Αποτρέψτε το ρελέ τόξου χρησιμοποιώντας κυκλώματα RC Snubber

Σε αυτό το άρθρο συζητάμε τον τύπο και τις τεχνικές διαμόρφωσης δικτύων κυκλωμάτων RC για τον έλεγχο του τόξου στις επαφές ρελέ ενώ αλλάζουμε βαριά επαγωγικά φορτία.

Καταστολή τόξου

Ένα τόξο παράγεται στις επαφές όταν ανοίγει ένας διακόπτης ή ένα ρελέ. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η κατάσταση μπορεί να καταστρέψει τις επαφές.

Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, ένα κύκλωμα αντιστάσεων / πυκνωτή ή RC αναπτύσσεται στις επαφές και τις προστατεύει. Μόλις ανοίξουν οι επαφές, η εφαρμοζόμενη τάση περνά μέσα από τον πυκνωτή και όχι τις επαφές.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, ο πυκνωτής φορτίζει γρηγορότερα από τον χρόνο ανοίγματος των επαφών, ο οποίος τελικά αποτρέπει το σχηματισμό τόξου στις επαφές.

Εισαγωγή τρέχουσας καταστολής

Όταν κλείνουν οι επαφές, το ρεύμα εισόδου από τον φορτισμένο πυκνωτή και την τάση τροφοδοσίας μπορεί να είναι σημαντικά υψηλότερο από τις βαθμολογίες για τις επαφές προκαλώντας έτσι επιδείνωση.

Για να αποφευχθεί αυτό, μια αντίσταση εισάγεται σε σειρά με τον πυκνωτή. Λειτουργεί ως περιοριστής ρεύματος απορροφώντας σημαντικά το ρεύμα εισροής μειώνοντας έτσι το παραγόμενο τόξο και παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής των επαφών.

Η C.C Bates ανέπτυξε έναν τύπο για τον υπολογισμό της τιμής αντίστασης και χωρητικότητας που απαιτείται για το δίκτυο RC: ντο = Εγώ^δύο / 10 και Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]]

Η τάση που προκαλείται στο άνοιγμα επαφής μπορεί να προσδιοριστεί από

V = IRc = ( Rc / RL ) Φο

• Όπου V_Ή= Πηγή τάσης
• I = Φόρτωση ρεύματος στο άνοιγμα της επαφής
• Ρ_ντο= Αντίσταση του RC Snubber
• C = Χωρητικότητα του RC Snubber
• Ρ_μεγάλο= Αντίσταση φορτίου

Στα ακόλουθα παραδείγματα μιλάμε για το ρελέ καλαμιού ζητήματα που προκαλούν προβλήματα και προσπαθήστε να αξιολογήσετε τους υπολογισμούς που απαιτούνται για το σχεδιασμό δικτύων RC στις επαφές του.

Δεδομένου ότι η αρχή του τόξου μπορεί να είναι η ίδια και στα μεγαλύτερα ρελέ, οι τύποι που χρησιμοποιούνται στο ρελέ καλάμων θα μπορούσαν επίσης να εφαρμοστούν για τη διάσταση των δικτύων RC για τα μεγαλύτερα ρελέ.

Πώς συμβαίνει το Arcing στο Reed Relay Switching

Ένας διακόπτης καλαμιού ή ένας αισθητήρας καλαμιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο μιας επαγωγικής συσκευής όπως πηνίο ρελέ, ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, μετασχηματιστής, μικρός κινητήρας κ.λπ.

Όταν ανοίξει ο διακόπτης καλαμιού, το φορτίο που είναι αποθηκευμένο στην επαγωγή στη συσκευή θα αναγκάσει τις επαφές του διακόπτη σε υψηλή τάση. Μόλις ανοίξει ο διακόπτης, το κενό επαφής είναι μικρό στην αρχή.

Επομένως, το τόξο μεταξύ του κενού επαφής μπορεί να συμβεί σχεδόν αμέσως, ενώ ο διακόπτης ανοίγει μόλις.

Το φαινόμενο μπορεί να συμβεί τόσο σε αντιστατικά όσο και σε επαγωγικά φορτία, αλλά δεδομένου ότι το τελευταίο παράγει υψηλότερη τάση, η αυξημένη δραστηριότητα τόξου φαίνεται ότι μειώνει τη διάρκεια ζωής του διακόπτη.

Μια δίοδος χρησιμοποιείται συνήθως από τα επαγωγικά κυκλώματα DC για την αποφυγή υψηλής τάσης. Αυτός ο τύπος δίοδος ονομάζεται flyback, freewheeling ή catch diode.

Δυστυχώς, η εφαρμογή αυτής της διόδου δεν είναι δυνατή σε κυκλώματα AC.

Πρέπει λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε ένα βαρίστορ μετάλλου-οξειδίου (MOV), μια δίοδο διπλής κατεύθυνσης παροδικής τάσης (TVS) ή ένα δίκτυο καταστολής RC, επίσης γνωστό ως snubber.

Αυτές οι διαφορετικές προσεγγίσεις καταστολής τόξου έχουν πολλά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η μη χρήση καταστολής είναι επίσης μια επιλογή εάν η ζωή επαφής του ρελέ δεν επηρεάζεται χωρίς αυτήν.

Οι πολλοί παράγοντες που καθορίζουν ποια προσέγγιση πρέπει να ακολουθηθεί, περιλαμβάνουν κόστος, διάρκεια επαφής, συσκευασία κ.λπ.

Ο θεμελιώδης λόγος για τα σχέδια κυκλώματος καταστολής σπινθήρων είναι η ελαχιστοποίηση του τόξου και του θορύβου που παράγεται όταν εμπλέκονται ρελέ και διακόπτες.

Στοιχεία σχεδιασμού RC

Χρήση τροφοδοσίας DC με δίοδο καταστολής TVS :

Οι δίοδοι MOV και TVS μεταδίδουν ρεύμα όταν ξεπεραστεί ένα όριο τάσης.

Κανονικά, αυτές οι δίοδοι συνδέονται παράλληλα με την επαφή διακόπτη. Ακόμη και σε χαμηλές τάσεις όπως 24 VAC, αυτές οι συσκευές είναι σε θέση να λειτουργούν αποτελεσματικά.

Επιπλέον, μπορούν επίσης να λειτουργήσουν καλά σε υψηλότερα φορτία επαγωγής 120 VAC. Σε σύγκριση με τις διόδους TVS, οι συσκευές MOV έχουν πρόσθετη χωρητικότητα.

Έτσι, όταν χρησιμοποιείται μια συσκευή MOV, πρέπει να λάβετε υπόψη τη χωρητικότητα που πρέπει να χρησιμοποιήσετε. Η σημείωση εφαρμογής Hamlin περιγράφει καλύτερα αυτό το σενάριο.

Χρησιμοποιώντας αμφίδρομη δίοδο TVS

Η καταστολή RC είχε το άκρο λόγω του περιορισμού της τάσης επαφής του διακόπτη ακριβώς κατά το άνοιγμα του διακόπτη όταν το διάκενο επαφής είναι μικρό.

Επιπλέον, η καταστολή RC μπορεί να εφαρμοστεί για να μειώσει το τόξο και να βελτιώσει τη διάρκεια ζωής σε φορτία αντίστασης.

Σε ένα κύκλωμα καταστολής RC, ένας πυκνωτής και ένα δίκτυο αντιστάσεων συνδεδεμένα σε σειρά συναρμολογούνται κατά μήκος της επαφής διακόπτη σε παράλληλη σύνδεση.

Μια άλλη επιλογή είναι να τοποθετήσετε τον πυκνωτή και την αντίσταση στο φορτίο.

Ενώ η σύνδεση του RC snubber στην επαφή του διακόπτη είναι ιδανική, υπάρχει ένα τεράστιο μειονέκτημα επειδή δημιουργεί μια τρέχουσα διαδρομή προς το φορτίο όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός.

Εάν το snubber είναι εγκατεστημένο σε όλο το φορτίο, εξαλείφει το ρεύμα. Ωστόσο, οι αλλαγές στις συνδέσεις και την αντίσταση πηγής μπορούν να επηρεάσουν την αποτελεσματικότητα της καταστολής τόξου.

Εφαρμογή παράλληλου RC Snubber με την επαφή διακόπτη

Στο snubber, οι τιμές της αντίστασης και του πυκνωτή εξαρτώνται από την απαίτηση.

Η επιλεγμένη αντίσταση πρέπει να έχει αρκετά υψηλή τιμή για να περιορίσει το χωρητικό ρεύμα εκφόρτισης όταν κλείνουν οι επαφές του διακόπτη. Ταυτόχρονα, πρέπει να είναι αρκετά μικρό για να περιορίζει την τάση όταν ανοίγουν οι επαφές του διακόπτη.

Εάν επιλέξετε μια μεγάλη τιμή πυκνωτή, σίγουρα θα μειώσει την κρούση τάσης ενώ ανοίγουν οι επαφές διακόπτη.

Όμως ο μεγαλύτερος πυκνωτής μπορεί να είναι ακριβός και μπορεί να προκαλέσει υψηλότερη χωρητική ενέργεια εκφόρτισης κατά τη διάρκεια του χρόνου που κλείνουν οι επαφές του διακόπτη. Αυτός ο τύπος ισχύει και για τα κυκλώματα DC και AC.

Χρήση RC (Snubber) Suppression Paralle with the Load

Ο νόμος του Ohm εφαρμόζεται για την επιλογή της καταλληλότερης τιμής αντίστασης για την καταστολή τόξου.

Στο νόμο του Ohm R = V / Ι , εφαρμόζουμε τον τύπο R = 0,5 (ν_pk/ ΕΓΩ_ΝΔ) και R = 0,3 (ν_pk/ ΕΓΩ_ΝΔ) , που Β_pk είναι η μέγιστη τάση AC ( 1.414 Vrms ) και Εγώ_ΝΔ είναι το ονομαστικό ρεύμα μεταγωγής της επαφής ρελέ).

Για να μειώσουμε την υποβάθμιση της επαφής λόγω τόξου, πρέπει να βεβαιωθούμε ότι η τιμή R είναι ελάχιστη. Από την άλλη πλευρά, η τιμή R πρέπει να αυξηθεί για να μειωθεί το τόξο επαφής ρελέ λόγω του ρεύματος εισόδου.

Ο προσδιορισμός της τιμής του R μεταξύ αυτών των σεναρίων είναι η πρόκληση.

Μπορείτε να ξεκινήσετε με C = 0,1μF ή 100 nF, όταν επιλέγετε τον πυκνωτή επειδή αυτή είναι τυπική τιμή και συνεπώς φιλική προς το κόστος. Ανάλογα με την εξέταση απόδοσης αυτού του πυκνωτή, μπορείτε να τον αυξήσετε έως ότου η χωρητικότητα είναι επαρκής.

Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την αξιολόγηση της απόδοσης των επιλεγμένων τιμών snubber. Ορισμένα μπορούν να εκτελεστούν μόνο με υπολογισμό ή προσομοίωση. Ωστόσο, τα ανθεκτικά και επαγωγικά χαρακτηριστικά του φορτίου μπορεί να εμφανίζονται αόριστα.

Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην επαγωγή ηλεκτρομηχανικών φορτίων που κυμαίνεται όταν τα εξαρτήματα αλλάζουν θέσεις.

Είναι καλή πρακτική η εξέταση της κυματομορφής τάσης στις επαφές του διακόπτη μέσω παλμογράφου, ειδικά κατά το άνοιγμα της επαφής. Το σύστημα snubber πρέπει να ανακουφίζει ή τουλάχιστον να ελαχιστοποιεί το τόξο που συμβαίνει όταν οι επαφές ανοίγουν και κλείνουν.

Η αυξανόμενη τάση δεν πρέπει να επανεκκινήσει το τόξο επαφής. Επιπλέον, η μέγιστη τάση στον πυκνωτή στο snubber δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ονομαστική τάση.

Ένας άλλος ακόμη τρόπος για να μάθετε αν ο snubber λειτουργεί σωστά για έναν διακόπτη καλαμιού είναι να κοιτάξετε το διάκενο επαφής του διακόπτη και να ελέγξετε τη λάμψη του φωτός που παράγεται από το τόξο.

Εάν υπάρχει λιγότερο φως, αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια που παράγει το τόξο είναι μικρή και επομένως απαιτεί μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.

Η τελική και ακριβέστερη μέθοδος εξέτασης της απόδοσης του snubber είναι η διεξαγωγή δοκιμής ζωής.

Η διάρκεια ζωής της επαφής είναι άμεσα ανάλογη με τον αριθμό των κύκλων εναλλαγής και όχι με τον αριθμό των ωρών λειτουργίας και χωρίς ρεύμα.

Συνιστάται να διατηρείται ο μέγιστος αριθμός λειτουργιών ανά δευτερόλεπτο για τη δοκιμή ζωής των φορτίων τόξου είναι περίπου 5 έως 50 λειτουργίες ανά δευτερόλεπτο.

Αυτή είναι η μέγιστη συχνότητα περίπου 5 έως 50 Hz. Ο αριθμός των δοκιμών που μπορείτε να πραγματοποιήσετε εξαρτάται από το ηλεκτρικό φορτίο και τη διαφορά μεταξύ ευκολίας και ακρίβειας.

Όταν πρέπει να μάθετε τις προδιαγραφές των εξαρτημάτων για το snubber, πρέπει να λάβετε υπόψη και μερικά άλλα πράγματα εκτός από την περιγραφόμενη επιθεώρηση της εκτίμησης τόξου, την υψηλότερη τάση πυκνωτή και τη ζωή.

Είναι θεμελιώδες ότι όταν ανοίγει μια επαφή διακόπτη, το ρεύμα ρέει μέσω του κυκλώματος snubber.

Πρέπει να διασφαλίσετε ότι αυτό το ρεύμα δεν προκαλεί προβλήματα στην εφαρμογή του snubber. Επιπλέον, είναι σημαντικό να επιβεβαιώσετε ότι η απόρριψη ισχύος στην αντίσταση του snubber δεν υπερβαίνει την βαθμολογία ισχύος.

Μια ακόμη σκέψη είναι ότι ένα κύκλωμα RC snubber μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με μια αμφίδρομη δίοδο TVS του MOV.

Ένας RC snubber μπορεί να είναι ένα πολύ αποδοτικό κύκλωμα στον περιορισμό της αρχικής τάσης στις επαφές του ρελέ ανοίγματος, ενώ το TVS ή το MOV μπορεί να είναι μια πιο αποτελεσματική εναλλακτική λύση για τον περιορισμό των μέγιστων τάσεων.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

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