В отличие от классических реле, которые требуют постоянного питания для удержания состояния, импульсные реле сохраняют свое положение (включено или выключено), пока не получат следующий управляющий импульс для изменения состояния.

Из-за этого качества, в следствие которого устройства имеет два устойчивых состояния: включенное и выключенное — данные реле также называют бистабильными (двустабильными).

Назначение импульсных реле

Сфера применения импульсных реле охватывает разные направления, где автоматизация требует удаленного контроля за одним объектом из нескольких точек.

Бистабильные реле часто используются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях. Для создания сложных схем внутреннего и наружного освещения.

В промышленности реле применяются для управления оборудованием, конвейерными линиями. В системах железнодорожной автоматики в качестве путевого приемника импульсных рельсовых цепей, контролирующих целостность рельсовых нитей на станциях и перегонах.

Устройство импульсных реле

Электромеханическое бистабильное реле состоит из следующих основных компонентов:

Магнитная система. Катушка с сердечником создают магнитное поле при прохождении тока через обмотку.

Якорь. Подвижная часть реле, которая перемещается под воздействием магнитного поля катушки. По характеру движения выделяются якоря с угловым движением (поворотные/клапанные) и втяжные.

Контактная группа. Сформирована неподвижным(-и) и подвижным (переключающим) контактом, где последний замыкается с одним из неподвижных контактов посредством движения якоря.

Система фиксации. Обеспечивает удержание якоря посредством подмагничивания сердечника катушки, или с помощью механических фиксаторов, например, храповиков или «качалок» с двумя устойчивыми положениями.

Рисунок 1. Устройство электромагнитного реле
(1 – катушка, 2 – сердечник, 3 – якорь, 4 – контактная группа)

Иногда внутри прозрачных корпусов реле также устанавливаются механические индикаторы положения контактов («флажки», блинкеры) и тумблеры, позволяющие вручную управлять переключением реле.

Конструкция бистабильного реле может включать одну или две намагничивающие обмотки.

Принцип работы бистабильного реле

Импульсные реле работают по принципу всех электромагнитных реле. Но как уже отмечалось, главное отличие заключается в том, что для работы обычного реле требуется постоянное питание, а для работы импульсного — разовая подача сигнала.

Рисунок 2. Принцип действия электромагнитного реле

При получении кратковременного электрического импульса катушка генерирует магнитное поле, воздействующее на якорь. Якорь перемещается и активирует соответствующую группу контактов, замыкая или размыкая цепь нагрузки.

После прекращения подачи импульса якорь фиксируется в новом положении благодаря магнитному или механическому фиксатору. Таким образом, реле сохраняет заданное состояние до поступления нового управляющего сигнала.

Для изменения текущего состояния реле необходим еще один импульс, который вызовет перемещение якоря в противоположную сторону, изменив конфигурацию контактной группы.

Важно отметить, что у нейтральных реле катушки обычно имеют одну рабочую обмотку. При этом допускается наличие двух обмоток — тогда каждая из них служит для замыкания/размыкания отдельных контактных групп реле.

Поляризованное реле

Несколько иной принцип действия у поляризованных реле.

Поляризованное реле – это устройство, в котором состояние коммутируемых контактов зависит от направления протекания тока в обмотке его электромагнита, то есть от полярности его подключения. Эта зависимость обеспечивается дополнительным магнитным потоком, который создается встроенным в магнитопровод постоянным магнитом. Таким образом для перевода устройства в другое стабильное состояние требуется кратковременно подать импульс противоположной полярности.

Рисунок 3. Устройство и принцип действия поляризованного реле
(1 – обмотка, 2 – постоянный магнит, 3 – якорь)

Управление положением якоря в однообмоточном поляризационном реле осуществляется посредством взаимодействия двух магнитных потоков: поляризующего (Фп) и рабочего (Фк).

Поляризующий магнитный поток генерируется постоянным магнитом (3) и характеризуется постоянным направлением от полюса N к полюсу S. Рабочий магнитный поток возникает в результате прохождения тока по обмотке реле (2) и его направление зависит от направления тока в обмотке. Якорь (3) будет перемещаться в сторону, где оба магнитных потока будут иметь одно и то же направление (т.к. это приводит к усилению магнитного поля).

На рисунке 3, якорь притянут к левой стороне.

Магнитный поток Фп, генерируемый постоянным магнитом, разветвляется по двум параллельным ветвям. Благодаря отсутствию воздушного зазора на левой стороне, магнитный поток на этой половине имеет большую величину, что приводит к более сильному магнитному полю. В результате якорь удерживается на левой стороне, что является исходным положением реле.

При подаче питания на катушку бистабильного реле, магнитный поток постоянного магнита Фп и магнитный поток, создаваемый обмоткой катушки Фк, взаимодействуют на каждой стороне сердечника. На правой стороне эти потоки складываются (Фп + Фк), в результате чего образуется усиленное магнитное поле. Напротив, на левой стороне потоки вычитаются (Фп - Фк), что приводит к ослаблению магнитного поля.

Усилие, создаваемое суммарным магнитным потоком (Фп + Фк) на правой стороне, превышает усилие, создаваемое на левой стороне магнитным потоком (Фп - Фк). Это приводит к переключению поляризованного якоря в правое положение.

После выключения тока поляризованный якорь остается в правом положении, поскольку отсутствие воздушного зазора на этой стороне приводит к увеличению силы магнитного потока. Это положение, якорь будет сохранять до тех пор, пока не будет получен новый сигнал с рабочим магнитным потоком в обратном направлении.

Это явление обеспечивает стабильность положения поляризованного якоря и позволяет реле сохранять свое состояние даже после отключения тока.

Однако стоит отметить, что подобное управление создает определенные сложности, т.к. вместо одиночного переключателя необходимо использовать сдвоенный переключатель, обеспечивающий биполярный сигнал управления.

Поэтому у поляризационных реле наиболее часто применяется катушка с двумя обмотками, где каждая обмотка отвечает за замыкание или размыкание реле, в целом.

Таким образом, количество намагничиваемых обмоток на катушке имеет разное назначения для нейтрального и поляризованного реле.

Комбинированное реле

Комбинированное реле представляет собой устройство, объединяющие в единой магнитной системе элементы и свойства нейтрального и поляризованного реле. Реле является трехпозиционным, так как оно может находиться в трех различных состояниях: без тока, возбуждено током прямой или обратной полярности.

Устройство комбинированного бистабильного реле
Рисунок 4. Устройство комбинированного реле
(1 – катушка, 2 – сердечник, 3 – постоянный магнит, 4 – поляризованный якорь, 5 – нейтральный якорь, 6 – изолирующие планки)

Электромагнитная система комбинированного реле включает две катушки (1), установленные на сердечниках (2), постоянный магнит (3), нейтральный якорь (5) и поляризованный якорь (4). Управление контактами осуществляется посредством изолирующих планок (6), связанных с якорями.

В отсутствие тока в обмотках нейтральный якорь находится в отпущенном положении, при котором его общие контакты замкнуты с тыловыми контактами. При протекании тока любого направления по обмоткам нейтральный якорь подвергается магнитному притяжению и перемещается в направлении, определяемом магнитным полем. В результате его общие контакты замыкаются с фронтовыми контактами.

Поляризованный якорь, в свою очередь, управляется магнитным потоком постоянного магнита и потоком, создаваемым обмотками катушек. В отсутствие тока в обмотках поляризованный якорь находится в одном из крайних положений, с наибольшей величиной магнитного потока. При подаче импульса обратной полярности, якорь будет перебрасываться в ту сторону, где магнитные потоки будут иметь одно направление.

Таким образом, нейтральный и поляризованный якорь комбинированного реле функционирует аналогично якорям обычного нейтрального и поляризованного реле, соответственно.

Важно отметить, что все комбинированные реле обладают одним общим недостатком, связанным с изменением полярности тока в обмотках. Изменение направления магнитного потока приводит к тому, что в момент прохождения через нулевое значение реле временно отпускает нейтральный якорь.

Технические характеристики импульсного реле

При выборе бистабильного реле для конкретного применения важно учитывать следующие ключевые технические характеристики:

Тип тока управления. Постоянный или переменный.
Номинальный ток и напряжение. Рабочие значения для силовой цепи и цепи управления, при которых обеспечивается нормальное функционирование реле.
Максимальный ток контактов. Максимальная сила тока, которую могут выдержать контакты реле без их повреждения.
Ток срабатывания. Минимальное значение тока, необходимое для активации реле.
Время срабатывания. Время, необходимое для полного замыкания/размыкания контактов после подачи управляющего сигнала.
Количество и тип контактов. Количество контактов определяет количество возможных соединений. Тип контактов (нормально разомкнутые или нормально замкнутые) влияет на начальное состояние реле перед подачей управляющего сигнала.
Полярность. Полярность управляющего сигнала (прямая, обратная) важна при подключении поляризованных реле.
Рабочая температура. Диапазон рабочих температур, при котором реле сохраняет свою работоспособность.
Ресурс. Гарантированное количество циклов срабатывания, которое может выдержать устройство.

Важно обращать внимание на начальное сопротивление контактов. Износ контактной группы приводит к увеличению сопротивления, и как следствие, падению напряжения и повышению тепловыделения при протекании тока, что в свою очередь влияет на эффективность работы реле, в целом.

Также можно ознакомиться с ГОСТ 16121-86 «Реле слаботочные электромагнитные» и ГОСТ 17523-85 «Реле электромагнитные». В рамках данных стандартов содержатся пояснения к большинству эксплуатационных свойств импульсных реле.