Уф-ф, наконец-то доделал статью, которая лежала в черновиках года 2.
Мы возвращаемся к школьной программе по физике. В теме о применениях электромагнитов сказано об электромагнитных реле. Правда как-то вскользь, так что не особо понятно, зачем вообще все это нужно и какое имеет значение. Вот сейчас мы такую штучку и опробуем практически на уровне простого опыта. Особенно важно же хорошо ознакомиться с этой темой тем читателям, что собираются участвовать в создании лабораторного блока питания.
Реле - устройство, в общем-то, нехитрое. Электромагнит и якорь - сделанный из стали изогнутый двуплечий рычаг. При пропускании тока через обмотку нижнее плечо якоря притягивается к сердечнику. Якорь слегка поворачивается и своим верхним плечом через толкатель из изоляционного материала нажимает на подвижный контакт, прижимая его к неподвижному.
На данном рисунке показано реле с контактами, замыкающимися при срабатывании реле. Но бывают и системы, в которых контакты при срабатывании реле наоборот размыкаются. Комбинация трех контактов - подвижного, замыкающего и размыкающего образует группу контактов на переключение. Наконец, одно реле может иметь несколько изолированных друг от друга групп контактов. Не только одинаковых, но и разного типа: на замыкание, на размыкание, на переключение. Благодаря этому схемы на реле могут осуществлять довольно сложные логические функции в различных автоматических устройствах. Первые ЭВМ делались на реле, и содержали их не так уж и много по сравнении с тем, сколько бы понадобилось транзисторов для тех же функций. Посудите сами: одного реле с двумя независимыми группами контактов на переключение достаточно, чтобы по команде поменять полярность подключения любого устройства. А как вам придется извращаться, чтобы сделать такую схему на транзисторах?
Второе важнейшее достоинство реле - усиление. Через контакты реле может проходить мощность многократно большая, чем требуется для его срабатывания. Собственно, реле и создали в 19 веке сначала как усилитель для компенсации затухания сигналов телеграфа в длинных международных линиях. Это - первый в истории электроники усилитель, правда только дискретных (цифровых))) сигналов.
Еще одно достоинство реле - то, что электронщики называют гальванической развязкой. Смотрите - цепи электромагнита и контактов совершенно отдельны, изолированы друг от друга. Контакты могут что-то включать в сети 220 или 380 вольт, а цепи управления, если питаются через трансформатор, также обеспечивающий развязку, могут быть низковольтными и совершенно безопасными для любых манипуляций.
Наконец, контакты реле, в отличие от транзисторов, также используемых для коммутации разных цепей, безразличны к полярности напряжения. Могут коммутировать цепи и постоянного и переменного тока. Управляющая и коммутируемая цепь могут находиться под любыми потенциалами относительно друг друга, хоть постоянными, хоть переменными. Хотите с помощью реле автоматизировать или перевести на радиоуправление нажатие кнопок в каких-нибудь электронных часах или калькуляторах? - Нет проблем! И неважно, что эти кнопки находятся под своеобразным напряжением (там импульсы опроса клавиатуры совмещены с динамической индикацией) - контакты реле все сделают как обычная кнопка.
Реле нечувствительны к статическому электричеству, радиации, небольшим выбросам ЭДС самоиндукции. Во включенном состоянии на них малы потери напряжения, тогда как кремниевый транзистор свои 0,6 вольта от нагрузки заберет.
Есть, конечно, и недостатки. Один из самых чувствительных для самодельщика, что-то собирающего на реле - гистерезис. То есть то, что срабатывание и отпускание реле не происходят на одном пороговом значении. Ток срабатывания где-то раза в 3 больше, чем ток отпускания реле. Так что если у вас сигнал нечеткий и/или устройство питается от батарей, напряжение которых меняется по мере разрядки, то вы можете столкнуться или с несрабатыванием реле или с его "залипанием" во включенном состоянии. Впрочем, когда в советские времена с их дефицитом цифровых микросхем радиолюбители старались применять реле не только, как коммутирующий элемент, но и как мозги устройства, то они и это явление использовали. Например, если с помощью резистора пропускать через реле ток величиной между током срабатывания и током отпускания, то реле в таком режиме обладает памятью - сохраняет то состояние, в котором находится.
Еще один недостаток - невысокое быстродействие. Самые распространенные реле срабатывают где-то за 1-2 сотые доли секунды. Но, как вы понимаете, в большинстве случаев такого быстродействия вполне достаточно.
Словом, деталь очень полезная, в некоторых случаях просто незаменимая. Но, для того, чтобы ее использовать, мало знать нужный вам тип реле с нужным набором групп контактов...
Дело в том, что обмотка реле может быть выполнена из провода разного диаметра. Она может быть из относительно толстого провода, иметь малое сопротивление и срабатывать при низких напряжениях. Но потреблять большой ток. А может быть, наоборот, из многих тысяч витков тонкого провода и обходиться малым током. Но вот от источника питания с малым напряжением такое реле не сработает. Так, значительная часть реле, выпускавшихся в советское время, была рассчитана на питающее напряжение около 27 вольт и для нас не очень удобна. Практически все типы реле выпускаются в разных исполнениях или, как говорят, имеют разный паспорт реле - длинный хвост из букв и цифр. Так что, перед тем как покупать или заказывать реле, придется лезть в справочник и выяснять, какие именно паспорта вам подходят.
Вот вам таблица старых разновидностей реле РЭС-9.
Напряжение, при котором реле сработает обычно не указывается, но его можно подсчитать по элементарному закону Ома, перемножив сопротивление обмотки на ток срабатывания, выраженный в амперах.
Конечно, какие-то ограничения есть и по допустимым токам и напряжениям контактной части. Нюанс в том, что это все не так жестко, как у полупроводников. Если на транзистор с максимально допустимым напряжением коллектора в 60 В вы бухнете 90 В, он, несомненно, моментально пробьётся. Но если вы контактами реле, рассчитанными на 0,3 А будете коммутировать 0,45 А, то они какое-то время, скорее всего, поработают. Да, будут нагреваться, обгорать, а то и слегка подплавляться, их придется подчищать - но какое-то время работы от них можно будет добиться. Все же для ориентира в справочниках публикуются таблицы нескольких разных режимов и долговечность, которая при них гарантируется. Вот вам, чисто для примера, фрагмент таблицы по новым разновидностям того же РЭС-9. Реле, как вы могли видеть из предыдущей таблицы, довольно прожорливое. Но теперь вы видите, что его обмотка потребляет эту мощность недаром - контакты у него довольно мощные, способные кое-что коммутировать даже в 220 В сети.
Кстати, в более поздних разработках додумались, как сделать реле более универсальными - для этого достаточно всего лишь разделить обмотку на две половины, имеющие отдельные выводы. Включая секции последовательно или параллельно можно приспособить реле для работы при разных напряжениях. Только при подключении не ошибитесь с их взаимной полярностью! Если половины обмотки будут создавать противоположно направленные магнитные поля, то такое реле вообще не будет срабатывать.
Позднее получили распространение герконовые реле. Геркон - сокращение от ГЕРметичный КОНтакт.
Если на такую колбочку намотать обмотку и пропустить через нее достаточный ток, то под действием магнитного поля контакты слипнутся. Изобретатели придумали даже герконы, размыкающиеся или переключающиеся под действием магнитного поля. В общем, получается то же самое реле. У них выше быстродействие и долговечность (ведь контакты находятся в бескислородной среде инертного газа). Правда такие контакты не бывают очень уж мощными, да и помещают их в одно реле немного - не больше трех. А в остальном - реле как реле. Ток срабатывания для них в справочниках обычно не указывают, вместо него пишут напряжение срабатывания. Если вам нужен ток - опять элементарный закон Ома в помощь.
Также следует отметить, что существуют так называемые поляризованные реле. Их подвижные системы включают не только обмотки и всякие железяки, но и постоянные магниты. Так что то, что будет делать реле, будет зависеть еще и от полярности тока в обмотке.
Но для того, чтобы пощупать реле на практике, мы возьмем что-то попроще. Сейчас в радиомагазинах или в магазинах автозапчастей полно таких вот штучек в прямоугольных пластмассовых корпусах - реле на 12 вольт. Конечно, всё это - совершенно разномастный техносброд со всего мира. Но дело упрощается тем, что большинство параметров у них написано на корпусе, а многие вы можете измерить сами. Схема частенько тоже нарисована. Ну, а нет - так сами с помощью омметра разберетесь.
Хотя с педагогической точки зрения лучше всего было бы проводить эксперименты со старыми советскими реле типа РКМ-1. Они открытой конструкции, так что видно и их устройство и процесс срабатывания контактов (только будьте аккуратны и не погните контакты).
Читатели наверняка уже со знанием дела ждут, что я приведу подходящие паспорта этих реле, которые бы хорошо работали от блока питания на 12 В. Или на 9. Увы, в этот раз не приведу. Дело в том, что разнообразие реле типа РКМ-1 по данным обмоток, количеству и типу групп контактов превосходит всякое воображение.
Так что для ориентира просто измерьте сопротивление обмотки. Если оно составляет ом 400 - 500, то для 12-вольтового источника питания будет в самый раз. А если будет 100 - 300 Ом, то можно обойтись 9-вольтовым источником.
Схема опыта проста. Подавая через выключатель SA1 ток на обмотку реле K1 вы вызовете его срабатывание. Своими контактами реле включит лампочку H1, питаемую от отдельной батарейки GB1. Вы можете взять лампочку на 3 вольта и батарейку на такое же напряжение, при этом напряжение в 12 В ее не сожжет, поскольку цепи управления реле и цепи его контактов совершенно отдельны друг от друга. Если у вас реле имеет группу контактов на переключение, вы можете подключить к размыкающему контакту лампочку H2 - при подаче тока в обмотку реле она, наоборот, будет гаснуть.
Однако учтите, что все эти манипуляции с реле вызывают всплески довольно высокого напряжения самоиндукции при отключении реле. Неудачно взявшись за контакты выключателя или обмотки реле, вы можете получить удар током. Наши давние читатели знают, как с этим можно справиться - использовать диод VD1, включенный в обратной полярности по отношению к источнику питания (не перепутайте, иначе диод закоротит блок питания!)
И всё-таки у школьников может возникнуть вопрос: "А зачем эти сложности? Не проще ли лампочку включить сразу выключателем?" Но дело в том, что этого выключателя может и... не быть! Вместо него может быть, например, сигнал от какого-нибудь автомата или от приемника системы радиоуправления. И тут справится только реле. Или еще пример - мощная радиостанция. Ей же нужно переключать антенну от приемника к передатчику и обратно. Переключатель "Прием-передача" у нее, естественно, на лицевой панели перед радистом. А мощные каскады передатчика и антенное гнездо - сзади. Если тащить провод от передатчика к лицевой панели через весь аппарат, то он своими мощнейшими наводками парализует работу всей схемы. А так мы подаем только лишь сигнал переключения с тумблера на лицевой панели на реле, которое стоит прямо "по месту событий" - у антенного гнезда. Больше того, мы можем подавать сигнал на реле и, например, с педали, чтобы освободить себе руки.