Реле

Реле́ (релейный элемент) (фр. relais) — коммутационный аппарат, электромагнитный, слаботочный или иной элемент автоматических устройств, который при воздействии на него внешних физических явлений скачкообразно принимает конечное число значений выходной величины^[1]. Реле входит в более широкий класс переключающих устройств релейного действия, к которым также относятся, например, триггеры, мультивибраторы и т. д.^[2] Реле отличается от релейного устройства, которое может быть автономным — без воспринимающих устройств, за исключением пусковых ключей (например: генераторы последовательностей сигналов, таймеры).^[3] Релейные устройства могут состоять из реле и других элементов, не имеющих релейных характеристик (диоды, транзисторы, конденсаторы), но поставленных в релейный режим работы.^[4] Релейным элементом является минимальная совокупность деталей и связей между ними, имеющая релейную характеристику. При поступлении фиксированного воздействия на входе скачкообразно изменяется воздействие на выходе, переходя от одного фиксированного воздействия к другому^[5]. У релейных многопозиционных элементов воспринимающие или исполнительные органы могут находиться более чем в двух состояниях. Примером такого устройства может служить шаговый искатель^[6].

Принцип действия реле

Электромагнитное реле

Твердотельное реле

С точки зрения общих функций выделяют группы реле: защитные, управляющие и контрольные^[5].

По виду физических величин, на которые реагируют реле, они делятся на: электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические. Часто реле, которые должны реагировать на неэлектрические величины, выполняют с помощью датчиков, соединённых с электрическими релейными элементами^[5].

История

Некоторые историки науки утверждают, что реле впервые было разработано и построено русским учёным П. Л. Шиллингом в 1830—1832 гг. Это реле составляло основную часть вызывного устройства в разработанном им телеграфе^[7].

Другие историки^{[8][9][10][11]} отдают первенство известному американскому физику Джозефу Генри (его именем названа единица индуктивности — генри), который сконструировал контактное реле в 1835 году при попытках усовершенствовать изобретённый им в 1831 году телеграфный аппарат (в 1837 году устройство получило применение в телеграфии). Первое реле Дж. Генри было не коммутационным. Необходимость в изобретении реле была обусловлена задачей усиления слабых электрических сигналов, передаваемых по проводам в приемный электромагнит телеграфного аппарата. Реле Генри представляло собой электромагнитный контактный коммутатор электрической цепи, осуществляющий усиление (ретрансляцию, подпитку) импульсов тока, приходящих на силовой электромагнит телеграфа, который с приходом ослабленного импульса тока замыкал электрический контакт цепи, соединяющий местную батарею питания силового электромагнита с его обмоткой^[12].

Слово «реле» возникло от французского relay — процедура смены уставших почтовых лошадей на станциях или передача эстафеты в спортивных эстафетных состязаниях. Это было как раз связано с принципом действия реле, применявшихся на линиях телеграфа.

Как самостоятельное устройство реле впервые упомянуто в патенте на телеграф Самюэля Морзе.

Затем появление телефона потребовало применения электромагнитных коммутаторов электрических цепей, названных телефонными реле. Позже успешное применение электромагнитных реле в технике телеграфии и телефонии способствовало применению подобных реле в устройствах железнодорожной автоматики, измерительной техники, энергетики, электротехники, а также в радиоэлектронной аппаратуре^[12].

Первые попытки создания научной методики для построения структуры релейных устройств относятся к 1925—1930 годам (работы учёных СССР А. Кутти, М. Цимбалистый, а также работы иностранных авторов)^[13][14]. Однако началом развития теории релейных устройств является 1936—1938 года, когда В.Шестаков^[15], К.Шеннон^[16] и А. Накасима^{[англ.][17]} применили для решения задач релейными устройствами аппарат математической логики; указание на возможность применения этого аппарата было сделано ещё в 1910 году ученым П.Эренфестом^[18].

Пока программируемые контроллеры ещё не изобрели, все системы управления были основаны на реле и представляли собой шкафы с проводами и релейными модулями. Для их описания был создан язык релейной (лестничной) логики (Ladder diagram)^[19].

Существенную роль в развитии релейных устройств сыграли международные симпозиумы по теории релейных устройств и конечных автоматов. Первый из них (1957 г.) имел место в США^[20], а второй (1962 г.) — в СССР^[21].

Конструкция

Релейные элементы характеризуются параметрами, относящиеся к входным и выходным воздействиям:

Петля гистерезиса

срабатывание — минимальное значение воздействия (электрического сигнала) на входе, при таком его возрастании, что релейный элемент изменяет свое состояние и одновременно воздействует на выходе в соответствии с релейной характеристикой;

отпускание — минимальное значение воздействия (электрического сигнала) на входе, при таком его уменьшении, что релейный элемент возвращается в свое первоначальное состояние.

В связи с неидеальностью релейной характеристики эти величины обычно не совпадают друг с другом (гистерезис). В ряде случаев релейный элемент может обладать свойствами фиксации, то есть оставаться в занятом им состоянии и после снятия воздействия на входе. В этом случае релейный элемент возвращается в первоначальное состояние обычно после подачи воздействия на другой его вход (или воздействие противоположного знака воздействия на тот же вход). Максимальное значение такого воздействия при его возрастании, вызывающее возвращение релейного элемента в первоначальное состояние, называется параметром возврата. Отношение параметра отпускания к параметру срабатывания называется коэффициентом отпускания. Характеристикой релейного элемента служит так же его быстродействие, определяемое временем срабатывания и временем отпускания или возврата. В ряде случаев важными характеристиками релейного элемента являются: потребление энергии, вес, занимаемый объём и т. п.

По виду физических явлений, используемых для действия релейных элементов, они делятся на механические и электрические^[5]. Которые в свою очередь могут быть контактные и бесконтактные.

Независимо от типа реле свойственно два положения: при отсутствии напряжения на катушке — невозбуждённое состояние, а при подаче напряжения — возбуждённое состояние. При переходе из состояния в состояние происходит явление переброса, то есть изменения положения контактных групп^[22].

Электрический

Основная статья: Электромагнитное реле

Чаще всего под термином «реле» подразумевается электрический релейный элемент — релейный элемент, действие которого основано на явлениях, вызванных протеканием электрического тока, изменением электрического поля или явлениями, связанными с электрической проводимостью^[23]. В рамках системы стандартизации термин «электрическое реле» используется исключительно для реле, выполняющего только одну операцию преобразования между его входными и выходными цепями^[24].

Классификация

По виду физических явлений, используемых для действия^[5]

• электромагнитные
  • нейтральные;
  • поляризованные;
• магнитоэлектрические;
• ферродинамические;
• индукционные реле;
  • с вращающимся полем;
  • с бегущим полем;
• ферромагнитные;
• магнитострикционные;
• электростатические;
• электронные;
• ионные;
• полупроводниковые (твердотельные);
• сегнетоэлектрические;
• пьезоэлектрические;
• МЭМС-реле^[25];
• фотоэлектрические
  • эмиссионные;
  • резистивные;
• резонансные;
• тепловые:
  • биметаллические;
  • плавкие.

По виду физических величин, на которые реагируют^[5]

• электрические
  • ток;
  • напряжение;
  • мощность
    • активная;
    • реактивная;
    • активно-реактивная;
  • частота;
  • сопротивление
    • активное;
    • реактивное;
    • активно-реактивное;
    • направленное;
  • фаза
    • сдвиг фаз;
    • последовательность фаз.
• Механические
  • Давления
  • Вакуума
  • Перемещения
    • Линейного
    • Углового
    • Направления
    • Уровня
  • Скорости
    • Поступательной
    • Вращательной
  • Течения
    • Скорости
    • Расхода
  • Ускорения
    • Линейного
    • Углового
  • Усилия
  • Частоты колебаний
  • Амплитуды колебаний
• Тепловые
  • Температуры
    • Абсолютной величины
    • Скорости изменения
  • Мощности теплового потока
• Оптические
  • Освещенности
  • Спектрального состава
• Акустические
  • Звукового давления
  • Частоты звуковых колебаний
• Магнитные
  • Напряженности магнитного поля
  • Магнитной индукции
  • Магнитного потока

По назначению делятся на^[23]

• аварийные
  • аварийного отключения;
  • повторного включения;
  • включения резерва;
• контроля и управления
  • воспринимающие;
  • исполнительные;
  • промежуточные.

Обозначение на схемах

На принципиальных электрических схемах реле обозначается следующим образом:

1 — обмотка реле (A1, A2 — управляющая цепь), 2 — контакт замыкающий, 3 — контакт размыкающий, 4 — контакт замыкающий с замедлителем при срабатывании, 5 — контакт замыкающий с замедлителем при возврате, 6 — контакт импульсный замыкающий, 7 — контакт замыкающий без самовозврата, 8 — контакт размыкающий без самовозврата, 9 — контакт размыкающий с замедлителем при срабатывании, 10 — контакт размыкающий с замедлителем при возврате.

11 — общий контакт, 11-12 — нормально замкнутые контакты, 11-14 — нормально разомкнутые контакты.

На некоторых схемах ещё можно встретить обозначения по ГОСТ 7624-55.

См. также

• Геркон
• Сухой контакт