Экспертное руководство по схемам релейных коммутаторов: NPN, PNP и N/P-канальные конструкции

Схема релейного коммутатора: принципы работы и устройство

Существует множество электрических и электронных устройств, классифицируемых как исполнительные механизмы (Output devices). Они используются для управления внешними физическими процессами машины или прибора. Такие устройства обычно называют актуаторами.

Актуаторы преобразуют электрическую энергию в физические величины: силу, скорость и др. Реле — это по сути бинарный актуатор с двумя стабильными состояниями. В этой статье подробно рассматриваются схемы релейных коммутаторов, их конструкции и особенности.

Что такое электрические реле?

Это электрически управляемые коммутаторы различных форм, размеров и мощностей. Реле подходят практически для любых применений. В одном корпусе может находиться один или несколько контактов. Мощные реле для сети переменного тока или больших токов называют контакторами. Рассмотрим классификацию реле.

• Связанная статья: Электронный автоматический выключатель — схема и принцип работы

Электрические реле делятся на две основные категории:

Электромеханические реле:

Как следует из названия, это электро-магнитные устройства. Они преобразуют магнитный поток, создаваемый электрическим управляющим сигналом, в механическую силу, замыкающую или размыкающую контакты. Простейшая и наиболее распространённая форма — катушка накачки, намотанная на пермеабельный железный сердечник. Эта катушка также называется первичной цепью.

Электромеханические реле применяются в обычных схемах электрического и электронного управления или коммутации. Их монтируют прямо на печатные платы или используют как отдельные блоки. В последнем случае нагрузка обычно составляет около 1 А.

• Связанная статья: Разница между реле и автоматическим выключателем

Конструкция электромеханического реле

Реле бывают двух типов: «нормально разомкнутые» (NO) и «нормально замкнутые» (NC). Пара контактов NO замыкается при подаче тока на катушку, пара NC — размыкается.

Важнейшая деталь — катушка, преобразующая ток в электромагнитный поток. Главная проблема: катушка — высокоиндуктивная нагрузка. При отключении тока возникает большой обратный ЭДС, способный повредить полупроводниковые приборы (транзисторы, MOSFET, микроконтроллеры), управляющие реле.

Примечание: Термины «нормально разомкнуто» и «нормально замкнуто» относятся к состоянию контактов, когда катушка не запитана.

Важно: Не рекомендуется соединять контакты реле параллельно для увеличения тока нагрузки. Не пытайтесь коммутировать нагрузку 10 А двумя контактами по 5 А каждый.

Контакты изготавливают из проводящих материалов. При размыкании сопротивление между ними становится очень большим — открывается цепь. Со временем подвижные части изнашиваются, возникает дугование и отскакивание контактов, что создаёт электрические помехи. Для решения этих проблем были разработаны твердотельные реле.

Твердотельные реле (SSR):

В них нет движущихся частей. Механические контакты заменены силовыми транзисторами, тиристорами или триаками. Отсутствие механики обеспечивает высокую надёжность, долговечность и низкие электромагнитные помехи. SSR быстрее и точнее электромеханических реле. Входная мощность управления мала, что обеспечивает совместимость с большинством семейств ИС.

Напряжение падения на выходе включённого SSR (1,5–2,0 В) выше, чем у электромеханических реле. При коммутации больших токов длительное время требуется радиатор. Драйверы или усилители часто не нужны, но монтаж на радиатор обязателен для предотвращения перегрева.

Реле может коммутировать один или несколько полюсов. Каждый полюс может иметь контакты трёх типов:

• Связанная статья: Как проверить реле? Проверка SSR и катушечных реле

• Нормально разомкнутый (NO) — make-контакт. Замыкает цепь при активации реле, размыкает — в неактивном состоянии.
• Нормально замкнутый (NC) — break-контакт. Действует противоположно NO: при активации размыкает цепь, при деактивации — замыкает.
• Переключающий (CO) / Двухпозиционный (DT) — управляет NO и NC контактами с общей точкой. Бывают типа «сначала размыкание, потом замыкание» и «сначала замыкание, потом размыкание».

Важно: Реле проектируют для двух задач: низковольтные приложения (снижение шумов) и высоковольтные (подавление дуг).

Распространённые способы коммутации реле:

Модули ввода-вывода (I/O Modules) — разновидность твердотельных реле для интерфейса компьютеров, микроконтроллеров или PIC с нагрузками. Существует четыре типа: вход AC/DC → выход TTL/CMOS, и вход TTL/CMOS → выход AC/DC. Каждый модуль содержит всю необходимую схему изоляции. Доступны как отдельные модули, так и интегрированные в 4-, 8-, 16-канальные блоки.

• Связанная статья: Обозначения реле — электрические и электронные символы

Схема релейного коммутатора на NPN-транзисторе:

Катушка управляется NPN-транзистором. При нулевом напряжении на базе транзистор в режиме среза — открытый ключ, ток коллектора отсутствует, катушка обесточена. При подаче достаточного положительного тока на базу (режим насыщения) открывается переход база-эмиттер, течёт ток коллектора, катушка энергизируется.

Схема релейного коммутатора на PNP-транзисторе:

Требует обратной полярности питания. Коллектор-эмиттерное напряжение должно быть отрицательным для течения тока от эмиттера к коллектору. По способности управлять катушкой аналогична NPN-схеме.

• Связанная статья: Как проверить NPN и PNP транзистор мультиметром (DMM+AVO)

Схема релейного коммутатора на N-канальном MOSFET:

Работа аналогична биполярному транзистору, но MOSFET — напряжение-управляемый прибор, затвор гальванически изолирован от сток-истока. N-канальные MOSFET с индуцированным каналом наиболее распространены. Положительное напряжение на затворе открывает транзистор, отрицательное — закрывает. Идеально для релейных ключей.

Схема релейного коммутатора на P-канальном MOSFET:

Работает только с отрицательными напряжениями на затворе. Исток подключён к +Vdd, сток — к земле через катушку реле. Подача HIGH уровня на затвор закрывает P-канальный MOSFET.

Ключевые моменты при выборе реле:

• Наличие хорошей защиты катушки и контактов
• Соответствие стандартам и наличие сертификатов
• Высокая скорость переключения
• Правильный выбор типа контактов
• Гальваническая изоляция между цепью катушки и контактами

Пример работы релейной схемы:

Задача: включить КЛЛ-лампу через реле. Используем кнопку для управления 5В реле, которое замкнёт вторую цепь с лампой.

Компоненты:

• Реле 5В
• Картридж для лампы
• КЛЛ-лампа
• Кнопка ВКЛ/ВЫКЛ
• Монтажная плата
• Батарея 9В
• Сеть переменного тока

Обычный выключатель управляет реле. 5В реле питается от 9В батареи. При разомкнутой кнопке ток через катушку не течёт, общий контакт реле соединен с NO — лампа ВЫКЛ. При замыкании кнопки катушка создаёт магнитное поле, притягивает якорь, общий контакт переключается на NC — лампа ВКЛ.

Недостатки SSR по сравнению с электромеханическими реле аналогичной мощности: более высокая цена, доступны только однополюсные одноконтактные типы, есть ток утечки в выключенном состоянии, большое падение напряжения и рассеиваемая мощность в включённом состоянии (требуется радиатор). Обычные SSR не коммутируют малые токи или высокочастотные сигналы (аудио/видео), но существуют специальные твердотельные ключи для таких задач.

Оба типа реле важны в повседневной жизни. Выбор зависит от требований. SSR дороже, но их коммутация осуществляется электромагнитными силами от слабого входного сигнала, что позволяет управлять высокомощной цепью. Электромеханические реле — более старая технология с простой механической конструкцией.

• Связанная статья: Автоматическая система управления уличным освещением с фоторезистором и транзистором BC547

Применение:

Область применения реле широка. Наиболее частые сценарии:

• Реализация логических функций
• Обеспечение критической для безопасности логики
• Функции временных задержек
• Управление высокотоковыми цепями слабыми сигналами

В статье рассмотрены типы реле, их принцип работы и применение. Теперь вы обладаете знаниями для самостоятельного проектирования релейных схем.

Связанные электронные проекты:

• PNP-транзистор
• NPN-транзистор
• Автоматический выключатель света в ванной — схема и принцип работы
• Детектор скорости автомобиля — схема и исходный код
• Умная домашняя автоматизация — схема и исходный код
• Простая схема сенсорного выключателя на таймере 555 и транзисторе BC547
• Схема LED-рулетки на таймере 555 и счётчике 4017