В последнее время в большинстве применений электромагнитные реле активно вытесняются МДП полевыми транзисторами и оптоэлектронными реле, имеющими по сравнению с электромагнитными ряд преимуществ, например, малый ток управления, отсутствие механического износа, высокое быстродействие. Однако электромагнитные реле все ещё широко применяются.
Когда требуется гальваническая развязка между управляющей и коммутируемой цепью, практически полное отсутствие тока утечки закрытого ключа, коммутация высокочастотных сигналов большой мощности, а также, если необходима высокая надёжность при значительных эпизодических перегрузках по коммутируемому току и напряжению, при одновременной коммутации нескольких каналов напряжения, выгоднее применять электромагнитные реле. Кроме того, электромагнитные реле даже при коммутации высоковольтной сильноточной нагрузки, в отличие от электронных, не нуждаются в теплоотводе.
Унифицированный узел управления электромагнитным реле
На рис.1 представлена принципиальная схема простого унифицированного узла управления электромагнитным реле. Основное его отличие от других аналогичных в том, что управляющий сигнал может быть любой полярности, или даже переменного тока, при этом, узел питается от постоянного напряжения только одной полярности. Такая особенность позволяет расширить область применения этого узла. Например, его можно использовать для контроля наличия напряжения любой полярности на выходе двухполярного источника питания, отключая нагрузки при пропадании любого напряжения.
Рис. 1
В другом варианте применения вход этого узла можно подключить к выходу компаратора или интегрального операционного усилителя, контролирующего какую либо величину, где в нормальном состоянии на выходе напряжение близко к нулю, а при отклонении контролируемого параметра появляется напряжение положительной или отрицательной полярности в зависимости от направления отклонения. Возможны и другие варианты использования этой конструкции, например, для контроля качества заземления корпусов работающего от сети электрооборудования, например, водонагревателей.
Работа устройства
Работает узел следующим образом. Когда вход управления никуда не подключен или напряжение на нём относительно общего провода близко к нулю, составной транзистор VT2 закрыт, ток через обмотку реле К1 не протекает, контактные группы электромагнитного реле находятся, например, в нижнем по схеме положении. Если на управляющий вход ключа поступит напряжение положительной полярности напряжением более 2,6 В, транзистор VT2 откроется, через обмотку реле К1 потечёт ток, контакты реле переключатся. Светодиод HL1 своим свечением будет сигнализировать о том, что ключ на транзисторе VT2 открыт.
Если на управляющий вход модуля относительно общего провода поступит напряжение отрицательной полярности, откроется транзистор VT1, поскольку напряжение база-эмиттер VT1 станет положительным. Одновременно с ним откроется p-n-p транзистор VT3, ток через который откроет составной транзистор VT2. контакты реле К1 переключатся. Диод VD1 необходим для того, чтобы напряжение база-эмиттер VT2 не влияло на входное напряжение отрицательной полярности.
Резистор R3 уменьшает ток через обмотку реле, чем уменьшается её нагрев и повышается экономичность узла. Конденсатор большой ёмкости С2 обеспечивает надёжное переключение контактов реле при пониженном рабочем токе через обмотку.
Конструкция
Узел управления электромагнитным реле, собранный по схеме рис.1, может быть смонтирован на печатной плате размерами 50×45 мм, эскиз которой показан на рис.2, а внешний вид — на рис.З.
Рис. 2
Рис. 3
Устройство с фотодатчиком
На рис.4 представлена принципиальная схема экономичного устройства управления электромагнитным реле, катушка которого рассчитана на работу при напряжении 220 В переменного тока. В конструкции применено реле типа РП21-УХЛ4 с тремя группами контактов, катушка которого имеет сопротивление около 5,8 кОм. Внешний вид такого реле показан на фото в начале статьи. Устройство выполнено как фотореле со светочувствительным элементом на фототранзисторе.
Рис. 4
При включении напряжения питания 220 В переменного тока, в случае, если фототранзистор VT1 затенён, он закрыт, маломощный тиристор VS1 тогда будет открыт протекающим через резистор R3 током. В то же время, включенные по составной схеме Дарлингтона высоковольтные транзисторы VT2, VT3, будут закрыты. Якорь реле К1 будет отпущен, подключенные контакты К1.1 будут замкнуты, что приведёт к быстрой зарядке конденсатора С2 до напряжения около 300 В через подключенный резистор небольшого сопротивления R4.
Тиристор VS1 при малом прямом токе анода может работать как закрываемый тиристор [1,2], что позволяет обойтись без применения триггера Шмитта для управления транзисторами VT2, VT3. При росте освещения линзы фототранзистора его сопротивление падает, в результате, в какой-то момент тиристор VS1 закрывается, транзисторы VT2, VT3 открываются, контакты реле К1 переключаются, цепь резистора R4 размыкается. Накопленной в конденсаторе С2 энергии достаточно для надёжного притягивания якоря реле к его сердечнику. При разомкнутых контактах К1.1 конденсатор С2 подзаряжается током, протекающим через резистор R1. В этом режиме через обмотку реле протекает ток около 8,4 мА, которого вполне достаточно для удержания контактов реле в нижнем по схеме положении.
Чувствительность фотореле зависит от сопротивления резистора R3. Если применённый экземпляр тиристора не будет закрываться при коротком замыкании перемычкой выводов катода и управляющего электрода, то следует установить резистор R5 большего сопротивления. Две свободные группы контактов этого электромагнитного реле можно использовать для коммутации любой нагрузки, потребляющей постоянный или переменный ток до 10 А.
Детали
Электромагнитное реле типа РЭС-9 (рис.1), паспорт РС4524202, имеет сопротивление обмотки около 70 Ом. Такое реле одной группой контактов позволяет коммутировать постоянный ток до 2 А при напряжении до 250 В и переменный ток до 0,5 А при напряжении до 115 В. В представленном варианте исполнения устройства, собранного по схеме рис.1, выбор такого реле определён назначением изготовленного узла — готовый модуль для макетирования устройств.
Для постоянного использования этого узла в функционально законченных конструкциях можно использовать такие типы современных импортных малогабаритных реле с низковольтными катушками: RAS1215 (10А, 250В~), RP920123 (8А, 250В~), R200A-600 (8А, 250В~), G2-R14(10A, 250В~). Номинальное рабочее напряжение обмотки этих реле 12 В. Из отечественных реле широкодоступны экземпляры выпуска 1960-80-х годов. Если вы в своей конструкции решите использовать отечественное реле в негерметичном исполнении, например, РЭС-6, РЭС-22, PC-13, PCM, РЭК-29, РЭК53 будет желательно аккуратно очистить их контакты от чёрных окислов. Контакты импортных реле, как правило, не окисляются. Также перед применением желательно почистить контакты «высоковольтного» реле РП21-УХЛ4.
Составной транзистор типа 2SD2010 со встроенными резисторами и защитными диодом и стабилитроном полных аналогов среди отечественных изделий не имеет. Без изменений в схеме рис. 1 можно применить составной отечественный транзистор из серий КТ829, КТ8131. При установке составного транзистора из серии КТ972 между выводом базы VT2 и общим проводом следует включить резистор сопротивлением 10… 100 кОм. При использовании транзистора 2SD2010 и относительно маломощных электромагнитных реле (любого из упомянутых низковольтных), диод VD2 можно не устанавливать.
Транзистор 2SC3199 можно заменить любым из серий КТ315, КТ3102, КТ645, SS9014. Вместо транзистора 2SA1267 можно применить любой из серий КТ361, КТ3107, КТ6112, SS9012. Вместо высоковольтных транзисторов MJE13003 со снижением надёжности можно применить КТ940А. Установка высоковольтных транзисторов на теплоотвод не требуется.
Фототранзистор КТФ102А можно заменить L-32P3C, L-51P3C или любым аналогичным кремниевым.
Тиристор КУ112А можно заменить КУ112АМ. Диод 1N914 можно заменить 1N4148, КД521, КД522 с любым буквенным индексом. Вместо диода КД208А подойдёт любой из серий — 1N4007. Вместо диодов 1N4006 подойдут, например, КД243Е.
Стабилитрон BZV55C-9V1 можно заменить 1N4739A, TZMC-9V1, Д814Б1, КС191Ц.
Светодиод любого типа общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, можно мигающий.
Конденсаторы типа К50-35, К50-68 или аналоги.
Резисторы МЛТ, С1-4, С1-14, С2-23, С5-37.
Настройка устройств
Безошибочно изготовленные из исправных деталей узлы начинают работать сразу и обычно не требуют налаживания. При необходимости может потребоваться подобрать сопротивление резисторов R3 (рис.1) и R3, R5 (рис.4). В конструкции, собранной по схеме рис. 1, сопротивление R3 следует выбрать так, чтобы при номинальном напряжении питания и отключенном конденсаторе С2 контакты К1 ещё были бы способны переключаться. Тем не менее, С2 обязателен, поскольку сравнительно медленное притягивание якоря реле при его отсутствии может привести к быстрому износу переключаемых контактов реле. При управляющем напряжении более 5… 10 В сопротивление R1 можно пропорционально увеличить. Предохранитель FU1 выбирают на ток чуть больше номинального коммутируемого или в 4…6 раз большим при коммутации питания устройств с импульсным БП. Если этот узел будет использоваться в качестве лабораторно-испытательного, то плавкий предохранитель выбирают на ток, в 1.5…3 раза больше максимально допустимого постоянного тока контактов. Можно применить самовосстанавливающийся предохранитель. Для увеличения нагрузочной способности свободные группы контактов электромагнитных реле соединяют параллельно. Узел (рис.1) способен работать и с входным управляющим сигналом переменного тока частотой 50 Гц. Для этого, желательно между выводом базы VT2 и общим проводом подключить оксидный конденсатор ёмкостью 47 мкФ, что устранит гудение катушки реле К1.
Литература
- Бутов А.Л. Простые конструкции на тринисторе КУ112А // Радио. — 2004. — №6. — С.56, 57.
- Бутов А.Л. Управление тринисторами MCR100-6//Радио. -2008. — №12. — С.35, 36.
Автор: Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.
Источник: журнал Радиоаматор №9, 2015
