Л Е М Е Н Т Ы
АДИОЭЛЕКТРОННОЙ
И. П. Филипченко
ЭЛЕКТРО-
МАГНИТНЫЕ
РЕЛЕ
а.
0
О
о * и
о
S
15R
ЭЛЕМЕНТЫ
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ
СО о
< со
И. П. Филипченко
Г. Я. Рыбин
° ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
° РЕЛЕ
<
ш О 5x1 О
ш 00
Scan AAW
УДК 621.318.56
Ф и л ип ч ен ко И. П., Рыбин Г. Я., Электромагнитные реле. М., Изд-во «Советское радио», 1968, стр. 72, т. 36 000, ц. 21 коп.
В настоящей брошюре рассматривается принцип действия, устройство и конструктивные особенности реле. Приводятся методы проверки их качества и работоспособности, правила эксплуатации и хранения. Даются рекомендации по выбору, применению и повышению надежности работы реле в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).
Брошюра предназначается для обслуживающего персонала РЭА* а также может быть полезной для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой и испытаниями реле и аппаратуры.
4 табл., 24 рис. и 1 назв. библ.
Редакционная коллегия серии брошюр ЭРАз
Балашов В. П. (отв. редактор), Бацев В. И., Бергельсон И. Ги Девятков Н. Д., Девяткин И. И., Кондратенков В. М., Кузьмин Г» А^ Кукарин С. В., Морозов И. И., Сретенский В. Н. (зам. отв. редактора). Темкин С. Е. (зам. отв. редактора), Тимофеев В. Ю., Якимов О. Пм
Яковлев В« Я«
3-3-12
75-68
ВВЕДЕНИЕ
Реле называются устройства, осуществляющие скачкообразное изменение своих выходных параметров при изменении в определенных пределах входного параметра (сигнала).
В зависимости от того, на какое физическое явление реагирует воспринимающая система, реле подразделяются на электрические, тепловые, магнитные, оптические, химические, радиационные, барометрические, акустические, газовые, механические, пневматические и др. По принципу действия исполнительной системы реле делятся на контактные и бесконтактные.
Контактные реле коммутируют электрическую цепь путем механического замыкания или размыкания контактов. В бесконтактных реле роль контактов выполняет активное, индуктивное или емкостное сопротивление, величина которого скачкообразно изменяется в заданных пределах при воздействии входного сигнала.
Каждая из перечисленных групп реле в свою очередь подразделяется по ряду признаков: принципу действия воспринимающей системы, коммутируемой мощности, чувствительности, быстродействию, конструктивному исполнению, функциональному назначению, устойчивости к внешним воздействующим факторам и т. п.
В настоящей брошюре рассматриваются только электромагнитные реле малой и средней мощности (рис. 1).
Они имеют малый вес и габариты, большие функциональные возможности, высокую устойчивость к внешним эксплуатационным факторам, поэтому нашли более широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).
Рис. 1. Классификация электромагнитных реле (язычковые — реле с МУК).
3
Реле используются для управления режимами работы аппаратуры или отдельных ее систем, блоков, устройств, приборов и элементов, а также для усиления, генерирования, преобразования, контроля, защиты, измерения, счета, запоминания, кодирования и т. п. В ряде случаев на основе реле создаются системы комплексной автоматики и телемеханики, автономного управления и встроенного контроля, вычислительные, программные и телеграфные устройства, шифраторы и дешифраторы, автоматические телефонные станции и т. п.
С развитием автоматизации количество реле, применяемых в РЭА, непрерывно возрастает (рис. 2), а в отдельных системах автоматики достигает 70—80% от общего числа примененных элементов.
Реле имеют свои специфические особенности, знание которых является основой правильного их выбора, применения и эксплуатации. В практике были случаи, когда из-за неправильной эксплуатации реле происходило до 25% всех отказов в аппаратуре, хотя удельный вес реле в РЭА составлял всего 1,3%.
Рис. 2. Количество реле, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре, и их удельный вес.
С развитием автоматизации и усложнением схем аппаратуры удельный вес реле в аппаратуре будет возрастать.
В данной брошюре сделана попытка обобщить материалы по эксплуатации реле, накопленные авторами в течение ряда лет.
Авторы будут весьма признательны читателям, приславшим свои замечания и пожелания по адресу; Москва, Главпочтамт, п/я 693, издательство «Советское радио».
4
I. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕЛЕ
Простейшей конструкцией электромагнитного реле является реле клапанного типа (рис. 3). Она состоит из обмотки, воспринимающей электрический сигнал, магнитной, передающей и контактной систем. Магнитная система состоит из ярма (корпуса), якоря и сердечника.
Рис. 3. Электромагнитное нейтральное реле клапанного типа:
1 — каркас катушки с обмоткой; 2 — ярмо; 3 — выводы реле; 4 — толкатель; 5 — контактные пружины; 6—7— нормально разомкнутые контакты; 7 — подвижные контакты; 7—8 — нормально замкнутые контакты; 9 — возвратная пружина; 10 — якорь; 11 — штифт отлипания; 12 — полюс сердечника.
Система рычагов, поводков и толкателей, при помощи которых движение якоря передается контактным пружинам, называется передающей системой. В контактную систему входят контакты, непосредственно осуществляющие коммутацию электрической цепи, контактные пружины и их держатели.
2—1500	5
При обесточенной обмотке якорь максимально удален от сердечника за счет действия возвратной пружины. При протекании по обмотке электрического тока возникает магнитное поле. Большая часть магнитных силовых линий замыкается через магнитопровод,
образуемый сердечником, ярмом и якорем реле. Магнитный поток,
проходящий в зазоре между якорем
Рис. 4. Схематическое изображение конструкции поляризованного реле.
и сердечником, создает магнитную силу Fa притяжения якоря. Если магнитная сила притяжения превосходит механические силы FM, удерживающие якорь, то он притягивается к сердечнику и при помощи передающей системы осуществляет замыкание или размыкание контактов.
Действие рассматриваемой конструкции реле не зависит от полярности подаваемого на обмотку напряжения (тока). Такие реле называются электромагнитными нейтральными.
В ряде случаев требуется, чтобы реле имело повышенную чувствительность и реагировало на полярность постоянного или фазу переменного тока. В качестве примера можно на
звать телемеханические системы с полярным кодом, синхронно-следящие системы автоматики, различные устройства контроля, защиты, сигнализации, измерения, преобразования и т. п.
Реле, реагирующие на полярность управляющего напряжения, называются поляризованными. Принцип действия поляризованных реле основан на взаимодействии магнитного потока электромагнита с потоком постоянного магнита. Конструкция поляризованного реле схематически показана на рис. 4.
Магнитный поток Фо, создаваемый постоянным магнитом, разветвляется по обеим половинам магнитопровода на потоки Ф'о и Ф"о, которые имеют взаимно противоположные направления. Когда якорь находится в среднем (нейтральном) положении, то потоки Ф'о и Ф"о и создаваемые ими тяговые усилия равны между собой. В этом случае тяговые усилия компенсируют друг друга и якорь будет находиться в устойчивом положении.
При прохождении тока по обмотке возникает магнитный по
6
ток Фэ. В одной половине магнитопровода магнитный поток электромагнита направлен встречно потоку постоянного магнита, например Ф"о, а во второй — суммируется с потоком постоянного магнита Если тяговое усилие, создаваемое суммарным магнитным потоком Фэ+Ф'о, превысит усилие, создаваемое пружиной и потоком ф"0, то якорь притягивается к полюсу, по которому проходит суммарный магнитный поток.
При изменении полярности тока в обмотке изменяется и направление магнитного потока Фэ. Это вызывает переключение (перемещение) якоря в обратном направлении. Таким образом, заданной полярности тока в обмотке будет соответствовать определенное крайнее положение якоря (правое или левое).
В зависимости от положения, в котором находится якорь при отсутствии тока в обмотке, поляризованные ре
Рис. 5. Устройство дистанционного переключателя с магнитной блокировкой («защелкой»).
ле подразделяются на двухпозиционные, трехпозиционные и «с преобладанием». У двухпозиционных реле якорь может занимать одно из двух крайних'положений, т. е. находится при обесточенной обмотке у одного из полюсов, к которому ранее был притянут. У трехпозиционных реле якорь при обесточенной обмотке находится в среднем (нейтральном) положении, т. е. не притянут ни к одному из полюсов. Фиксация якоря в среднем положении осуществляется при помощи механической пружины. У поляризованных реле с «преобладанием», в результате созданной при регулировке магнитной асимметрии, якорь при обесточенной обмотке всегда притягивается
к одному и тому же полюсу.
На основе использования принципа действия двухпозиционных поляризованных реле разработана большая группа коммутационных механизмов, работающих от импульсов постоянного тока и получивших название дистанционные переключатели с магнитной блокировкой (защелкой). Устройство переключателя схематически показано на рис. 5. Каждая половина магнитопровода имеет собственные одну или две обмотки (для дублирования или двухканального управления). При обесточенных обмотках якорь дистанционного переключателя удерживается у одного из полюсов магнитной силой, создаваемой потоком постоянного магнита (в этом смысл блокировки).
2*
Переключение якоря осуществляется методом «отбоя». Для этого ток подается в обмотку той половины магнитопровода, к полюсу которой притянут якорь. Полярность подаваемого тока устанавливается из условия, чтобы магнитный поток электромагнита был направлен навстречу потоку постоянного магнита. При взаимодействии магнитных потоков, направленных навстречу друг другу, возникают
Рис. 6. Устройство реле с магнитоуправляемыми контактами.
силы, отталкивающие якорь от полюсного наконечника, к которому он был ранее притянут, и якорь перебрасывается на второе устойчивое положение.
Можно также переключить якорь, подавая ток в обмотку противоположной половины магнитопровода таким образом, чтобы создаваемый ею поток суммировался с потоком постоянного магнита. Однако в этом случае для управления дистанционным переключателем потребуется больший ток, что нежелательно со всех точек зрения.
Длительность управляющих им-
пульсов определяется временем переключения якоря. Остальное время обмотки дистанционных переключателей находятся в обесточенном состоянии. В результате этого значительно сокращается потребление энергии от источника питания и улучшаются условия работы обмотки по сравнению с обмотками нейтральных реле, которые при включении должны непрерывно нахо
диться под током.
Имеются дистанционные переключатели с механической «защелкой». Конструктивно они представляют собой спаренные электромагнитные нейтральные реле преимущественног клапанного типа. Якори этих реле кинематически соединены таким образом, что при обесточенных обмотках якорь одного реле механически удерживает у полюса якорь второго реле. При подаче импульса на обмотку второго реле его якорь притягивается и освобождает ранее удерживаемый якорь, который под действием возвратных пружин отрывается от полюса своего сердечника и с помощью системы рычагов, в свою очередь, удерживает второй якорь у полюса.
Дистанционные переключатели с механической «защелкой» работают от импульсов любой полярности.
В последние годы созданы реле с магнитоуправляемыми контактами. Устройство таких реле схематически показано на рис. 6. Кон
8
тактные лепестки пружины заключаются в стеклянный баллон. Магнитный поток управления проходит через лепестки и в зазоре между лепестками возникает магнитная сила притяжения. Когда сила притяжения превышает силу упругости, лепестки замыкаются и образуют электрический контакт.
Существует ряд конструктивных разновидностей магнитоуправляемых контактов (цилиндрические, двухлепестковые, однолепестковые, с переключающимся контактом и т. д.).
Управление лепестками осуществляется электромагнитным полем, создаваемым катушкой (соленоидом), полем постоянного магнита или совместным их действием.
Реле выпускают с одним или несколькими баллонами с магнито-управляемыми контактами, что позволяет получать необходимые сочетания контактных групп. Они могут быть нейтральными и поляризованными.
К основным преимуществам реле с магнитоуправляемыми контактами относятся:
—	отсутствие механической передающей системы;
—	повышенная надежность контактирования особенно при малых токах (в баллоне создаются оптимальные окружающие условия для работы контактов);
—	быстродействие;
—	повышенная износоустойчивость.
1.	КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА
Контактная система должна обеспечивать малое и стабильное значение сопротивления цепи контактов, хорошую изоляцию токоведущих цепей, необходимое число коммутаций в течение гарантируемого времени работы, высокую надежность контактирования.
В слаботочных электромагнитных реле используются преимущественно точечные и плоскостные контакты. По числу контактов на одной контактной пластине (пружине) контактные системы делятся на две группы — с одинарными и двойными контактами; по способу коммутации электрической цепи — с одним и двумя воздушными зазорами между контактами (контакты мостикового типа). В зависимости от положения в процессе коммутации контакты подразделяются на подвижные и неподвижные. Подвижные контакты перемещаются относительно неподвижных. При обесточенной обмотке различают следующие состояния контактов: нормально замкнутые (НЗК), нормально разомкнутые (НРК). В литературе и технической документации на реле нормально замкнутые контакты иногда называются замыкающими (замыкаются при подаче напряжения на обмотку), а нормально разомкнутые—размыкающими.
9
Во время работы контакты могут находиться в четырех состояниях: замкнутом, в процессе размыкания, разомкнутом и в процессе замыкания.
В замкнутом состоянии контакты прижимаются друг к другу с некоторым усилием Гк, называемым контактным нажатием. Поверхность контактов всегда шероховата. Обработка лишь уменьшает степень шероховатости, но не исключает ее полностью. Соприкосновение контактов происходит в одной или нескольких выступающих «точках».
Общая поверхность соприкосновения контактов равна
5=ла2,
где а — эквивалентный радиус поверхности соприкосновения.
При нажатиях, вызывающих в контактных точках упругую деформацию, эквивалентный радиус поверхности соприкосновения для различных контактных материалов примерно равен
0^(0,864-1,11)]/ —
а при давлениях, вызывающих смятие материала,
а=а1/^Г, г пН
где г — радиус тела контакта;
Е — модуль упругости;
Н — твердость материала контакта.
Если контакты имеют чистые поверхности, то переходное сопротивление контактов равно
7? --?-Ча'
где р— удельное сопротивление материала контактов.
Если контактная пара изготовлена из разных материалов, то
D ?« + ?»
Як- 4а
В реальных условиях в результате адсорбции молекул газа с металлической поверхностью контактов на рабочей поверхности образуются пленки химических соединений. Они могут быть органического и неорганического происхождений. Толщина пленки (А) зависит от химического состава окружающей среды, материала контак
10
тов, времени протекания химических реакций и в общем случае равна
Л=(М)1,
где Ь — коэффициент, характеризующий степень концентрации агрес-сивных компонентов в окружающей среде;
с — коэффициент, характеризующий электрический режим работы контактов;
у — коэффициент в зависимости от материала контактов, равный 0,54-1;
t — время воздействия агрессивных компонентов.
Кроме того, контакты могут быть покрыты пылью, токонепроводящими частицами, различными продуктами испарения, конденсирующимися на их поверхности.
С учетом поверхностных пленок переходное сопротивление контактов равно
Я'к = Кк Ч" Яп»
где 7?к — сопротивление чистых контактов;
/?п — сопротивление поверхностной пленки, равное
п _ М.
на2’
Удельное сопротивление поверхностных пленок рп во много раз больше удельного сопротивления материала контактов. Если поверхностные пленки не разрушаются, то	В результате этого мо-
жет произойти резкое увеличение сопротивления цепи контактов или даже нарушение контактирования.
Если в процессе замыкания контактов поверхностные пленки разрушаются, то часть продуктов разрушения, оставаясь между контактами, уменьшает площадь соприкосновения металлов. Это приводит к увеличению переходного сопротивления контактов и его нестабильности. Необходимо защищать контакты реле от воздействия наиболее агрессивных компонентов: паров органических веществ, кислот и щелочей, озона, окислов азота, сернистых соединений и др.
Идеальной средой, исключающей образование поверхностных пленок, является высокий вакуум. Практически не образуются непроводящие пленки при работе контактов в химически чистых инертных газах.
Разрушение пленок и «самозачистка» происходят при механическом притирании контактов. Однако обеспечить притирание контактов конструктивно не всегда представляется возможным. Поэтому контакты или реле в целом герметизируют.
11
Наиболее тяжелым режимом работы контактов является Процесс их размыкания. Явления, возникающие при размыкании, зависят от величины коммутируемых токов и напряжений, характера коммутируемой цепи и материала контактов.
От величины протекаемого тока зависит состояние контактных точек перед размыканием контактов. Величина коммутируемого на-
Рис. 7. Кривая, характеризующая износ контактов реле в зависимости от величины коммутируемого тока (при различных напряжениях) .
пряжения определяет интенсивность электрического поля, возкаю-щего между контактами. Характер коммутируемой цепи влияет на параметры переходного процесса при замыкании и размыкании контактов.
При токах менее 10—50 ма (например, loo на рис. 7) и напряжениях менее [/о=-12-ь20 в (Uo — напряжение дугообразования, зависящее от контактного материала) в момент размыкания контактов возникает кратковременная электронная эмиссия. Электроны, количество и энергия которых зависит от градиента напряженности электрического поля, вырываются с поверхности контакта, имеющего отрицательный потенциал (катод), и бомбардируют поверхность контакта, имеющего положительный потенциал (анод). Это не приводит к заметной эрозии (износу) контактов, однако способствует протеканию окислительных процессов и образованию на поверхности контактов различных соединений, вызывающих увеличение переходного сопротивления.
12
При токах менее 104-1 ма и напряжениях в коммутируемой цепи менее 100 мв наблюдается ряд особенностей: значительно увеличивается абсолютное значение и нестабильность сопротивления контактов под влиянием внешних факторов (в первую очередь повышенной влажности), появляется «детекторный» эффект и заметно влияние термо-э. д. с. Устранению этих явлений способствует пропускание через контакты вспомогательного постоянного тока величиной от 1 до 50 ма.
При токах /оо4-/о (Л—ток дугообразования) и напряжениях до 270—330 в или при токах более 70 и напряжениях менее Uo происходит плавление контактных точек. В моМент размыкания контактов расплавленный материал вытягивается, образуя так называемые жидкие мостики. В процессе размыкания эти мостики механически разрываются, что сопровождается взрывом, приводящим к испарению и разбрызгиванию металла и образованию облака электронов и положительных ионов. При разрыве мостика на поверхности катода образуются, как правило, пики, а на аноде появляются кратеры.
В момент замыкания контактов мостики возникают за счет электростатической эмиссии частиц размягченного материала, когда расстояние между контактами становится менее 2-10~5 мм. Это явление весьма кратковременно, в результате чего эрозия контактов при замыкании оказывается на несколько порядков меньше, чем эрозия при размыкании.
При токах, меньших /о, и напряжениях, больших 270—330 в, в процессе размыкания контактов возникает искровой разряд длительностью 10~4—10~8 сек. Искровой разряд разрушает поверхности обоих контактов. При малых расстояниях между контактами в большей степени разрушается анод, при больших — катод.
Пониженное атмосферное давление способствует образованию тлеющих разрядов, которые вызывают разрушение катода.
В момент размыкания электрических цепей, имеющих индуктивный характер, между контактами возникает высокое напряжение, обусловленное энергией, запасенной индуктивностью коммутируемой цепи. Максимальная величина этого напряжения может быть определена по формуле, выведенной М. И. Витепбергом:
Uk макс —
2№п
где U и / — напряжение и ток в установившемся режиме;
Wn — энергия потерь в цепи при разряде индуктивности;
Ср — распределенная емкость цепи, содержащей индуктивность;
Т — постоянная времени цепи нагрузки.
13
В момент размыкания индуктивных цепей напряжения на контактах во много раз превышают напряжения источников питания. Однако, когда напряжение на контактах достигает 270—330 в, возникают искровые разряды и кратковременные дуги, в результате чего амплитуда перенапряжения не достигает максимальных значений, рассчитываемых теоретически.
При размыкании цепей с токами, равными или больше /о, и напряжениями больше Uq возникает дуга. Дуговой разряд характеризуется наличием плазмы и катодного пятна, имеющего высокую температуру. Величина минимального тока дуги зависит от состава газовой среды, температуры, состояния контактов, индуктивности коммутируемой цепи. Индуктивность способствует появлению дуги при меньших токах и напряжениях в цепи, имеющих место в установившемся состоянии. Электроны, вырванные электрическим полем с поверхности катода, имеют энергию, достаточную для ионизации молекул газа в межконтактном зазоре. Ионы газа бомбардируют катод и вызывают его эрозию. Потери металла катода пропорциональны количеству электричества, переносимого дугой. Термическое действие дуги вызывает дополнительную эрозию. Материал контактов испаряется и разбрызгивается, поверхности контактов окисляются. Зависимость износа контактов от тока в разрываемой цепи (при U>Uq) показана на рис. 7.
Если после замыкания контактов происходит их вибрация («дребезг»), то в моменты размыканий возникает дуга. Из-за малых расстояний между контактами и больших токов, возникающих при дребезге, разрушающее действие дуги может быть значительно большим, чем при одиночных размыканиях.
Наряду с электрической эрозией имеет место механический износ и химическая эрозия контактов. Механический износ происходит вследствие ударов и трения контактов друг о друга после замыкания. При небольших контактных нажатиях, характерных для реле малой и средней мощности, механический износ контактов не имеет существенного значения. Даже такой мягкий металл, как серебро, может выдерживать до 3- 107 срабатываний.
Химическая эрозия обусловлена в основном коррозией и образованием на поверхности контактов различных соединений. Она приводит к увеличению электрической эрозии. В эксплуатации износоустойчивость контактов реле определяется в основном электрической эрозией. Только при коммутациях очень малых токов и напряжений, когда электрическая эрозия практически отсутствует, износоустойчивость контактов определяется механической износоустойчивостью контактных материалов.
14
Контакты маломощных реле изготавливаются из драгоценных материалов и их сплавов. Наиболее часто применяют серебро, золото, сплавы золота с никелем (95% Au+5% Ni) и платины с иридием (90% Pt+10% 1г). Для коммутации малых токов, а также при малом количестве срабатываний применяются контакты реле, гальванически покрытые золотом или родием. Начинают применяться пружинно-контактные сплавы: серебро — магний — никель (тройной сплав) и серебро — магний — никель — золото (четверной сплав). Они используются для коммутации широкого диапазона токов и напряжений, обладают большой износоустойчивостью и обеспечивают стабильное сопротивление цепи и контактов.
Для контактов средней мощности применяется серебро, палладий, вольфрам, рений, молибден, сплавы типа твердых растворов серебра с медью, палладием, окисью магния или кадмия, платины с иридием, вольфрама с молибденом, платиной и иридием и др.
Контакты из технически чистого золота в воздухе практически не окисляются, имеют малое и стабильное переходное сопротивление. Однако они имеют невысокую механическую износоустойчивость, склонны к иглообразованию при малых токах и свариванию при больших. Применяются преимущественно для коммутации токов менее 100 ма и напряжений менее 30 в.
Контакты из сплава золота с никелем обладают большой износоустойчивостью, менее склонны к свариванию и иглообразованию, но имеют недостаточно стабильное переходное сопротивление, особенно при малых токах и напряжениях.
Платино-иридиевые контакты отличаются высокой твердостью, большой износоустойчивостью, хорошо противостоят дугообразова-нию, но имеют повышенное и недостаточно стабильное значение переходного сопротивления. В эксплуатации наблюдаются случаи образования на поверхности платино-иридиевых контактов порошкообразного налета серого цвета. Полагают, что он образуется в результате адсорбции и полимеризации органических составляющих окружающей среды. Частицы этого порошка, попадая между контактами, приводят к нарушению контактирования.
Палладий по сравнению с платиной менее стоек к окислению и имеет повышенную распыляемость в процессе коммутации. В основном он используется как заменитель платины для изготовления контактов малой и средней мощности. Контакты из палладия и его сплавов с серебром не создают шумов в цепях звуковой частоты (не обладают микрофонным эффектом).
Вольфрам более устойчив к эрозии, чем перечисленные выше металлы. Контакты из вольфрама не свариваются и не поддаются механическому износу. Однако вольфрам подвержен атмосферной
15
коррозии, особенно в условиях повышенной влажности и При наличии в окружающей среде паров фенола, формальдегида и аммиака. На поверхности контактов образуются оксидные, сульфидные и органические пленки. Контакты из вольфрама применяются для коммутации токов более 5 а при контактных нажатиях более 50 г. Сплавы вольфрама с платиной или иридием имеют несколько меньшую износоустойчивость, однако более стойки к коррозии.
2.	ОБМОТКИ
Обмотки реле рассчитываются из условия получения необходимой электромеханической силы при заданных или известных параметрах магнитной системы, габаритных размеров и конструкции каркаса катушки, рода и мощности источника питания.
В зависимости от числа обмоток реле подразделяются на одно-, двух- и многообмоточные. По величине омического сопротивления обмотки подразделяются на низкоомные (до 1 000 ом) и высокоомные (более 1 000 ом). Обмотки рассчитывается для работы от источника тока или источника напряжения. В соответствии с этим* реле делятся на токовые и напряжения. Для обеспечения устойчивой работы токовых реле необходимо поддерживать в их обмотках номинальное значение рабочего тока, реле напряжения — рабочего напряжения.
При подключении обмотки к источнику питания (источник напряжения с нулевым сопротивлением) переходные процессы описываются следующим дифференциальным уравнением:
di
U-iR+L^,
где L — индуктивность обмотки;
\R — омическое сопротивление цепи обмотки.
Принимая индуктивность обмотки постоянной, что справедливо до начала движения якоря, имеем
t и
i = -^(i-e	).
где i — мгновенное значение тока в цепи обмотки;
L
т — — постоянная времени, л
Таким образом, при включении ток в обмотке плавно увеличивается от нуля до значения, определяемого отношением напряжения источника к омическому сопротивлению обмотки.
16
Процесс отключения обмотки описывается уравнением следующего вида:
di U = R'K (t) i + Ri + L' ,
где R\(Z)—сопротивление между контактами реле при их размыкании;
Lr — индуктивность обмотки при притянутом якоре.
При наличии индуктивности ток в цепи не может прекратиться мгновенно. Напряжение на обмотке возрастает почти пропорционально сопротивлению между контактами, которое при размыкании контактов стремится к бесконечности. Однако при напряжении 270— 330 в происходит электрический пробой межконтактного зазора или пробой изоляции между выводами или витками обмотки. Если пробои возникают между выводами или витками, то это может привести к короткому замыканию или обрыву обмотки из-за электроэрозии.
Ток в цепи обмотки уменьшается по следующему закону:
t
V l = ~Re •
где т' — постоянная времени цепи обмотки при размыкании.
Осциллограмма переходных процессов в обмотках реле показана на рис. 8.
Обмотки наматываются обычно на каркасы катушек, изготовляемых из различных марок пресспорошков (К-144, К-218, К-317, В-4-70, АГ-4 и др.) или прессматериалов (гетинакс, текстолит, полиэтилен и т. п.).
Многие из перечисленных материалов при нагревании выделяют летучие составляющие, отрицательно влияющие на работу контактов, уменьшающие сопротивление и электрическую прочность изоляции. Чтобы уменьшить влияние испарений, а также повысить теплостойкость реле, для изготовления каркасов катушек стали применяться более теплостойкие материалы, например марок АГ-4В, КФ-9, КФ-10, П-68-Т-20, поликарбонат, фторопласт и др.
Существует два вида намоток катушек реле — рядовая и «дикая». При рядовой намотке витки в каждом слое плотно прижаты друг к другу и не пересекаются. Витки вышележащего слоя расположены точно над витками нижележащего. При «дикой» намотке точность укладки витков не соблюдается. Они могут пересекаться и обмотка может быть намотана неравномерно. В местах пересечения
17
витков резко возрастают силы, сжимающие проводник. Они могут достигать таких значений, при которых происходит продавливание изоляции провода и возникают межвитковые или же межслойные короткие замыкания в обмотке. Поэтому обмотка, намотанная «диким» способом, при прочих равных условиях менее надежна в работе, чем рядовая.
В качестве обмоточного провода используется в большинстве случаев медная проволока марок ПЭЛ, ПЭВ, ПЭТВ-Р. В последние
Рис. 8. Переходные процессы при коммутации обмотки.
годы появились обмоточные провода с полиамидной изоляцией, имеющие повышенную теплостойкость. Для особо теплостойких реле применяются провода с оксидной и керамической или стеклянной изоляцией.
Обмотка обертывается лакотканью, стекло-лакотканью, полиэтиленовой или фторопластовой пленкой. Это закрепляет поверхностные витки, защищает обмотку от внешних механических повреждений и непосредственного воздействия повышенной влажности.
В ряде случаев для повышения влагоустойчивости обмотки пропитываются лаками или покрываются эпоксидными смолами.
При нахождении под током обмотка нагревается. Температура нагрева зависит от потребляемой мощности и условий теплоотдачи. Условия теплоотдачи в свою очередь зависят от конструкции реле, температуры окружающей среды, эффективности вентиляции и т. п. У большинства электромагнитных реле в нормальных условиях обмотки нагреваются до 50—90° С, у поляризованных — до 10—30° С. Обмотки дистанционных переключателей находятся под током весьма кратковременно. Поэтому такое нагревание не оказывает существенного влияния на температурный режим их работы.
18
Допустимое время нахождения обмотки под током определяется в основном температурным режимом и видом изоляции обмоточного провода. Чем выше температура нагрева обмотки, тем меньше срок ее службы. При температурах, близких к предельно допустимым для существующей изоляции обмоточных проводов, гарантируемое время работы обмоток обычно равно 100—250 час. С понижением температуры это время возрастает и может достигать десятков тысяч часов.
3.	ПЕРЕДАЮЩАЯ СИСТЕМА
Передающая система реле должна обеспечивать четкое переключение контактов, сохранять неизменной заданную ей регулировку, иметь малое трение и большую износоустойчивость. У быстродействующих реле она должна быть также малоинерционной.
Существующие передающие системы можно разделить на механические и магнитные.
Механические системы подразделяются на рычажные, траверсные и комбинированные. В процессе работы детали передающей системы подвергаются циклическим механическим нагрузкам. При наличии скрытых дефектов циклические нагрузки приводят к разрушению деталей из-за усталости материалов и локальных перенапряжений.
Толкатели и осевые соединения подвижной системы подвержены износу. В результате этого происходит постепенное изменение регулировочных параметров и засорение внутренних деталей реле продуктами истирания (износа).
Для изоляционных деталей подвижной системы наиболее часто применяются те же материалы, что и для каркасов катушек. Лучшими из них считаются стекло, пластмассы марок КФ, АГ-4В, фторопласт, поликарбонат.
Рычаги, поводки и толкатели изготавливаются из стали марок Э и ЭА, сплава Н29К18, латуни. Для возвратных пружин используются нейзильбер, фосфористая бронза, пружинная сталь.
Магнитную передающую систему имеют реле с магнитоуправляемыми контактами (МУК). Контактные пластины МУК, изготовленные из магнитомягких материалов, образуют магнитопровод. Магнитный поток, создаваемый обмоткой, протекает по контактным пластинам. В воздушном зазоре между пластинами возникает магнитная сила. Пластины притягиваются друг к другу и контакты замыкаются. Таким образом, воздействие сигнала, поступающего на обмотку, передается в контактную систему через магнитное поле. При отключении обмотки контакты размыкаются за счет пружинящих свойств контактных пластин.
19
4.	МАГНИТНАЯ СИСТЕМА
Магнитная система предназначена для преобразования электромагнитной энергии в механическую. Она должна обладать высоким коэффициентом полезного действия и большой износоустойчивостью.
Магнитные системы электромагнитных реле подразделяются на нейтральные и поляризованные. Первые в свою очередь делятся на клапанные, поворотные и соленоидные, а вторые — на последовательные, дифференциальные и мостовые. Схематическое изображение перечисленных систем показано на рис. 9.
Рис. 9. Магнитные системы реле: Поляризованные, а — последовательная, б — дифференциальная, в — мостовая;
нейтральные: г — клапанная, д — соленоидная, е - с поворотным якорем.
В системах клапанного типа якорь осуществляет угловое перемещение, а направление его движения совпадает с продольной осью катушки. В поворотных системах происходит также угловое перемещение якоря при его притяжении к полюсу сердечника. В соленоидной системе якорь, имеющий вид плунжера, штока или пустотелого цилиндра, втягивается в соленоид, образованный катушкой.
В последовательной поляризованной магнитной системе управляющий магнитный поток и поляризующий поток постоянного магнита проходят по общей цепи. В дифференциальной системе магнитный поток постоянного магнита разветвляется по двум половинам магнитопровода, в которых имеет взаимно противоположные направления, а магнитный поток электромагнита протекает по обеим половинам магнитопровода в одном направлении. На якорь действует 20
разность магнитных потоков, возникающая в воздушных зазорах между якорем и полюсами.
В магнитной системе мостового типа магнитный поток электромагнита также разветвляется ло обеим поло-винам магнитопровода.
С точки зрения вибро- и удароустойчивых электромагнитных нейтральных реле наиболее перспективной считается магнитная система с поворотным якорем. Она позволяет легче сбалансировать якорь, а также уменьшить потери за счет потоков рассеивания. Среди поляризованных систем мостовые являются наиболее чувствительными.
Большое распространение получили также дифференциальные магнитные системы со сбалансированным якорем клапанного типа.
Независимо от конструктивных различий магнитных систем, динамический режим работы якоря определяется уравнением сил
d28 dd
т dt2 + й dt —
где б — величина зазора между якорем и полюсом сердечника;
tn — приведенная масса движущихся частей (якоря, передающей системы, подвижных контактов);
— магнитная сила притяжения;
k — коэффициент сопротивления движению якоря (коэффициент вязкости);
f — приведенная жесткость пружин.
Первый член уравнения представляет собой силы инерции, второй — силы вязкого трения, третий — статические силы, обусловленные нажатием пружин и весом подвижных частей.
Ввиду незначительности массы подвижных частей и малого трения часто допускается, что
d2b d8
т dt2 + k~dT^f
а силы, противодействующие движению якоря, равны
Рм=/(б).
Сила электромагнитного притяжения F3 при неизменном токе в обмотке также является функцией зазора между якорем и сердечником
Рэ=(р(д).
3—1500
21
Зависимости FM=-f(d) и Fa=(p(d) называются соответственно механической и электромеханической (тяговой) характеристиками реле. Характер изменения и относительное расположение этих зависимостей показаны на рис. 10.
Механическая характеристика представляет ломаную линию, состоящую из ряда прямолинейных участков, которые характеризуют режим работы возвратных и контактных пружин в области упругих деформаций. Крутизна участков прямо пропорциональна жесткости
Рис. 10. Механическая (Гм) и электромеханическая (F3) характеристики реле.
пружин. Точка перелома — это моменты соприкосновения передающей системы с новой нагрузкой, ранее не оказывающей влияния на движение якоря.
Электромеханические характеристики можно рассчитать по следующим приближенным формулам:
—	для нейтральных реле с поворотным якорем при
(Zw)2S
Гв=6.4.10-«^-[кг];
—	для нейтральных соленоидных реле Г Uw)2S	1
Гс = Л» + Г'э = 6,4-10-8	+ 10,2ЯФу [кг];
—	для поляризованных реле
((/ш)2 Г I 11) = Pq + F• = 6,4* 10“ 8S < £2“ + F9 L^3')2	(6")2 J J [кг],
22
где Iw — ампервитки, создаваемые обмоткой;
S — площадь торца сердечника (полюсного наконечника);
д — воздушный зазор между якорем и полюсом;
/?м и /?э — магнитное сопротивление магнитопровода и воздушного зазора соответственно;
р'э — дополнительное тяговое усилие за счет потока утечки (фу);
Н — напряженность поля в катушке;
Fq — сила притяжения, создаваемая постоянным магнитом, равная
р (Ф'о)*-(Ф"о)5 * * 8 . 8«s'.981	9
д' и д" — воздушные зазоры между якорем и полюсом у поляризованных реле и дистанционных переключателей.
Электромеханическая сила притяжения при постоянном воздушном зазоре между якорем и полюсом пропорциональна квадрату ампервитков, создаваемых обмоткой, а при постоянных ампервитках обратно пропорциональна квадрату воздушного зазора.
По аналогии магнитная сила притяжения, создаваемая постоянным магнитом, пропорциональна квадрату магнитного потока и обратно пропорциональна квадрату воздушного зазора.
Для надежного срабатывания реле необходимо, чтобы электромеханическая характеристика лежала во всех точках выше механической.
Отпускание якоря происходит при FM>F3.
Для изготовления магнитопроводов реле применяются магнитомягкие, низкоуглеродистые, электротехнические стали марок Э, ЭА, ЭАА; углеродистые стали марок 05, 08, 10 и 15; кремнистые легированные стали, пермаллой. Постоянные магниты изготавливаются из вольфрамовых и кобальтовых сталей, а также сплавов марок 10Н1.
Из магнитомягких материалов лучшим считается тот, который имеет меньшую коэрцитивную силу и большую индукцию и проницаемость, из магнитотвердых — большую коэрцитивную силу, остаточную индукцию и магнитную энергию.
5. КОНСТРУКЦИИ РЕЛЕ
По основным конструктивным и электрическим параметрам, функциональному назначению и эксплуатационным возможностям
выпускаемые реле можно классифицировать на:
— нейтральные, поляризованные, дистанционные переключатели, высокочастотные, специальные;
— прецизионные, малой и средней мощности, силовые;
3*
23
—	высокочувствительные, чувствительные, нормальные;
—	с одинарными, двойными и магнитоуправляемыми контактами, а также контактами мостикового типа;
—	с уравновешенной и неуравновешенной подвижной системой;
—	микромодульные, субминиатюрные, миниатюрные, малогабаритные, нормальные;
—	открытого исполнения, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные, герметические.
Рис. 11. Внешний вид отдельных конструкций выпускаемых реле:
/ — поляризованное (РПС-18): 2 — клапанного типа с уравновешенным якорем с двойной герметизацией и двойными контактами; 3 и 4 — малогабаритные герметические средней мощности на 2 и 4 переключения (РЭН-34 и РЭН-ЗЗ); 5 — негерметическое средней мощности на 6 переключений; 6, 7, 8 — дистанционные переключатели на 2, 4 и 6 переключений (РПС-32, РПС-34 и РПС-36); 9 — герметическое соленоидного типа с шестью группами на переключение с притирающими контактами (РЭС-39); 10 — герметическое с поворотным якорем (РЭС-8); 11 — реле типа РЛ-1 с МУК; 12 — субминиатюрное нейтральное с поворотным якорем (РЭС-49); 13 — малогабаритное клапанного типа (РЭС-15); 14 — малогабаритное клапанного типа с двойной герметизацией и двойными контактами (РЭС-34); /5 — малогабаритное нейтральное с двумя группами на переключение (РЭС-47); 16 — реле с тремя нормально разомкнутыми МУК (РЭС-44); /7 — реле типа (РЭС-44) МУК.
Внешний вид отдельных конструкций перечисленных реле показан на рис. 11.
Реле электромагнитные нейтральные являются наиболее универсальными. Они используются для управления источниками питания и различными элементами автоматики, сигнализации защиты и контроля, коммутации цепей высокой частоты, а также в качестве усилительных и измерительных и т. п. Электромагнитные высокочув-24
ствительные многоконтактные реле находят массовое применение в автоматических телефонных станциях и получили название теле* фонных. Реле, предназначенные для применения в системах автоматики, называются реле автоматики. К ним предъявляется совокупность весьма высоких требований: малые вес и габаритные размеры, быстродействие, высокая чувствительность, большая износоустойчивость и др.
Реле с магнитоуправляемыми контактами (МУК)—новая группа перспективных реле. Основные преимущества их — большая износоустойчивость (до 107—109 срабатываний), быстродействие, малое -значение и высокая стабильность переходного сопротивления контактов. Это обусловлено отсутствием передающей механической системы, малыми зазорами между контактами, благоприятными условиями, которые создаются в стеклянном герметическом баллоне для работы контактов. Однако при одинаковом количестве контактных групп реле с МУК имеют пока большие вес и габаритные размеры и более низкую чувствительность, чем аналогичные электромагнитные реле.
Реле с магнитоуправляемыми контактами особенно перспективны для коммутации малых токов и напряжений и высоковольтных цепей.
Поляризованные реле обладают высокой чувствительностью (до 1 мет). Они применяются преимущественно для усиления электрических сигналов в линиях электросвязи (телефонная и телеграфная аппаратура), в системах автоматики, измерительных цепях; могут быть использованы в качестве кодовых (реагируют на полярность входного сигнала), а также для контроля и защиты. Они обладают высокой износоустойчивостью (до 107 срабатываний), имеют большое число модификаций по обмоточным данным (от одной до пяти обмоток на одной катушке, омическое сопротивление которых может колебаться от единиц ом до нескольких килоом).
Дистанционные переключатели применяются для управления источниками питания и работой отдельных схем, систем, устройств; используются IB качестве элементов в счетно-решающих и программных устройствах, в схемах запоминания, кодирования, распределения. В силу малого потребления энергии они начинают широко использоваться вместо нейтральных и поляризованных реле.
Электромагнитные высокочастотные реле предназначены для коммутации токов высокой частоты до 50—100 Мгц (входные и выходные цепи радиостанций, высокочастотные контура, линии передач и т. п.). Для коммутации более высоких частот следует применять коаксиальные реле. Высокочастотные реле имеют малые емкости (1—2 пф) и индуктивности (0,05—0,1 мкгн) в цепи контактов, боль
25
шое сопротивление изоляции (100—1000 Мом). Они могут быть рекомендованы для коммутации импульсных, измерительных и других слаботочных цепей.
Защита с помощью электромагнитных реле осуществляется путем контроля за величиной тока или напряжения. Реле защиты имеют стабильные значения токов (напряжений) срабатывания и отпускания (в пределах ±5-5-10%). Они применяются в основном для защиты источников питания и ответственных исполнительных устройств от токов перегрузки и короткого замыкания.
Реле, имеющие какие-либо приспособления для звуковой или визуальной сигнализации, называются реле контроля и сигнализации или указательными. Они служат для контроля величины электрического тока или напряжения.
Электромагнитными реле времени называются реле, имеющие в обмотке специально предусмотренные конструкцией короткозамкнутые витки (обоймы) или другие устройства, замедляющие время срабатывания или отпускания. Они применяются для задержки времени включения высокого напряжения относительно времени включения низкого напряжения при запуске аппаратуры, в программных, сигнализационных и контрольных устройствах. Точность выдержки времени находится в пределах 5—20%.
Классификация реле по коммутируемой мощности обусловлена, в основном, их целевым назначением. Прецизионные реле предназначены для коммутации малых токов и напряжений (токов менее 100 ма, напряжений менее 6—126 в). Реле малой мощности обеспечивают коммутацию мощностей до 30—60 вт. Далее идут реле средней и большой мощности.
Надежность и коммутационные возможности реле зависят в наибольшей степени от конструкции контактов. Более надежное контактирование обеспечивает реле с двойными контактами, так как вероятность одновременного загрязнения обоих контактов очень мала. Однако при давлениях на всю контактную пружину менее 3—5 г применение двойных контактов может быть малоэффективным или даже нежелательным. Нажатие на каждый контакт становится в этом случае близким к критическому (минимальному), при котором почти совсем не разрушаются поверхностные пленки, а при наличии внешних механических воздействий легко нарушается контактирование. Поэтому при малых контактных давлениях применяют одинарные контакты. Одинарные контакты применяются и в том случае, когда по конструктивным соображениям применение двойных контактов невозможно (например, при малых размерах контактных пружин или когда устранена возможность окисления или загрязнения контактов).
26
Контакты МосТйковоГо тййа позволяют Коммутировать более Высокие напряжения и мощность. Это обусловлено тем, что при размыкании образуется двойной разрыв между контактами, за счет чего скорость размыкания таких контактов в два раза больше, чем у обычных. В результате этого уменьшается время горения дуги, а следовательно, и эрозия контактов.
По чувствительности выпускаемые реле можно разделить на высокочувствительные (до 1 мет), чувствительные (до 10 мет), средней чувствительности (до 0,1 вт) и нормальные.
В зависимости от рода тока, на который реагирует воспринимающая система, реле разделяются на реле постоянного и переменного тока.
Реле переменного тока рассчитываются для работы при одной из стандартных частот: 50, 400, 1 000 или 2 500 гц. Магнитные системы переменного тока имеют большие вес и габаритные размеры и менее подвижны в работе по сравнению с системами постоянного тока. Поэтому в цепях переменного тока часто используются реле постоянного тока с выпрямителями.
Устойчивость’ реле к механическим воздействиям достигается путем уравновешивания якоря относительно оси вращения, ужестчения пружин и конструкции реле в целом.
Наилучшей балансировкой обладают реле с поворотным или сдвоенным якорем. Менее уравновешенными являются реле с магнитной системой соленоидного типа. Если подвижная система не сбалансирована, то даже при малых линейных ускорениях (5—10 g) наблюдается значительное изменение чувствительности, что может привести к нарушению контактирования. Такие реле не должны применяться в аппаратуре, подвергающейся значительным механическим воздействиям.
По весу и габаритным размерам существующие реле можно разделить на микромодульные (весом до 1—2 г), субминиатюрные (до 5 г), миниатюрные (до 20 г), малогабаритные (до 100 г) и нормальные.
По внешнему конструктивному исполнению реле разделяются на открытые, с защитным чехлом, пылебрызгозащищенные и герметические.
Рабочие органы реле открытого исполнения не защищены от воздействия окружающей среды. Поэтому сопротивление контактной цепи нестабильно и колеблется в больших пределах. Если не приняты специальные меры защиты реле в аппаратуре, то возможны случаи нарушения контактирования вследствие загрязнения контактов и подвижной системы пылью, изоляционными частицами, металлической стружкой и т. п. Не исключаются случаи повреждения обмот
27
ки, контактной и подвижной систем обслуживающим персоналом в процессе упаковки, транспортировки и монтажа реле, профилактических работ, осмотра, настройки и наладки аппаратуры. При воздействии повышенной влажности на поверхности токоведущих и изоляционных деталей может конденсироваться влага. Это вызывает коррозию металлических частей, снижает электрическую прочность изоляции. Кроме того, может возникнуть электролиз, что приводит к электрическим пробоям, коротким замыканиям, обрыву обмоток. Этому способствует также наличие в окружающей среде химически агрессивных компонентов (паров, кислот, щелочей, сернистых и углеродистых соединений и т. п.).
Защитные чехлы при отсутствии специальных уплотнений предназначены в основном для защиты рабочих органов реле от внешних повреждений и попадания внутрь пыли, крупных инородных частиц и стружек. В остальном реле с защитными чехлами имеют те же недостатки, что и открытые.
Пылебрызгозащищенные реле имеют между чехлом и кожухом специальные уплотнения или же заливаются различными компаундами и смолами. Это в значительной степени защищает их от многих из перечисленных выше воздействий. Однако вследствие ограниченного газообмена с окружающей средой внутри реле может накапливаться и конденсироваться влага. Кроме того, из смолы и изоляционных деталей, находящихся внутри реле, с течением времени испаряются летучие вещества (особенно при воздействии пониженного атмосферного давления и повышенной температуры). Конденсируясь на поверхности деталей, в том числе и на контактах, они являются причиной их загрязнения (пленки, копоть при коммутации), в результате чего возможны сбои и случаи неустойчивого контактирования, снижение срока службы контактов, изменение сопротивления изоляции между токоведущими деталями.
Герметические реле защищены от воздействия окружающей среды. Надежность работы контактов таких реле зависит в основном от газовой среды, окружающей контакты. Чтобы исключить влияние на работу контактов испарений из органических изоляционных деталей, разработаны реле с двойной герметизацией — катушка и контакты герметизируются раздельно. В ряде случаев герметизируются только контакты. Это позволяет создавать оптимальные условия для их работы. Одной из разновидностей таких реле являются реле с магнитоупрвляемыми контактами.
Более детальное описание конструкций различных типов реле приведено в [1, 2, 7].
28
II. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЕ
Основными параметрами и характеристиками, определяющими функциональные возможности, допустимые режимы, условия и области применения реле являются: чувствительность, коэффициент возврата, рабочее напряжение или токи питания обмотки, сопротивление обмотки, коммутируемая мощность, сопротивление и электрическая прочность изоляции, сопротивление, емкость и индуктивность цепи контактов, время срабатывания и отпускания, частота срабатывания, износоустойчивость и срок службы..
1.	ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Чувствительность характеризуется минимальной мощностью, необходимой для срабатывания реле. Ее необходимо знать для определения удельной энергоемкости и сравнения различных конструкций реле между собой, предъявления требований к источникам питания. Однако мощность срабатывания — величина нестабильная. Она зависит от обмоточных данных катушки и воздействия внешних факторов. Поэтому чувствительность реле оценивается чаще всего ампервитками (Iw) срабатывания. В практике она выражается через ток или напряжение срабатывания (/Ср или С/Ср), так как число витков для данного реле — величина постоянная.
Ток срабатывания — это минимальное значение тока, протекае-мого по обмотке, при котором происходит притягивание якоря к полюсному наконечнику сердечника. Значение напряжения на обмотке, соответствующее току срабатывания, называется напряжением срабатывания. Напряжение срабатывания — величина нестабильная. Даже при одном и том же токе срабатывания оно изменяется из-за нагревания обмотки током, из-за влияния температуры окружающей среды, радиации, нестабильности параметров провода обмоток (неоднородность материалов, неравномерность сечения провода и толщины изоляции по длине провода и т. п.). Поэтому в качестве контрольного параметра состояния и стабильности регулировки реле используется в большинстве случаев ток срабатывания.
Значение тока, при котором начинается отрыв («отлипание») якоря от полюсного наконечника, называется током отпускания /Отп, а соответствующее ему значение напряжения на обмотке — напряжением отпускания С/Отп.
' В ряде случаев реле характеризуются токами несрабатывания /нср и удержания /уд. Первое — максимальное значение тока, при котором гарантируется несрабатывание реле, если до этого оно на-
29
ходилось в обесточенном состоянии. Второе — минимально допустимое значение тока в обмотке, при котором не происходит «отлипания» якоря от полюсного наконечника при нахождении реле во включенном состоянии.
2.	КОЭФФИЦИЕНТ ВОЗВРАТА
Коэффициент возврата Кв определяется как отношение тока отпускания к току срабатывания. У различных реле он лежит в пределах 0,2—0,8. Величина коэффициента возврата зависит от согласования электромеханической и механической характеристик реле, а также от свойств магнитных материалов. С увеличением коэрцитивной силы и остаточной магнитной индукции в магнитопроводе уменьшается величина коэффициента возврата и возрастает вероятность «залипания» якоря. Реле с большим коэффициентом возврата используются чаще всего в схемах защиты, контроля и сигнализации.
3.	РАБОЧИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКИ ПИТАНИЯ ОБМОТКИ
Рабочие напряжения и токи питания обмотки указываются в виде номинальных значений с двухсторонними допусками, в пределах которых работают реле в течение гарантированного срока службы и при воздействии климатических и механических факторов.
Отношение рабочего тока (напряжения) к току (напряжению) срабатывания характеризует коэффициент запаса по надежности срабатывания реле в эксплуатации. Обычно он находится в пределах 1,1—1,4. У электромагнитных нейтральных реле верхнее значение коэффициента запаса ограничивается в основном температурой нагрева провода обмотки.
4.	СОПРОТИВЛЕНИЕ ОБМОТКИ
Сопротивление обмотки указывается в виде величины активного сопротивления с допуском от 5 до 20%. Величины допусков зависят от диаметра и вида изоляции обмоточного провода, а также от качества намотки. Один и тот же тип реле может иметь обмотки с различными сопротивлениями, которые зависят от конструкции и обмоточного пространства катушек и от диаметра обмоточного провода. Сопротивление обмоток реле может быть от нескольких ом до нескольких килоом и определяет значения токов и напряжений срабатывания и отпускания, диапазоны рабочих токов и напряжений питания, мощность, потребляемую обмоткой при включении рел§, 30
5.	КОММУТИРУЕМАЯ МОЩНОСТЬ
Коммутационная способность контактов реле характеризуется допустимой мощностью и диапазонами коммутируемых токов и напряжений в пределах этой мощности.
Величина мощности и диапазоны коммутируемых токов и напряжений зависят от конструкции контактной системы, материала контактов, частоты коммутаций, рода коммутируемого тока, вида и характера нагрузки.
Максимальное значение тока (/макс) ограничивается температурой нагрева, при которой начинается уменьшение механической прочности материала контактов, дугообразованием и износоустойчивостью контактов.
Исходя из температурных режимов работы контактов, максимальное значение тока определяется по следующей приближенной формуле:
Д(/к /Макс=:(0,5>[0,8)-^7, .
где Л(/к — напряжение, вызывающее уменьшение механической прочности материала Контакта;
i/?'k — сопротивление между контактами реле при их размыкании.
Максимальное значение коммутируемого напряжения определяется электрической прочностью изоляции. Минимальные значения коммутируемых токов и напряжений ограничиваются требованиями к стабильности переходного сопротивления и надежности контактирования.
6.	СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕПИ КОНТАКТОВ
Сопротивление цепи контактов (/?цк) складывается из сопротивлений выводов (/?в), контактных пластин или пружин (/?Пл), тела контактов и переходного сопротивления их (R'k) :
= /?> + RnX + R'k*
Для однозначности оценки и проверки.сопротивления цепи контактов обычно указывается ток и напряжение источника питания, при которых следует проводить измерения. Сопротивление цепи контактов, предназначенных для коммутации токов менее 100 ма, рекомендуется проверять при постоянном токе 10 ма и напряжении 6 в; от 100 ма до 1 а — при 100 ма и 6—12 в; более 2 а — при 500 ма и 6—27 в
31
Сопротивление чистых контактов расйредёляется rto нормальному закону. По мере загрязнения поверхности контактов (пленки, пыль, конденсированные пары органических веществ и т. п.) распределение сопротивления контактов все более отклоняется от нормального, приближаясь вначале к логарифмически нормальному, затем к двойному логарифму и т. д.).
Сопротивление цепи контактов у негерметических реле находится обычно в пределах 100 мом-г-1,5 ом у герметических 40—500 мом, у реле с магнитоуправляемымп контактами 10—100 мом.
7.	СОПРОТИВЛЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ
Сопротивление и электрическая прочность изоляции 7?Из и U3il относятся к числу наиболее важных параметров. Они характеризуют качество изготовления реле, изоляционных материалов и определяют возможные области применения реле.
Сопротивление изоляции у большинства реле в нормальных условиях находится в пределах 100—500 Мом, в условиях повышенной температуры 20—50 Мом, при повышенной влажности 3—10 Мом. Если исходить из того, что сопротивление изоляции реле должно быть на порядок выше сопротивления коммутируемой нагрузки, т. е. утечки не должны превышать 10% от /НОм, то при коммутируемом токе 1 мка максимально допустимые значения коммутируемых напряжений должны быть не больше 0,3—1 в, а при токе 0,01 мка — не больше 3—10 мв. Поэтому сопротивление изоляции У реле, предназначенных для коммутации измерительных и потенциальных цепей, входов электронных усилителей, высокочастотных контуров и т. п., должно быть не менее 103—106 Мом.
Электрическая прочность изоляции определяет максимальную величину коммутируемого напряжения, которое не должно превышать (0,5-0,75) иэп.
Электрическая прочность изоляции в нормальных условиях у большинства серийных реле лежит в пределах 500—1 000 вЭфф, у реле повышенного напряжения достигает 1 500—2 000 в, а у субминиатюрных реле 300—350 в. В условиях повышенной влажности электрическая прочность изоляции этих реле снижается соответственно до 300—350 в, 750—1 000 в и 150—200 в.
Для увеличения электрической прочности изоляции увеличивают воздушные зазоры, применяют более качественные изоляционные материалы, помещают контакты в вакуумную среду. Предусматриваются также конструктивные меры, исключающие возможность перекрытия или пробоя между выводами по поверхности изоляции (цоколю, баллону, корпусу).
32
8.	ЕМКОСТЬ И ИНДУКТИВНОСТЬ ЦЕПИ КОНТАКТОВ
Емкость и индуктивность цепи контактов определяют диапазон частот коммутируемого тока. Величина емкости характеризует степень шунтирования нагрузки и паразитных связей между коммутируемыми и соседними цепями. С увеличением емкости и частоты коммутируемого тока уменьшается емкостное и увеличивается индуктивное сопротивление цепи контактов, которые соответственно равны
п______1_
Kc~2nfC ’
iRh = 2tt[L.
У обычных реле емкость в цепи контактов равна 3—8 пф, индуктивность равна 0,047—0,94 мкгн. У высокочастотных реле емкость равна 0,5—3 пф, а индуктивность равна 0,01—0,07 мкгн.
9.	ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ И ОТПУСКАНИЯ
Время срабатывания (/Ср) реле—это время, отсчитываемое с момента подачи импульса на обмотку до замыкания или размыкания соответствующих контактов. Оно складывается из двух составляющих— времени трогания /Тр и времени движения /дв якоря (рис. 12). Время трогания зависит в основном от постоянной времени т цепи обмотки, коэффициента запаса по току срабатывания и вихревых токов в магнитопроводе. Аналитически эта зависимость имеет вид
Кз fTp = т 1П	|
где fB — составляющая времени трогания за счет вихревых токов;
К3 — коэффициент запаса.
Время движения якоря определяется инерционностью J и ходом а якоря, а также моментами, создаваемыми силами электромагнитного притяжения Л1э и механической нагрузки AfM на якорь. Приближенно оно равно
/2/а
Время срабатывания различных контактов одного и того же многоконтактного реле неодинаково. Оно зависит от конструкции, количества, сочетания и регулировки контактов. Размыкание нормально замкнутых контактов происходит раньше, чем замыкание разомкну-
33
тых. В контактных системах пакетного типа нижние контакты замыкаются и размыкаются обычно быстрее верхних.
Время отпускания /Отп реле определяется как время, прошедшее с момента снятия напряжения с обмотки до размыкания (замыкания) контактов. Оно складывается также из двух составляющих— времени трогания /'Тр и времени движения /'дв якоря (рис. 12),
Рис. 12. Осциллограмма срабатывания и отпускания реле.
зависит в общем случае от тех же факторов, что и время срабатывания и примерно равно
/отп = Т' 1П (Ф/Ф отп) •
Нормальные электромагнитные реле имеют время срабатывания в пределах 5—20 мсек, время отпускания 3—10 мсек. У реле времени оно достигает 0,2—0,5 сек. У поляризованных реле оно равно 1—3 мсек, у реле с МУК — равно 0,1—2 мсек.
Постоянная времени цепи обмотки зависит от схемы включения реле и параметров электрической цепи, в которую включается обмотка. Подбирая соответствующим образом параметры цепи и схему включения обмотки, можно изменять время срабатывания и отпускания реле на один-два порядка.
10.	ЧАСТОТА СРАБАТЫВАНИЙ
Частота срабатываний характеризуется количеством срабатываний в единицу времени (секунду, минуту или час) и скважностью подаваемых на обмотку импульсов. Под скважностью понимается отношение периода повторения к длительности подаваемых на обмот-34
ку импульсов. Минимальная длительность импульсов /ИМп, подаваемых на обмотку может быть определена следующим образом:
/иМП = kt (/Ср + /'ср)«
Минимальная длительность паузы ta:
/д = kt (/отп 4" /'оТп) •
Здесь /'ср и /'отп — длительность протекания переходных процессов, продолжающихся после срабатывания и отпускания реле;
kt — коэффициент запаса, учитывающий нестабильность временных параметров.
Допустимая частота срабатываний fcp может быть определена как
1 __________________1____________
С₽ /имп + /п kt (/ср + /отп + /'ср + /'отп)
Коэффициент запаса рекомендуется принимать равным 1,25—2. Длительность протекания переходных процессов после срабатывания и отпускания реле зависит от величины коммутируемого тока и напряжения, вида и характера нагрузки, постоянной времени цепи обмотки, качества регулирования и схемы контактной системы. Поляризованные реле могут работать в диапазоне от очень низких частот до 500 гц, электромагнитные нейтральные — до 30 гц, реле с МУК — до 2 000 гц.
11.	ИЗНОСОУСТОЙЧИВОСТЬ
Износоустойчивость реле характеризуется допустимым количеством срабатываний, которое определяется как
#=.(0,Зн-0,75)#пр,
где — число срабатываний до систематических отказов, определяемых экспериментально.
Количество срабатываний при активной нагрузке примерно обратно пропорционально квадрату протекаемого через контакты тока. При индуктивной нагрузке допустимое количество срабатываний будет равно
N= (0,3-0,75)
где IFa — энергия, расходуемая на контактах при размыкании активной нагрузки;
35
W l — часть энергии, запасенной индуктивностью и идущей на поддержание разряда между контактами при их размыкании (Г\ = №ь—№п);
WL—энергия, запасенная индуктивностью;
Wn — энергия потерь в цепи нагрузки.
Нагрузки емкостного типа являются менее тяжелыми по сравнению с индуктивными, особенно при постоянном токе и когда амплитуда тока в момент замыкания контактов не превышает допустимой.
Характер коммутируемой нагрузки оценивается постоянной времени т при постоянном токе и cos ф при переменном. Значения постоянной времени у серийных реле находятся в пределах 0,005— 0,015 сек, cos ф = 0,5— 0,8.
Допустимое число срабатываний поляризованных реле 106— 108, нейтральных 104—107, реле с магнитоуправляемыми контактами 106—109.
12.	СРОК СЛУЖБЫ
Срок службы реле — это гарантируемое количество срабатываний, которое может быть осуществлено в течение гарантируемого времени эксплуатации. Оба параметра взаимосвязаны между собой.
Часто под сроком службы реле понимается только гарантируемое количество срабатываний. Такое понимание нельзя считать правильным, так как не учитывается влияние на работоспособность реле процессов старения во времени. Гарантируемое время эксплуатации реле колеблется в больших пределах от 500 час до 10—12 лет.
Реле критичны к длительности воздействия ряда факторов: повышенной температуры, больших ускорений при вибрации и ударах, повышенной влажности, радиации и т. п. Поэтому срок службы реле должен устанавливаться с учетом видов воздействующих факторов.
III. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ РЕЛЕ
Рассмотрим влияние ряда внешних факторов на чувствительность, сопротивление обмотки и цепи контактов, сопротивление и электрическую прочность изоляции и износоустойчивость.
Состояние перечисленных параметров позволяет в большинстве случаев оценить качество и надежность работы реле в эксплуатации. Степень влияния внешних факторов на параметры реле зависит о г конструктивного исполнения, принципа действия и примененных ма-36
териалов. Поэтому зависимости параметров реле от внешних факторов могут быть общими только для реле, имеющих аналогичные конструкции.
1.	ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
С изменением температуры окружающей среды изменяются размеры деталей, модули упругости пружин, коэффициенты трения, свойства магнитных и изоляционных материалов, а также сопротивление обмотки. В результате изменения размеров деталей изменяются воздушные зазоры в магнитной цепи; в местах соединений деталей возникают дополнительные механические напряжения, которые могут привести к перекосам, заклиниваниям и заеданиям в подвижной системе, особенно если материалы имеют различные температурные коэффициенты расширения. Модуль упругости материалов пружин отрицателен, поэтому при повышении температуры нагрузка на якорь уменьшается. Коэффициенты трения в точках касания толкателями контактных пружин и на осях вращения могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Это зависит ог вида примененных материалов, конструктивного выполнения трущихся частей.
Характер зависимости тока и напряжения срабатывания реле от температуры окружающей среды показан на рис. 13.
Ток срабатывания и отпускания у большинства типов реле уменьшается с повышением температуры окружающей среды и увеличивается при ее понижении. Напряжение срабатывания, наоборот, с повышением температуры увеличивается. В процентном отношении оно изменяется значительно больше, чем ток, так как определяется сопротивлением обмотки, изменяющимся пропорционально температуре.
Сопротивление цепи контактов при увеличении температуры несколько увеличивается и становится более нестабильным, чем в нормальных условиях. Это обусловлено, с одной стороны, уменьшением контактного давления, с другой — более активным протеканием окислительных процессов на поверхности контактов. За счет перекосов в контактной системе (контактном пакете) контактное давление может в отдельных случаях увеличиваться.
При отрицательных температурах на поверхности негерметизи-рованных контактов могут конденсироваться из окружающей среды и замерзать вода и продукты испарения изоляционных материалов катушки реле. Это является одной из основных причин встречающихся в эксплуатации случаев резкого увеличения сопротивления цепи контактов и даже нарушения контактирования. Герметизация реле не всегда исключает «замерзание» контактор, особенно если заполне-4-1500	37
ние реле осуществляется недостаточно сухим газом или в контактную систему попадают продукты испарения изоляции. Наиболее радикальным средством борьбы с указанными явлениями является отдельная герметизация контактов.
При длительном воздействии повышенной температуры стареет изоляция, уменьшается предел упругости материалов пружин. Это приводит к необратимым изменениям регулировочных параметров, в результате чего увеличивается разброс токов срабатывания и от-
Рис. 13. Зависимость напряжения и тока срабатывания от температуры.
пускания, причем наблюдается тенденция к уменьшению их средних значений, возрастает сопротивление и нестабильность цепи контактов.
Сопротивление изоляции вначале довольно резко уменьшается, затем увеличивается, после чего несколько стабилизируется. Степень уменьшения сопротивления изоляции в первоначальный период времени и последующей его стабилизации зависит от температуры, вида и интенсивности физико-химических изменений в изоляционном материале. Следует отметить, что теплостойкость современных реле ограничивается в основном теплостойкостью изоляции проводов обмотки.
При циклическом изменении температуры в местах соединений деталей возникают знакопеременные механические перенапряжения. Они могут привести к появлению трещин (микротрещин) в местах паек и сварок из-за усталости материалов, к ослаблению винтовых соединений, расшатыванию закрепленных деталей и узлов и, как следствие, к необратимом изменениям регулируемых параметров и 38
нарушению герметичности реле. Наибольшие изменения токов срабатывания и отпускания наблюдаются у высокочувствительных и поляризованных реле, имеющих, как правило, малые контактные давления и воздушные зазоры.
При изменении давления окружающей среды изменяется электрическая прочность воздушных промежутков между токоведущими деталями, а также условия теплоотдачи. Зависимость указанных параметров от атмосферного давления показана на рис. 14. С точки
Рис. 14. Зависимость перегрева обмотки Т'/То и электрической прочности изоляции £/эп от величины атмосферного давления р: (То — температура нагрева обмотки при нормальном, а Г' — при пониженном атмосферном давлении).
зрения электрической прочности изоляции наиболее критичной является область атмосферных давлений от 0,14-0,5 до 10-ь 15 мм рт. ст. В этой области напряжение пробоя или возникновения «короны» между контактами обычных реле находится в пределах всего 280— 450 в и мало зависит от величины межконтактных зазоров.
С уменьшением атмосферного давления до 10~4—10~5 мн рт. ст. ухудшаются условия теплоотдачи, так как уменьшается теплоотдача за Счет конвекции воздуха и мала теплоотдача за счет излучения. В связи с этим при уменьшении атмосферного давления уменьшается и максимально допустимая рабочая температура для реле.
2.	ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ
Повышенная влажность оказывает наиболее сильное влияние на сопротивление и электрическую прочность изоляции. Характерные зависимости этих параметров от длительности воздействия повышенной влажности приведены на рис. 15.
4е	39
Уменьшение сопротивления и электрической прочности изоляции происходит в результате объемного и поверхностного увлажнения изоляционных деталей, что имеет место, особенно у негерметических реле. После длительного пребывания в условиях повышенной влажности, особенно в нерабочем (обесточенном) состоянии, появляются пленки окислов и следы коррозии на поверхности металлических деталей, увеличиваются коэффициенты трения между соприкасающи-
Рис. 15. Зависимость сопротивления (кривые 3 и 4) и электрической прочности изоляции (кривые 1 и 2) от длительности воздействия повышенной (98%) влажности:
1 и 3 при 20° С; 2 и 4 при 40° С.
мися поверхностями, токи срабатывания увеличиваются, а токи отпускания в большинстве случаев уменьшаются примерно на 10—15%.
В отдельных случаях наблюдается прилипание к корпусу ограничителей хода якоря, особенно когда он частично изношен. При этом ток срабатывания резко увеличивается.
Сопротивление контактов увеличивается на один-два порядка и становится весьма нестабильным.
При нахождении токоведущих деталей реле под напряжением (потенциалом) увеличивается ток утечки, в результате чего может иметь место электролиз, вызывающий перенос металла. Электролиз протекает тем интенсивней, чем больше разность потенциалов между токоведущими деталями, меньше сопротивление изоляции, выше влажность и больше примесей солей, паров щелочей и кислот, которые в определенных количествах почти всегда находятся в составе изоляционных материалов и окружающей среде.
Наибольшую опасность представляет электролиз между обмоткой, выполненной из медной проволоки и находящейся под положи-40
тельным потенциалом, и корпусом, имеющим отрицательный потенциал. В -результате электрической эрозии 1провода обмотки может произойти обрыв или пробой изоляции обмотки в этом месте.
Для устранения электролитической эрозии провода обмотки необходимо заземлять положительный полюс источника питания или изолировать корпус (сердечник) реле. Однако в большинстве случаев по схемным или конструктивным соображениям это невозможно сделать. Наиболее радикальным средством борьбы с электролизом в цепи обмотки является герметизация реле.
У герметических реле токи срабатывания и отпускания и сопротивление цепи контактов не зависят от влажности окружающей среды, а сопротивление и электрическая прочность изоляции значительно выше, чем у негерметических.
3.	ВЛИЯНИЕ ПЛЕСНЕВЫХ ГРИБОВ И МОРСКОГО ТУМАНА
В условиях влажного тропического климата наряду с повышенной влажностью большое влияние на состояние 'внешнего вида и работоспособность реле могут оказать плесневые грибы, споры которых содержатся в окружающем воздухе. ^Попадая на реле, споры в благоприятных условиях развиваются в плесневые грибы, которые разрушают поверхности деталей. Глубина разрушения зависит от вида материалов деталей и интенсивности образования грибов. В негерметических реле плесневые грибы оказывают влияние на все параметры, характеризующие их работоспособность. Развиваясь на поверхности контактов, они вызывают увеличение сопротивления цепи контактов и нарушение контактирования, v
Из-за разрушения поверхностей трущихся деталей увеличиваются коэффициенты трения, происходят заедания в подвижной системе. При наличии плесневых грибов создаются более благоприятные условия для проникновения влаги в изоляционные материалы и протекания электролиза. Чехлы (кожухи), не обеспечивающие герметизацию, не защищают рабочие органы реле от воздействия плесневых грибов. Иногда под чехлами создаются более благоприятные условия для развития плесневых грибов, особенно когда затруднен обмен внутреннего воздуха с наружным (пыле- и брызгозащищенные конструкции).
Для повышения устойчивости реле к воздействию плесневых грибов применяются грибоустойчивые материалы, а также эмали, лаки, компаунды и другие покрытия, защищающие негрибоустойчивые изоляционные материалы, магннтопровод, пружины, выводы, териалы, компаунды и лаки, чем, собственно и определяется радиа-
41
ЛИ, лаки и крМПаунды вводятся фунгициды, способствующие Повышению их грибоустойчивости.
Наиболее эффективным, а в слаботочных реле пожалуй единственным, способом повышения грибоустойчив ост и является герметизация реле. П-ри герметизации защитные покрытия должны иметь только внешние детали. Грибоустойчивость герметических реле определяется надежностью герметизации, величиной сопротивления и электрической прочностью изоляции наружных деталей.
В морском тумане содержатся различные соли. Они осаждаются на поверхности деталей. Если реле негерметическое, то это влечет за собой резкое увеличение тока срабатывания и увеличение сопротивления цепи контактов. Кроме того, ухудшается состояние внешнего вида, уменьшаются сопротивления и электрическая прочность изоляции.
Устойчивость герметических реле к воздействию морского «тумана определяется также надежностью герметизации, величиной сопротивления и электрической прочностью «изоляции.
4.	ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ НАГРУЗОК
Реле состоит из большого «числа «деталей (от 10 до 50). Поэтому в динамическом отношении оно представляет собой сложную механическую колебательную систему. Реакция каждой детали, узла и реле «в целом на 'внешние «вибрационные «воздейспвия зависит от* величины ускорения, частоты и длительности 'воздействия вибрации, жесткости, демпфирующих свойств и частоты свободных (собственных) колебаний деталей.
Амплитуда (вынужденных колебаний ib общем случае равна:
1____________
р у, р ’ fo ) fo<2!
где F — амплитуда возмущающей силы при вибрации, действующей с частотой f;
а — коэффициент жесткости;
fo — частота собственных колебаний;
Q — добротность механической колебательной системы.
Рассчитать частоты колебаний, которые могут возникнуть в реде, весьма сложно. Поэтому в практике (виброустойчивость роле определяется, как правило, экспериментально.
При возникновении вибрации периодически уменьшаются воздушные зазоры между контактами, якорем и сердечником, умень-42
шаются контактные давления и межконтактные зазоры, натрузка на якорь, коэффициент трения. Это приводит к уменьшению тока срабатывания (на 4—25%), к увеличению тока отпускания (на 8— 75%) и к нестабильности сопротивления цепи контактов.
Динамическая нестабильность сопротивления цепи контактов в зависимости от частоты вибрации реле при различных ускорениях показана на рис. 16. Наибольших значений сопротивление контактов
Рис. 16. Динамическая нестабильность сопротивления цепи контактов при воздействии вибрационных нагрузок.
достигает на резонансных или кратных им частотах контактной и подвижной систем реле. Вибрационная устойчивость реле характеризуется диапазоном частот и ускорений при вибрации, в пределах которых отсутствуют самопроизвольные замыкания или размыкания контактов.
Ускорения, при которых начинаются самопроизвольные замыкания или размыкания контактов, характеризуют предел («порог») ви-броустойчивоСти реле. Порог виброусгойчивости нормально разомкнутых контактов обычно в 1,5—2 раза выше нормально замкнутых как в обесточенном, так и во включенном состояниях реле. Наибольшей виброустойчивостью обладают реле с короткими и жесткими контактными пластинами и уравновешенным якорем.
5.	ВЛИЯНИЕ УДАРНЫХ НАГРУЗОК
При воздействии ударов в конструкции реле возбуждаются сравнительно быстро затухающие колебания. Поэтому процессы, ттротекаемые в реле при ударах, во многом сходны с теми, которые протекают при вибрационных нагрузках.
43
Чем выше (частота собственных колебаний реле и отдельных его частей, тем выше его удароустойчивость. Это обусловлено тем, чго в 'области высоких частот действуют гармонические составляющие ударного импульса, имеющие, как правило, малые амплитуды. В связи с этим ударные нагрузки оказывают меньшее разрушающее воздействие на конструкцию реле, чем вибрационные нагрузки той же амплитуды. При ударных нагрузках допускаются большие ускорения, чем при вибрациях.
6.	ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННО ДЕЙСТВУЮЩИХ (ЛИНЕЙНЫХ) УСКОРЕНИЙ
При действии линейных ускорений в передающей и контактной -системах возникают вращающие моменты. Величина и направление этих моментов зависят от направления и величины линейных ускорений, характера и степени неуравновешенности деталей подвиж-
Рис. 17. Характер зависимости тока срабатывания и отпускания реле Д///Ср от величины линейного (центробежного) ускорения g:
2 и 3 — реле с уравновешенной подвижной системой, 1 и 4 — с неуравновешенной. В области А ускорение направлено против движения якоря; в области Б — совпадает с ним.
ной системы реле. Если вращающие моменты .противодействуют притяжению якоря к сердечнику, то ток срабатывания увеличивается. Когда направление вращающих моментов совпадает с силой притяжения якоря, ток срабатывания уменьшается. Зависимость тока срабатывания от величины линейных ускорений показана на рис. 17. У ,реле с уравновешенной подвижной системой чувствительность мало зависит от величины линейного ускорения. В настоящее время 44
выпускаются реле с уравновешенными системами, у которых при ускорениях до 100—400g ток срабатывания изменяется не более чем на 5—10%. Ток отпускания по абсолютному значению следует за изменением тока срабатывания, т. е. при увеличении или уменьшении тока срабатывания соответственно увеличивается или уменьшается ток отпускания. Однако из-за остаточного намагничивания зависимость тока отпускания от линейных ускорений имеет более сложный характер.
Предельная устойчивость реле к линейным ускорениям определяется ускорением, при котором происходит размыкание замкнутых или замыкание разомкнутых контактов. При наличии напряжения на обмотке устойчивость реле к линейным ускорениям значительно выше, чем при отсутствии его.
7.	ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ
При воздействии значительной радиации разогреваются металлические части реле, изменяются модули упругости и коэффициенты трения материалов, активизируются физико-химические процессы старения, могут иметь место структурные изменения в изоляционных материалах и составе окружающей среды. Степень этих изменений зависит от интенсивности радиации, вида примененных материалов, конструкции отдельных деталей и реле в целом?. Например, при одной и той же интенсивности радиации массивные металлические детали разогреваются больше, чем малогабаритные. Изоляционные материалы на неорганической основе обладают на два-три порядка большей радиационной стойкостью .по сравнению с материалами на органической основе. После облучения многие металлы (нейзильбер, медь, сталь и др.) становятся радиоактивными. Это приводит к последующим физико-химическим изменениям в материалах даже при отсутствии внешнего источника облучения.
•В результате разогрева металлических частей реле уменьшается максимально допустимая рабочая температура, при которой можно эксплуатировать реле, увеличивается сопротивление обмотки и пропорционально ему увеличивается напряжение срабатывания. Изменение тока срабатывания не превышает (± (10-4-15%) от его значений в нормальных условиях. Степень изменения сопротивления цепи контактов зависит от условий образования пленок на поверхности контактов, состояния цепи (замкнуты или разомкнуты), степени уменьшения контактного давления. После облучения и ряда коммутаций сопротивление контактов восстанавливается.
Наибольшее влияние радиация оказывает на изоляционные материалы, компаунды и лаки, чем, собственно и определяется радиа-
45
ЦйОййая стойкость рёле. Ё «процессе облучения сопротивление Изоляции изменяется на один-два и более (порядков. С уменьшением сопротивления изоляции увеличиваются токи утечки, что нежелательно при коммутации малых токов и напряжений.
После устранения источника облучения сопротивление изоляции частично восстанавливается. При существующих требованиях к радиационной стойкости сопротивление изоляции реле при воздействии радиации изменяется .в меньших пределах, чем при воздействии повышенной влажности.
Примерно пропорционально уменьшению сопротивления уменьшается электрическая прочность изоляции (особенно в воздушном промежутке между контактами). Это обусловлено увеличением числа заряженных частиц в среде, окружающей контакты, вследствие чего возможны пробой и газовые разряды между контактами при меньших напряжениях. Уменьшение электрической прочности изоляции межкюнтактного зазора критично в основном для высоковольтных реле. У реле с контактами в вакууме электрическая прочность межконтактного зазора практически не изменяется.
IV. НАДЕЖНОСТЬ РЕЛЕ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Свойство реле сохранять свои характеристики (параметры) в пределах установленных норм в процессе эксплуатации называется его надежностью. Надежность реле оценивается вероятностью Р отсутствия отказов .(безотказной работы) или интенсивностью отказов Л в определенных условиях эксплуатации в течение заданного периода времени.
Условия эксплуатации реле определяются электрическими режимами работы контактов и обмоток, количеством и частотой срабатываний в течение заданного периода времени, видами, интенсивностью и длительностью воздействия внешних факторов.
Характерным для реле является импульсный (коммутационный) режим работы с различными частотой и скважностью срабатывания. Поэтому вероятность отсутствия отказов равна произведению вероятности отсутствия отказов за счет влияния фактора времени P(t) и количества срабатываний Р (N):
00	00
P = P(t)P(N) = р(0Л Jf(JV)flV=
t >
46
где f(t) и f(N)—функции плотности распределения отказов реле во (Времени и по числу срабатываний соответственно;
Xt— интенсивность отказов во времени, 1/час;
Xn — интенсивность отказов на одну коммутацию (замыкание или размыкание), 1/коммут.
Полагая, что распределение отказов подчиняется экспоненциальному закону, имеем
N
где отношение N/t представляет собой частоту срабатываний реле в единицу времени.
Определить истинные значения составляющих приведенных соотношений в настоящее время не представляется возможным. В практике оперируют их статическими оценками, определяемыми
экспериментально, мулы:	Для расчета используются следующие фор- ЙХ? *
где (/, W) означает, что данная оценка зависит от времени испытаний (эксплуатации) и числа срабатываний;
MQ — первоначальное число образцов, подвергавшихся испытаниям;
Мер — среднее число образцов, исправно работавших в интервале времени А/ при количестве срабатываний A^ в течение этого интервала;
m(t, N) -—число образцов, отказавших в течение времени после W числа срабатываний;
/п(Д/, AW)—число образцов, отказавших в интервале времени А/ при количестве срабатываний AW в течение этого интервала.
Для более объектив-ной сравнительной оценки надежности различных конструкций реле между собой и расчета надежности релейно-контактных систем определяют интенсивность отказов на одну контактную пару. В этом случае под т и N подразумевается ко-
47
личество контактных пар, отказавших 1и подвергавшихся испытаниям соответственно.
Допуская, -что отказы, обусловленные временем работы и процессами коммутации, взаимонезависимы, имеем
m(t, N) =m(t) +m(N), m(At, AN) =m(At)+m(AN).
Если испытания проводятся таким образом, что можно пренебречь влиянием на надежность процессов старения и стабилизации параметров, например при кратковременных испытаниях на износоустойчивость с большой частотой срабатывания, то составляющая -времени из приведенных формул исключается. При испытаниях реле в течение длительного времени и малом количестве срабатываний (например, находящихся па хранении) можно пренебречь влиянием на надежность процессов коммутации. Так, с определенной погрешностью отдельно определяются X(Z), k(N), P(t) и P(N), что представляет известные удобства при расчете количественных показателей надежности реле в аппаратуре.
Для инженерного расчета -количественных характеристик надежности реле и релейно-контактных схем необходимо иметь целый ряд дополнительных данных, учитывающих удельный вес и распределение различных видов отказов, зависимость их от режимов работы, климатических и механических факторов, специфики работы реле и т. п.
2. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ И ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ РЕЛЕ
Отказы реле можно классифицировать по ряду признаков:
—	месту отказов в конструкции реле;
—	разновидности и характеру возникновения отказов;
—	степени потери работоспособности реле;
—	виду неисправностей в аппаратуре, к которым приводят отказы реле.
Усредненные данные эксплуатации по удельному весу основных разновидностей отказов реле приведены в табл, 1. Под удельным весом понимается количество данного вида отказа в процентах по отношению к их общему количеству.
Реле — устройство дискретного типа (сработало или не сработало). В процессе эксплуатации характеристики реле за редким исключением не контролируются. Отказы реле обнаруживаются лишь тогда, когда они перестают выполнять свои функции. Такие 48
Таблица 1
Усредненные данные эксплуатации по отказам реле
Место отказа в реле	Удельный вес отказа, %	Разновидность отказа	Удельный вес разновидностей отказа, %
Контактная система	62,6	Незамыкание контактов Увеличение сопротивления цепи контактов Неразмыкание контактов Короткое замыкание на корпус Нестабильное контактирование (сбои) Уменьшение сопротивления изоляции	38,1 10* 6 1,5 5* 2,0
Цепь обмотки	21,4	Обрыв Межвитковое короткое замыкание Замыкание на корпус	12 5,4 4,0
Передающая система	12	Заедания в подвижной системе Деформация, поломка и выпадение отдельных деталей Перекосы	5,0 4,0 3,0
Прочие узлы'^и детали	4	Механические повреждения защитных чехлов Трещины в цоколях и т. д. Прочие	2,0 0,5 1,5
Примечание. Звездочкой отмечен удельный вес отказов, который может колебаться в больших пределах в зависимости от конструкции и условий эксплуатации реле.
отказы называются внезапными. Лишь в случаях, когда значение параметров реле жестко связано с параметрами аппаратуры, могут иметь место постепенные отказы. Однако достаточно точно прогнозировать надежность реле пока не представляется возможным, так как неизвестна зависимость надежности реле от контролируемых в настоящее время параметров.
По степени потери работоспособности отказы реле можно разделить на полные, условные, перемежающиеся (сбои). В 80% случаев реле полностью выходят йз строя. Около 15% отказов м'ожно отнести к условным (увеличение сопротивления цепи контактов, заедания в подвижной системе, уменьшение сопротивления изоляции и т. п.), а 5%—к перемежающимся. Перемежающиеся отка
49
зы появляются в виде сбоев. Сбои — это отдельные (несистематические) случаи яезамыкания или неразмыкания контактов при подаче на обмотку реле соответствующего сигнала. К ним относятся также случаи самосрабатывания контактов при механических воздействиях.
Удельный вес сбоев «может колебаться в весьма больших пределах. Это зависит от состава газовой среды, окружающей контакты, величины коммутируемых токов <и напряжений, воздействия
Рис. 18. Характер распределения отказов реле во времени.
внешних факторов, конструкции и схемы включения контактов. При коммутации малых токов и /напряжений, а также при работе контактов в неблагоприятных условиях сбои являются основным видом отказав реле.
Причины отказов и факторы, в наибольшей степени влияющие на надежность реле, перечислены в табл. 2. Распределение отказов реле <во времени показано на рис. 18. Характер распределения отказов во времени свидетельствует о том, что у реле (но крайней мере, у большинства из них) в начальном периоде эксплуатации наблюдается повышенное количество отказов, т. е. имеется период приработки.
Длительность периода приработки зависит от конструкции, количества срабатываний, электрической нагрузки контактов и интенсивности воздействия внешних факторов. У большинства реле приработка завершается после 5—10% срабатываний от гарантируемого их количества.
Отказы реле могут привести к следующим неисправностям в аппаратуре:
незамыканию коммутируемой цепи при подаче соответствующего сигнала на обмотку, что классифицируется как обрыв;
50
Основные причины отказов реле
Таблица 2
Разновидность отказа или неисправности	Причина отказа	Факторы, в наибольшей степени способствующие появлению отказа
Незамыкание	Контактная система Нарушение механической регул и-	Температура, меха-
контактов,	ровки (разрегулировка) вследст-	нические воздей-
сбои	вие остаточной деформации пру-	ствия, параметры коммутируемой
-	жин, механических повреждений	
Неразмыка-	отдельных деталей, износа и обгорания контактов, наличия на поверхности контактов токонепроводящих пленок и частиц (окисление, конденсация на поверхности контактов влаги и других продуктов испарений, загрязнение, инородные изоляционные частицы и т. п.); неисправности в электромагнитной системе (обрыв и к. з. обмотки, поломки и заедания в подвижной системе и т. п.) Сварка, спекание и заклинивание	цепи, состав и давление окружающей контакты среды, переходные процессы при коммутациях, циклическая работа Перегрузка по то-
ние кон-	контактов, неисправности в электромагнитной системе, перекры-	ку, резкое увели-
тактов		чение переходно-
	тие воздушного зазора токопроводящей частицей (стружка, припой и т. п.), пробой изоляции	го сопротивления контактов, повышенная темпе-
Увеличение	между соседними контактами Наличие на контактах поверхност-	ратура и влажность, перенапряжения в момент размыкания контактов Химические агрес-
сопротив-	ных пленок, уменьшение контакт-	сивные состав-
ления цепи	ного давления вследствие неста-	ляющие окру-
контактов	бильности регулировки	жающей среды,
Короткое за-	Пробой или перекрытие изоляции	температура, повышенная влажность, линейные ускорения Повышенная влаж-
мыкание	продуктами сгорания или токо-	ность, перенапря-
на корпус	проводящей инородной частицей	жения, особенно
токоведу-	(стружка, припой, проводник и	при пониженном
щих дета-	т. п.), наличие электролиза	атмосферном дав-
лей		лении, колебания окружающей температуры
51
Продолжение табл, 2
Разновидность отказа или неисправности	Причина отказа	Факторы, в наибольшей степени способствующие появлению отказа
Цепь обмотки
Обрыв	Механические • перенапряжения, возникающие при изменении температуры, действие электродинамических сил при включении и выключении напряжения обмотки, электролиз, коррозия, поломки в местах выводов в результате механических повреждений, некачественной пайки, межвитковые короткие замыкания, приводящие к сгоранию обмотки	Повышенная температура и электрическая нагрузка, повышенная влажность, переходные электрические процессы, протекающие при включении и выключении напряжения обмотки, механические Бездействия
Межвитковое короткое замыкание	Продавливание, повреждение и старение изоляции обмоточного провода, электролиз, пробой изоляции из-за перенапряжений в обмотке	Циклическое изменение температуры, повышенная температура и механические воздействия
Замыкание на корпус	Некачественное изготовление изоляционных деталей, дефекты в материалах, старение, разрушение, пробой изоляции	Качество изготовления, повышенная температура и влажность, механические повреждения
	Передающая система	
Нарушение регулировки, неза-мыкание и неразмыка-ние контактов	Деформация и поломка деталей, трещины в местах сварки и паек, ослабление креплений, засорение продуктами истирания и инородными частицами, перекосы, заклинивание якоря	Действие механических перенапряжений, особенно знакопеременного характера при работе реле в динамическом режиме, циклическом воздействии температуры, вибрациях и ударах
52
—	неразмьвканию коммутируемой цепи, что обычно рассматривается как короткое замыкание;
—	короткому замыканию коммутируемой цели или цепи обмотки на корпус;
—	выходу параметров коммутируемой цепи ва пределы допусков;
—	(появлению перемежающихся отказов (сбоев).
Ориентировочные соотношения между различными видами неисправностей аппаратуры из-за отказов реле приведены в табл. 3.
Таблица 3
Удельный вес различных неисправностей в аппаратуре из-за отказов реле
Неисправность в аппаратуре	Виды отказов реле, приводящие к данной неисправности	Удельный вес, %
Незамыкание коммутируемой цепи (обрыв)	Незамыкание HP и НЗ контактов вследствие неисправностей в контактной системе, незамыкание HP контактов из-за обрыва и коротких замыканий и неисправностей в передающей системе	52,1
Неразмыкание коммутируемой цепи (короткое замыкание)	Сварка, спекание и заклинивание контактов, неразмыкание НЗ контактов из-за неисправностей в обмотке и передающей системе	21
Короткое замыкание ком-	Пробой изоляции контактов	1,5
мутируемой цепи на корпус		
Короткое замыкание в це-	Пробой изоляции обмотки	6,0
пи питания обмотки		
Выход параметров коммутируемой цепи за пределы допусков, появление перемежающихся отказов	Увеличение переходного сопротивления контактов, сбои, заедания в передающей системе, появление в обмотке короткозамкнутых витков, уменьшение сопротивления и т. д.	19,4
Удельный вес разновидностей отказов реле и неисправностей в аппаратуре, к которым могут привести отказы реле, колеблется в больших пределах в зависимости от большого числа конструк-5-1500	53
тивных и эксплуатационных факторов. Поэтому при расчете надежности аппаратуры он должен уточняться для каждого конкретного случая.
3. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ И УСЛОВИЙ РАБОТЫ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОТКАЗОВ И НАДЕЖНОСТЬ РЕЛЕ
От режимов и условий работы реле зависит характер и скорость протекания процессов, характеризующих изменение надежности. В связи с этим изменяется вид распределения, удельный вес и интенсивность отказав реле.
Рис. 19. Зависимость отказов типа «обрыв» (кривые 1 и 2) и «короткое замыкание» (кривые 3 и 4) от величины коммутируемого тока: 1 и 4 — учитываются только отказы в контактной системе; 2 и 3 — учитываются отказы в обмотках и пробои на корпус.
При увеличении коммутируемого тока, а также постоянной времени коммутируемой цепи, увеличивается вероятность возникновения отказов типа «короткое замыкание» вследствие сварки, спекания и «заклинивания» контактов. При уменьшении коммутируемого тока и напряжения увеличивается удельный вес отказов типа «обрыв», так как уменьшается вероятность пробоя и прожигания поверхностных пленок и продуктов загрязнения контактов.
Ориентировочная зависимость удельного веса отказов типа «обрыв» и «короткое замыкание» от величины коммутируемого тока показана на рис. 19. Ориентировочная зависимость интенсивности отказов от величины коммутируемого тока показана на рис. 20. Основной причиной увеличения отказов при увеличении длительности пребывания обмотки под током является ускоренное 54
старение изоляций провода обмотки. Если Количество срабатываний реле невелико, а обмотка длительные периоды времени будет находиться ,под током, то удельный вес отказов реле ib аппаратуре из-за повреждения обмоток возрастает и может превысить удельный вес отказов из-за повреждения .контактов. У реле защиты, а также реле, используемых для коммутации цепей питания (обмотка находится во включенном состоянии в течение всего времени
Рис. 20. Ориентировочная зависимость надежности от величины коммутируемого тока (Zo — интенсивность отказов при 0,5/Ном;	— при
токе, отличающемся от 0,5/Ном).
работы аппаратуры), и дежурного режима (обмотка непрерывно под током) удельный вес огказов из-за обмоток достигает 70—80%.
Существует мнение, что для надежного срабатывания реле на обмотку следует подавать импульсы повышенного напряжения, по сравнению с допускаемым при непрерывном включении. Необходимо учитывать, что при повышении напряжения питания обмотки возрастают механические напряжения .в передающей и контактной системах. Они могут существенно повлиять на число срабатываний и надежность работы реле. Поэтому использование реле в форсированных режимах по обмотке возможно только при небольшом количестве срабатываний, притом кратковременно, не превышая допустимую температуру нагрева провода обмотки.
Из внешних факторов 'наибольшее .влияние на надежность реле оказывают температура окружающей среды и вибрационные нагрузки, а на негерметические реле, кроме того, повышенная влажность и пониженное атмосферное давление.
При повышенных температурах .уменьшается электрическая и механическая прочность изоляционных материалов, увеличиваются механические напряжения в местах соединения различных деталей и износ контактов, интенсивнее окисляются поверхности металлов, 5*	55
ускоряется старение материалов, В результате этого увеличивается количество отказов реле из-за пробоев и коротких замыканий в обмотке и контактной системе, разрегулировки контактов и заеданий в передающей системе.
Зависимость интенсивности отказов реле от температуры приведена на рис. 21. По своему виду она близко совпадает с зависимостью среднего срока службы изоляционных материалов от температуры.
Рис. 21. Зависимость надежности реле от температуры (провод марки ПЭТВ-Р). Здесь %о — интенсивность отказов при нормальной температуре; Лт — при повышенной.
При отрицательных температурах увеличивается количество отказов вследствие незамыкания контактов из-за их обледенения. В окружающей среде всегда содержится влага, которая при отрицательных температурах, конденсируясь на поверхности контактов, превращается в лед или иней. Кроме того, из обмоток реле испаряется влага и летучие компоненты изоляции, особенно когда обмотки находятся под током. Продукты испарения также конденсируются и замерзают на поверхности контактов, температура которых при нагревании обмоток остается близкой к окружающей. Если при замыкании контактов лед на их поверхности не разрушается, то происходит нарушение контактирования. Это является одной из основных причин отказов негерметических реле при отрицательных температурах.
Надежность герметических реле зависит в основном от степени осушки газа, находящегося внутри реле, и интенсивности испа-56
рений из обмотки. При отдельной герметизации обледенения контактов не наблюдается.
Вибрационные нагрузки вызывают изменение регулировочных параметров (давления, зазоры, люфты, взаимное расположение деталей), а также нарушение механической прочности узлов и отдельных деталей реле. Поэтому при вибрационных воздействиях увеличивается число отказов вследствие поломок деталей, обрывов в обмотках и нарушения контактирования.
Рис. 22. Ориентировочная зависимость надежности реле от воздействия вибрационных нагрузок:
Хо — интенсивность отказов в нормальных условиях; Z.B — при вибрации.
Ориентировочная зависимость надежности реле от величины ускорения при вибрации в допустимом для данного типа реле диапазоне частот приведена на рис. 22.
Степень влияния повышенной влажности зависит в основ-ном от конструктивного выполнения реле. Негерметические реле работают в условиях повышенной влажности недостаточно надежно. При этом увеличивается количество отказов вследствие обрыва обмоток из-за коррозии и электролиза, уменьшения сопротивления изоляции и пробоев между контактами, между контактами и корпусом (преимущественно по поверхности изоляционных деталей), вследствие нарушения контактирования из-за окисления контактов и заеданий в подвижной системе.
Примерная зависимость надежности негерметических реле от длительности воздействия повышенной влажности показана на рис. 23.
Надежность герметических реле определяется качеством герметизации и покрытий, применяемых для защиты внешних деталей.
57
При наличии дефектов в герметизации или покрытиях происходит коррозия. Она разрушает металлические детали, особенна в местах клепки, сварки, пайки, спаев выводов с цоколем и т. д., что приводит к нарушению герметичности и последующему отказу реле.
В условиях пониженного атмосферного давления наиболее типичными видами отказов негерметических реле являются пробои и короткие замыкания в обмотках, повышенный износ контактов
Рис. 23. Ориентировочная зависимость надежности реле от воздействия повышенной влажности:
— интенсивность отказод в нормальных условиях; при повышенной влажности.
вследствие ухудшения условий теплоотдачи и уменьшения электрической прочности изоляции до 0,1—5 мм рт. ст,
У герметических реле возможны пробои между выводами по поверхности изоляции цоколя. В последние годы большое значение приобретает надежность реле в условиях невесомости. В этих условиях динамические силы, возникающие при работе подвижной системы, вызывают пространственное движение различных свободно перемещающихся частиц (продуктов сгорания, частиц олова, всевозможных стружек, заусенцев, ворсинок :и т. п.), которые могут попадать между контактами или под якорь и вызывать нарушение контактирования, короткие замыкания или заедания подвижной системы.
4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
К основным методам повышения надежности реле относятся: — тренировка;
58
—	конструктивные меры защиты реле от непосредственного воздействия внешних климатических и механических факторов;
—	схемные решения, облегчающие электрические режимы работы /контактов и обмоток;
резервирование.
Тренировка позволяет отбраковывать реле, имеющие грубые производственные дефекты. Оптимальный режим тренировки зависит от конструкции реле, стабильности его регулировочных параметров и определяется экспериментально. Однако для большинства серий реле можно рекомендовать следующий режим тренировки.
Реле отрабатывают в режиме бестоковой коммутации 5—10% от гарантированного числа срабатываний. Надежность контактирования всех контактных пар проверяется при каждом срабатывании путем пропускания через замкнутые контакты тока величиной 100— 500 ма, напряжением 6—30 в.
Ток пропускается через 20—30 мсек после замыкания и снимается за 10—20 мсек до размыкания контактов. Остальное время цепь контактов находится в обесточенном состоянии. Если предполагается использовать реле для коммутации малых токов и напряжений менее 10 ма и 6 в, то тренировку можно проводить в реальном режиме.
Дефектными следует считать реле, имеющие систематические сбои, и реле, электрические параметры которых не соответствуют заданным требованиям.
Под конструктивными мерами защиты понимается:
—	(герметизация или вакуумплотная изоляция блоков или реле в аппаратуре, а также применение различных осушительных средств с целью уменьшения влажности в местах установки реле;
—	амортизация реле или блоков с целью исключения резонансов и уменьшения перегрузок при вибрациях и ударах;
—	термостатирование и вентиляция для обеспечения наиболее благоприятных температурных условий работы реле.
Эффективность конструктивных мер защиты может быть оценена по имеющимся зависимостям надежности реле от воздействия климатических и механических факторов. Так, при уменьшении вибрационных нагрузок в два раза по отношению к внешним надежность реле повышается почти в четыре раза. Аналогичные расчеты могут быть приведены применительно к воздействию температуры и влажности.
Для облегчения электрических режимов работы контактов, особенно при индуктивной нагрузке, применяются искрогасящие цепочки. Для повышения надежности контактирования малых токов
59
и напряжений и стабильности цепи контактов необходимо резервировать (запараллеливать) контакты. При резервировании контактов суммарный коммутируемый ток не должен превышать максимально допустимой величины для одной контактной пары. С целью исключения перенапряжений в обмотках и влияния их на сопряженные элементы рекомендуется обмотки шунтировать диодами, активными сопротивлениями (резисторами), конденсаторами или комбинациями из этих элементов.
V. ПРИМЕНЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ РЕЛЕ
1. РЕАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Контакты реле используются в аппаратуре для коммутации различных по величине и 'Характеру токов и напряжений. Установить какое-то конечное число типовых нагрузок невозможно. Они образуют сплошной спектр, начиная от нуля (так называемые «сухие цепи») и до максимально допустимых для данного типа реле значений (рис. 24). Типовые нагрузки отражают существующие в данный период времени тенденции в применяемости реле. Например, за последние 10—15 лет удельный вес реле, применяемых для коммутации малых токов и напряжений, увеличился более чем в 20 раз. В настоящее время- реле широко применяются для коммутации входных цепей, электровакуумных и полупроводниковых приборов, микросхем, датчиков, слаботочных сигнальных, информационных, измерительных, контрольных и передающих цепей, маломощных элементов автоматики и телемеханики. С развитием автоматизации, микроминиатюризации и повышением чувствительности РЭА, автоматических и телемеханических систем следует ожидать увеличения удельного веса реле, применяемых для коммутации малых токов и напряжений. Ранее реле использовались в основном для коммутации «силовых цепей.
С другой стороны, возрос удельный ’вес реле, применяемых с перегрузками контактов по току в 5—10 раз и более при небольшом количестве срабатываний реле (единицы или десятки раз). Это вызвано чаще всего жесткими требованиями к (весу и габаритным размерам аппаратуры.
Значительная часть реле (около 15%) используется при большем количестве срабатываний, чем допускается технической документацией, т. е. практически до полного износа. Это обусловлено тем, что гарантируемое количество срабатываний существующих реле недостаточно, а периодическая замена их связана с боль-60
шими трудностями (распайка, снятие Крепежных приспособлений, удаление заливочных средств и т. п.).
По современным требованиям количество срабатываний реле должно быть 108—109, в то время как большинство выпускаемых
Коэффициент нагрузки контактов по току
О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 ки
Коэффициент нагрузки контактов по напряжению
Рис. 24. Гистограммы распределения, отражающие реальные условия эксплуатации реле.
16
реле имеют только 104—107 срабатываний. Большинство нагрузок на контактах (имеет индуктивный характер, активные нагрузки составляют лишь около 3—4%.
Частота срабатываний реле колеблется от 100-5-50 гц до нескольких единиц или десятков срабатываний за 5—10 лет. Это зависит в основном от функционального назначения реле.
Условия эксплуатации реле отличаются от условий эксплуатации аппаратуры. В первую очередь это относится к температуре окружающей среды. Реле находятся в блоках аппаратуры, в которых, как (правило, имеются нагревающиеся элементы. Поэтому температура в блоках аппаратуры обычно выше наружной окружающей (см. рис. 24). Величина превышения температуры в блоках по сравнению с окружающей зависит от плотности монтажа, количества нагревающихся элементов, размера блоков, качества вентиляции и т. п.
При воздействии вибрационных нагрузок могут возникать резонансы плат, на которых размещены реле. В этом случае - на реле действуют в несколько раз большие ускорения, чем на аппаратуру. В остальных случаях величина ускорений при вибрации равна или меньше внешних.
Воздействие ударных нагрузок обычно амортизируется внешними частями аппаратуры или имеющимися амортизационными устройствами.
Воздействие повышенной влажности зависит от режима работы аппаратуры и ее защищенности. При нахождении аппаратуры в рабочем состоянии относительная влажность внутри блоков меньше окружающей. При нахождении аппаратуры в нерабочем состоянии влага может проникать внутрь блоков и конденсироваться на поверхности деталей. В этом случае относительная влажность внутри блока равна или выше окружающей. Имеется аппаратура, блоки которой герметизируются или предусматриваются другие устройства, защищающие элементы от воздействия повышенной влажности. В такой аппаратуре создаются более благоприятные условия для работы реле.
Значительно снижает надежность работы, особенно негерметических реле, постоянно накапливающаяся в блоках пыль, а также продукты испарения изоляции нагревающихся деталей. Поэтому необходимо принимать эффективные меры по их недопущению или удалению.
Длительность воздействия климатических и механических факторов на реле определяется режимами работы и длительностью воздействия этих факторов на аппаратуру. Например, воздействие повышенной температуры составляет от долей часа до 10000 час, 62
воздействие вибрации — от 10—15 мин до 500—1 000 час и более, воздействие повышенной влажности — от 6 месяцев до 3—5 лет.
2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ И ПРИМЕНЕНИЮ РЕЛЕ
Выбору конкретного типа или серии должен предшествовать детальный анализ функций, режимов работы «и условий эксплуатации реле -в разрабатываемой аппаратуре. Необходимо учитывать также требования к надежности, конструктивному выполнению, сроку службы и. сохранности реле.
На основании проведенного анализа составляются требования к функциональному назначению, электрической схеме и основным параметрам реле:
—	чувствительности и напряжению (току) питания с учетам частоты или возможных пульсаций тока при подключении и отключении обмотки;
—	длительности непрерывного и суммарного нахождения обмотки под током;
—	частоте включений, способу коммутации и скважности подаваемых на обмотку импульсов;
—	частоте и диапазонам коммутируемых напряжений и токов, характеру коммутируемой нагрузки;
—	длительности нахождения контактов под напряжением или током;
—	времени срабатывания, отпускания и дребезга контактов;
—	сопротивлению и электрической прочности изоляции;
—	величине и стабильности сопротивления цепи контактов;
•	— общему количеству срабатываний контактов;
—	специфичным параметрам (индуктивность и емкость контактов, мощность потерь, КСВ и т. п.), значение которых может быть критично в конкретных случаях применения, или особым режимам работы (бестоковая коммутация, коммутация импульсных цепей, работа в режиме генератора и т. п.), не характерным для данного вида реле;
—	диапазонам и длительности воздействия рабочих и предельных температур и давлений;
—	 влажности и составу окружающей среды;
—	 видам, характеру и длительности механических воздействий (вибрация, удары, линейные нагрузки или их сочетание);
•	— интенсивности радиации;
—	дополнительным условиям, отражающим специфику внешних воздействий (пыль, брызги, плесневые грибы, химически агрессивные компоненты, магнитные и электрические поля и т. п.).
63
Требования к весу, габаритным размерам и надежности реле определяются следующим образом:
— вес
бдоп G = T’
—	объем
„Едоп v~ At ’
—	интенсивность отказов «на одну коммутацию и одну контактную лару;
1пР
где (/доп, Удоп — допустимые вес и объем реле в аппаратуре;
М — необходимое количество реле;
N— требуемое количество срабатываний;
К — число контактных пар;
Р — вероятность безотказной работы.
Сроки службы и сохраняемость реле должны соответствовать аналогичным требованиям к аппаратуре. Перечисленные требования сопоставляются с приведенными в технических условиях, справочниках, ГОСТ и другой официальной технической документации. При окончательном выборе типа или серии реле необходимо учитывать возможность максимальной унификации номенклатуры. С конструктивной точки зрения предпочтение следует отдавать герметическим реле с двойными контактами или реле на базе мапнитоуправляемых контактов. Перспективными следует считать также дистанционные переключатели, обмотки которых работают в более благоприятных условиях, чем у реле.
По основным параметрам реле рекомендуется предусматривать эксплуатационные запасы. Наличие запасов позволяет повысить надежность работы реле и исключать неизбежные погрешности в определении режимов и условий эксплуатации реле в аппаратуре. Рекомендуемые коэффициенты использования реле по ряду параметров приведены в табл. 4. Под коэффициентом использования следует понимать отношение параметра к максимально допустимому его значению по технической документации.
При отсутствии в технической документации необходимых данных возможность использования выбранного типа 'реле в требуемых режимах и условиях следует уточнять в Центральном бюро применения реле.
64
Таблица 4
Рекомендуемые коэффициенты использования реле по отдельным параметрам
Наименование параметра	Коэффициент использования реле
Напряжение (ток) питания обмотки Длительность непрерывного или суммарного нахождения обмотки под током Коммутируемое напряжение Коммутируемый ток нагрузки: — активной — емкостной — индуктивной Время срабатывания и отпускания Количество срабатываний Повышенная температура Повышенная влажность Ускорение при вибрациях Ускорение при ударах (удароустойчивость) Линейные ускорения	0,9—1,1 <0,8 <1 0,05—0,9 0,05—0,7 0,01—0,5 >1,2 <0,7 <0,8 <0,8 <0,7 <0,5 <0,8
3. СПОСОБЫ МОНТАЖА И ПРОВЕРКА РЕЖИМОВ
Наиболее распространенные способы монтажа реле в аппаратуру 'следующие: «врубание» в печатную плату с последующей опайкой выводов, крепление винтами с подпайкой выводов обмоток и контактов, крепление реле и токопроводящих проводов при помощи винтов, монтаж с помощью переходных колодок или разъемов.
Реле, предназначенные для монтажа врубанием, имеют выводы в виде прямых штырей. Диаметр и расстояние между штырями обычно соответствует стандартным размерам, установленным для пнезд печатных плат. Во избежание изгиба .выводов и деформации чехлов врубание реле в плату должно осуществляться свободно, без приложения значительных усилий. При деформации чехлов возможны пробои между токоведущими деталями и чехлом, изменение чувствительности, заедание подвижной системы и даже полный выход реле из строя. Изгиб выводов вызывает появление трещин и сколов в цоколях и изоляционных деталях. В процессе опайки выводов на цоколь реле не должны попадать флюс, припой и другие загрязняющие продукты, так как это снижает сопротивление изоляции. Платы с негерметическими реле нельзя опрыскивать электроизоляционными лаками или окунать в них, потому что лак
65
может проникать внутрь реле и попадать на контакты и детали подвижной системы. Это может привести »к резкому увеличению сопротивления цепи контактов, нарушению (контактирования, заеданию и несрабатыванию подвижной системы.
Реле, предназначенные для крепления винтами, имеют специальные крепежные ушки, винты или резьбовые отверстия и выводы в виде прямых штырей, крючков или пластин с отверстиями. Такие реле устанавливаются обычно на металлических угольниках, платах или шасси, что улучшает условия теплоотдачи. Крепежные винты должны быть затянуты (нагружены) равномерно. Нельзя допускать срыва резьбы или применения винтов и гаек с некачественной резьбой и отсутствия контрящих средств (шайб, шпилек, гаек и т. п.). В противном случае (возможны перекосы конструкции и механические нарушения в цоколе реле. Крепежные шпильки, тайки или головки болтов должны покрываться контрящим лаком. При пайке необходимо предусматривать меры предосторожности, исключающие перегрев и изгиб -выводов, попадание на цоколь продуктов пайки и лаков. Для электрического монтажа рекомендуется использовать гибкий многожильный медный провод.
Нельзя превращать выводы реле в общую точку соединения нескольких проводов. Изгибать /можно только гибкие выводы, что указывается в технической документации на реле. С точки зрения надежности пайки наиболее предпочтительными являются выводы в виде крючков или пластин с отверстиями. При протекании больших токов места паек токоведущих проводов с выводами реле могут нагреваться до температуры размягчения или плавления припоя. Повышение надежности электрического монтажа при больших токах достигается путем крепления токоведущих проводов к выводам реле при помощи винтов.
Наиболее удобным и простым является монтаж с помощью переходных колодок или разъемов. Однако при использовании переходных колодок или разъемов необходимо учитывать наличие в цепи контактов дополнительного переходного сопротивления контакта между выводом реле и гнездом разъема. Оно может быть нестабильным, особенно три воздействии механических нагрузок (вибрации, ударов, линейных ускорений) и неблагоприятной окружающей среды (влаги, химически агрессивных компонентов и т. п.). Для повышения надежности контактирования и прочности крепления реле следует предусматривать дополнительные способы крепления, создающие непрерывное нажатие реле на переходную колодку.
В ряде случаев допускается приклеивание реле к плате, креп
66
ление при (помощи скоб м заливка герметических реле компаундами.
Располагать реле ближе 5—10 мм друг от друга не рекомендуется, так как ухудшаются условия теплоотдачи и возможно взаимное влияние электромагнитных полей. В связи с этим нельзя располагать реле рядом с устройствами, являющимися источниками магнитных полей.
После монтажа следует проверить прочность крепления реле и правильность электрического монтажа, затем произвести его рихтовку. Рихтовка монтажа осуществляется специальными приспособлениями, ограничивающими силу натяжения проводов. Сила натяжения проводов на вывод не должна превышать для реле малой мощности 1 кг, для реле средней мощности 2—3 кг, для реле большой мощности 3—5 кг. После рихтовки выводы реле не должны испытывать дополнительного усилия от проводников.
Правильность электрического монтажа проверяется с помощью «прозвонки» цепей контактов и обмотки с учетом функционального действия реле и схемы, в которую оно включено. Правильность режима применения определяется путем проверки величин подаваемых и коммутируемых токов и напряжений, снятия осциллограмм процессов замыкания и размыкания контактов в граничных режимах работы схемы.
На основании временных диаграмм работы реле определяется частота срабатываний, длительность подаваемых импульсов и пауз, количество срабатываний, длительность нахождения обмотки и контактов под током и напряжением.
Из климатических и механических воздействий необходимо определить максимальное значение повышенной температуры, вибрационных и ударных нагрузок, особенно на резонансных частотах. Знание остальных факторов определяется условиями эксплуатации аппаратуры, если не предусмотрены специальные меры защиты.
4. ЭКСПЛУАТАЦИЯ, ПРОФИЛАКТИКА, ХРАНЕНИЕ
Реле, изготовленные в строгом соответствии с техническими условиями, при правильной эксплуатации надежно работают по 10—,15 лет и более, что в ряде случаев значительно больше гарантированного срока службы. При этом существенного изменения основных электрических параметров не наблюдается. Отступления от требований технических условий и правил, изложенных в инструкциях по эксплуатации, приводят к нарушению нормальной работы или преждевременному выходу реле из строя.
67
В процессе эксплуатации необходимо предусматривать меры предосторожности, исключающие случаи механических повреждений и резкого изменения параметров коммутируемой нагрузки и источников литания. Не рекомендуется ‘включать напряжение обмотки реле на длительный период времени, особенно при максимально допустимом токе или напряжении. Перед использованием реле в рабочем режиме целесообразно предусматривать возможность проверки их работоспособности путем двух-, трехкратного включения и выключения. Качество работы эксплуатируемых реле может быть проверено путем «прозвонки» цепей контактов и обмотки или же косвенно — по качеству выполнения заданных функций.
В условиях отрицательных температур рекомендуется предусматривать возможность предварительного прогрева реле в блоках аппаратуры или же применять термост а тирование. Во всех случаях необходимо исключать из окружающей среды пары кислот, щелочей и органических веществ.
При проведении регламентных работ РЭА рекомендуется проверять:
—	качество крепления реле и монтажа;
—	четкость работы при минимальных значениях питающих токов и напряжений;
—	надежность контактирования, проверяя при возможности сопротивление цепи контактов;
—	у реле открытого типа проводить осмотр и очистку контактов.
Промывка контактов допускается только волосяной кисточкой, смоченной в чистом спирте (ректификате).
Реле, вышедшие из строя ранее гарантированного срока службы, должны рекламироваться заводу-изготовителю. Рекламационный листок, прилагаемый к реле, должен содержать следующие сведения:
—	дату установки в аппаратуру;
—	- количество срабатываний и время нахождения обмотки под током до отказа;
—	• величины коммутируемых токов и напряжений, характер и вид нагрузки;
—	ориентировочные данные об условиях эксплуатации;
।— вид и предполагаемую причину неисправности.
При демонтаже неисправного реле из аппаратуры должны быть приняты меры предосторожности, исключающие возможность появления дополнительной неисправности или иных повреждений, затрудняющих последующий анализ отказавшего реле.
68
Сохраняемость реле оценивается то результатам измерения основных параметров (ток или напряжение срабатывания и отпускания, сопротивление цепи контактов, сопротивление и электрическая прочность изоляции), дополнительных параметров, определяющих функциональное назначение (время срабатывания и отпускания у реле времени, коэффициент возврата у специальных реле контроля и защиты, состояние регулировки у реле указательных и т. п.) и по состоянию внешнего вида. Все параметры не должны выходить <за пределы установленных норм. При внешнем осмотре не должно быть следов коррозии, отслоения лакокрасочных покрытий и изменения цвета и размеров отдельных деталей, механических повреждений и других нарушений.
Наиболее оптимальными условиями хранения являются нормальные, которые характеризуются температурой окружающей среды +25 ±10° С, относительной влажностью 65±15%, атмосферным давлением 720—780 мм рт. ст. В окружающей среде не должно содержаться паров кислот, щелочей или других химически активных веществ, способных вступить в активную реакцию с материалами деталей реле.
Ухудшение условий хранения уменьшает cpoij сохранности реле. Наиболее неблагоприятное влияние на сохранность реле оказывает воздействие повышенной влажности, повышенной температуры и циклических изменений температуры. Поэтому при хранении реле в неотапливаемых складах или полевых условиях необходимо предусматривать их защиту от непосредственного воздействия окружающей среды. Для этого рекомендуется вакуум-плотная или герметическая упаковка (целофановые мешочки, металлические или пенопластовые коробки и т. п.) и вентиляция хранилищ. Более детальные указания даются в РТМ по хранению.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Витенберг М. И. Расчет электромагнитных реле. Изд-во «Энергия», 1966.
2.	С о т с к о в Б. С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. Изд-во «Энергия», 1965.
3.	Ш трем б ер г Т. К. и др. Влияние индуктивной нагрузки контактов на надежность и износоустойчивость реле. «Вопросы радиоэлектроники», сер. XI, Техника проводной связи, 1962.
4.	Ш т р е >м б е р г Т. К- Надежность контактов реле в пределах периода приработки. «Вопросы радиоэлектроники», сер. VI, Техника проводной связи, 1963.
5.	Рыбин Г. Я. Надежность контактов реле по материалам эксплуатации. Труды совещания по электрическим контактам, 1962 и 1965. Изд-во «Энергия», 1962 и 1965 г.
6.	«Электрические контакты». Труды совещания 29.III и 1 .IV 1965. Из диво «Энергия», 1967.
7.	Балагуров В. А., Голотьев Ф. Ф., Гордон А. В., Ларионов А. Н. Проектирование электрических аппаратов авиационного электрооборудования. Обфоонгиз, 1962.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .	.	.................................. 3
I.	Устройство и принцип действия реле..................... 5
1.	Контактная система............................... 9
2.	Обмотки..........................................16
3.	Передающая система...............................19
4.	Магнитная система................................20
5.	Конструкции реле.................................23
И. Основные параметры и характеристики реле ....	29
1.	Чувствительность.................................29
2.	Коэффициент вовврата.............................30
3.	Рабочие напряжения и	токи	питания обмотки .	.	30
4.	Сопротивление	обмотки ...........................30
5.	Коммутируемая	мощность..........................31
6.	Сопротивление	цепи контактов.....................31
7.	Сопротивление	и электрическая прочность изоляции 32
8.	Емкость и индуктивность	цепи	контактов ...	33
9.	Время срабатывания и	отпускания..................33
10.	Частота срабатываний.............................34
11.	Износоустойчивость...............................35
12.	Срок службы......................................36
III.	Влияние внешних факторов на параметры реле ...	36
1.	Влияние температуры и давления окружающей среды 37
2.	Влияние повышенной влажности.....................39
3.	Влияние плесневых грибов и морского тумана .	.	41
4.	Влияние вибрационных нагрузок ...................42
5.	Влияние ударных нагрузок.........................43
6.	Влияние постоянно действующих (линейных) ускорений ...............................................44
7.	Влияние радиации.................................45
IV.	Надежность реле......................................46
1.	Общие сведения...................................46
2.	Основные разновидности и причины" отказов реле .	48
3.	Влияние режимов и условий работы на распределение отказов и надежность реле........................54
4.	Методы повышения надёжности......................58
71
V.	Применение и эксплуатация реле.......................60
1.	Реальные условия эксплуатации...................60
2.	Рекомендации по выбору и применению реле . .	63
3.	Способы монтажа и проверка режимов ....	65
4.	Эксплуатация, профилактика,	хранение ....	67
Литература...............................................70
ИВАН ПЕТРОВИЧ ФИЛИПЧЕНКО ГЕОРГИЙ ЯКОВЛЕВИЧ РЫБИН
Электромагнитные реле
Редактор Л. В. Голованова Художественный редактор В. Т. Сидоренко Технический редактор 3. Н. Ратникова Корректор Е. П. Озерецкая
Сдано в набор 15/VIII-1968 г. Подписано в печать 13/ХП-1968 г. Т* 15399 Формат 84Х Ю81/»»	Бумага типографская № 2
Объем 3,78 усл. п. л.	Уч.-изд. л. 4,206
Тираж 36 000 экз.	Зак. 1500
Издательство .Советское радио", Москва, Главпочтамт, п/я 693
Московская типография № 10 Главполиграфлрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Москва, Шлюзовая наб., 10.
Цена 21 коп.
Цена 21 коп.