Elektromagnetisch relais: opbouw, markering, typen + fijne kneepjes van aansluiting en afstelling

De omzetting van elektrische signalen naar de overeenkomstige fysieke grootheid — beweging, kracht, geluid, enz., wordt uitgevoerd met behulp van actuatoren. Een actuator moet worden geclassificeerd als een omzetter, omdat dit apparaat het ene type fysieke grootheid in het andere verandert.

Een actuator wordt meestal geactiveerd of bestuurd door een laagspanningscommando. Het wordt verder geclassificeerd als een binair of continu apparaat op basis van het aantal stabiele toestanden. Zo is een elektromagnetisch relais een binaire actuator, gezien de twee stabiele toestanden: aan — uit.

In het gepresenteerde artikel worden de werkingsprincipes van het elektromagnetisch relais en het toepassingsgebied van de apparaten in detail besproken.

Basisprincipes van de actuator

De term 'relais' is kenmerkend voor apparaten die een elektrische verbinding tussen twee of meer punten tot stand brengen door middel van een stuursignaal.

Het meest voorkomende en veelgebruikte type elektromagnetisch relais (EMR) is de elektromechanische constructie.

Zo ziet een constructie eruit uit de talrijke reeks producten die elektromagnetische relais worden genoemd. Hier wordt de gesloten versie van het mechanisme getoond met een deksel van transparant plexiglas.

Het schema voor fundamentele controle over elke apparatuur voorziet altijd in de mogelijkheid van in- en uitschakeling. De eenvoudigste manier om deze acties uit te voeren is het gebruik van schakelaars voor blokkering van de stroomtoevoer.

Handbediende schakelaars kunnen worden gebruikt voor bediening, maar hebben nadelen. Het duidelijke nadeel is het instellen van de toestanden 'aan' of 'uit' via fysieke weg, dat wil zeggen handmatig.

Handmatige schakelapparaten zijn doorgaans groot, traag in werking en kunnen kleine stromen schakelen.

Handmatig schakelmechanisme – een 'verre verwant' van elektromagnetische relais. Het biedt dezelfde functionaliteit: het schakelen van werklijnen, maar wordt uitsluitend handmatig bediend.

Ondertussen worden elektromagnetische relais voornamelijk vertegenwoordigd door schakelaars met elektrische bediening. De apparaten hebben verschillende vormen en afmetingen en worden ingedeeld naar nominaal vermogen. De toepassingsmogelijkheden zijn uitgebreid.

Dergelijke apparaten, uitgerust met een of meerdere contactparen, kunnen deel uitmaken van de constructie van grotere vermogensactuatoren – contactoren, die worden gebruikt voor het schakelen van netspanning of hoogspanningsapparaten.

Fundamentele werkingsprincipes van het elektromagnetisch relais

Traditioneel worden elektromagnetische relais gebruikt in elektrische (elektronische) schakelschema's. Ze worden daarbij ofwel rechtstreeks op printplaten gemonteerd, ofwel in vrije opstelling.

Algemene structuur van het apparaat

De belastingstromen van de gebruikte producten variëren doorgaans van fracties van een ampère tot 20 A en meer. Relaiscircuits zijn wijdverbreid in de elektronische praktijk.

Apparaten van uiteenlopende configuraties, ontworpen voor installatie op elektronische montageplaten of direct als afzonderlijk te monteren apparaat

De constructie van een elektromagnetisch relais zet de magnetische flux, gegenereerd door de toegepaste wissel-/gelijkstroomspanning, om in een mechanische kracht. Dankzij deze mechanische kracht wordt de contactgroep bediend.

De meest voorkomende constructie is een vorm die de volgende componenten omvat:

• bekrachtigingsspoel;
• stalen kern;
• ondersteunend chassis;
• contactgroep.

De stalen kern heeft een vast deel, de wip genoemd, en een beweegbaar, geveerd onderdeel, het anker genoemd.

In wezen completeert het anker de magnetische veldkring door de luchtspleet tussen de vaste elektrische spoel en het beweegbare anker te overbruggen.

Gedetailleerde weergave van de constructie: 1 – terugdrukveer; 2 – metalen kern; 3 – anker; 4 – normaal gesloten contact; 5 – normaal open contact; 6 – gemeenschappelijk contact; 7 – koperdraadspoel; 8 – wip

Het anker beweegt op scharnieren of draait vrij onder invloed van het gegenereerde magnetische veld. Hierbij worden de elektrische contacten, die aan het anker zijn bevestigd, gesloten.

In de regel brengt de tussen de wip en het anker geplaatste terugstelveer (of -veren) de contacten terug naar de oorspronkelijke stand wanneer de relaisspoel spanningsloos is.

Werking van het elektromagnetische relaissysteem

Een eenvoudige klassieke EMR-constructie heeft twee sets elektrisch geleidende contacten.

Op basis hiervan worden twee toestanden van de contactgroep gerealiseerd:

1. Normaal open contact.
2. Normaal gesloten contact.

Dienovereenkomstig wordt een paar contacten geclassificeerd als normaal open (NO) of, in een andere toestand, normaal gesloten (NC).

Voor een relais met normaal open contacten wordt de 'gesloten' toestand alleen bereikt wanneer de bekrachtigingsstroom door de inductiespoel vloeit.

Een van de twee mogelijke standaard installatievarianten van de contactgroep. Hier is in de spanningsloze toestand van de spoel standaard de normaal gesloten positie ingesteld.

In de andere variant blijft de normaal gesloten positie van de contacten constant wanneer er geen bekrachtigingsstroom in het spoelcircuit is. De schakelcontacten keren terug naar hun normale gesloten positie.

Daarom moeten de termen 'normaal open' en 'normaal gesloten' worden toegepast op de toestand van de elektrische contacten wanneer de relaisspoel spanningsloos is, dat wil zeggen de voedingsspanning van het relais is uitgeschakeld.

Elektrische contactgroepen van het relais

Relaiscontacten bestaan doorgaans uit elektrisch geleidende metalen onderdelen die tegen elkaar komen, het circuit sluiten, vergelijkbaar met een eenvoudige schakelaar.

Wanneer de contacten geopend zijn, wordt de weerstand tussen normaal open contacten gemeten als een hoge waarde in megaohms. Zo wordt een open-circuit conditie gecreëerd, waarbij stroomdoorgang in het spoelcircuit wordt uitgesloten.

De contactgroep van elke elektromechanische schakelaar heeft in geopende toestand een weerstand van enkele honderden megaohm. De waarde van deze weerstand kan enigszins verschillen tussen modellen.

Als de contacten echter gesloten zijn, zou de contactweerstand theoretisch nul moeten zijn — het resultaat van een kortsluiting.

Deze toestand wordt echter niet altijd waargenomen. Elke individuele relaiscontactgroep heeft een bepaalde contactweerstand in de 'gesloten' toestand. Deze weerstand wordt stabiel genoemd.

Kenmerken van de belastingsstroom

Voor de installatie van een nieuw elektromagnetisch relais wordt de inschakelcontactweerstand gemeten als een kleine waarde, meestal minder dan 0,2 Ohm.

Dit is eenvoudig te verklaren: nieuwe contactpunten blijven voorlopig schoon, maar na verloop van tijd zal de weerstand van de contactpunt onvermijdelijk toenemen.

Bijvoorbeeld, voor contacten met een stroom van 10 A bedraagt de spanningsval 0,2 x 10 = 2 volt (wet van Ohm). Hieruit volgt: als de voedingsspanning op de contactgroep 12 volt is, dan is de spanning voor de belasting 10 volt (12-2).

Wanneer de metalen contactpunten verslijten doordat ze niet goed worden beschermd tegen hoge inductieve of capacitieve belastingen, wordt het onvermijdelijk dat er schade ontstaat door het effect van elektrische vlambogen.

Elektrische vlamboog op een van de contacten van een elektromechanisch schakelapparaat. Dit is een van de oorzaken van schade aan de contactgroep bij het ontbreken van passende maatregelen.

Elektrische vlamboog - vonkvorming op de contacten - leidt tot een toename van de contactweerstand van de punten en bijgevolg tot fysieke schade.

Als het relais in deze toestand wordt gebruikt, kunnen de contactpunten de fysieke contacteigenschap volledig verliezen.

Maar er is een ernstigere factor: wanneer de contacten door vlamboogschade uiteindelijk aan elkaar lassen, ontstaat er een kortsluiting.

In dergelijke situaties is het risico op schade aan de door het elektromechanisch relais geregelde kring niet uitgesloten.

Dus als de contactweerstand door de invloed van de elektrische vlamboog met 1 ohm is toegenomen, neemt de spanningsval over de contacten voor dezelfde belastingsstroom toe tot 1×10=10 volt gelijkstroom.

Hier kan de grootte van de spanningsval over de contacten onaanvaardbaar zijn voor de belastingsschakeling, vooral bij gebruik met voedingsspanningen van 12-24 V.

Type contactmateriaal van het relais

Om de invloed van elektrische vlambogen en hoge weerstanden te verminderen, worden de contactpunten van moderne elektromechanische relais gemaakt of bedekt met verschillende legeringen op basis van zilver.

Op deze manier kan de levensduur van de contactgroep aanzienlijk worden verlengd.

Punten van contactplaten van elektromechanische schakelapparaten. Hier worden varianten van met zilver beklede punten getoond. Een dergelijke bekleding vermindert de schadefactor.

In de praktijk wordt het gebruik van de volgende materialen waarmee de punten van contactgroepen van elektromagnetische (elektromechanische) relais worden behandeld, opgemerkt:

• Ag — zilver;
• AgCu — zilver-koper;
• AgCdO — zilver-cadmiumoxide;
• AgW — zilver-wolfraam;
• AgNi — zilver-nikkel;
• AgPd — zilver-palladium.

Verlenging van de levensduur van de punten van relaiscontactgroepen door vermindering van het aantal elektrische vlamboogvormingen wordt bereikt door het aansluiten van weerstand-condensatorfilters, ook wel RC-dempers genoemd.

Deze elektronische ketens worden parallel aan de contactgroepen van elektromechanische relais aangesloten. De spanningspiek die optreedt op het moment van het openen van de contacten, wordt met deze oplossing als veilig kort beschouwd.

Door het gebruik van RC-dempers kan de elektrische vlamboog die op de contactpunten ontstaat worden onderdrukt.

Typische uitvoering van de contacten van het EMR

Naast de klassieke normaal open (NO) en normaal gesloten (NC) contacten, voorziet de mechanica van relaischakeling ook in een classificatie op basis van de werking.

Bijzonderheden van de uitvoering van verbindingselementen

Constructies van elektromagnetische relais in deze variant laten de aanwezigheid van één of meerdere afzonderlijke schakelcontacten toe.

Zo ziet het apparaat eruit, technologisch geconfigureerd voor de SPST-uitvoering – enkelpolig en enkelwerpend. Er bestaan ook andere uitvoeringsvarianten.

De uitvoering van de contacten wordt gekenmerkt door de volgende set afkortingen:

• SPST (Single Pole Single Throw) – enkelpolig enkelwerpend;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – enkelpolig dubbelwerpend;
• DPST (Double Pole Single Throw) – dubbelpolig enkelwerpend;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – dubbelpolig dubbelwerpend.

Elk dergelijk verbindingselement wordt aangeduid als ‘pool’. Elk van hen kan worden aangesloten of worden losgekoppeld, terwijl tegelijkertijd de relaisspoel wordt geactiveerd.

Fijnheden van het gebruik van de apparaten

Ondanks de eenvoud van de constructie van elektromagnetische schakelaars, zijn er enkele fijnheden in de praktijk van het gebruik van deze apparaten.

Zo raden specialisten ten zeerste af om alle relaiscontacten parallel aan te sluiten om op die manier een belastingscircuit met hoge stroom te schakelen.

Bijvoorbeeld het aansluiten van een belasting van 10 A door parallelschakeling van twee contacten, elk ontworpen voor een stroom van 5 A.

Deze fijnheden van de montage worden veroorzaakt doordat de contacten van mechanische relais nooit op hetzelfde moment sluiten en openen.

Als gevolg hiervan zal een van de contacten in ieder geval overbelast raken. Zelfs rekening houdend met kortstondige overbelasting, is een voortijdige storing van het apparaat bij een dergelijke aansluiting onvermijdelijk.

Onjuist gebruik, evenals aansluiting van het relais buiten de vastgestelde montageregels, leidt gewoonlijk tot een dergelijke uitkomst. Binnenin is vrijwel alle inhoud verbrand.

Elektromagnetische producten mogen worden gebruikt in elektrische of elektronische schema's met laag energieverbruik als schakelaars voor relatief hoge stromen en spanningen.

Het wordt echter ten zeerste afgeraden om verschillende belastingsspanningen door aangrenzende contacten van hetzelfde apparaat te laten lopen.

Bijvoorbeeld het schakelen van een wisselspanning van 220 V en een gelijkspanning van 24 V. Er moeten altijd afzonderlijke producten voor elk van de varianten worden gebruikt om de veiligheid te waarborgen.

Technieken voor bescherming tegen terugspanning

Een belangrijk onderdeel van elk elektromechanisch relais is de spoel. Dit onderdeel behoort tot de categorie belasting met hoge inductiviteit, omdat het een draadwikkeling heeft.

Elke met draad gewikkelde spoel heeft een bepaalde impedantie, bestaande uit inductie L en weerstand R, waardoor een serie-LR-circuit ontstaat.

Naarmate de stroom door de spoel vloeit, wordt er een extern magnetisch veld opgewekt. Wanneer de stroom in de spoel stopt in de 'uit'-stand, neemt de magnetische flux toe (transformatietheorie) en ontstaat er een hoge tegen-EMK (elektromotorische kracht).

Deze geïnduceerde tegen-overspanning kan meerdere malen groter zijn dan de schakelspanning.

Dientengevolge bestaat er een risico op beschadiging van halfgeleidercomponenten die zich in de buurt van het relais bevinden. Bijvoorbeeld een bipolaire of veldeffecttransistor die wordt gebruikt om spanning op de relaispoel te zetten.

Circuitvarianten die bescherming bieden voor halfgeleider besturingselementen – bipolaire en veldeffecttransistors, IC's, microcontrollers.

Een van de manieren om beschadiging van een transistor of een ander schakelend halfgeleiderapparaat, inclusief microcontrollers, te voorkomen, is de aansluiting van een in sperrichting geschakelde diode in de spoelkring van het relais.

Wanneer de stroom die direct na uitschakeling door de spoel vloeit een geïnduceerde tegen-EMK genereert, opent deze tegen-overspanning de in sperrichting geschakelde diode.

Via de halfgeleider wordt de opgeslagen energie gedissipeerd, waardoor beschadiging van de sturende halfgeleider – transistor, thyristor, microcontroller – wordt voorkomen.

De vaak in de spoelkring opgenomen halfgeleider wordt ook wel genoemd:

• vliegwieldiode;
• shuntdiode;
• omgekeerde diode.

Er is echter geen groot verschil tussen de componenten. Ze vervullen allemaal dezelfde functie. Naast het gebruik van in sperrichting geschakelde diodes worden ook andere apparaten gebruikt om halfgeleidercomponenten te beschermen.

Zoals RC-snubbernetwerken, metaaloxidevaristoren (MOV), zenerdiodes.

Markering van elektromagnetische relaisapparaten

Technische aanduidingen die gedeeltelijke informatie over de apparaten geven, worden meestal rechtstreeks op het chassis van het elektromagnetische schakelapparaat vermeld.

Een dergelijke aanduiding ziet eruit als een verkorte afkorting en een numerieke reeks.

Elk elektromechanisch schakelapparaat wordt traditioneel gemarkeerd. Op de behuizing of het chassis wordt ongeveer een dergelijke reeks symbolen en cijfers aangebracht die bepaalde parameters aangeven.

Voorbeeld van behuizingsmarkering van elektromechanische relais:

RES32 RF4.500.335-01

Deze notatie wordt als volgt ontcijferd: elektromagnetisch zwakstroomrelais, serie 32, overeenkomstig de uitvoering volgens paspoort RF4.500.335-01.

Dergelijke aanduidingen zijn echter zeldzaam. Vaker komen verkorte varianten voor zonder expliciete vermelding van GOST:

RES32 335-01

Ook op het chassis (op de behuizing) van het apparaat wordt de fabricagedatum en het partijnummer vermeld. Gedetailleerde informatie is te vinden in het technische gegevensblad van het product. Elk apparaat of elke partij wordt geleverd met een gegevensblad.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Een video legt op een populaire manier uit hoe de elektromechanische schakelelektronica werkt. De fijne kneepjes van de constructies, de bijzonderheden van aansluitingen en andere details worden duidelijk weergegeven:

Elektromechanische relais worden al geruime tijd gebruikt als elektronische componenten. Dit type schakelapparatuur kan echter als moreel verouderd worden beschouwd. In plaats van mechanische apparaten komen steeds vaker modernere apparaten – puur elektronische. Een voorbeeld hiervan is solid-state relais.

Heeft u vragen, heeft u fouten ontdekt of heeft u interessante feiten over het onderwerp die u met de bezoekers van onze site wilt delen? Laat dan uw reacties achter, stel vragen en deel uw ervaringen in het contactblok onder het artikel.