Катушки реле: AC/DC, потребление, допуски, подавление

1 месяц назад

4 мин.

Катушки реле: переменный/постоянный ток (AC/DC), потребление, допуски, подавление выбросов

Катушка реле — электромагнитный узел, который создаёт магнитный поток для притяжения якоря и переключения контактов. Правильная работа контактной группы напрямую зависит от того, насколько устойчиво катушка обеспечивает притяжение и как организовано отключение катушки (перенапряжение при размыкании). Ошибки по катушке чаще всего приводят к неполному включению (дребезг якоря, повышенный износ контактов), перегреву, сбоям выходов ПЛК/контроллеров и помехам в цепях управления.

Типы катушек: переменный ток и постоянный ток (AC/DC)

Катушка постоянного тока ⎓ (DC)

Катушка DC описывается активным сопротивлением обмотки и магнитной системой. При подаче напряжения ток нарастает по экспоненциальному закону (переходный процесс), затем стабилизируется на уровне, близком к I ≈ U/R (в установившемся режиме), где R — сопротивление обмотки при текущей температуре.

Особенности катушки DC:

чувствительность к падению напряжения питания в длинных линиях управления;
выраженное перенапряжение при отключении (ЭДС самоиндукции), требующее подавления;
нагрев увеличивает сопротивление обмотки и снижает ток, что может ухудшить запас по притяжению.

Катушка переменного тока ~ (AC)

Катушка AC работает в условиях переменного магнитного потока. Электрически она имеет активную составляющую и индуктивную (реактивную) составляющую; потребление определяется не только сопротивлением провода.

Особенности AC:

включающий ток (inrush) обычно выше, чем ток удержания: до притяжения якоря индуктивность меньше, ток больше; после притяжения магнитный зазор уменьшается, индуктивность возрастает, ток падает;
для устойчивого удержания якоря на переменном токе применяют конструктивные меры (типично — шунтирующий элемент в магнитной системе), иначе возможна вибрация на нуле синусоиды;
качество формы напряжения (искажения, просадки) влияет на нагрев и удержание.

Практическое следствие: одинаковая «надпись» по напряжению катушки не означает одинаковые токи и тепловыделение для AC и DC.

Напряжение катушки, срабатывание и отпускание

Для катушки важны три напряжения:

номинальное напряжение катушки (например, 24 В⎓, 230 В~);
напряжение срабатывания (pickup): минимальное напряжение, при котором реле гарантированно притянет якорь;
напряжение отпускания (dropout): напряжение, ниже которого реле гарантированно отпустит.

Эти параметры зависят от конструкции, температуры, допуска питания и механического состояния. Их нельзя «универсализировать» одной цифрой для всех реле, поэтому в технически корректном описании принимают правило: срабатывание/отпускание оценивают по данным производителя и проверяют на фактическом напряжении на клеммах катушки (A1–A2 или аналогичных).

Критичный режим для контактов — неполное включение: если катушка недодаёт усилие, якорь не прижимает контакты с расчётным усилием, возрастает переходное сопротивление и ускоряется износ.

Потребление катушки: ток, мощность, нагрев

DC катушка: расчётные соотношения

Для DC в установившемся режиме применимы базовые формулы:

I ≈ U/R;
P ≈ U·I ≈ U²/R

Сопротивление обмотки растёт с температурой, поэтому при нагреве ток и магнитное усилие снижаются. Отсюда требование: учитывать нагрев в шкафу и допустимые режимы длительного включения.

AC катушка: пусковой ток и удержание

Для AC характерно различие:

потребление до притяжения (больше);
потребление после притяжения (меньше).

Это важно при:

расчёте источника питания (если катушки AC питаются через цепи управления);
выборе выходных элементов управления (контакты кнопок, релейные выходы, промежуточные реле);
оценке нагрева при длительном включении.

Совместимость с выходами ПЛК/контроллеров

При управлении катушкой от транзисторных выходов или твердотельных модулей проверяют:

ток катушки в режиме включения (для AC — учитывать пусковой ток если управление через электронный ключ применимо);
допустимый ток коммутации выхода;
необходимость подавления выброса (для DC обязательно, для AC — по схеме и требованиям к помехам).

Допуски питания катушки и устойчивость включения

Устойчивость работы определяется фактическим напряжением на катушке в момент включения и удержания. На практике падение напряжения дают:

длинные линии управления и малое сечение провода;
контакты кнопок, клеммники, разъёмы;
одновременное включение нескольких катушек от одного источника;
просадки питания 24 В⎓ при недостаточной мощности БП.

Техническое требование для эксплуатации: измерять напряжение непосредственно на выводах катушки при включении и удержании, а не на выходе блока питания. Если напряжение на катушке падает ниже уровня гарантированного притяжения/удержания, возникают:

вибрация якоря;
перегрев катушки;
ускоренный износ силовых контактов (для реле, которые коммутируют нагрузку).

Подавление выбросов катушки: назначение и выбор схемы

Почему возникает перенапряжение

При отключении катушки ток стремится сохраниться (самоиндукция). Если цепь размыкается, возникает высокое перенапряжение на размыкающем элементе (контакте, транзисторе), что приводит к:

пробою или деградации транзисторного выхода;
увеличению искрения контактов;
помехам и ложным срабатываниям соседних цепей.
Подавление выброса решает две задачи:
защита коммутирующего элемента;
снижение электромагнитных помех.

DC катушки: основные решения

1) Диод

Ставится параллельно катушке в обратной полярности. Эффективно ограничивает перенапряжение до уровня порядка падения на диоде.

Техническое следствие: увеличивает время отпускания (катушка разряжается медленнее), что может быть критично в некоторых схемах.

2) TVS-диод (супрессор, TVS)

Ограничивает напряжение на заданном уровне выше питающего.

Техническое следствие: отпускание быстрее, чем с обычным диодом; защита выхода выше, чем без подавления.

3) Диод + стабилитрон (диод с ограничением уровня, “быстрый разряд”)

Компромисс: ограничение перенапряжения на более высоком уровне, чем у простого диода, при существенно меньшем времени отпускания.

Выбор между этими вариантами определяется требуемым временем отпускания и допустимым уровнем перенапряжения для выходного элемента.

AC катушки: основные решения

1) RC-цепь (RC-снаббер, RC snubber)

Параллельно катушке или коммутирующему контакту. Снижает скорость нарастания напряжения и подавляет выбросы.

2) Варистор (MOV, metal-oxide varistor)

Ограничивает перенапряжение на заданном уровне. Применим для снижения помех и защиты контактов/электроники.

Для AC катушек нельзя применять “простой обратный диод” как для DC, поскольку это приведёт к неправильному режиму.

Где ставить подавление:

С технической точки зрения подавление наиболее эффективно, когда установлено:

как можно ближе к катушке (минимизация петли помех);
с учётом типа управления (контакты/транзистор/SSR-выход).

Типовые ошибки по катушкам и их технические последствия

Неверный тип катушки: ~ (AC) вместо ⎓ (DC) или наоборот → отказ включения, перегрев, нестабильная работа.
Недостаточное напряжение на клеммах катушки → неполное притяжение якоря, рост износа контактов.
Отсутствие подавления выброса DC катушки при управлении транзистором → пробой/деградация выхода, помехи.
Диод поставлен там, где требуется быстрое отпускание → увеличение времени отпускания, нарушение логики работы механизма.
Подавление установлено далеко от катушки → сохраняются помехи из-за большой индуктивной петли проводки.

Контрольный список выбора и проверки катушки реле

Тип катушки: ~ (AC) или ⎓ (DC), номинальное напряжение.
Потребление катушки: ток/мощность (для DC — I и P; для AC — учитывать inrush и удержание).
Диапазон допустимых напряжений и проверка фактического напряжения на клеммах катушки.
Совместимость с устройством управления (контакты, транзисторный выход, релейный модуль).

Подавление выбросов:

DC: диод / TVS / диод+стабилитрон (по требуемому времени отпускания);
AC: RC-цепь и/или варистор.
Тепловой режим: температура в шкафу, длительность включения, плотность монтажа.