Залипло реле. Почему?

В модулях, которые мы производим, используются реле номиналом 10А (~2300Вт) и 16А (~3600Вт). Но бывает, что нагрузка по паспорту совсем слабая, может потреблять всего 100Вт, но через какое-то время реле, которым она включается, выходит из строя - залипает во включенном состоянии. В чем проблема?

Прежде всего, стоит пояснить, что типов нагрузок (приборов и устройств, которые включает реле) несколько: активная (резистивная), емкостная, индуктивная:

• Резистивная (активная) нагрузка всю энергию преобразует в тепло: обогреватели, лампы накаливания
• Емкостная нагрузка при включении запасает энергию в конденсаторе: импульсные блоки питания многих устройств
• Индуктивная нагрузка при прохождении тока преобразует энергию в магнитное поле: электромоторы, катушки контакторов

Все производители реле гарантируют его штатную работу и ресурс при максимальном номинальном токе только при коммутации активной (резистивной нагрузки) в цепи переменного тока.
То есть, максимальный ток 16А заявляется для активной нагрузки и напряжения 230 в сетях переменного тока.

Так какова же причина "залипания реле" и при чем тут типы нагрузок? Все дело в том, что любая по типу нагрузка в момент включения и/или отключения может вызывать на контактах реле повышенный ток и искру. Многие наблюдали, как при включении какого-либо прибора в розетку бывает слышно и даже видно искру, которая возникает в момент подключения вилки в розетку. Вот точно такая же искра может возникать и на контактной группе реле. Но причины возникновения искры для разных типа нагрузок различны.

Активная нагрузка, например, обогреватель - это в сущности большой резистор. А мы знаем, что некоторые материалы, например, нихром, которые применяются при изготовлении обогревателей, имеют разное сопротивление при разной температуре. Холодный нагревательный элемент может иметь более низкое сопротивление, чем при рабочей температуре. А закон Ома говорит, что чем ниже сопротивление, тем выше ток. Значит при включении такого обогревателя возникает пусковой ток. И даже если паспортное потребление укладывается в заявленные для реле параметры, пусковой ток может в разы превышать номинальный. Поэтому честные производители часто указывают номинальный и максимальный ток отдельно. Некоторые продвинутые и дорогие устройства оснащены дополнительными средствами, которые снижают пусковые токи: NTC-термисторы, электронные схемы мягкого старта, пусковые резисторы и т.д.

Емкостная нагрузка характеризуется наличием конденсаторов в цепях фильтрации питания. Это почти все импульсные блоки питания (в том числе в светодиодных лампах) и некоторые электродвигатели с фазосдвигающими конденсаторами. Такие конденсаторы при включении заряжаются очень быстро, создавая стартовые токи, которые в разы или даже в десятки (!) раз могут превышать номинальное потребление прибора. Соответственно чем проще и дешевле устройство, тем меньше в нем (или вовсе отсутствуют) средств для снижения величины стартовых токов. Обычно это сглаживающие резисторы и схемы "мягкого старта".

Индуктивная нагрузка, а это электродвигатели и катушки, также может вызывать искру или дугу между контактами реле. Но не при включении, а при выключении. Дело в том, что в момент отключения двигателя ток падает до нуля, а магнитное поле вокруг индуктивного элемента какое-то время остается, создавая обратную ЭДС. Оно и является причиной возникновения дуги в момент разрыва контактов. Нагрузки такого типа могут не только повреждать реле, но и создавать мощные электромагнитные помехи, способные в некоторых редких случаях даже приводить к сбоям в работе автоматики. Для борьбы с этим явлением в приборах такого типа очень часто устанавливают варисторы и RC-цепочки, которые "глушат" обратные выбросы такого напряжения и различны помехи.

Таким образом, можно сделать вывод, что чем мощнее прибор и, вместе с тем, чем он проще и дешевле, особенно если производитель сэкономил на средствах защиты, тем выше вероятность "залипания" реле со временем. На срок службы влияет также частота, то есть количество включений и отключений нагрузки за определенный период.

Но и реле, которые применяются в блоках автоматики, могут быть разными. Мы в своих блоках используем более дорогие модели таких производителей как Hongfa, Omron, Finder с контактами из AgSnO2 (диоксид серебра и олова). Такие модели реле существенно лучше переваривают емкостные и индуктивные нагрузки, имеют высокое сопротивление к расплавлению и противостоят свариванию контактов. В блоках других производителей можно встретить более распространенные и бюджетные реле с материалом контактов AgNi (сплав серебра и никеля), которые могут свариваться при первом же включении любой емкостной нагрузки.

Это не все. В модулях, где реле номиналом 10А впаяны: MegaD-14-R, MegaD-8I7O-R, MegaD-2R, MegaD-2RW, MegaD-16R-XT установлены варисторы, которые в некоторой степени сглаживают выбросы напряжения, снижают уровень помех со стороны нагрузки и продлевают сроки службы реле. Штатных варисторов нет в блоках, где реле 16А установлены в сокеты: Моноблок MegaD-2561-31I15O, MegaD-8I7O-X, MegaD-16U-XT. Связано это с тем, что в сокеты могут быть установлены различные сменные модули: диммеры, перемычки, мосфеты, модули 0-10В, 4-20мА и варисторы, которые продлевают жизнь механическому реле, могут мешать работе другого сменного модуля. Но если планируется использовать штатное реле 16А вместе с мощной нагрузкой, которая обладает высокими стартовыми токами, мы рекомендуем зажимать в клеммы силового выхода внешний варистор (доступен для заказа в каталоге). Важно только установить его так, чтобы корпус варистора ничего не касался, так как в момент "гашения выбросов" он может нагреваться.

Существует и еще вариант решения проблемы. В те модули, где применяются сокеты, можно установить так называемые "усиленные реле". В нашем каталоге доступны реле RTS3T012 от TE Connectivity/Shrack со специальным вольфрамовым преконтактом, который коммутируется чуть раньше рабочей AgSnO2 группы и принимает на себя значительные токи до 165А (в течение 20 мс) и до 800А (в течение 200 мкс). Ресурс таких реле при коммутации "сложных" нагрузок в несколько раз больше. Но у данных реле есть два недостатка, которые нужно учитывать: цена и отсутствие NC (нормально замкнутой) группы контактов.

Контактная группа усиленного реле разделена на две части. При срабатывании реле сначала коммутируется левая часть с тугоплавкими вольфрамовыми вставками, которые "ловят" на себя искру и пусковые токи. Затем через несколько микросекунд подключается правая часть из сплава AgSnO2 со значительно более низким сопротивлением. Этот более крупный контакт выполняет основную работу по коммутации нагрузки уже в безопасных условиях. Размыкание происходит в обработном порядке. Сначала размыкается правая часть из сплава серебра и олова, а затем вольфрамовая. Таким образом, вольфрамовая половинка защищает основную более нежную часть контактной группы реле от сваривания сверхтоками, различными по природе своего возникновения.

Альтернативный подход - отказ от реле и применение симисторов. В тех ситуациях, когда номинальный ток нагрузки невелик (до 2А), а стартовые токи очень большие, мы рекомендуем вместо реле использовать симисторы (или применять симисторные модули или, если модуль с сокетами, штатные реле менять на сменный модуль с симистором. В отличие от механического реле, симистор - полупроводниковый прибор. А потому искра/дуга, которая формируется за счет эмиссии электронов в воздушной среде, в симисторе в принципе невозможна. Симисторы прекрасно переносят значительные стартовые токи без каких-либо последствий. И если не допускать длительного (в течение нескольких минут) превышения максимального рабочего тока симистора (2А для сменных модулей), перегрева и короткого замыкания, срок службы симисторов фактически не ограничен.

Ну и в заключении хотелось бы отметить, что даже если реле залипло, то в том случае, если оно установлено в сокете, его легко можно заменить самостоятельно на другой сменный модуль или точно такое же реле. Без применения какого-то специального инструмента, материалов или знаний. В всех модулях с сокетами на выходах применяются съемные клеммники, что позволяет быстро разъединить все подключения и извлечь блок. Замена реле или сменного модуля занимает считанные минуты.