Устройство контактной системы реле

В качестве исполнительной системы реле контактная система должна обеспечивать малое и стабильное значение сопротивления контактов, хорошую изоляцию токоведущих цепей, необходимое число коммутаций, высокую надежность контактирования.

В реле используются преимущественно точечные и плоскостные контакты (рис. 5). По числу контактов на одной контактной пластине (пружине) контактные системы делятся на две группы: с одинарными и двойными контактами; по способу коммутации электрической цепи: с одним и двумя воздушными зазорами между контактами. В зависимости от положения в процессе коммутации контакты разделяются на подвижные и неподвижные. При обесточенной обмотке различают нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. В технической документации на реле нормально замкнутые контакты также называют размыкающими (размыкаются при подаче напряжения на обмотку), а нормально разомкнутые - замыкающими.

Рисунок 5 – Схематическое устройство передающих систем электромагнитных реле: 1 – изолятор; 2 – подвижный контакт; 3 –неподвижный контакт; 4 – якорь; 5 – опора; 6 – возвратная пружина; 7 – бусинка; 8 – ось якоря; 9 – траверса; 10 – шарнир

 

В замкнутом состоянии контакты прижимаются друг к другу с некоторым усилием Рк, называемым контактным нажатием.

При соприкосновении двух контактных поверхностей в силу их шероховатости сумма участков с чистым металлическим контактом (полезная контактная площадь) значительно меньше кажущейся контактной поверхности. Участки с чисто металлической проводимостью образуются за счет разрыва поверхностной пленки выступами поверхностей под действием Рк и вследствие пробоя оксидной пленки на контактах электрическим полем. Ток, проходя из одного контакта в другой, стягивается к проводящим участкам (рис. 6,а), где плотность его возрастает, что обуславливает сопротивление стягивания. Более прочные участки пленки при сжатии приобретают свойства полупроводника с большим удельным сопротивлением (квазиметаллический контакт), что обуславливает появление сопротивления пленок. Эквивалентная схема контактного сопротивления контакта представлена на рис. 6,б, где R_К-Д1 и R_К-Д2 - сопротивления контакт-деталей контактов; Rст - сопротивления стягивания для обоих контактов; Rпл1 и Rпл2 - сопротивления, обусловленные пленками на поверхности контактов, Rп – переходное сопротивление контакта, Rк –сопротивление контакта.

 

а)	б)

Рисунок 6 – Схематическое изображение контакта реле (а) и эквивалентная схема контактного сопротивления (б): 1 - контакт-детали; 2 - пленки на поверхности контакт-детали; 3 - точка соприкосновения металлических поверхностей через тонкие пленки (Rпл); 4 - точки прямого соприкосновения металлических поверхностей (Rст); 5 – линии протекающего тока.

 

В процессе эксплуатации сопротивление контакта в основном определяется Rст и Rпл и в значительной степени зависит от Рк. В зависимости от приложенной силы изменяется количество соприкасающихся точек. При небольшом Рк точек соприкосновения мало. Поэтому Rп может резко увеличиваться и в цепи наступит разрыв. Чтобы этого не произошло, надо увеличивать Рк. Но при больших Рк происходит деформация, следовательно, быстрый износ контакт-деталей. Минимальное значение Рк, достаточное для контакта, невелико (для золота 1 гс, для серебра 15 гс). В конкретных контактных устройствах применяется Рк в несколько раз больше минимально допустимого (примерно в 3 раза).

В связи с тем, что Rп зависит от множества параметров, значение его после каждого замыкания контактов изменяется. Параметр, который характеризует разброс значений Rп контактной пары, называется статической нестабильностью сопротивления электрического контакта. Количественно он определяется как среднеквадратичное отклонение Rп от среднего значения.

В процессе эксплуатации реле в аппаратуре под воздействием механических нагрузок возникают колебания контактных элементов относительно друг друга. При этом сопротивление электрического контакта может как увеличиваться, так и уменьшаться по отношению к его значению при отсутствии вибрации. Параметр, определяющий это изменение, называется динамической нестабильностью сопротивления электрического контакта. Его значение зависит от частоты вибрации и ускорения. В ТУ значение динамической и статической нестабильностей задается в процентах от номинального значения сопротивления электрического контакта.

При протекании тока через контакт происходит выделение тепла и перегрев контакта относительно температуры окружающей среды (Токр). Общая температура перегрева зависит от потерь в точках контактирования и в теле контакта при прохождении по нему тока.

Результирующая температура в точках контактирования Тк и в теле контакта Тт не может превышать определенных значений, что приводит к ограничению допустимого тока через контакт. Температура Тк ограничивается тем, что при ее повышении активизируется процесс образования пленок. Температура Тт ограничивается допустимой температурой диэлектриков, используемых в конструкции.

Контакты реле изготавливаются из драгоценных металлов и их сплавов. Наиболее часто применяют серебро, золото, сплавы золота с никелем (95% Аu + 5% Ni) и платины с иридием (90% Pt + 10% Ir). Для коммутации малых токов, а также при малом числе срабатываний применяются контакты реле, гальванически покрытые золотом или родием.

Применяются пружинно-контактные сплавы: Ag-Mg-Ni и Ag-Mg-Ni-Au. Они обладают повышенной износостойкостью и обеспечивают более стабильное Rп контактов. Применение их позволяет изготавливать детали, совмещающие функции контакта и пружин. При этом уменьшаются габариты контактных систем и повышается их устойчивость к внешним механическим воздействиям.

Контакты из технически чистого золота в воздухе практически не окисляются, имеют малое и стабильное Rп. Однако они имеют невысокую механическую износостойкость, склонны к иглообразованию при малых токах и свариванию при больших. Применяются преимущественно для коммутации токов менее 100 мА и напряжений менее 30 В.

Герконовые реле

Герконовые реле создаются на базе магнитоуправляемых контактов (МК). Наиболее распространенная конструкция МК, используемого в реле, схематически показана на рис. 7,а. Она состоит из двух пластин, герметически запаянных (заваренных) в стеклянный баллон. Герметичность является характерной особенностью МК. Отсюда их второе название - герконы (герметические контакты).

Пластины МК изготавливаются из магнитных материалов и совмещают в себе функции магнитопровода и электрической контактной цепи. Поэтому, если к баллону поднести постоянный магнит, то его магнитный поток, сосредотачиваясь в пластинах, создает в воздушном зазоре магнитную силу их взаимного притяжения. При соответствующей магнитодвижущей силе (МДС) магнита пластины притягиваются друг к другу и создают электрический контакт. После снятия магнитного поля пластины возвращаются в исходное положение под действием сил упругости. Этот же принцип используется и в МК на переключение (рис. 7,б.). Неподвижный контакт (1) выполняется из немагнитного материала и в исходном состоянии замкнут с подвижным контактом (3).

Рисунок 7 – Схематическое устройство магнитоуправляемых контактов: а - МК на замыкание; б - МК на переключение

 

Управление МК можно осуществлять магнитным полем соленоида (рис. 8,а). При пропускании по обмотке соленоида постоянного тока контакты замыкаются, а при отключении - размыкаются. В ряде случаев для управления МК используются комбинации магнитных полей, создаваемых постоянным магнитом и соленоидом (рис. 8,б). Если МДС постоянного магнита недостаточна для замыкания контактов, то они будут находиться в разомкнутом состоянии. Пропуская по обмотке ток в направлении, при котором магнитные поля постоянного магнита и соленоида суммируются, получаем магнитный поток, достаточный для замыкания контактов. После отключения обмотки контакты удерживаются в замкнутом состоянии только полем постоянного магнита. Для размыкания этих контактов достаточно кратковременного импульса тока в обмотке соленоида в обратном направлении. В этом случае имеем реле-переключатель или коммутационный элемент запоминания информации.

Рисунок 8 – Схематическое устройство герконовых реле: а - нейтральное реле; б - поляризованное реле

 

Для повышения электропроводности, получения малого и стабильного переходного сопротивления контакты коммутирующей части покрывают серебром, золотом, родием и др.

Для повышения надежности контактирования контакты обезгаживаются при температурах до 400°С и более. При этом сгорают поверхностные органические пленки, которые являются основной причиной нестабильности сопротивления контактов. Внутри баллона создается вакуум, или он заполняется сухим газом. Состав газа определяется в зависимости от требований к режимам коммутации.

Индивидуальная герметизация и другие конструктивно-технологические мероприятия позволяют довести число коммутаций до 10⁹, быстродействие до 0.8-2 мс, сопротивление контактов до 50-150 мОм, сопротивление изоляции до 10⁹ МОм и существенно уменьшить габариты высоковольтных реле (в 5-6 раз).

Однако токоведущие части МК обладают худшей электропроводностью по сравнению с электромагнитными реле. Поэтому при прочих равных условиях на них теряется большая мощность. Кроме того, газ, вакуум, стекло - плохие проводники тепла и затрудняют рассеивание выделяемой на контактах мощности. Поэтому через пластины МК сечением, равным сечению, например, контактных пружин электромагнитных реле, можно пропускать в 3-5 раз меньший ток. Кроме того, МК более чувствительны к влиянию внешних магнитных полей, более критичны к переходным процессам в коммутируемой цепи. В частности, при (3-5)-кратной токовой перегрузке по отношению к номинальной возможно сваривание контактов.

Отмеченные особенности делают предпочтительными герконовые реле для коммутации слаботочных цепей с токами до 100-250 мА при напряжениях до 30-60 В, в тех случаях, когда необходимо повышение быстродействия и числа коммутаций.

В настоящее время идет поиск новых конструктивных решений, позволяющих при сохранении положительных свойств МК продолжить процесс миниатюризации и улучшения функциональных параметров релейных устройств. Значительные перспективы в этом плане появляются в связи с созданием пружинно-контактных сплавов с магнитной памятью. Применение их позволяет в 5-7 раз уменьшить габариты и массу герконовых реле-переключателей, существенно повысить их быстродействие и чувствительность. Принципиально новым направлением можно считать создание МК с жидкометаллическими контактами. Использование этих МК позволяет получить релейную характеристику с крутизной фронта коммутируемых сигналов <1 пкс, исключить дребезг контактов, обеспечить стабильность Rп контактов до 1-10%. При этом не предвидится ограничений по числу коммутаций.

Бесконтактные реле.

Контактные коммутационные элементы выполняют переключение электрических цепей при непосредственном механическом воздействии для ручного управления и под воздействием электромагнитных сил при автоматическом управлении. Электромагнитные коммутаторы имеют невысокое быстродействие — в лучшем случае порядка нескольких микросекунд. Значительное повышение быстродействия обеспечивается применением электронных коммутационных элементов, построенных на полупроводниковых приборах. Реле этого типа способны коммутировать переменный ток в варианте оптосимистора или постоянный — в варианте оптотиристора. Опционально, оптосимисторы могут иметь функцию включения выходного сигнала при переходе через ноль, а также встроенные варисторы для подавления коммутационных помех.

MOSFET -реле. MOSFET реле объединяют преимущества достигнутые в области светодиодной и фотодиодной техники, а также полевых транзисторов, что позволяет достигнуть минимальных размеров микросхем и их потребляемой мощности. Как правило, реле содержат двойную цепь нагрузки MOSFET, обеспечивающую полную универсальность их использования, так как для этих устройств неважно, подключена ли нагрузка переменного или постоянного тока, и в каком направлении. На рис. 9 представлены внутренняя структура, исследуемого реле G3VM-61A1.

Рисунок 9 – Структура бесконтактного полупроводникового реле

 

Принцип действия данного реле состоит в том, что когда на управляющие контакты 1 и 2 подаётся управляющий сигнал – напряжение от 1,0 до 1,3 В, то входной сигнал, поданный на вход 4, пропускается открытым в данном случае составным ключом на двух полевых транзисторах. Если уровень входного управляющего напряжения низкий (меньше 1В), то ключ находится в запертом состоянии. Пропускная способность реле - =500мА, =60В. Ток утечки при открытом выходе реле до 1А. На рис.10 представлены временные характеристики включения и выключения реле, а также зависимость предельного от изменения температуры. Время включения лежит в пределах от 0,8 до 2,0 мс; время выключения – от 0,1 до 0,5 мс. Ёмкость между входом-выходом С=0,8 пФ.

Реле, в зависимости от возможного применения делятся на следующие группы:

• общего назначения;

• специального назначения, как правило, низковольтные;

• предназначенные для применения в телекоммуникационном оборудовании с повышенной диэлектрической прочностью или встроенной функцией ограничения тока;

• высококачественные с уменьшенным сопротивлением канала в открытом состоянии.

 Кроме того, у каждого типа реле существуют варианты, как с нормально разомкнутыми контактами, так и с нормально замкнутыми.

 

Рисунок 10 – Временные диаграммы срабатывания БПР