Слаботочные реле и «Северная заря»

Слаботочные реле

Анализ информации показывает, что в настоящее время в отечественной промышленности может применяться более 500 типов реле различного вида и назначения.

1. Слаботочные реле¹ (СР) межотраслевого применения, подразделяемые на:

слаботочные электромагнитные реле (СЭМР) с магнитоуправляемым якорем;
СЭМР с герметизированным контактом - герконовые реле;
статические бесконтактные СР;
статические СР времени.

2. Авиационные реле и контакторы.

3. Электротехнические реле, подразделяемые на реле средней мощности, реле контроля и защиты, тепловые реле, автоматические выключатели и переключатели, в том числе высоковольтные и вакуумные.

Герконовые и статические реле пока не имеют широкого применения по сравнению с якорными СЭМР, что обусловлено различием характеристик и свойств этих реле, имеющих различные принципы действия и технологии изготовления.

Герконовые реле в отличие от якорных могут управляться меньшими токами и работать с большей частотой. Однако миниатюрные и даже малогабаритные герконы из-за магнитного влияния протекающего по ним тока имеют малую коммутируемую мощность и меньшую ударо- и виброустойчивость. Кроме того, относительно дешевые герконовые реле не достаточно герметичны, что приводит к электролизу медной обмотки при эксплуатации реле во влажной среде или перегреву обмотки при пониженном атмосферном давлении.

Статические реле изготавливаются в основном на базе полупроводниковых устройств (полупроводниковые реле) с релейной (ключевой) характеристикой управления. Эти реле также получили наименование «твердотельные реле» (англ. solid-state relays - SSR), поскольку в их конструкции обычно имеются только твердотельные элементы электроники.

В простых конструкциях твердотельных реле ТТР входным и гальванически с ним связанным бесконтактным выходным коммутирующим элементом обычно является та же полупроводниковая структура тиристора, симистора, биполярного или полевого транзистора и их разновидностей. Силовые ТТР обычно состоят из выходных ключей на полевых транзисторах типа металл-оксид-полупроводник (МОП, англ. MOSFET) или биполярных структурах с изолированным затвором (БТИЗ, англ. IGBT) и содержат трансформаторную или оптоэлектронную гальваническую развязку цепей управления и коммутации. Сложные ТТР могут быть построены на интеллектуальных силовых интегральных схемах (ИСИС, англ. SPIC) в одном кристалле или гибридном модуле, содержащем помимо ключей еще и схемы их управления, защиты, диагностики и т.п. ТТР ВН, как и аналогичные ЭМР, защищаются герметичным металлостеклянным или металлокерамическим корпусом.

Несмотря на то, что технологии производства ТТР и ЭМР принципиально различны, изготовлением ТТР, например, ВН (или контролем их производства) за рубежом занимается много фирм-производителей ЭМР, продажи которых по объемам и номенклатуре пока значительно превосходят продажи ТТР. Это объясняется, прежде всего, существенной разницей важнейших характеристик ЭМР и ТТР, влияющей на выбор реле разработчиком РЭА.

Разработчик РЭА обычно выбирает ТТР, если требуется более миллиона коммутаций или необходимо коммутировать высокие напряжения. Кроме того, ТТР обладают повышенной электропрочностью и значительной вибро- и удароустойчивостью.

Принципиальное различие реле с контактным и бесконтактным коммутирующим элементом заключается в характере его электропроводящего состояния.

В непроводящем состоянии через бесконтактный коммутирующий элемент и подключенную к нему нагрузку все равно протекает ток. Эта, хотя и малая (0,01–10 мА), величина тока для низкоуровневых и «сухих» нагрузок велика и обуславливает потенциальную связь нагрузки с источником. Таким образом, бесконтактные реле, в отличие от контактных, не могут выполнять полный (физический) разрыв цепи и, соответственно, безразрывную коммутацию независимых электроцепей.

В проводящем же состоянии на коммутирующем элементе ТТР возникает повышенное падение напряжения (до нескольких вольт, в отличие от долей вольта на металлическом контакте ЭМР), которое не только снижает напряжение на нагрузке, но и приводит к заметным потерям электрической мощности, идущей на нагрев ТТР. Последнее обстоятельство заставляет ограничивать пропускаемый ток, снижать окружающую температуру или применять радиаторы, вес и габариты которых более значительны, чем сами реле.

Очевидно, что ни ЭМР, ни ТТР не являются идеальными коммутаторами. При выборе реле разработчик аппаратуры должен учитывать различные обстоятельства. Определенным советчиком ему в этом вопросе может служить ниже приведенная оценочная таблица характеристик и свойств современных ЭМР и ТТР, заимствованная из технических материалов фирмы Potter& Brumfield Relays (Tyco Electronics Corporation), производящей ЭМР и ТТР.

Таблица

Характеристика или свойство реле	ЭМР	ТТР
Способность противостоять неправильному применению и использованию	Хор.	Плох.
Соответствие военным и авиакосмическим требованиям	Хор.	Плох.
Физический размер\вес из расчета на контакт	Отл.	Удовл.
Стоимость в расчете на контакт	Отл.	Удовл.
Устойчивость к воздействию радиации	Хор.	Плох.
Восприимч. к электромагн. помехам, электростатич. разряду и повышен. напряж. напряжению	Нет	Да
Чувствительность к скорости изменения напряжения и тока на нагрузке	Нет	Да
Чувствительность к нагреву	Нет	Да
Уменьшение уровня вых. тока при превышении окружающей температуры 25°C	Нет	Да
Радиатор при коммутации максимальных нагрузок	Нет	Обычно Да
Радиатор при коммутации номин. нагрузок при окружающей температ. >70-80 °C	Нет	Да
Восприимчивость к удару, вибрации или ускорению	Да	Нет
Способность коммутации переменного и постоянного тока	Да	Некотор.
Способность коммутировать нагрузки низкого уровня	Да	Некотор.
Способность коммутировать нагрузки «сухих цепей»	Да	Нет
Способность коммутировать коаксиальные нагрузки (радиочастотные)	Да	Нет
Способность к точной синхронной коммутации в цепях переменного тока	Нет	Да
Способность включать нулевое напряжение/отключать нулевой ток	Нет	Да
Совместимость входа с ТТЛ-схемами и КМОП-структурами	Удовл.	Отл.
Типичное количество и вид контактов (выходов) на одно реле	(1-4) П	1 З
Способность работать нескольким выходами от одного входа	Да	Некотор.
Сопротивление в цепи контактов в отключенном состоянии	>1 МОм	>20 КОм
Сопротивление в цепи контактов во включенном состоянии	<.05 Ом	<1 Ом
Время срабатывания и возврата (отпускания)	1-20 мс	0,25-10 мс
Типичный способ отказа (на выходе)	Незамык.	Неразмык.
Механизм, который обычно изнашивается или снижает основные характерист.	Контакт	Светодиод
Электрический срок службы (срабатываний)	До 106	>108
Электрическая дуга размыкания	Да	Нет
Дребезг контактов	Да	Нет

Слаботочные электромагнитные реле «Северной зари»

Главенствующее положение АО НПК «Северная заря» в области якорных СЭМР объясняется тем, что предприятие изготавливает на высоком качественном уровне не только устаревшие, хотя и востребованные, типы реле, но также постоянно расширяет номенклатуру изделий, производя новые реле, в том числе и малыми сериями. В настоящее время при разработке отечественной РЭА серьезной необходимости в применении импортных СЭМР нет!

По своим техническим характеристикам и условиям применения реле АО НПК «Северная заря» соответствуют изделиям ведущих зарубежных фирм (Allied Controls, American Zettler, Babcock, CII Relays, Deutsch Relays, Leach International, Magnecraft, Potter& Brumfield Relays, Teledyne Relays и др.), чему в значительной мере способствует постоянное техническое перевооружение и совершенствование технологии производства реле, а именно:

использование современных технологий высокоточного изготовления деталей;
применение эффективных методов химической обработки деталей и узлов реле, в том числе с использованием высокодеинизованной воды;
широкое использование лазерных технологий (рис. 1) и современных методов контактной сварки;
применение эффективных финишных технологий: водовоздушного удаления посторонних частиц, термовакуумного обезгаживания, контролируемого газонаполнения и др.;
использование специальной (преимущественно собственной) контрольно-измерительной аппаратуры и оригинальных методик контроля при проведении отбраковочных испытаний, диагностического и приемочного контроля.

Рис. 1. Лазерные технологии в производстве реле

Конструктивно-технологические особенности СЭМР

Конструктивно СЭМР представляют собой газонаполненные высокогерметичные электромеханические устройства весом от 2 до 70 г, объемом от 0,6 до 30 см3, содержащие от нескольких десятков до более сотни пластмассовых, стеклянных и преимущественно металлических деталей весом от 1 мг до нескольких граммов. Внутренний рабочий объем таких реле не должен содержать посторонних частиц, газов, влаги, органических и других веществ, приводящих к нарушению работоспособности реле в процессе эксплуатации. Эти реле характеризуются высокой надежностью работы при желательном сроке службы до 30 лет в самых жестких условиях эксплуатации (тропический климат, любые газовые среды, включая открытый космос, окружающие температуры от -60°С до +125°С), обеспечивая при этом номинально 105 коммутаций электричества с удельной мощностью до 200 Вт/см3 при вибровоздействиях на реле до 5000/30 Гц/g и ударах до 500 g.

Некоторое представление об уникальности конструкций СЭМР «Северной зари» дают рис. 2-4, где показаны сверхминиатюрные реле весом около 2 г. и объемом около 0,6 см3, и миниатюрное реле весом 16 г. и объемом 3,6 см3, имеющие удельную коммутирующую способность до 1 А/г при температуре окружающей среды до + 125 °С. При этом все соединения деталей в реле выполнены лазерной или контактной сваркой, а корпус реле может иметь повышенную степень герметичности (протекание эквивалентного нормализованного потока не более 10-8 атм·см3·с–1с или 10-9 Па·м3·с–1).


Рис. 2. Эскиз конструкции разрабатываемого сверхминиатюрного неполяризованного реле с осевым уравновешенным якорем и контактами на цоколе. (Цифрами обозначены основные детали и узлы).	Рис. 3. Рентгенография сверхминиатюрного поляризованного двустабильного реле с осевым уравновешенным якорем и контактной системой на цоколе.

Рис. 4. Типовые узлы современного миниатюрного поляризованного одностабильного реле с уравновешенной силой притяжения якоря, несущем подвижные контакты

Современная номенклатура наиболее востребованных якорных герметичных СЭМР ВН приведена в соответствующей таблице «Кратких технических характеристик …» этих реле, где зеленым цветом выделены изделия, производимые АО НПК «Северная заря». Более подробные характеристики этих реле можно найти в подпапке «catalog» папки «files».