыкаемых и размыкаемых при перемещении якоря.

image

Из неотмеченных в этом ролике и, возможно, недостаточно очевидных особенностей реле — обратите внимание на тот факт, что замыкание нормально открытых контактов (т.е. разомкнутых при отсутствии тока в катушке) происходит ещё до момента замыкания якоря и сердечника реле. Это создаёт необходимое усилие смыкания контактов и обеспечивает их очистку за счёт сдвига друг относительно друга ([1], стр. 18, 23, 24). То же происходит и при их размыкании: сначала начинает двигаться якорь, потом — размыкаются контакты.

Но зачем вообще нужен диод (демпфер) параллельно катушке реле?


Электромагнит имеет некоторую индуктивность. При быстром прерывании тока через индуктивность на её зажимах генерируется значительная ЭДС, пытающаяся поддержать ток на прежнем уровне. Так, при прерывании тока транзисторным ключом, напряжение на его коллекторе может превысить 1000 В (по абсолютной величине) и вызвать пробой коллекторного перехода транзистора. В лучшем случае — обратимый, в худшем — с выходом транзистора из строя. Вот, что показывает SPICE симуляция в TINA-TI.

Напряжение на коллекторе ключевого транзистора и ток катушки реле при отсутствии демпфирования.



То же, напряжение на коллекторе в меньшем масштабе. Обратите внимание на прямое смещение коллекторного перехода. Мгновенное напряжение на коллекторе в выбранной точке достигает достигает 40 вольт.



Демпфирование диодом — ничего неожиданного. Ток спадает экспоненциально за счёт сопротивления катушки (>> сопротивления открытого диода).



И резистором — более быстрый экспоненциальный спад.



Демпфирование стабилитроном — быстрый спад, близкий к линейному (напряжение стабилизации делёное на сопротивление катушки). Но тут — снова происходит резкое прерывание ненулевого тока (при ЭДС самоиндукции меньше напряжения стабилизации) и мы видим затухающие колебания, сходные с колебаниями в обратноходовом (Flyback) источнике питания с RCD демпфером. Это — возможный источник помех в соседних цепях.



Вот эти колебания в меньшем масштабе. Опять появляется прямое смещение коллекторного перехода ключа, хотя — уже не такое жестокое. Но однократная помеха — проникает в цепь управления ключом.



Теоретическое опровержение предрассудка


Моя идея — базируется на известном соотношении между током катушки индуктивности (электромагнита) и энергией, запасённой в её магнитном поле: E = LI2/2 (L — индуктивность катушки, I — ток через неё). Заменяя ток на напряжение по известному сопротивлению катушки, из справочных данных на минимальное напряжение удержания, — получаем озвученные мною 90%. Тут я упустил из внимания, что напряжение удержания указывается минимальным и на практике — оно обычно несколько больше указанного в документации. Но «квадрат» («хорошо, что пополам») — работает в пользу моей гипотезы. Для рассеяния 90% энергии необходимо фактическое напряжение отпускания чуть меньше, чем треть от номинального. А это укладывается в datasheet большинства реле.

При выключении реле, до тех пор, пока ток через катушку реле не упадёт достаточно для отпускания якоря, — нормально открытые контакты всё еще остаются замкнутыми, их движения нет, поэтому — нет ни дуги, ни какого-либо их износа. См. [1], стр. 48 и 53, рис. 25 и 28, описание «электрической задержки» в работе реле, обусловленной индуктивностью и активным сопротивлением катушки.

Эксперименты


Пользуясь недавним избытком свободного времени (весенние «каникулы» 2020 года), я решил закрыть «технический долг» перед самим собой и исследовать, как и на сколько влияет тип применённого демпфера катушки реле на механическое движение его контактов в части времени перехода подвижного контакта между неподвижными (другими словами — скорости достижения зазора, достаточного для гашения дугового разряда) и числа импульсов дребезга (числа возможных дуговых разрядов при каждом переключении). А также — как меняется индуктивность катушки в зависимости от тока и положения якоря. Для опытов были привлечены силовые реле с номинальным напряжением катушки 24 В (промавтоматика):

  • G2R производства Omron, реле с одним переключающим контактом для монтажа на печатную плату;
  • R4 производства Relpol и HJQ-22F-4Z производства Tianbo, реле с четырьмя переключающими контактами для монтажа в колодку;
  • SIM222 производства Elesta, безопасное реле с четырьмя изолированными механически связанными контактами, 2 нормально закрытых (замкнутых, далее по тексту — НЗ, включая аналогичный контакт реле с переключающими контактами) и 2 нормально открытых (разомкнутых, далее — НО).

Измерение времени движения подвижного контакта производилось на основе методики, изложенной в [2]. При подаче и снятии напряжения с катушки производится измерение её тока (магнитодвижущей силы) синхронно с определением состояния НО и НЗ контактов (закнуты, разомкнуты, происходит дребезг) в течении времени, достаточного для полного переключения (с учётом применённой аппаратуры — получилось 23 мс). Для измерений использованы следующие демпферы:

  • TVS диод 1.5KE150A с напряжением ограничения 150 В ном. (итого — перенапряжение на ключевом транзисторе VT2 достигает 174 В ). Это я считаю как «практически полное отсутствие демпфирования» и использую полученные значения как базовые;
  • noname стабилитрон на 24 В в корпусе DO-35 (BZX55C24? Итого — перенапряжение около 48 В);
  • резистор, обеспечивающий перенапряжение примерно вдвое больше рабочего напряжения катушки (исходя из условия неразрывности тока катушки в момент запирания управляющего транзистора — сопротивление резистора получается в полтора-два раза больше её сопротивления, итого — перенапряжение около 70-80 В);
  • диод 1N4148 в корпусе DO-35 (перенапряжение практически отсутствует).


Аппаратура и ПО для измерения времени движения подвижного контакта и дребезга.


Источник питания реле — на базе импульсного преобразователя 33063 (34063). На входе напряжение 12 В от ПК, на выходе — около 24 В (номинальное напряжение питания реле, падением 0.2-0.4 В на ключе управления и токоизмерительном резисторе — пренебрегаем). Питание управляющего микроконтроллера — от 3-х выводного линейного стабилизатора типа LM2931 на напряжение 5.0 В. Собственно измеритель — на микроконтроллере ATmega88A (что нашлось в запасах) с тактовой частотой 11.052 МГц.

Ток катушки реле измеряется по падению напряжения на R12, незначительно фильтруется C11 и R11, усиливается DA3 и подаётся на вход ADC5. Используется внутренний источник опорного напряжения (1.1 В ном.) зашунтированный внешним конденсатором (0,1 мкФ, на схеме не показан).

Синхронное управление катушкой реле (0.5 Гц) и запуском АЦП (10800 Гц) обеспечивает 16-и битный таймер № 1. Драйвер катушки в пояснениях не нуждается? Диод VD2 используется при испытаниях демпфирования TVS и стабилитроном, для исключения замыкания выхода ключа через демпфер.

Состояние контактов реле считывается по входам внешних прерываний PCINT21 и PCINT22. Учитываются изменения не короче 3.3 мкс (C6*R3), т.е. примерно на порядок меньше ожидаемого времени дребезга. В прерывании «pin change interrupt 2» ведётся накопительный счётчик дребезга контактов. В прерывании сравнения таймера 1 — считывается состояние контактов (замкнут/разомкнут) за прошедший период синхронно с запуском (выборкой значения тока) АЦП.

В прерывании по готовности данных АЦП инициируется передача данных на ПК (через USART на скорости 460800 Бод, по прерываниям, через FT232):

  • 2 байта данных тока катушки с замешанными в старшие разряды (15 и 14) битами состояния контактов реле;
  • 1 байт счётчика импульсов дребезга с его обнулением.

При каждом включении/выключении реле производится по 256 измерений всех параметров (256/10800 ~ 23,7 мс). Для набора статистики производится некоторое количество (в приложенных файлах — по 127 циклов) включений/выключений реле.
ПО [7] написано в WinAVR 2010. Теоретически, оно без изменений скомпилируется и для Arduino Nano на ATmega328.

Обработка полученных данных проводится в excel (давно ничего не программировал на ПК, так — проще), файл parse_long [7]. Оригиналы принятых данных (8-битные значения по 3 в строке — число импульсов дребезга, MSB тока катушки и состояние контактов, LSB тока катушки) сохраняются на листе «Исходные данные». Потом, по одному набору, они копируются в столбцы A:C листа «Расчёт». На листах «Ток (замык.)», «Ток (разм.)», «Изменения (замык.)», «Изменения (разм.)» и «Контакты (разм.)» они разбираются в 127 групп по 256 последовательных во времени значений и вычисляются средние значения (для тока на листах «Ток ...») или суммы (для числа импульсов дребезга на листах «Изменения ...») для каждых 127 значений, полученных в одно и то же время. Вычисленные значения возвращаются на лист «Расчёт» (в столбцы «Ток замыкания», «Число переключений при замыкании», «Ток размыкания» и «Число переключений при размыкании»). В столбцах O:S задаются начальные строки «окон» для определения матожидания и дисперсии времени замыкания и размыкания контактов. При подаче питания на катушку, «Т. 1 на замыкании» это момент размыкания НЗ контакта, а «Т. 2 на замыкании» это момент первого замыкания НО контакта. При снятии питания с катушки — наоборот, «Т. 1 на размыкании» это момент размыкания НО контакта, а «Т. 2 на размыкании» это момент первого замыкания НЗ контакта. Также — данные с листа «Расчёт» выводятся в графики тока катушки и импульсов на контактах на листе «График».

Поскольку интересуют только относительные данные во временной области — АЦП не калибруется и ток не переводится в реальные миллиамперы, а показывается в целочисленных данных с АЦП.

Данные о состоянии контактов с листа «Контакты» (1 — замкнут НО контакт, 2 — замкнут НЗ, 3 — разомкнуты оба) используются для справки.



Вот пример графиков включения и выключения реле R4 с демпфером 1N4148 (наиболее удобный для подписей, т.к. графики включения и выключения не накладываются друг на друга). Как видно, подписи к осциллограммам тока катушки в «3C9132. Proper Coil Drive is Critical to Good Relay and Contactor Performance» [6] — недостаточно верно описывают поведение подвижной системы ввиду отсутствия информации о состоянии контактов и вообще не рассматривают выключение реле. В «13C3264. Coil Suppression Can Reduce Relay Life» [6] — рассмотрено именно выключение, но также не рассматривается состояние контактов — только ток катушки. В отличие от 3C9132 — включение НО контакта происходит ещё до локального минимума тока в середине графика (завершение движения якоря), что достаточно очевидно ввиду того, что необходимо создать «натяг» в соединении НО и подвижного контактов, а это как раз и требует их замыкания ещё до завершения движения якоря. В отличие от 13C3264 — во всех случаях применения диодного демпфирования процесс переключения реле уже завершается (замыканием НЗ контакта) во время локального максимума тока катушки.

Таблица 1 [7]. Времена от изменения сигнала управления ключом до первого изменения состояния контактов (размыкания НЗ контакта при подаче тока в катушку или размыкания НО контакта при отключении подачи тока), числа импульсов дребезга при изменении состояния контактов и времена движения контактов между первым и вторым изменением состояния (перехода подвижного контакта от НЗ к НО и обратно).



При обмере SIM222 погиб на боевом посту единственный наличный MPSA92. Из приемлемых замен нашёлся только КТ814В, поэтому измерения с TVS 1.5KE150A в роли «почти отсутствующего» демпфера не проводились.

1 — смотрите далее по тексту об особенностях механики этого реле.
2 — дребезг продолжается, как минимум, до истечения времени захвата данных.


Выводы


  • Что действительно сильно затягивается, так это время от снятия напряжения с катушки реле до размыкания НО контакта (именно это, не несущее информации о влиянии на ресурс, время drop-out time — мы видим в документе «13C3311. The application of relay coil suppression with DC relays» [6]). И любая схема демпфирования, в том числе и со стабилитроном, — увеличивает его. Для демпфера на 24 В стабилитроне увеличение относительно «почти отсутствующего» демпфера на 150 В TVS составляет около 80 %. Для простого диодного демпфера — ещё больше, 200-300 %. Но, ещё раз, — это время не влияет на ресурс контактов, т.к. они всё ещё остаются замкнутыми.
  • Схемы демпфирования с полным поглощением энергии катушки (резистором или диодом) — имеют свои преимущества. Например, они снижают скорость удара подвижного контакта о НЗ и тем самым существенно снижают время его дребезга — от 14 до 30 % для диодного демпфера. У некоторых реле (R4) — снижается и длительность дребезга при размыкании НО контакта [5]. Облегчается режим работы ключевого транзистора и улучшается помеховая обстановка.
  • При наиболее агрессивной схеме демпфирования (диодом) время перехода подвижного контакта от НО к НЗ контакту при снятии напряжения с катушки реле действительно увеличивается. По сравнению с демпфированием стабилитроном увеличение составило от 23 до 46 % (в зависимости от типа реле). Так что заявления о затягивании времени выключения реле в разы [интернет, 3, 6] — являются ложными.

В заключение измерений времени движения контактов надо отметить, что изучение реле по описанной методике позволяет узнать много «гитик» о временах срабатывания, параметрах дребезга контактов и даже — о механике подвижной системы:

  • Механике реле R4 (может быть — многих реле данного габарита и конструкции?)— свойственен некий «прогрев», выражающийся в уменьшении времени срабатывания в течении первого десятка быстрых срабатываний после длительного простоя.
  • Особняком выступило реле G2R с большим люфтом в подвижной системе. При подаче напряжения на катушку — якорь успевает набрать довольно большую скорость до тех пор, пока не наткнётся на подвижный контакт. Ударившись о подвижный контакт и отскакивая, якорь вызывает этим около десятка импульсов дребезга НЗ контакта, колебания всей подвижной системы (видны как колебания тока катушки, см. изображения ниже) и даже — новое замыкание НЗ контакта. Вот тут — во всей красе себя проявляет диодный демпфер, который единственный и полностью подавляет эту неприятность! Я, правда, так и не придумал объяснения этому факту, т.к. напряжение на катушке реле вряд ли меняет свой знак при этих колебаниях (будучи подключенным через низкое сопротивление насыщенного транзистора к низкому сопротивлению источника напряжения), а ёмкость обратно смещённого диода — мизерна по сравнению с собственной ёмкостью катушки… Возможно — надо рассмотреть катушку этого реле как элемент с распределёнными, а не сосредоточенными параметрами (индуктивность, сопротивление). А индуктивность — как переменную, модулируемую массой якоря и упругостью его пружины.

    Графики для G2R с демпфированием стабилитроном и диодом.




  • Я, конечно, и не подумал бы ловить релюшкой миллисекунды для включения/выключения в нуле или максимуме сетевого напряжения. Теперь — я знаю, что так делать следует только при адаптивном управлении [6 — «13C9134. Contact Load/Life Performance Enhancement»], да и то — со множеством условий.
  • Вряд ли следует пытаться ускорить включение реле форсировкой напряжения. Очевидно, что платой станет не только увеличение скорости движения якоря, но и дребезга. [4 — в комментариях и 6 — «13C9133. DC Relay Coil Power Reduction Options»]
  • Рассмотрение числа импульсов дребезга контактов — также может быть полезным. У некоторых реле (R4) отмечен большой дребезг НО контакта при его размыкании в отсутствие демпфирования катушки (+95 %) и минимальное число импульсов — именно с диодным демпфером. У других (SIM222) — длительный дребезг НЗ контакта (как я понимаю — из-за большей массы подвижных частей и большей упругости жёстко и параллельно соединённых подвижных контактов) и самый «размазанный» во времени процесс его размыкания (однако — вполне укладывающиеся в datasheet).

(TL;DR)2


Также — я постарался измерить изменение индуктивности катушки при перемещении якоря, чтобы как-то подвязать и его в формулу энергии. Но изменения — достаточно малы (1,5-2 раза), чтобы не брать их в рассмотрение, ввиду малости по сравнению с квадратом изменения тока. Кроме того — в энергетических расчётах надо бы учесть и энергию возвратных пружин.

Ещё немного, для самых стойких.
«13C3344. Determining Relay Coil Inductance» [6] — предлагает измерить индуктивность в одном положении якоря (включенном вручную уже при нулевом напряжении). Я решил собрать немного больше данных и с минимальным вмешательством в работу реле.



Источник питания — тот же, с несколько большим выходным напряжением (около 30 В при R2 = 13 кОм, R1 = 560 Ом).

Для измерения индуктивности использован типичный 3-точечный генератор с ёмкостной обратной связью (правая часть схемы). Ток коллектора (устанавливается R8) выбран минимально достаточным для возбуждения (с амплитудой не более 2 В~ на катушке) при подаче на катушку реле номинального постоянного напряжения. Для снижения уровня высших гармоник связь контура с генератором выбрана небольшой (отношение ёмкости C2 к ёмкости последовательных C3 и C4) и используется последовательный резистор R7. Частота установлена небольшой, что-бы уменьшить влияние потерь в сердечнике. Сигнал с базы генератора через буферный ОУ и развязку по постоянному току (C5, R10) подаётся на звуковую карту ПК.

Чтобы не закорачивать контур по переменному напряжению, постоянное напряжение на катушку реле подаётся с помощью генератора тока (с относительно высоким выходным сопротивлением). Сопротивление R4 в эмиттерной цепи регулирующего транзистора задаёт нужный максимальный уровень тока и, через сопротивление катушки реле (640 Ом ном. для реле типа R4), максимальное напряжение на ней (2.5 В * 640 Ом / 68 Ом = 23.5 В=). Уменьшая (относительно положительного полюса источника питания) напряжение на неинвертируюшем входе ОУ можно задать произвольное напряжение на катушке реле. А подав сигнал через RC-цепочку — записать коротенький трек в стиле техно-индастриал [7].

Оказалось, что индуктивность относительно мало меняется в моменты замыкания и размыкания подвижной системы (всё равно остаются зазоры в шарнире якоря и неплотность прилегания якоря к сердечнику) и, при достижении током номинального значения, падает из-за насыщения якоря и сердечника.

Индуктивности катушки (Гн) в зависимости от напряжения на катушке (В) и состояния подвижной системы реле (замкнуты или разомкнуты контакты и есть ли немагнитный зазор между якорем и сердечником) приведены в следующей таблице. В конструктивно схожих реле R4 и HJQ-22F — у первого, визуально, якорь плотнее прилегает к сердечнику. У реле G2R и HJQ-22F — напротив, на якоре есть пуклёвка, обеспечивающая явную неплотность посадки якоря на сердечник. Вероятно, это и обусловило относительно меньшее изменение индуктивности у HJQ-22F.

Таблица 2 [7]. Индуктивности катушек реле и приложенное к ним напряжение в зависимости от состояния подвижной системы.



Переключайтесь правильно и да пребудет с вами сила тока!

Литература:

  1. Мощные электромагнитные реле. Справочник инженера. С.-Петербург, 2001, 152 страницы.
  2. Применение метода осциллографического анализа динамических характеристик электромагнитных реле для его технической диагностики.
  3. О перенапряжениях в электромагнитных реле и некоторых способах их уменьшения. Время движения контактов реле РЭС47, 48, 49, 60 при шунтировании катушки диодом — увеличивается в 2..5 раз, но это недостаточно релевантно по отношению к моим измерениям — я обмерял силовые реле, а тут — упомянуты скорее сигнальные.
  4. https://habr.com/ru/company/wirenboard/blog/422197/
  5. https://habr.com/ru/company/unwds/blog/390601/#comment_17300559
  6. Рекомендации по применению электромагнитных реле от TE Connectivity (TYCO).
  7. Архив с программным обеспечением, таблица с полученными данными и расчётами, итоговые таблицы и техно-индастриал.
  8. Файл «Relay delay okey» от Gunnar Englund с подтверждением тезиса о практической неизменности скорости движения подвижной системы реле вне зависимости от типа демпфера. Он попался в мои сети уже в этом году.

P.S. В отличие от автора эпиграфа, который «если и насиловал кого — так только факты в угоду предвзятой идее», у меня - всё точно.
— Я же просил 400 капель, а тут 402.
— Ну какая Вам разница? 400, 402… Главное — не 404!
Tags:
Hubs:
Total votes 28: ↑28 and ↓0+28
Comments22

Articles