Реле 24В постоянного и переменного тока: устройство, типы, применение и выбор

Реле на напряжение 24 Вольта представляют собой электромагнитные, полупроводниковые или гибридные коммутационные устройства, предназначенные для управления цепями высокой мощности или множеством цепей посредством низковольтного сигнала. Напряжение 24 В является стандартным для систем управления, автоматизации и безопасности, так как относится к классу безопасного сверхнизкого напряжения (БСНН, SELV согласно ПУЭ и международным стандартам). Это позволяет использовать их в условиях повышенной опасности, сырости, а также для организации сложных систем управления с централизованным низковольтным питанием.

Устройство и принцип действия электромагнитного реле 24В

Классическое электромагнитное реле постоянного или переменного тока 24В состоит из следующих ключевых элементов:

• Катушка: Медная обмотка, намотанная на каркас. При подаче напряжения 24В (постоянного или переменного тока, в зависимости от типа) создается магнитное поле. Сопротивление катушки определяет ток срабатывания (например, 24В/400 Ом = 60 мА).
• Сердечник: Магнитопровод из ферромагнитного материала, концентрирующий магнитный поток.
• Якорь (язычок): Подвижная часть магнитной системы, которая под действием магнитного поля притягивается к сердечнику, преодолевая усилие возвратной пружины.
• Возвратная пружина: Возвращает якорь в исходное положение при снятии напряжения с катушки.
• Контактная группа: Совокупность подвижных и неподвижных контактов, которые замыкаются или размыкаются при движении якоря. Исполнение может быть нормально-разомкнутым (NO, замыкающие), нормально-замкнутым (NC, размыкающие) и перекидным (CO, переключающие).
• Корпус: Защищает внутренние элементы от пыли, механических воздействий. Может быть герметичным (например, с уплотнением по стандарту IP67) или открытым (для монтажа на DIN-рейку в щите).

Принцип действия: подача напряжения 24В на клеммы катушки вызывает протекание тока, намагничивание сердечника, притяжение якоря и, как следствие, перемещение подвижных контактов. Это изменяет состояние силовой или сигнальной цепи, подключенной к выходным клеммам реле.

Классификация и основные типы реле 24В

1. По типу управляющего сигнала (катушки):

• Реле постоянного тока (DC): Катушка рассчитана на постоянное напряжение 24В. Имеют полярность подключения. Отличаются отсутствием гула, возможностью работы от аккумуляторных батарей. Для гашения ЭДС самоиндукции часто снабжаются защитным диодом или варистором.
• Реле переменного тока (AC): Катушка рассчитана на переменное напряжение 24В. В магнитной системе часто имеют короткозамкнутый виток для предотвращения вибрации якоря с частотой сети. Не имеют полярности.

2. По конструкции и назначению:

• Реле промежуточные (интерфейсные): Наиболее распространенный тип. Предназначены для усиления сигналов от контроллеров (ПЛК, таймеров, датчиков) и коммутации нагрузок до 10-16А. Часто монтируются на DIN-рейку.
• Реле времени (таймеры) 24В: Обеспечивают задержку включения, выключения или цикличную работу. Бывают электронными (с цифровой настройкой) и электромеханическими.
• Реле напряжения и контроля фаз: Контролируют уровень напряжения в сети 24В, срабатывают при превышении (U>) или снижении (U<) уставки. Защищают оборудование от нештатных режимов.
• Реле тока: Срабатывают при достижении заданного тока в контролируемой цепи. Используются для контроля нагрузки, защиты от перегруза.
• Реле герконовые (магнитоуправляемые): Катушка воздействует на герметичные контакты в стеклянной колбе. Высокая надежность и скорость срабатывания, но малая коммутируемая мощность.
• Твердотельные реле (SSR): Не имеют движущихся частей. Коммутация осуществляется силовыми полупроводниковыми приборами (симисторами, транзисторами) по сигналу от оптрона. Высокий ресурс, бесшумность, но чувствительность к перегрузкам по току и необходимости теплоотвода.

3. По исполнению контактов:

Тип контактов	Обозначение	Описание	Коммутируемый ток (тип.)
Миниатюрные (сигнальные)	1-2 CO (SPDT)	Для слаботочных цепей управления, сигнализации (до 2-5А).	1-5 А
Силовые (мощные)	NO, NC, 2CO (DPDT)	Для коммутации нагрузок: двигатели, нагреватели, соленоиды.	10-30 А
Серебро/никелевое покрытие	—	Стандартное исполнение для большинства нагрузок.	Зависит от конструкции
С золотым покрытием	—	Для коммутации низковольтных слаботочных сигналов (мВ, мА) для предотвращения роста переходного сопротивления.	≤ 1 А

Ключевые технические параметры и характеристики

При выборе реле 24В необходимо анализировать следующие параметры:

• Напряжение и тип питания катушки: 24В DC или 24В AC. Допустимый диапазон обычно составляет ±10% (21.6 – 26.4В).
• Мощность срабатывания катушки: Потребляемая мощность в момент переключения (Вт для AC, Вт или ВА для DC). Определяет нагрузочную способность источника питания.
• Сопротивление катушки: Прямо определяет ток удержания (I = U/R).
• Коммутационная способность контактов:
  • Напряжение: Максимальное напряжение коммутируемой цепи (AC/DC).
  • Ток: Максимальный ток, который контакты могут коммутировать и длительно проводить. Указывается для разных типов нагрузки (AC-1, AC-3, DC-1).
• Количество и тип контактных групп: 1НО, 1НЗ, 1П (SPDT), 2НО (DPST) и т.д.
• Электрическая и механическая износостойкость: Количество циклов срабатывания до выхода из строя. Механическая (без нагрузки) — миллионы циклов. Электрическая (под нагрузкой) — сотни тысяч, зависит от тока.
• Время срабатывания и отпускания: От единиц до десятков миллисекунд. Критично для высокоскоростных систем.
• Степень защиты корпуса (IP): IP20 для щитовых, IP40, IP54, IP67 для пыле- и влагозащищенных исполнений.
• Способ монтажа: На DIN-рейку (самый распространенный), на панель, на шасси, через разъем (сокет).

Сравнительная таблица: Электромеханическое vs. Твердотельное реле 24В

Параметр	Электромеханическое реле (ЭМР) 24В	Твердотельное реле (ТТР) 24В
Принцип действия	Электромагнит + механические контакты	Полупроводниковый ключ (симистор, MOSFET) + оптрон
Скорость срабатывания	5-20 мс	≤ 1 мс (для постоянного тока)
Ресурс (электрический)	10^5 – 10^6 циклов (под нагрузкой)	10^7 – 10^9 циклов
Ударные токи	Устойчиво, контакты «прощают» кратковременные перегрузки	Чувствительно, требуется запас по току и защита
Собственное падение напряжения	≈ 0 В (сопротивление контакта мОм)	1-2 В (рассеиваемая мощность = I Uпад)
Помехи при коммутации	Дуга на контактах (особенно на DC) — источник помех	Отсутствуют (для DC) или минимальны (для AC с переходом через ноль)
Тепловыделение	Минимальное (от катушки и контактов)	Значительное, требует радиатора при токах > 2-3А
Чувствительность к перенапряжениям	Высокая (катушка и контакты)	Очень высокая (полупроводниковый ключ)

Области применения реле 24В

• Промышленная автоматизация: Интерфейс между выходом ПЛК (24В DC) и силовыми цепями (220В AC) управления двигателями, клапанами, освещением.
• Системы управления зданием (BMS): Управление вентиляцией, отоплением, освещением с центральных контроллеров.
• Энергетика и электротехника: Вторичные цепи релейной защиты и автоматики (РЗА), цепи управления выключателями, сигнализации.
• Транспорт и машиностроение: Бортовые системы управления на базе 24В (грузовики, автобусы, спецтехника), управление станками.
• Безопасные системы: Аварийное останова, пожарная сигнализация, где требуется безопасное низковольтное управление.
• Телекоммуникации: Коммутация сигнальных цепей и резервного питания.

Рекомендации по выбору и монтажу

Алгоритм выбора:

1. Определите параметры управляющего сигнала: Точное напряжение (24В DC/AC), доступный ток источника питания для катушки.
2. Проанализируйте нагрузку:
   • Тип: резистивная (нагреватель), индуктивная (двигатель, соленоид), емкостная.
   • Максимальный рабочий ток и напряжение.
   • Пусковые токи (для двигателей могут в 5-7 раз превышать номинал).
3. Выберите тип реле: ЭМР для нагрузок с бросками тока, простых систем. ТТР для частых переключений (более 1 раза в минуту), взрывоопасных или бесшумных сред.
4. Проверьте коммутационную способность: Убедитесь, что кривые зависимости тока от напряжения для реле (даются в даташитах) лежат выше точки вашей нагрузки.
5. Учьте условия эксплуатации: Температура, влажность, вибрации определяют степень защиты (IP) и тип корпуса.
6. Спланируйте защиту:
   • Катушки: Для DC-реле — защитный диод (обратной полярности) или варистор для подавления ЭДС самоиндукции при отключении.
   • Контактов: RC-цепочки (демпферы) для индуктивных нагрузок на AC, варисторы для подавления перенапряжений. На DC — особенно критично, часто требуются дугогасительные цепи.

Монтаж: Обеспечьте хороший теплоотвод для ТТР. Для силовых ЭМР используйте провод соответствующего сечения, затягивайте клеммы с рекомендуемым моментом. Избегайте прокладки силовых и управляющих цепей в одном жгуте без разделения.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается реле 24В DC от 24В AC? Можно ли их взаимозаменять?

Катушки реле DC и AC имеют принципиальные различия в конструкции. Катушка DC имеет высокое сопротивление и большое число витков. Катушка AC имеет меньшее активное сопротивление, но ее индуктивное сопротивление ограничивает ток. Подача DC на катушку AC вызовет перегрев и сгорание из-за низкого сопротивления. Подача AC на катушку DC, как правило, не приведет к надежному срабатыванию из-за высокого сопротивления и отсутствия нужного магнитного потока. Взаимозамена недопустима.

Почему при отключении катушки реле 24В DC выходят из строя выходные ключи контроллеров?

Катушка — индуктивный элемент. При резком прерывании тока в ней возникает ЭДС самоиндукции высокого напряжения (сотни вольт) с обратной полярностью. Этот всплеск пробивает полупроводниковый выход контроллера (транзистор). Обязательно необходимо устанавливать защитный диод параллельно катушке (катодом к «+», анодом к «-«) или использовать реле со встроенной защитой.

Что означает маркировка контактов, например, 1НО, 1НЗ, 1П?

• 1НО (Normally Open, NO): Один нормально-разомкнутый контакт. Замыкается при срабатывании реле.
• 1НЗ (Normally Closed, NC): Один нормально-замкнутый контакт. Размыкается при срабатывании реле.
• 1П (Change Over, CO или SPDT): Один перекидной контакт. Имеет общую точку (COM), которая переключается с нормально-замкнутого (NC) на нормально-разомкнутый (NO).

Как правильно подобрать реле для коммутации асинхронного двигателя на 220В?

Для двигателя ключевым является категория применения AC-3 (пуск двигателя с короткозамкнутым ротором, отключение при вращении). Номинал реле для AC-3 должен быть не менее, чем номинальный ток двигателя. Например, для двигателя 2.2 кВт, ~8А, необходимо реле с коммутационной способностью AC-3 не менее 10А при 230В. Крайне рекомендуется использовать с запасом 20-30% и обеспечить защиту от перегрузки тепловым реле или автоматом с характеристикой D.

Что такое «сухой контакт» у реле?

«Сухой контакт» (dry contact) — это контакт реле, который не имеет гальванической связи и предварительного напряжения со схемой управления. Он просто замыкает или размыкает цепь, которую им управляют. Это универсальный и безопасный способ связи между разными системами с разными уровнями напряжения и потенциалов.

Почему твердотельное реле 24В DC для управления нагревателем сильно греется?

ТТР в открытом состоянии имеет падение напряжения на полупроводниковом ключе (1-2В). Рассеиваемая мощность вычисляется как P = I_нагрузки

• U_падения. Например, при токе 10А и падении 1.5В выделяется 15Вт тепла. Такой ТТР необходимо устанавливать на радиатор соответствующего размера, рассчитанный на данную тепловую мощность, иногда с принудительным охлаждением.

Заключение

Реле на 24 Вольта являются фундаментальным компонентом в системах управления и автоматизации, обеспечивая гальваническую развязку, усиление сигнала и безопасную коммутацию. Корректный выбор между электромеханическим и твердотельным исполнением, тщательный подбор по параметрам нагрузки, а также грамотный монтаж с применением необходимых защитных элементов определяют надежность и долговечность работы всей системы. Понимание принципов работы, характеристик и условий применения различных типов реле 24В позволяет инженеру-проектировщику или монтажнику создавать устойчивые и безопасные схемы управления для самых разнообразных задач в энергетике, промышленности и инфраструктуре.