تعریف رله الکترومکانیکی

تعریف رله الکترومکانیکی:
واژه «رله» (Reley) عموماً به قطعه ای گفته می شود که در پاسخ به اعمال یک ولتاژ، اتصال الکتریکی بین دو یا چند نقطه را برقرار می کند. متداول ترین و پرکاربردترین نوع رله الکتریکی رله الکترومکانیکی یا EMR است.

پایه ای ترین عمل کنترلی برای هر تجهیز، روشن (ON) و خاموش (OFF) کردن آن است. ساده ترین راه برای انجام این کار، استفاده از سوئیچ ها یا کلیدها برای ایجاد وقفه در رسیدن انرژی منبع الکتریکی به مدار است.

هرچند سوئیچ ها (کلیدها) برای عمل کنترل مورد استفاده قرار می گیرند، اما معایبی نیز دارند. بزرگ ترین عیب آن ها قطع یا وصل به صورت فیزیکی است.

علااوه بر این، اندازه کلیدها نسبتاً بزرگ است، کُند عمل می کنند و تنها قابلیت سوئیچ جریان های الکتریکی کم را دارند.

رله های الکتریکی اساساً سوئیچ هایی هستند که عملکرد آن ها الکتریکی است و در شکل ها، اندازه ها و توان های متنوع برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

رله ها همچنین می توانند یک یا چند کنتاکت در یک بسته با توان بالاتر باشند که برای ولتاژهای بالا یا کاربردهای سوئیچینگ جریان به کار می روند و در این حالت کنتاکتور (Contactor) نامیده می شوند.

در این آموزش، اصول اساسی عملکرد رله های الکترومکانیکی را بررسی می کنیم که در کنترل موتور یا مدارهای رباتیک مورد استفاده قرار می گیرند.

چنین رله هایی در مدارهای کنترل یا سوئیچینگ الکترونیکی و الکتریکی به کار می روند و مستقیماً در بُردهای PCB نصب می شوند یا به صورت مجزا قرار می گیرند و جریان های بار را از مقدار کسری از یک آمپر تا بالاتر از 20 آمپر سوئیچ می کنند. البته مدار رله ها در کاربردهای الکترونیکی مشابه است.

«رله های الکترومکانیکی»، همان گونه که از نامشان پیداست، قطعاتی الکترومغناطیسی هستند که شار مغناطیسی تولیدی حاصل از اعمالِ یک سیگنال کنترل الکتریکی ولتاژ پایین DC یا AC در ترمینال های رله را به نیروی مکانیکی کششی تبدیل می کنند و کنتاکت های الکتریکی درون رله را به کار می اندازند (کنترل می کنند).

رایج ترین نوع رله های الکترومکانیکی از یک کویل یا سیم پیچ انرژی دهنده به نام مدار اولیه (Primary Winding) تشکیل شده اند که به دور یک هسته آهنی با قابلیت نفوذپذیری پیچانده می شود.

این هسته آهنی از یک بخش ثابت به نام «یوغ» (Yoke) و یک فنر متحرک به نام آرمیچر (Armature) تشکیل می شود که مدار میدان مغناطیسی را با بستن فاصله هوایی بین سیم پیچ الکتریکی آرمیچرِ متحرک کامل می کند.

آرمیچر به گونه ای تعبیه شده که می تواند در اثر بسته شدن مسیر میدان مغناطیسی آزادانه حرکت کند و کنتاکت های الکتریکی را ببندد. اتصال بین یوغ و آرمیچر معمولاً یک یا چند فنر است که کنتاکت ها را به حالت بدون انرژی، یعنی حالت OFF، بازنشانی می کند.

در رله ساده شکل بالا، دو مجموعه کنتاکت هادی الکتریکی وجود دارد. رله ممکن است «در حالت عادی باز» (Normally Open) یا «در حالت عادی بسته» (Normally Closed) باشد. معمولاً یک جفت از کنتاکت ها با هم تماسی ندارند و به عنوان NO شناخته می شوند یا با هم تماس دارند و به عنوان NC دسته بندی می شوند.

در وضعیت NO، کنتاکت ها فقط وقتی بسته می شوند که جریان میدان برقرار باشد و کنتاکت ها را به طرف سیم پیچ القایی بکشد.

در وضعیت NC وقتی جریان میدان قطع باشد، کنتاکت ها در وضعیت عادی خود قرار دارند و به صورت دائم بسته هستند.

عبارت های در حالت عادی باز و در حالت عادی بسته به وضعیت کنتاکت های الکتریکی در زمانی گفته می شود که سیم پیچ رله بدون انرژی است یا به عبارت دیگر منبع ولتاژی به سیم پیچ رله متصل نیست. شکل زیر آرایش اجزای کنتاکت ها را نشان می دهد.

کنتاکت های رله رساناهایی الکتریکی از جنس فلز هستند که، دقیقاً مانند یک کلید یا سوئیچ، با یکدیگر تماس برقرار کرده و مدار را کامل می کنند و اجازه عبور جریان از آن را می دهند.

وقتی کنتاکت ها باز هستند، مقاومت بین آن ها بسیار بزرگ و در محدوده مگااهم است. در این حالت، یک وضعیت مدار باز ایجاد شده و جریانی از مدار نمی گذرد.

وقتی کنتاکت ها بسته باشند، مقاومت تماس صفر بوده و شرایط اتصال کوتاه برقرار است. البته همیشه این شرایط برقرار نیست. وقتی همه کنتاکت های رله ها بسته شوند، مشابه ترانزیستورهای اثر میدانی مقدار کمی «مقاومت تماس» دارند که «مقاومت ON» یا «مقاومت هدایت» نامیده می شود.

در یک رله نو، مقاومت ON بسیار کوچک و معمولاً کمتر از 0.2 اهم است؛ زیرا سر کنتاکت ها نو و تمیز است، اما در طول زمان مقاومت سر کنتاکت ها افزایش خواهد یافت.

برای مثال، اگر کنتاکت ها جریان 10 آمپر را از خود عبور دهند، آن گاه افت ولتاژ آن ها طبق قانون اهم برابر با 0.2×10=2 ولت خواهد بود که اگر ولتاژ منبع تغذیه 12 ولت باشد، آن گاه ولتاژ بار12-2=10 ولت است.

وقتی کنتاکت ها ضعیف شوند، و اگر در حضور بارهای القایی و خازنی به درستی حفاظت انجام نشود، نشانه هایی از آرک زدن در مدار وجود خواهد داشت.

این آرک یا جرقه زدن بین کنتاکت ها سبب افزایش مقاومت سر کنتاکت و آسیب دیدن آن خواهد شد. در این موارد، اگر سر کنتاکت ها در این وضعیت آرک بمانند، در هم ذوب شده و سبب اتصال کوتاه در مدار می شوند.

حال اگر مقاومت کنتاکت به دلیل آرک به یک اهم افزایش یافته باشد، افت ولتاژ کنتاکت ها برای جریان بار مشابه حالت قبل به 1×10=10V افزایش می یابد. این افت ولتاژ بزرگ کنتاکت ها برای مدارها، به ویژه اگر در ولتاژ 12 یا 24 ولت کار کنند، قابل قبول نیست و در نتیجه باید رله معیوب را تعویض کرد.

برای کاهش اثرات آرک زدن کنتاکت و مقاومت هدایت بالا، امروزه سرهای کنتاکت ها با فناوری های جدید ساخته می شود یا برای افزایش طول عمر آن ها با آلیاژهایی از نقره آن ها را می پوشانند.

دیتاشیتی که سازندگان رله ها ارائه می کنند، حداکثر مقادیر ممکن مربوط به کنتاکت ها را برای بارهای مقاومتی DC ارائه می کنند و این مقادیر برای بارهای AC یا بارهای بسیار سلفی یا خازنی به اندازه قابل توجهی کاهش می یابد.

در شرایط سوئیچینگ جریان های متناوب مربوط به بارهای سلفی یا خازنی، استفاده از مدار فیلتر و محافظ برای طول عمر و قابلیت اطمینان بالای رله امری ضروری است.

افزایش طول عمر سر کنتاکت ها با کاهش آرک تولیدی و اتصال یک مدار RC با نام «اسنابر» (Snubber) به صورت موازی با سر کنتاکت های رله قابل حصول است.

پیک ولتاژ، که هنگام باز شدن کنتاکت ها در به صورت لحظه ای رخ می دهد، با توجه به وجود مدار RC به صورت ایمن اتصال کوتاه خواهد شد. در نتیجه، هرگونه آرک تولیدی در سر کنتاکت ها حذف خواهد شد.