Как работают реле?

Вы можете этого не осознавать, но вы постоянно начеку, следите за угрозами, готовые действовать в любой момент. Миллионы лет
эволюции подготовили ваш мозг к спасению вашей шкуры, когда вашему существованию угрожает малейшая опасность. Например, если
вы используете электроинструмент , и крошечная щепка летит в ваш глаз, одна из ваших ресниц пошлет сигнал в ваш мозг, который заставит ваши веки мгновенно закрыться — достаточно быстро, чтобы защитить ваше зрение. Здесь происходит то, что крошечный стимул вызывает гораздо большую и более полезную реакцию. Вы можете обнаружить тот же трюк в работе во всех видах машин и электроприборов , где датчики готовы включать или выключать что-либо за доли секунды с помощью умных магнитных переключателей, называемых реле. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Типичное реле со снятым пластиковым внешним корпусом. Вы можете видеть два пружинных контакта слева и катушку электромагнита (красно-коричневый цилиндр медного цвета) справа. В этом реле, когда ток протекает через катушку, он превращает ее в электромагнит. Магнит толкает переключатель влево, заставляя пружинные контакты соединяться и замыкая цепь, к которой они присоединены. Это реле от электронного программатора погружного водонагревателя. Электронная схема в программаторе включает или выключает магнит в запрограммированное время суток, используя относительно небольшой ток. Это позволяет гораздо большему току протекать через пружинные контакты для питания элемента, который нагревает горячую воду.

Что такое реле?

Реле — это электромагнитный переключатель, работающий от относительно
небольшого электрического тока, который может включать или выключать гораздо более сильный электрический
ток.

Сердце реле — электромагнит (катушка провода, которая становится
временным магнитом, когда через нее протекает электричество). Вы можете представить себе реле
как своего рода электрический рычаг:
включите его с помощью слабого тока, и он включит («приведет в действие») другой прибор,
использующий гораздо больший ток. Почему это полезно? Как
следует из названия, многие датчики являются невероятно чувствительными элементами
электронного оборудования и вырабатывают только слабые электрические токи. Но
часто они нужны нам для управления более крупными устройствами, использующими
более сильные токи. Реле перекрывают этот промежуток, позволяя слабым
токам активировать более сильные. Это означает, что реле могут работать либо как переключатели
(включая и выключая вещи), либо как усилители (преобразуя слабые
токи в более сильные).

Произведение искусства: Если бы реле были собаками: Предположим, у вас есть огромная, свирепая собака, которая спит так крепко, что никогда не просыпается, когда слышит шум. Она не будет особо полезна в качестве сторожевой собаки! Но что, если вы купите маленькую, очень бдительную собаку? Если маленькая собака услышит шум, она начнет лаять и разбудит большую собаку, которая затем может напасть на злоумышленника. Вот как работают реле: они используют небольшой электрический ток, чтобы вызвать гораздо более крупный.

Как работают реле

Вот две простые анимации, иллюстрирующие, как реле используют одну цепь для включения второй цепи.

Когда ток проходит через первую цепь (1), он активирует электромагнит (коричневый), генерирующий магнитное поле (синее), которое притягивает контакт (красный) и активирует вторую цепь (2). Когда ток отключается, пружина возвращает контакт в исходное положение, снова отключая вторую цепь.

Это пример «нормально открытого» (НО) реле: контакты во второй цепи не подключены по умолчанию и включаются только тогда, когда ток протекает через магнит. Другие реле являются «нормально закрытыми» (НЗ; контакты подключены так, что ток протекает через них по умолчанию) и выключаются только тогда, когда активируется магнит, притягивающий или раздвигающий контакты. Нормально открытые реле являются наиболее распространенными.

Вот еще одна анимация, показывающая, как реле связывает две цепи
вместе. По сути, это то же самое, нарисованное немного по-другому.
С левой стороны находится входная цепь, питаемая от переключателя
или какого-то датчика. Когда эта цепь активируется, она подает
ток на электромагнит, который замыкает металлический переключатель и
активирует вторую выходную цепь (с правой стороны). Относительно небольшой
ток во входной цепи, таким образом, активирует больший ток в
выходной цепи:

1. Входная цепь (синяя петля) отключена, и ток через нее не течет, пока что-то (датчик или замыкание переключателя) не включит ее. Выходная цепь (красная петля) также отключена.
2. Когда во входной цепи протекает небольшой ток, он активирует электромагнит (показан здесь в виде темно-синей катушки), который создает вокруг себя магнитное поле.
3. Заряженный электромагнит притягивает к себе металлический стержень в выходной цепи, замыкая переключатель и позволяя гораздо большему току протекать через выходную цепь.
4. Выходная цепь управляет сильноточным прибором, например, лампой или
   электродвигателем.

Реле на практике

Фото: Еще один взгляд на реле. Сверху: Глядя прямо вниз, вы можете увидеть пружинные контакты слева, механизм переключения посередине и катушку электромагнита справа. Снизу: То же реле, сфотографированное спереди.

Предположим, вы хотите построить электронную
систему охлаждения, которая включает и выключает вентилятор при
изменении температуры в помещении. Вы можете использовать какую-то схему электронного термометра для
измерения температуры, но она будет вырабатывать только небольшие электрические
токи — слишком малые, чтобы питать электродвигатель большого
вентилятора. Вместо этого вы можете подключить схему термометра к
входной цепи реле. Когда в этой
цепи протекает небольшой ток, реле активирует свою выходную цепь,
позволяя протекать гораздо большему току и включив вентилятор.

Реле не всегда включают что-то; иногда они очень полезно выключают что-то.
Например, в оборудовании электростанций и линиях электропередач вы найдете защитные реле , которые срабатывают при возникновении неисправностей, чтобы предотвратить повреждения от таких вещей, как скачки тока. Электромагнитные реле, подобные описанным выше, когда-то широко использовались для этой цели. В наши дни электронные реле на основе интегральных схем выполняют ту же работу; они измеряют напряжение или ток в цепи и автоматически принимают меры, если они превышают заданный
предел.

Другие типы реле

На фото: Четыре старомодных реле защиты от сверхтоков на устаревшей подстанции в 1986 году, незадолго до ее сноса. Фото предоставлено Библиотекой Конгресса США.

До сих пор мы рассматривали самые общие переключающие реле, но существует довольно много вариаций на
эту базовую тему, в том числе (и это далеко не полный список):

• Высоковольтные реле: они специально разработаны для коммутации высоких напряжений и токов,
  значительно превышающих возможности обычных реле (обычно до 10 000 вольт и 30 ампер).
• Электронные и полупроводниковые реле (также называемые твердотельными реле или SSR): они переключают токи
  полностью электронным способом, без подвижных частей, поэтому они быстрее, тише, меньше, надежнее
  и служат дольше, чем электромагнитные реле. К сожалению, они обычно дороже, менее
  эффективны и не всегда работают так же чисто и предсказуемо (из-за таких проблем, как токи утечки).
• Таймеры и реле задержки времени: они запускают выходные токи на ограниченный период времени (обычно от
  долей секунды до 100 часов или четырех дней).
• Тепловые реле: они включаются и выключаются, чтобы предотвратить перегрев таких устройств, как электродвигатели, что немного похоже на биметаллические полосковые термостаты.
• Реле максимального тока и направленные реле: сконфигурированные различными способами, они не позволяют избыточным токам течь в неправильном направлении по цепи (обычно в оборудовании для генерации, распределения или подачи электроэнергии).
• Реле дифференциальной защиты: срабатывают при возникновении дисбаланса тока или напряжения в двух различных частях цепи.
• Реле защиты по частоте (иногда называемые реле пониженной и повышенной частоты): эти твердотельные устройства срабатывают, когда частота переменного тока слишком высокая, слишком низкая или и то, и другое.

Кто изобрел реле?

На фото: профессор Джозеф Генри, фотография сделана между 1860 и 1875 годами.
Фото предоставлено фотоколлекцией Брэди-Хэнди,
Библиотека
Конгресса США, Отделом эстампов и фотографий.

Реле были изобретены в 1835 году американским пионером электромагнетизма
Джозефом Генри;
на демонстрации в колледже Нью-Джерси
Генри использовал небольшой электромагнит для включения и выключения большего и предположил, что реле можно использовать для управления электрическими машинами на очень больших расстояниях. Генри применил эту идею к другому изобретению, над которым он работал в то время, электрическому телеграфу (предшественнику телефона), который был успешно разработан Уильямом Куком и Чарльзом Уитстоном в Англии и (гораздо более известно) Сэмюэлем Ф. Б. Морзе в Соединенных Штатах.

Позднее реле использовались в телефонной коммутации и первых электронных компьютерах и оставались чрезвычайно популярными до появления транзисторов в конце 1940-х годов. По словам Бэнкрофта Герарди, отмечавшего 100-летие работы Генри по электромагнетизму, к тому времени только в Соединенных Штатах работало около 70 миллионов реле.

На фото: реле широко применялись для коммутации и маршрутизации вызовов на телефонных станциях,
таких как эта, сделанная в 1952 году. Фото предоставлено Исследовательским центром имени Гленна при НАСА (NASA-GRC).

Транзисторы — это крошечные электронные компоненты, которые могут выполнять ту же работу, что и реле, работая как усилители или переключатели. Хотя они переключаются быстрее, потребляют гораздо меньше электроэнергии, занимают гораздо меньше места и стоят намного дешевле реле, они, как правило, работают только с крошечными токами, поэтому реле по-прежнему используются во многих приложениях. Именно разработка транзисторов подстегнула компьютерную революцию с середины 20-го века и далее. Но без реле не было бы транзисторов, поэтому реле — и такие пионеры, как Джозеф Генри — тоже заслуживают некоторой похвалы!

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электричество
• Электродвигатели
• Электроника
• Магнетизм
• Телефоны
• Транзисторы

Статьи

• Электромеханическое реле Джозефа Генри: краткий рассказ о том, как Джозеф Генри изобрел реле в 1835 году.
• Генри как первопроходец в области электричества, Бэнкрофт Герарди, Bell Systems Technical Journal, июль 1932 г. Эта интересная историческая статья из архивов Bell была опубликована в ознаменование столетия электрических открытий Джозефа Генри. Она дает превосходное резюме важности Генри и того, как он помог «включить» мир на электричество при своей жизни.
• Джозеф Генри, Митчелл Уилсон, Scientific American, июль 1954 г., стр. 72–77: Анализ важности Генри в электромагнетизме.

Видео

• Как сделать реле: довольно простое видеоруководство продолжительностью 2,5 минуты покажет вам, как намотать собственные электромагниты и установить их на плату, чтобы создать собственное самодельное реле.
• Как работает автомобильное реле: Это короткое и простое видеообъяснение расскажет вам о том, что я объяснил выше. То же самое объяснение, немного другие слова.

Книги

Простые и практичные руководства

• MAKE: Электроника Чарльза Платта.
  Maker Media, 2015. Эксперимент 7, исследование реле, — это отличное практическое введение. Вы можете открыть реле и поиграться с внутренними механизмами!
• Очевидец: Электроника Роджера Бриджмена.
  Нью-Йорк: DK, 2007. (Для младших читателей в возрасте 9–12 лет. Включает историю, науку и технологию.)
• «Проекты телефонов для злого гения» Томаса Петруцеллиса. McGraw-Hill Professional, 2008. (Включает несколько схем, использующих реле.)

Подробные технические книги

• Электрические реле: принципы и применение
  Владимира Гуревича. CRC Press, 2018. После краткой истории реле эта книга знакомит нас с
  магнитными принципами, работой контактов реле, внешними соображениями по конструкции и упаковке, а также связанными с ними устройствами, такими как герконы. В последующих главах рассматриваются вариации базового реле, включая высоковольтные, тепловые и реле времени.
• Очевидец: Электроника Роджера Бриджмена.
  Нью-Йорк: DK, 2007. (Для младших читателей в возрасте 9–12 лет. Включает историю, науку и технологию.)
• «Проекты телефонов для злого гения» Томаса Петруцеллиса. McGraw-Hill Professional, 2008. (Включает несколько схем, использующих реле.)

История науки

• Создатели телеграфа: Сэмюэл Морзе, Эзра Корнелл и Джозеф Генри, автор Кеннет Б. Лифшиц. Макфарланд, 2017. «Раздел IV: Эстафета» описывает, как реле сыграли ключевую роль в истории телеграфии (и, следовательно,) современных коммуникаций.