Гистерезис реле и других приборов

Сначала вкратце о том, что такое гистерезис. Определение из Википедии:

Гистерезис (произошло от греческого слова, которое можно перевести как “отставание”, “запаздывание”) - свойство систем (физических, биологических и др.), мгновенный отклик которых на приложенные к ним воздействия зависит в том числе и от их текущего состояния, а поведение системы на интервале времени во многом определяется её предысторией. Для гистерезиса характерно явление “насыщения”, а также неодинаковость траекторий между крайними состояниями (отсюда наличие остроугольной петли на графиках). Не следует путать это понятие с инерционностью поведения систем, которое обозначает монотонное сопротивление системы к изменению её состояния.

Честно говоря, из этого определения я нихрена не понял. Поэтому попробую объяснить своими словами (как я это понимаю, может и неправильно))). Сделаю это на примере электромагнитного реле, но нечто подобное происходит как с другими приборами, так и с биологическими системами (например, с человеком).

Итак, при подаче напряжения на катушку реле якорь не притянется к сердечнику мгновенно - для этого потребуется какое-то время, хоть и небольшое. Потому что напряжение на катушке на самом деле не сразу становится номинальным.

Например, если катушка реле рассчитана на 24 В, то якорь притянется к сердечнику, когда на катушке будет 24 В (на самом деле не совсем так - об этом ниже). Но если у нас есть источник напряжения 24 В и мы подключаем его к катушке, то это не значит, что на катушке сразу появится 24 В. Напряжение будет нарастать с нуля до 24 В. Да, это произойдёт быстро, но не мгновенно. А ещё надо преодолеть сопротивление упругих контактов и т.п.

Обычно срабатывание реле происходит в каком-то диапазоне напряжений. Например, если номинальное напряжение 24 В, то напряжение срабатывания обычно бывает в диапазоне 22…23 В.

Напряжение отпускания (то есть при каком напряжении якорь отлипнет от сердечника), тоже имеет некоторый диапазон. Если номинальное напряжение 24 В, то якорь отмагнитится от сердечника при снижении напряжения до 15…20 В и ниже.

То есть мы имеем два порога напряжения:

• Порог срабатывания реле (обычно около 90% от номинального напряжения)
• Порог отпускания реле (обычно около 70% от номинального напряжения)

Конкретные значения надо смотреть в характеристиках конкретного реле.

А теперь вспоминаем, как переводится гистерезис - это запаздывание. То есть при подаче напряжения реле включается не сразу, а с опозданием на какое-то время, которое требуется для того, чтобы напряжение на катушке достигло порога срабатывания.

То же самое происходит при отключении - образуется гистерезис (запаздывание), и при снятии напряжения с катушки реле отпустит не сразу, а через какое-то время, когда напряжения на катушке станет меньше напряжения отпускания.

Если бы не было гистерезиса, и, например, реле срабатывало строго при 24 В, то малейшие колебания напряжения приводили бы к постоянным сработкам и отпусканиям.

Если попробовать нарисовать график срабатывания и отпускания реле, то мы получим петлю гистерезиса:

В дискретных системах (реле, триггеры и т.п.) петля гистерезиса обычно имеет вид прямоугольника. И здесь я говорю не о процессах в катушке реле и намагничивания сердечника, а о том, как происходит срабатывание (переключение контактов). То есть гистерезис в данном случае - это запаздывание переключения контактов реле относительно времени подачи напряжения на катушку.

Но можно также назвать гистерезисом разницу между номинальным напряжением и напряжением отпускания реле. Может это и не совсем правильно, потому что о запаздывании здесь речь не идёт, а говорим мы только о напряжении отпускания. Но иногда это тоже называют гистерезисом. Во всяком случае я такое видел в некоторых источниках.

И в электронике, автоматизации, электротехнике гистерезис, это, как правило, задержка по времени или разница между двумя значениями какого-то параметра.

Например, у нас есть терморегулятор, который настроен на поддержание заданной температуры в помещении. Допустим, это 20 градусов. И также допустим, что гистерезис для этого терморегулятора установлен в 3 градуса. В этом случае терморегулятор будет работать так:

1. Включить обогреватель. Перейти к шагу 2.
2. Когда температура достигнет 20 градусов, отключить обогреватель. Перейти к шагу 3.
3. Когда температура снизится до 17 градусов, снова включить обогреватель. Вернуться к шагу 2.

То есть терморегулятор нагоняет тепло с помощью обогревателя до тех пор, пока температура в помещении не будет равна заданной (в нашем примере это 20 градусов).

Затем отключает обогреватель и ждёт, пока температура не опустится до 17 градусов и снова включает нагреватель.

Здесь гистерезис нужен для уже упомянутой выше цели - чтобы переключение режимов не происходило слишком часто. Если гистерезис сделать слишком маленьким, например, 0,2 градуса, то терморегулятор практически без перерыва будет включать и выключать нагреватель. С точки зрения повышения точности поддерживаемой температуры это хорошо. Но с точки зрения надёжности это плохо, потому что работая в таком режиме терморегулятор и/или обогреватель очень быстро выйдут из строя.

В более сложных аналоговых, механических и прочих системах петля гистерезиса имеет плавный вид и выглядит примерно так:

Но погружение в физику я не планировал, так что на этом заканчиваю, подписывайтесь на новости (красная кнопка вверху справа), чтобы не пропустить новые статьи…