V tomto článku diskutujeme o vzorci a technikách konfigurácie RC obvodových sietí na riadenie oblúka cez kontakty relé pri prepínaní ťažkých indukčných záťaží.
Potlačenie oblúka
Po otvorení spínača alebo relé sa cez kontakty vytvorí oblúk. Tento stav časom môže kontakty opotrebovať.
Na prekonanie tohto problému je cez kontakty rozmiestnený odpor / kondenzátor alebo RC obvod, ktorý ich chráni. Akonáhle sú kontakty otvorené, aplikované napätie prechádza cez kondenzátor, a nie cez kontakty.
Počas procesu sa kondenzátor nabíja rýchlejšie ako čas otvárania kontaktov, čo nakoniec zabráni vytvoreniu oblúka cez kontakty.
Potlačenie nárazového prúdu
Keď sa kontakty zatvoria, zapínací prúd z nabitého kondenzátora a napájacie napätie môžu byť výrazne vyššie ako hodnoty pre kontakty, čo spôsobí ich zhoršenie.
Aby sa tomu zabránilo, do série s kondenzátorom sa zavádza odpor. Funguje ako obmedzovač prúdu tým, že výrazne absorbuje zapínací prúd, čím znižuje produkovaný oblúk a predlžuje životnosť kontaktov.
C.C Bates vyvinul vzorec na výpočet hodnoty odporu a kapacity požadovanej pre sieť RC: C. = Jadva / 10 a Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]
Napätie indukované pri otvorení kontaktu možno určiť pomocou
V = IRc = ( Rc / RL ) Vo
- Kde VALEBO= Zdroj napätia
- I = prúd záťaže pri otvorení kontaktu
- RC.= Odpor RC Snubber
- C = Kapacita RC Snubber
- RĽ= Odolnosť voči zaťaženiu
V nasledujúcich príkladoch hovoríme o jazýčkové relé oblúkových problémov a pokúsiť sa vyhodnotiť výpočty potrebné na návrh RC sietí naprieč jej kontaktmi.
Pretože princíp oblúka môže byť rovnaký aj vo väčších relé, vzorce použité v jazýčkových relé možno použiť aj na dimenzovanie RC sietí pre väčšie relé.
Ako sa deje oblúk pri prepínaní jazýčkových relé
Jazýčkový spínač alebo jazýčkový snímač možno použiť na riadenie indukčného zariadenia, ako je napríklad cievka relé, solenoid, transformátor, malý motor atď.
Keď sa jazýčkový spínač otvorí, náboj uložený v indukčnosti v zariadení prinúti kontakty spínača k vysokému napätiu. Akonáhle sa spínač otvorí, kontaktná medzera je na začiatku malá.
Preto sa oblúk medzi kontaktnou medzerou môže vyskytnúť takmer okamžite, zatiaľ čo sa spínač práve otvára.
Tento jav sa môže vyskytnúť v odporovej aj indukčnej záťaži, ale pretože tieto vytvárajú vyššie napätie, je možné pozorovať zvýšenú aktivitu oblúka, čo znižuje životnosť spínača.
Dióda sa zvyčajne používa v DC indukčných obvodoch, aby sa zabránilo vysokému napätiu. Tento typ diódy sa nazýva dióda flyback, freewheeling alebo catch dióda.
Aplikácia tejto diódy nie je bohužiaľ v obvodoch striedavého prúdu možná.
Musíme teda použiť varistor na báze oxidu kovu (MOV), dvojsmernú diódu na potlačenie prechodného napätia (TVS) alebo sieť na potlačenie RC, tiež známu ako tlmivka.
Tieto rôzne prístupy k potlačeniu oblúka majú veľa výhod a nevýhod. Nepoužívanie potlačenia je tiež možnosťou, ak bez toho nie je ovplyvnená životnosť kontaktov relé.
Medzi veľa faktorov, ktoré určujú, ktorý prístup je potrebné uplatniť, patria náklady, životnosť kontaktných šošoviek, balenie atď.
Základným dôvodom pre návrh obvodov potlačenia iskry je minimalizácia elektrického oblúka a šumu generovaného pri zapojení relé a spínačov.
Úvahy o dizajne RC
Použitie jednosmerného napájania s diódou TVS Suppressor :
Diódy MOV a TVS vedú prúd, keď je prekročené prahové napätie.
Normálne sú tieto diódy paralelne spojené so spínacím kontaktom. Aj pri nízkom napätí ako 24 VAC sú tieto zariadenia schopné pracovať efektívne.
Okrem toho môžu tiež dobre fungovať pri vyššej indukčnosti 120 VAC. V porovnaní s diódami TVS majú zariadenia MOV zvýšenú kapacitu.
Keď sa teda používa zariadenie MOV, musíte vziať do úvahy kapacitu, ktorá sa má použiť. Poznámka k aplikácii Hamlin popisuje tento scenár lepšie.
Používanie obojsmernej diódy TVS
RC potlačenie malo hranu z dôvodu obmedzenia napätia kontaktného spínača presne počas otvárania spínača, keď je kontaktná medzera malá.
Ďalej je možné implementovať potlačenie RC na zníženie oblúka a zlepšenie životnosti v odporových zaťaženiach.
Na RC potlačovacom obvode je kondenzátorová a odporová sieť zapojená do série zapojená cez spínací kontakt v paralelnom zapojení.
Ďalšou možnosťou je umiestniť kondenzátor a odpor cez záťaž.
Aj keď je uchytenie RC tlmiča cez kontakt spínača ideálne, má tu obrovskú nevýhodu, pretože pri otvorenom spínači sa vytvára prúdová cesta k záťaži.
Ak je tlmič inštalovaný naprieč záťažou, eliminuje prúd. Zmeny v pripojeniach a impedancia zdroja však môžu mať vplyv na účinnosť potlačenia oblúka.
Paralelné použitie RC Snubber s prepínacím kontaktom
V tlmiči sú hodnoty odporu a kondenzátora závislé od požiadavky.
Zvolený rezistor musí mať dostatočne vysokú hodnotu, aby obmedzil kapacitný výbojový prúd, keď sa kontakty spínača zatvoria. Zároveň musí byť dostatočne malý na to, aby obmedzil napätie pri otvorení spínacích kontaktov.
Ak zvolíte veľkú hodnotu kondenzátora, určite to zníži vplyv napätia, keď sa spínacie kontakty otvoria.
Ale väčší kondenzátor môže byť drahý a môže spôsobiť vyššiu kapacitnú výbojovú energiu v čase, keď sa kontakty spínača zatvoria. Tento typ platí pre jednosmerné aj striedavé obvody.
Použitie potlačenia RC (Snubber) paralelne so záťažou
Na výber najvhodnejšej hodnoty odporu pre potlačenie oblúka sa použije Ohmov zákon.
V Ohmovom zákone R = V / I , použijeme vzorec R = 0,5 (Vpk/ JaSW) a R = 0,3 (Vpk/ JaSW) , kde V.pk je špičkové striedavé napätie ( 1,414 Vrms ) a JaSW je menovitý spínací prúd kontaktu relé).
Aby sme znížili degradáciu kontaktu v dôsledku elektrického oblúka, musíme sa ubezpečiť, že hodnota R je minimálna. Na druhej strane musí byť hodnota R zvýšená, aby sa znížilo oblúky kontaktu relé v dôsledku zapínacieho prúdu.
Výzvou je určiť hodnotu R medzi týmito scenármi.
Môžete začať s C = 0,1 μF alebo 100 nF pri výbere kondenzátora, pretože ide o štandardnú hodnotu, a teda cenovo výhodnú. V závislosti na vyšetrení výkonu tohto kondenzátora ho môžete zvyšovať, kým kapacita nebude dostatočná.
Existuje niekoľko metód na hodnotenie výkonu zvolených hodnôt tlmenia. Niektoré je možné vykonať iba výpočtom alebo simuláciou. Avšak odporové a indukčné vlastnosti záťaže sa môžu javiť neurčité.
To je do značnej miery spôsobené indukčnosťou elektromechanických záťaží, ktoré kolíšu pri zmene polôh komponentov.
Osvedčeným postupom je skúmať priebeh napätia na spínacích kontaktoch pomocou osciloskopu, najmä počas rozpínania kontaktov. Tlmiaci systém by mal zmierniť alebo aspoň minimalizovať elektrický oblúk, ku ktorému dochádza pri otvorení a zatvorení kontaktov.
Zvyšujúce sa napätie by nemalo reštartovať elektrický oblúk kontaktu. Ďalej nesmie byť maximálne napätie na kondenzátore v tlmiči väčšie ako jeho menovité napätie.
Ďalším spôsobom, ako zistiť, či tlmivka pracuje správne pre jazýčkový spínač, je pozrieť sa na medzeru medzi kontaktmi spínača a skontrolovať žiarivosť svetla vytváraného oblúkom.
Ak je menej svetla, znamená to, že energia generujúca oblúk je malá, a preto si vyžaduje dlhšiu životnosť.
Poslednou a najpresnejšou metódou skúmania výkonu tlmiča je vykonanie životnej skúšky.
Životnosť kontaktu je priamo úmerná počtu spínacích cyklov, a nie počtu napájaných a bez napájacích hodín.
Odporúča sa dodržať maximálny počet operácií za sekundu, aby sa pri testovaní životnosti oblúkových záťaží pohybovalo okolo 5 až 50 operácií za sekundu.
To je okolo 5 až 50 Hz maximálnej frekvencie. Počet testov, ktoré môžete vykonať, závisí od elektrickej záťaže a rozdielu medzi pohodlím a presnosťou.
Ak potrebujete zistiť špecifikácie komponentov pre tlmič, musíte zvážiť niekoľko ďalších vecí, okrem opísanej kontroly vyhodnotenia oblúka, najvyššieho napätia kondenzátora a životnosti.
Je nevyhnutné, aby pri otvorení spínacieho kontaktu pretekal prúd tlmiacim obvodom.
Musíte sa ubezpečiť, že tento prúd nespôsobuje ťažkosti snubberovej aplikácie. Okrem toho je nevyhnutné potvrdiť, že rozptyl výkonu v tlmiacom rezistore nepresahuje jeho výkonový rozsah.
Ďalšou myšlienkou je, že RC tlmiaci obvod je možné využiť v kombinácii s obojsmernou TVS diódou MOV.
RC tlmivka môže byť vysoko efektívnym obvodom pri obmedzení počiatočného napätia na rozpínacích kontaktoch relé, zatiaľ čo TVS alebo MOV môžu byť účinnejšou alternatívou na obmedzenie špičkových prepäťových napätí.
Referencie:
https://www.elprocus.com/wp-content/uploads/2020/10/RC-snubber.pdf
https://www.elprocus.com/wp-content/uploads/2020/10/spark_suppression_compressed.pdf
https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/application_notes/reed_switches/littelfuse_magnetic_sensors_and_reed_switches_inductive_load_arc_suppression_application_note.pdf.pdf
Dvojica: Obvod na presné snímanie a monitorovanie prúdu pomocou IC NCS21xR Ďalej: Okruh stmievača svetla
