< Electronică Digitală

5 Relee electromecanice

5.1 Construcţia releelor

La trecerea curentului electric printr-un canductor, va lua naştere un câmp magnetic în jurul acestuia. În cazul în care conductorul este construit sub forma unei bobine, câmpul magnetic produs se va orienta în lungimea bobine. Cu cât intensitatea curentului este mai mare, cu atât puterea câmpului magnetic este mai mare, toţi ceilalţi factori rămânând neschimbaţi.

Bobinele reacţionează la variaţia curentului prin ele datorită energiei stocate sub forma acestui câmp magnetic. La construirea unui transformator din două bobine înfăşurate în jurul unui miez magnetic comun, utilizăm de fapt acest câmp magnetic pentru a transfera energie electrice de la o înfăşurare la alta. Totuşi, există şi alte metode mai simple şi mai directe de utilizare a câmpurilor electromagnetice. Câmpul magnetic produs de o bobină poate fi folosit pentru exercitarea unei forţe mecanice asupra oricărui obiect magnetic. În acelaşi fel folosim şi magneţi permanenţi pentru atragerea obiectelor magnetice. Diferenţa constă în faptul că acest electromagnet (format din bobină) poate fi pornit şi oprit prin închiderea şi deschiderea circuitului bobinei.

Dacă plasăm un obiect magnetic (un obiect metalic, de exemplu) în apropierea unei astfel de bobine, acest obiect se va deplasa atunci când prin bobină trece un curent electric. Obiectul magnetic deplasabil poartă numele de armătură, iar majoritatea lor pot fi deplasate fie prin intermediul curentului continuu, fie cu ajutorul curentului alternativ. Polaritatea câmpului magnetic este irelevantă din punct de vedere al atracţiei armăturii. Aceste dispozitive pot fi folosite pentru deschiderea pe cale electrică a încuietorilor, deschiderea sau închiderea valvelor, deplasarea braţelor mecanice, etc. Totuşi, în situaţia în care aceste dispozitive sunt utilizate pentru acţionarea unui comutator, ele sunt cunoscute sub denumirea de relee electromecanice.

Releele sunt foarte practice pentru controlul unei cantităţi mari de curent sau tensiune prin intermediul unui semnal electric de putere mică. Bobina releului ce produce câmpul magnetic poate să consume o putere mai mică de 1 watt, de exemplu, pe când contactele acţionate de acest câmp magnetic pot susţine o putere de sute de ori mai mare. Funcţional, un releu electromecanic se comportă precum un amplificator cu două stări: pornit şi oprit.

La fel ca în cazul tranzistorilor, abilitatea releelor de a controla un semnal electric prin intermediul unui alt semnal electric este utilizate pentru realizarea funcţiilor logice. Pentru moment însă, vom explora abilitatea de „amplificare” a releelor.

În figura de mai sus, bobina releului este energizată prin intermediul unei surse de tensiune de 12 V (c.c.). În schimb, comutatorul monopolar cu o singură direcţie este conectat într-un circuit electric alimentat de la o sursă de tensiune de 480 V (c.a.). În acest caz, curentul necesar energizării bobinei este de sute de ori mai mic decât curentul nominal al contactului comutatorului.

Un singur dispozitiv bobină/armătură poate fi folosit pentru acţionarea mai multor seturi de contacte. Aceste contacte pot fi normal-deschise, normal-închise, sau într-o combinaţie a celor două. Asemeni comutatoarelor, poziţia „normal” a releelor reprezintă acea stare a contactelor atunci când bobina nu este energizată, sau mai bine spus, atunci când releul este încă „în cutie”.

Pe lângă abilitatea de control a unui curent mare prin intermediul unui curent mic, releele oferă şi o izolaţie electrică între circuitul bobine şi circuitul contactelor. Acest lucru înseamnă că cele două elemente sunt izolate din punct de vedere electric una de cealaltă. Unul din circuite poate fi de c.c, iar celălalt de c.a., precum în exemplul anterior, sau chiar şi la tensiuni diferite.

5.2 Contactoare

Atunci când releele sunt folosite pentru comutarea unor puteri mari prin contactele sale, acestea poartă numele de contactoare. Contactorele au de obicei mai multe contacte, iar aceastea sunt de obicei (deşi nu neapărat) în poziţia normal-deschis: circuitul este deschis atunci când bobina nu este energizată.

Probabil cea mai des întâlnită aplicaţie a contactoarelor constă în controlul motoarelor electrice.

5.3 Relee temporizate

Unele relee sunt prevăzute cun un fel de „amortizor”. Acest mecanism, ataşat arăturii releului previne deplasarea imediată şi completă a armăturii atunci când bobina este energizată sau de-energizată. Datorită acestui lucru, releul are proprietatea unei acţionări temporizate (întârziate în timp). Astfel de relee temporizate pot fi construite pentru temporizarea deplasării armăturii în momentul energizării bobinei, în momentul de-energizării bobinei, sau pentru ambele situaţii.

Releele temporizate au ca şi specificaţie nu doar poziţia normal-închisă sau normal-deschisă a contactelor, ci şi modul în care acţionează temporizarea (la închiderea sau la deschiderea contactelor). Mai jos este o descriere a celor patru tipuri de relee temporizate.

5.3.1 Releu temporizat la închidere normal deschis

Acest tip de contact este normal deschis atunci când bobina nu este energizată. Contactul se închide doar după aplicarea unui curent electric prin bobina releului, şi doar după o anumită perioadă de timp de la aplicarea acestuia. Cu alte cuvinte, direcţia deplasării contactului este identică cu cea a unui contact normal deschis, dar există o întârziere (temporizare) la închiderea contactului. Datorită faptului că temporizarea are loc în direcţia de energizare a bobinei, acest tip de contact mai poartă numele de normal-deschis cu acţionare întârziată.

Releul din figura alăturată este un releu temporizat la închidere, normal-deschis. Acesta se închide după cinci secunde de la energizarea bobinei. Deschiderea se realizează imediat după de-energizarea bobinei.

Alăturat este o diagramă de timp ce prezintă modul de funcţionare a contactelor acestui tip de releu temporizat.

5.3.2 Releu temporizat la deschidere, normal-deschis

Asemenea releului precedent, şi acest dispozitiv este normal-deschis atunci când bobina este de-energizată. La aplicarea unui curent pe bobină, contactele releului se închid. Faţă de cazul precedent însă, temporizarea (întârzierea) are loc după de-energizarea bobine şi nu după energizarea ei. Datorită faptului că temporizarea are loc după de-energizarea bobinei, acest tip de contact mai poartă numele de normal deschis cu întârziere la revenire.

Releul temporizat la deschidere, normal deschis, din figura alăturată se închide imediat după energizarea bobinei. Deschiderea contactelor are loc însă la cinci secunde după de-energizarea bobinei.

Diagrama de timp în acest caz, este cea din figura alăturată.

5.3.3 Releu temporizat la deschidere, normal-închis

Acest tip de contact este normal închis atunci când bobina nu este energizată. Contactul se deschide la aplicarea unui curent prin bobină, dar doar după o anumită perioadă de timp. Cu alte cuvinte, direcţia de deplasare a contactului este identică cu a unui contact normal-închis, doar că există o temporizare în direcţia deschiderii acestuia. Datorită faptului că temporizarea are loc în direcţia energizării bobinei, acest contact mai poartă numele de contact normal închis cu acţionare întârziată.

5.3.4 Releu temporizat la închidere, normal-închis

Asemenea releului temporizat la deschidere normal-închis, acest tip de contact este normal-închis atunci când bobina nu este energizată. Deschiderea se realizează prin aplicarea unui curent prin bobina releului. Totuşi, la de-energizarea bobinei, contactele se închid cu o anumită întârziere de timp. Acest tip de contact mai poartă numele de contact normal închis cu întârziere la revenire.

5.3.5 Alte tipuri de relee temporizate

Releele temporizate mecanice, mai vechi, utilizau amortizoare mecanice sau dispozitive cu pistoane/cilindrii umplute cu fluid pentru îtârzierea deplasării armăturilor. Modelele mai nou utilizează circuite electronice cu reţele rezistor-condensator pentru genererarea întârzierii. Energizarea (instantanee) a releului electromecanic se realizează cu ajutorul semnalului de ieşire al circuitului electronic. Aceste relee electronice sunt mai adaptabile decât variantele mecanice, şi mult mai durabile. Multe modele sunt capabile de efectuarea unor operaţii de temporizare avansate:

Releu temporizat normal-deschis cu o singură închidere. Aceste relee se închid o singură dată, un anumit interval de timp şi apoi se re-deschid, la o tranziţie a intrării de la starea de-energizată la starea energizată.

Releu temporizat normal-deschis cu deschideri/închideri repetate. Acest releu se închide şi se deschide pentru un anumit interval de timp atâta timp cât bobina este energizată.

Releu temporizat de supraveghere. Acest releu îşi schimbă starea în cazul în care semnalul de intrare nu variază continuu de la starea energizată la starea de-energizată.

Această ultimă metodă de temporizare este utilă pentru monitorizarea sistemelor bazate pe calculatoare. Dacă se foloseşte un calculator pentru controlul unui proces critic, este recomandată de obicei instalarea unui sistem automat de alarmare în cazul în care calculatorul se blochează din diferite motive. O metodă relativ simplă de instalare a unui astfel de sistem constă în energizarea şi de-energizarea unei bobine prin intermediul unui semnal trimis de calculator. Dacă sistemul se blochează, semnalul de intrare pe releu nu se va mai modifica (se va bloca la ultima stare). La puţin timp după aceasta, contactul releului se va închide semnalizând o problemă.

5.4 Relee semiconductoare

Pe cât de utile sunt, releele electromecanice au totuşi multe inconveniente. Acestea sunt relativ scumpe, au o durată de viaţă a contactelor limitată, ocupă mult loc, iar timpii de comutaţie sunt mari în comparaţie cu dispozitivele semiconductoare moderne. Aceste limitări se aplică în special releelor de putere. Pentru a întâmpina aceste neajunsuri, mulţi producători oferă relee semiconductoare ce folosesc tiristori, triace sau tranzistori în loc de contactele mecanice.

Aceste dispozitive de ieşire (tiristori, triace, tranzistori) sunt cuplate optic la o sursă de lumină (LED) în interiorul releeului. Releul este pornit prin energizarea acestui LED, de obicei prin intermediul unei surse de tensiune de c.c. scăzute. Această izolare optică între intrare şi ieşire se ridică la nivelul celor mai bune relee electromecanice posibile.

Fiind dispozitive semiconductoare, nu există părţi mobile care să se deterioreze la uzură. Timpii de comutaţie sunt mult mai mici decât viteza maximă posibilă de deplasare a armăturilor în cazul releelor mecanice. Nu există pericolul apariţiei arcelor electrice între contacte şi nici probleme corozive. Totuşi, aceste dispozitive semiconductoare sunt mai scumpe, mai ales pentru curenţi înalţi.

Un avantaj important al releelor cu tiristoare. este tendinţa naturală de deschidere a contactelor, într-un circuit de c.a., doar la trecerea curentului prin zero. Histereza „naturală” a tiristoarelor menţine continutiatea circuitului chiar şi după de-energizarea LED-ului, până în momentul în care c.a. scade sub un anumit prag (curentul de menţinere). Practic, acest lucru înseamnă că circuitul nu se va întrerupe în mijlocul unei semi-perioade (atunci când valoarea curentului este maximă, de exemplu). O asemenea întrerupere într-un circuit cu o inductanţă mare, va produce în mod normal o creştere mare şi de scurtă durată tensiunii. Acest lucru se datorează „căderii” bruşte a câmpului magnetic din jurul inductanţei. Acest lucru nu are loc însă în cazul unul releu semiconductor echipat cu tiristori.

Un dezavantaj al releelor semiconductoare este tendinţa de scurt-circuitare în caz de defect. Releele electromecanice tind să se deschidă la defect. Dintre cele două stări, deschiderea la defect este considerată mai sigură faţă de scurt-circuitarea la defect. Din acest motiv, în anumite aplicaţii, releele electromecanice sunt încă folosite în dauna celor semiconductoare. p>