Всем привет! Недавно я писал про защиту цепей управления от переходных процессов при коммутации обмотки реле. Сегодня хочу поговорить о защите контактов реле при коммутации индуктивной нагрузки.
Допустим, у нас есть задача по управлению мощным двигателем. Варианты управления: реле, твердотельное реле, симистор (транзистор для постоянного тока). Последние два требуют охлаждения. Реле же всем хорошо, но проблема в том, что контакты очень быстро приходят в негодность при коммутации индуктивной нагрузки. Да, да. Аналогичная проблема, что при управлении релюшкой, только с другой стороны.
Про цепи постоянного тока скажу так. Диодная защита контактов работает и тут. Лучше неё я не встречал. Потому о тонкостях работы диода, как защитного элемента можете почитать в моей заметке "Управление реле/соленоидом".
Поговорим про цепи переменного тока.
Сразу к сути. Защитить контакты реле при коммутации индуктивной нагрузки в цепи переменного тока поможет RC цепь.
Исходя из мощности нагрузки можно выбрать параметры цепи. Всё просто.
Как это работает?
Для начала вспомним (или узнаем), как работает конденсатор. Что такое конденсатор? Это тупо два проводника, которые зажимают диэлектрик. Всё. Обозначением на схеме он прям показывает своё внутреннее устройство. Видно что это разрыв цепи. Но если это разрыв, то как оно работает?
Всё просто. Для постоянного тока - это разрыв, для переменного - это сопротивление. Да, именно. В цепи переменного тока к конденсатору надо относиться как к резистору, сопротивление которого зависит от частоты тока и ёмкости конденсатора. Рассчитывается это сопротивление по следующей формуле. Зафиксировали.
Еще, что стоит знать. Запомните: напряжение на конденсаторе НЕ МОЖЕТ измениться скачком, при этом, ток через конденсатор меняется СКАЧКОМ.
Помните что на постоянном токе кондер является разрывом в цепи? Но, если посмотреть на мир с точки зрения конденсатора, что происходит, когда мы его включаем в цепь постоянного тока? Внезапно, напряжение с нуля скакнуло до, например, 12В. В этот момент, в момент перехода напряжения с 0 в 12 (в момент подключения конденсатора к блоку питания) напряжение не было "постоянным". Оно изменялось и с очень большой скоростью. А большая скорость - большая частота. Фактически, в идеальном случае, ступенька напряжения имеет, уcловно, бесконечную частоту. Смотрим в формулу. Частота в знаменателе. Т.е. чем выше частота, тем ниже сопротивление. На бесконечной частоте - нулевое сопротивление. На нулевой частоте - бесконечно большое сопротивление (типа 1/0 => бесконечность. Ога, вынос мозга от математического анализа, где-то в районе lim проходится. Не берите в голову). Понимаете к чему я?
В момент включения кондера в цепь постоянного тока, ток через него (в идеальном случае) бесконечный, напряжение на обкладках НЕ меняется (т.е. 0). Затем конденсатор заряжается, напряжение на обкладках поднимается до напряжения источника питания, а ток уменьшается до нуля.
Вот. Нашел графики в сети. Надеюсь так будет понятно. Подали ступень на кондёр, напряжение в нуле, но ток в максимуме (напоминает КЗ, где ток - бесконечность, а напряжение 0, верно?) Со временем ток падает до нуля, напряжение поднимается до напряжения источника питания.
А что будет, если напряжение источника резко "прижать" к нулю, после завершения всех этих переходных процессов? Вспоминаем, что напряжение на конденсаторе НЕ меняется скачком. Сейчас на кондёре 12В, источник прижали к 0, напряжение резко измениться не может. Что получили?
Напряжение какое-то время держится, а потом убывает. Ток опять имеет бросок.
Именно поэтому вы видите искру при включении блока питания в розетку. На входе БП стоят большие конденсаторы и если вы попали в пик волны переменного напряжение, то в момент зарядки емкости вы, фактически, делаете миниатюрное короткое замыкание. Конечно, с этим борются, но большая емкость на входе - это постоянный геморрой с переходными процессами.
Нафига я говорю "очевидное"? Как это относится к цепям защиты?
Конец воды, теперь по-делу. Смотрим на схему (дублирую тут)
Есть резистор R. Зачем? Как-раз он "затягивает фронты" и снижает "ударный" выброс тока. Фактически, в момент коммутации, ток в цепи ограничивается резистором. Ток меньше, конденсатор заряжается дольше. Это понятно. Неясно, как эта штука защитит контакты реле. Или уже ясно? ))
Объясняю. Индуктивность - противоположность конденсатору. Там напряжение изменяется СКАЧКОМ. Этот самый скачок напряжения нам и надо подавить. Но на кондёре напряжение СКАЧКОМ измениться НЕ МОЖЕТ, скачком меняется только ТОК. Фактически, в момент индуктивного выброса (условно, ситуация, когда на конденсатор подали ступень [хотя там больше пик, но это не важно]) конденсатор представляет собой КЗ. Вся эта энергия "сливается" на землю. Единственное, что ограничивает ток — это резистор. Поэтому имеем не чистое КЗ, а низкое сопротивление. Этого достаточно, чтобы "задавить" напряжение, которое норовит вырасти. В это время, пока происходит эта борьба (RC пытается задавить импульс), контакты реле успевают разойтись на достаточное расстояние, чтобы искра, в принципе, не смогла образоваться. Вот так и получается защитить контакты от "прострела".
Кстати, важный параметр. Если ёмкость умножить на сопротивление, то получим (кто бы подумал) время, в секундах! обозначается как тау
Постоя́нная вре́мени — характеристика экспоненциального процесса, определяющая время, через которое некоторый параметр процесса изменится в «е» раз (е≈2,718) (википедия).
Другими словами, за t (тау) напряжение на конденсаторе изменится в "е" раз. Но принято считать, что конденсатор зарядится на 97% за время 5t. Зачем я об этом? Важно, чтобы t нашей RC цепи было больше, чем время расхождения контактов реле на безопасное, с точки зрения искрообразования, расстояние. Конденсатор тупо не успеет зарядиться до того "пробивного" напряжения, пока размыкаемые контакты находятся близко.
Тезисно, про особенности:
1. Конденсатор используем плёночный, керамика не годится.
2. Резистор мощный, порядка 1-2 Вт. Убедиться, что работает на высоком импульсном напряжении (понимаю, пальцем в небо, без расчётов, но, много формул - скучно)
3. Работает защита как на постоянном, так и на переменном токе. (на переменном токе лучше ставить защиту на стороне нагрузки)
Вишенка на торте
То, ради чего это всё затевалось.
Недавно, мне на глаза попалась схема управления насосом.
Обмотка реле управляется классически, транзистор защищен диодом. Но смотрим на контакты реле (К1.1). Они шунтируются симистором. Как работает?
Микроконтроллер, через оптопару, замыкает симистор, который подаёт питание на обмотку двигателя. Это индуктивная нагрузка, запуск двигателя идет со своими переходными процессами, но, когда эта "махина" заработает, войдет в рабочий режим, подаётся сигнал на замыкание реле. Видите, контакты реле и симистор включены параллельно. После замыкания реле в "идеальных" условиях, симистор можно выключить. Теперь вся нагрузки идет через контакты реле. Симистор не нужно охлаждать (так как на короткий цикл работы он не нагревается), реле не обгорает и срок эксплуатации приближается к расчётным.
На выключение обратная картина. Сначала подается сигнал на включение симистор. Он шунтирует контакты реле. Теперь реле можно выключить. Контакты реле расходятся без искрения. После - разрываем цепь симистором. Идеально. Такого решения я еще не встречал. Подумал, что будет полезно и моим подписчикам узнать про это.
Стоит отметить варисторы (R26, R27). Они тоже стоят для защиты. Варистор - это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. При броске сопротивление падает, что тоже даёт защиту. Но тут, как мне кажется, они больше для подавления искры с точки зрения ЭМИ, а не для защиты контактов реле. Как вы думаете, зачем они тут?