Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Введение

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.

1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, при изменении во времени магнитного поля. Изменение магнитного поля, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в контуре индуктивной электродвижущей силы (ЭДС). Процесс возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию, а при убывании тока — препятствует убыванию. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

E=−L×dI/dtE= -L times dI / dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Знак «минус» означает, что ЭДС самоиндукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению магнитного потока. Этот факт отражён в правиле Ленца:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Явление самоиндукции можно наблюдать при включении и последующем выключении катушек соленоидов, промежуточных реле, электромагнитных пускателей. При подаче напряжения на катушку создается электромагнитное поле, в следствии чего образуется электродвижущая сила, которая препятствует мгновенному росту тока в катушке. Согласно принципу суперпозиции, основной ток в катушке можно представить в виде суммы токов, один из которых вызван внешним напряжением и сонаправлен с основным током, а второй вызван ЭДС самоиндукции и имеет противоположное направление основному току. Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки. При протекании тока катушка «запасает» энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдает запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. Это, в свою очередь, вызывает всплеск напряжения обратной полярности на катушке. Данный всплеск может достигать значений во много раз превышающих номинальное напряжение источника питания, что может помешать нормальной работе электронных устройств, вплоть до их разрушения.

Разберем более подробно, почему скачок ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность. На рисунке 1 изображены две схемы, на которых стрелками обозначено направление движения тока, а так же потенциалы на всех элементах схемы при закрытом и открытом ключе.

а — закрытый ключ б — открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

При закрытом ключе потенциалы на всех элементах совпадают с потенциалом источника питания (рисунок 1, а). Во время размыкания ключа, из схемы исключается источник питания, и ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток в катушке. Для того, что бы сохранить направление тока в катушке, ЭДС меняет свой потенциал на противоположный по знаку источнику питания (рисунок 1, б). Именно поэтому всплеск ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность.

Более наглядно этот всплеск показан на рисунке 2. На графике изображено напряжение источника питания Uпит, ток возникающий в катушке I, ЭДС самоиндукции.

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рассмотрим явление самоиндукции на примере работы электромагнитной катушки при пропускании через нее постоянного тока. Включение катушки происходит при помощи бесконтактного датчика. Катушку можно заменить на последовательно соединенные активное Rk и индуктивное Lk сопротивления (рисунок 3).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

При сработавшем датчики падение напряжения U на катушке составляет 24 В. При коммутации индуктивной нагрузки в первый момент времени ток остается равным току до коммутации, а после изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, при переходе управляющего транзистора в закрытое состояние катушка начинает генерировать ЭДС самоиндукции, предотвращающую падение тока. Попробуем рассчитать величину генерируемого катушкой напряжения.

На рисунке 5 показано направление тока при открытом транзисторе. Переход транзистора в закрытое состояние фактически означает что цепь катушки с генерируемым ЭДС самоиндукции замыкается через подтягивающий резистор. Обозначим его Ro. По документации датчика это сопротивление составляет 5,1 кОм.

Рисунок 5 — Направление тока при открытом транзистореРисунок 6 — Направление тока после перехода транзистора в закрытое состояние

На рисунке 6 видно что ток на резисторе Ro поменял направление — это обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Для полученного замкнутого контура выполняется следующее уравнение:

UR0+URk+ULk=0U_R0+U_Rk+U_Lk=0

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

I×R0+I×Rk+ULk=0I times R_0 + I times R_k +U_Lk=0ULk=−I×(Rk+R0)U_Lk= -I times ( R_k + R_0 )

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

I=U/RkI= U / R_k

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(Rk+R0)/Rk=−U×(1+R0/Rk)U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Все переменные из этой формулы известны:
U = 24В — напряжение питания
R_o = 5,1кОм — сопротивление подтягивающего резистора датчика
R_k = 900 Ом — активное сопротивление катушки (данные из документации).

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(1+R0/Rk)=−24×(1+5100/900)=−160ВU_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Данный расчет упрощен и не учитывает индуктивность катушки, от которой так же зависит ЭДС самоиндукции. Но даже из упрощенного расчета видно, что величина генерируемого напряжения оказывается во много раз больше номинального напряжения 24В.

Воздействие ЭДС самоиндукции может повредить устройства, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания. На рисунке 7 приведена некорректная схема, на которой от одного источника питания подключен бесконтактный датчик и катушка соленоидного клапана.

Рисунок 7 — Некорректная схема подключения

На первый взгляд, данная схема может работать без каких-либо сбоев. Однако, при выключении катушки клапана возникает всплеск напряжения в результате самоиндукции. Всплеск распространяется по цепи питания на клемму «минус» датчика. В результате, разница потенциалов между коллектором и эмиттером закрытого транзистора превышает максимальное значение, что приводит к его пробою.

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Чтобы проверить правдивость приведенных выше теоретических расчетов, проведем измерение ЭДС самоиндукции. Для проведения измерений необходимо собрать схему, для которой мы проводили расчеты. При помощи осциллографа на клеммах катушки произведем измерение напряжения (рисунок 8).

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

На рисунке 9 изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. На графике видно, что реальный всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей, бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления.

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4. Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы.

Диод включается параллельно катушке против напряжения питания (рисунок 10). Таким образом, в установившемся режиме он не оказывает никакого воздействия на работу схемы. Однако при отключении питания на катушке возникает ЭДС самоиндукции, имеющая полярность, противоположную рабочему напряжению. Диод открывается и шунтирует катушку индуктивности.

а — включение диода в схему PNP б — включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку. Соответственно, при броске тока варистор быстро срабатывает и обеспечивает надежную защиту схемы.

На рисунке 12 изображен график напряжения во время включения и выключения индуктивной катушки с использованием защитного диода для напряжения 24 В.

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для гашения ЭДС самоиндукции на катушках промежуточных реле используют модули FINDER серии 99 (рисунок 13):

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110…240

99.02.9.024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6…24В

Модули устанавливаются непосредственно на колодку реле, не требуют дополнительного изменения схемы управления.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидных клапанов, необходимо использовать защитные клеммники Klemsan серии WG-EKI (рисунок 14):

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110 040 Клеммник WG-EKI с защитным диодом (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Клеммники позволяют осуществить подключение индуктивной катушки без дополнительного изменения схемы. Клеммник имеет два яруса, соединенных между собой защитным диодом либо варистором. Для осуществления защиты необходимо провести провода питания катушки через этот клеммник. При использовании клеммника с защитным диодом необходимо соблюдать полярность при подключении (рисунок 15).

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

1. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В — М.: Наука, 1977. — 724.с.
2. Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. — 6-е изд., стереот. — М.: Физматлит, 2003.-624.с.
3. Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 16 с.

Читайте также:

Защита полевого транзистора от эдс самоиндукции

Как защитить силовой транзистор от пробоя броском высокого напряжения. Описание схемы активного ограничения (10+)

Защита силового ключа от перенапряжения

Суть проблемы

Перед разработчиками импульсных источников питания встает проблема защиты силового ключа от бросков высокого напряжения, вызванных самоиндукцией. Эта проблема характерна для ряда топологий источников питания, в которых силовые транзисторы нагружены на выходной трансформатор. Идеальный трансформатор не накапливает энергии. Но реальные трансформаторы накапливают энергию в магнитном поле от первичной обмотки. При прерывании тока через обмотку накопленная энергия должна куда-то быть отведена. Если этого не сделать, то произойдет пробой силового ключа. Дело в том, что обмотка трансформатора является катушкой индуктивности. А ток через катушку индуктивности не может прекратиться мгновенно (имеет определенную инерцию). Разрыв цепи, через которую идет этот ток, приводит к скачку напряжения в месте разрыва. Если разрыв осуществляется путем закрытия транзистора, то этот транзистор выходит из строя.

Некоторые топологии импульсных источников питания и преобразователей напряжения, такие, как понижающая, повышающая, инвертирующая, полумостовая, мостовая содержат естественные цепи размагничивания (то есть отвода энергии, накопленной в магнитном поле), непосредственно защищающие силовые элементы. Для них описанная проблема не актуальна. А вот в прямоходовых, обратноходовых и пушпульных схемах цепи размагничивания подключены не непосредственно к силовым элементам, а через трансформатор. Как мы знаем, связь между обмотками трансформатора не идеальная. Имеет место некоторая индуктивность утечки (связи), которая препятствует моментальному блокированию скачка напряжения.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Простейший вариант защиты

В этих схемах, если мощность устройства достаточно велика, возникает необходимость в дополнительной защите силовых элементов. Простейшим вариантом такой защиты является установка стабилитрона между эмиттером и коллектором (стоком и истоком) силового ключа. Но такой вариант имеет два недостатка. Во-первых, вся энергия, которую блокирует стабилитрон, теряется, что снижает КПД. Во-вторых, вся энергия, которую блокирует стабилитрон, превращается в тепло, которое нагревает стабилитрон. Появляется необходимость в охлаждении стабилитрона и риск выхода его из строя.

Защита высокой надежности и КПД, с отводом энергии в цепи питания

Более надежной и обладающей большим КПД является схема, приведенная ниже.

В этой схеме избыточная энергия сначала накапливается на конденсаторе C1. Потом энергия с этого конденсатора переходит в катушку L1. А потом энергия, накопленная в L1, передается в цепи питания. То есть потери и нагрев минимизируются.

На схеме изображен вариант защиты для пушпульной топологии, но совершенно аналогично схему можно применять для прямоходовых и обратноходовых преобразователей. Схема подходит как для биполярных, так и для полевых силовых ключей.

Принцип действия

Схема работает так. Броски напряжения на силовых ключах отводятся на накопительный конденсатор C1 через диоды VD1, VD2. Как только напряжение на конденсаторе становится больше напряжения стабилизации стабилитрона VD4 плюс напряжения насыщения перехода база — эмиттер транзистора VT1, транзистор открывается. На катушке L1, а значит, на катушке L2, появляется напряжение. Напряжение с катушки L2 через делитель R3, R2 подается на базу транзистора, что его еще больше открывает и вводит в насыщение. Теперь к катушке L1 приложено напряжение с C1 минус напряжение питания. Ток в катушке постепенно нарастает, катушка накапливает энергию. Как только напряжение на конденсаторе C1 становится меньше некоторой величины, транзистор начинает закрываться, на катушке L1 за счет накопленной энергии напряжение меняет полярность, энергия через диод VD3 отводится в цепи питания. При этом напряжение на L2 также меняет полярность, что способствует полному запиранию транзистора VT1. Таким образом транзистор VT1 работает в ключевом режиме с минимальными потерями и нагревом.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида.
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при.

Как не перепутать плюс и минус? Защита от переполюсовки. Схема.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.

Плавная регулировка, изменение яркости свечения светодиодов. Регулятор.
Плавное управление яркостью свечения светодиодов. Схема устройства с питанием ка.

Расчет силового резонансного фильтра. Рассчитать онлайн, он-лайн, on-l.
Как получить синусоидальное напряжение на выходе при входном напряжении сложной .

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

При разрывании цепи индуктивной нагрузке, в нагрузке возникает обратный ток, немного ниже по величине тока катушки в работе и обратный по полярности .

ток этот порождает напряжение которое пропорционально зависит от сопротивления нагрузки подключенной параллельно индуктивности.

точнее при токе обмотке 1 ампер, при разрыве на сопротивлении 1 ком, создаться напряжение в 1000 вольт, на контактах же сопротивление увеличивается до проводимости воздуха и по этому напряжение может достигать десятков тысяч вольт, что и провоцирует появлении искровой дуги (по сути это и есть пробой воздуха)

грозит этот ток пробоем транзисторного ключа, подгоранием контактов ключа
Если например параллельно обмотке подключить светодиод, то он умрет через несколько десятков включений(в случае с автореле), а может и намного быстрее

защита от этого тока диодом подключенным параллельно обмотке катушки, так как диод имеет низкое сопротивление, скачек напряжения снижается до нескольких вольт

вот небольшой пример обратного тока с обычного автомобильного реле

в принципе таким устройством можно зарядить телефон

по этому принципу работают конверторы DC-DC, называются Step-down converter ( узнал тут гдето у CAMOKAT-BETEPAHA

Что произойдет, если разомкнуть переключатель, управляющий током через индуктивность? Индуктивность, как известно, характеризуется следующим свойством: U = L(dI/dt), а из этого следует, что ток нельзя выключить моментально, так как при этом на индуктивности появилось бы бесконечное напряжение. На самом деле напряжение на индуктивности резко возрастает и продолжает увеличиваться до тех пор, пока не появится ток. Электронные устройства, которые управляют индуктивными нагрузками, могут не выдержать такого роста напряжения, особенно это относится к компонентам, в которых при некоторых значениях напряжения наступает «пробой». Рассмотрим схему, представленную

Рис. 1.94. Индуктивный «бросок».

на рис. 1.94. В исходном состоянии переключатель замкнут и через индуктивность (в качестве которой может выступать, например, обмотка реле) протекает ток. Когда переключатель разомкнут, индуктивность «стремится» обеспечить ток между точками А и В, протекающий в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Это значит, что потенциал точки В становится более положительным, чем потенциал точки А. В нашем случае разница потенциалов может достичь 1000 В, прежде чем в переключателе возникнет электрическая дуга, которая и замкнет цепь. При этом укорачивается срок службы переключателя и возникают импульсные наводки, которые могут оказывать влияние на работу близлежащих схем. Если представить себе, что в качестве переключателя используется транзистор, то срок службы такого переключателя не укорачивается, а просто становится равным нулю!

Чтобы избежать подобных неприятностей лучше всего подключить к индуктивности диод, как показано на рис. 1.95. Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении (за счет падения напряжения постоянного тока на обмотке катушки индуктивности). При размыкании переключателя диод открывается и потенциал контакта переключателя становится выше потенциала положительного питающего напряжения на величину падения напряжения на диоде. Диод нужно подобрать так, чтобы он выдерживал начальный ток, равный току, протекающему в установившемся режиме через индуктивность; подойдет, например диод типа 1N4004.

Рис. 1.95. Блокирование индуктивного броска.

Единственным недостатком описанной схемы является то, что она затягивает затухание тока, протекающего через катушку, так как скорость изменения этого тока пропорциональна напряжению на индуктивности. В тех случаях, когда ток должен затухать быстро (например, быстродействующие контактные печатающие устройства, быстродействующие реле и т.д.), лучший результат можно получить, если к катушке индуктивности подключить резистор, подобрав его так, чтобы величина U_и + IR не превышала максимального допустимого напряжения на переключателе. (Самое быстрое затухание для данного максимального напряжения можно получить, если подключить к индуктивности зенеровский диод, который обеспечивает затухание по линейному, а не по экспоненциальному закону.)

Рис 1.96. RС-«демпфер» для подавления индуктивного броска.

Диодную защиту нельзя использовать для схем переменного тока, содержащих индуктивности (трансформаторы, реле переменного тока), так как диод будет открыт на тех полупериодах сигнала, когда переключатель замкнут. В подобных случаях рекомендуется использовать так называемую RC-демпфирующую цепочку (рис. 1.96). Приведенные на схеме значения R и С являются типовыми для небольших индуктивных нагрузок, подключаемых к силовым линиям переменного тока. Демпфер такого типа следует предусматривать во всех приборах, работающих от напряжений силовых линий переменного тока, так как трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку. Для защиты можно также использовать такой элемент, как металлоксидный варистор. Он представляет собой недорогой элемент, похожий по внешнему виду на керамический конденсатор, а по электрическим характеристикам — на двунаправленный зенеровский диод. Его можно использовать в диапазоне напряжений от 10 до 1000 В для значений токов, достигающих тысяч ампер (см. разд. 6.11). Подключение варистора к внешним выводам схемы позволяет не только предотвратить индуктивные наводки на близлежащие приборы, но также погасить большие всплески сигнала, возникающие иногда в силовой линии и представляющие серьезную угрозу для оборудования.

Меры по защите сигнализаторов при возникновении ЭДС самоиндукции

В процессе эксплуатации сигнализаторов уровня имеющих дискретный (релейный, транзисторный) выход, зачастую подключают индуктивную нагрузку (устройства, имеющие в своём составе катушку индуктивности). Последствия возникновения ЭДС самоиндукции при размыкании таких электрических цепей крайне негативно отражаются на работоспособности контактов реле и выходных каскадов датчиков, уменьшая их срок эксплуатации.

В целях устранения пагубного влияния ЭДС самоиндукции применяются искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.

Не вдаваясь в физику переходных процессов рассмотрим наиболее действенные и широко применяемые искрогасящие цепи постоянного и переменного тока.

Цепи постоянного тока

Кремниевый диод включается параллельно индуктивной нагрузке, при замыкании контактов и в установившемся режиме не оказывает никакого воздействия на работу схемы. При отключении нагрузки возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку. Диоды наиболее эффективно предохраняют контакты реле от обгорания и являются лучшим решением, по сравнению с любыми другими схемами искрогашения. Такой способ применим и к сигнализаторам с транзисторным выходом.

Правила выбора обратного диода:

• Рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для нагрузок с рабочим напряжением до 250В DC и рабочим током до 5 А вполне подходит распространенный кремниевый диод 1N4007 с обратным напряжением 1000В DC и максимальным импульсным током до 20 А;
• Выводы диода должны быть как можно короче;
• Диод следует припаивать (привинчивать) непосредственно к индуктивной нагрузке, без длинных соединительных проводов — это улучшает ЭМС при процессах коммутации.

Цепи переменного и постоянного тока

RC-цепь является наиболее дешёвым и широко применяемым средством защиты цепей как переменного, так и постоянного тока.

В отличие от диодных схем, RC-цепи можно устанавливать как параллельно нагрузке, так и параллельно контактам реле. В некоторых случаях нагрузка физически недоступна для монтажа на ней искрогасящих элементов, и тогда единственным способом защиты контактов остается шунтирование контактов RC-цепями.

 

Расчет RC-цепи, подключаемой параллельно контактам реле:

где С — ёмкость RC-цепи, мкф I — рабочий ток нагрузки, А

где R — сопротивление RC-цепи, Ом E0 — напряжение на нагрузке, В I — рабочий ток нагрузки, А

Проще всего пользоваться универсальной номограммой. По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

RC-цепь, подключаемая параллельно нагрузке:

Применяется там, где нежелательна или невозможна установка RC-цепи параллельно контактам реле. Для расчета предлагаются следующие ориентировочные значения элементов:

• С = 0,5 … 1 мкф на 1 А тока нагрузки;
• R = 0,5 … 1 Ом на 1 В напряжения на нагрузке или
• R = 50…100% от сопротивления нагрузки.

Приведенные значения R и С не являются оптимальными. Если требуется максимально полная защита контактов и реализация максимального ресурса реле, то необходимо провести эксперимент и опытным путем подобрать резистор и конденсатор, наблюдая переходные процессы с помощью осциллографа.

Для защиты выходных транзисторных каскадов сигнализаторов RC-цепь подключают параллельно нагрузке.

1.31. Индуктивные нагрузки и диодная защита

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Диоды и диодные схемы

Что произойдет, если разомкнуть переключатель, управляющий током через индуктивность? Индуктивность, как известно, характеризуется следующим свойством: U = L(dI/dt), а из этого следует, что ток нельзя выключить моментально, так как при этом на индуктивности появилось бы бесконечное напряжение. На самом деле напряжение на индуктивности резко возрастает и продолжает увеличиваться до тех пор, пока не появится ток. Электронные устройства, которые управляют индуктивными нагрузками, могут не выдержать такого роста напряжения, особенно это относится к компонентам, в которых при некоторых значениях напряжения наступает «пробой». Рассмотрим схему, представленную

Рис. 1.94. Индуктивный «бросок».

на рис. 1.94. В исходном состоянии переключатель замкнут и через индуктивность (в качестве которой может выступать, например, обмотка реле) протекает ток. Когда переключатель разомкнут, индуктивность «стремится» обеспечить ток между точками А и В, протекающий в том же направлении, что и при замкнутом переключателе. Это значит, что потенциал точки В становится более положительным, чем потенциал точки А. В нашем случае разница потенциалов может достичь 1000 В, прежде чем в переключателе возникнет электрическая дуга, которая и замкнет цепь. При этом укорачивается срок службы переключателя и возникают импульсные наводки, которые могут оказывать влияние на работу близлежащих схем. Если представить себе, что в качестве переключателя используется транзистор, то срок службы такого переключателя не укорачивается, а просто становится равным нулю!

Чтобы избежать подобных неприятностей лучше всего подключить к индуктивности диод, как показано на рис. 1.95. Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении (за счет падения напряжения постоянного тока на обмотке катушки индуктивности). При размыкании переключателя диод открывается и потенциал контакта переключателя становится выше потенциала положительного питающего напряжения на величину падения напряжения на диоде. Диод нужно подобрать так, чтобы он выдерживал начальный ток, равный току, протекающему в установившемся режиме через индуктивность; подойдет, например диод типа 1N4004.

Рис. 1.95. Блокирование индуктивного броска.

Единственным недостатком описанной схемы является то, что она затягивает затухание тока, протекающего через катушку, так как скорость изменения этого тока пропорциональна напряжению на индуктивности. В тех случаях, когда ток должен затухать быстро (например, быстродействующие контактные печатающие устройства, быстродействующие реле и т.д.), лучший результат можно получить, если к катушке индуктивности подключить резистор, подобрав его так, чтобы величина U_и + IR не превышала максимального допустимого напряжения на переключателе. (Самое быстрое затухание для данного максимального напряжения можно получить, если подключить к индуктивности зенеровский диод, который обеспечивает затухание по линейному, а не по экспоненциальному закону.)

Рис 1.96. RС-«демпфер» для подавления индуктивного броска.

Диодную защиту нельзя использовать для схем переменного тока, содержащих индуктивности (трансформаторы, реле переменного тока), так как диод будет открыт на тех полупериодах сигнала, когда переключатель замкнут. В подобных случаях рекомендуется использовать так называемую RC-демпфирующую цепочку (рис. 1.96). Приведенные на схеме значения R и С являются типовыми для небольших индуктивных нагрузок, подключаемых к силовым линиям переменного тока. Демпфер такого типа следует предусматривать во всех приборах, работающих от напряжений силовых линий переменного тока, так как трансформатор представляет собой индуктивную нагрузку. Для защиты можно также использовать такой элемент, как металлоксидный варистор. Он представляет собой недорогой элемент, похожий по внешнему виду на керамический конденсатор, а по электрическим характеристикам — на двунаправленный зенеровский диод. Его можно использовать в диапазоне напряжений от 10 до 1000 В для значений токов, достигающих тысяч ампер (см. разд. 6.11). Подключение варистора к внешним выводам схемы позволяет не только предотвратить индуктивные наводки на близлежащие приборы, но также погасить большие всплески сигнала, возникающие иногда в силовой линии и представляющие серьезную угрозу для оборудования.

Другие пассивные компоненты

Защита выходных транзисторов от перенапряжений,вызываемых ЭДС самоиндукции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         Защита коммутаторов ( если можно это так назвать )…

 

 

 

Защита выходных транзисторов от перенапряжений, вызываемых ЭДС самоиндукции

 

Ч0 защищать ? Ну в первую очередь выходной силовой транзистор,который дергает мандушку зажигания и испытывает нехилы нагрузки ( до 400 вольт,до 20 ампер,а то и больше). Второе по вылетанию звено – датчики,задающие момент зажигания.Третье – сами мелкосхемы,вылетающие при перенапряжениях и мильных импульсах «на входе».Плюс – соблюдение теплового режима .

 

Транзыстор в основном вылетает от перенапряжения — при колебательном процессе во вторичной обмотке мандушки зажигания (когда искра идет – для дибилов),в первичной обмотке индуцируется ЭДС самоиндукции до 400в,которая с радостью идет на транзистор,который – если не расчитан на такие напряжения участка К-Э (коллехтор-ебмиттер) – так же с радостью вылетает ( ясен болт,лежи себе спокойно в помойке и не грейся под током)

— и при превышении проходящего через него тока – когда переход КЭ открыт (идет накопление в первичной обмотке) ,по нему может жарить 20,а то и больше Ампер.Если транзюк на такой ток расчитан,и если превышение его максимального тока импульсное – то как правило ничего ему не делается,а вот если нет – опять же вылетает.

Защита от перенапряжений – самая простая – это мощный стабилитрон (или несколько последовательно включеных) парралельно участку К-Э

 

 

 

 

                                                                                           

 

 

Стабилитрон выбирается просто – смотрится какой транзюк (его марка),в справочнике ли в инете узнается его максимальное напряжение участка коллехтор-ебмиттер – и под это же (ну или чуть ниже,чтоб с запасом) напряжение выбирается стабилитрон,по параметру «напряжение пробоя»  (или стабилитронЫ,для включения последовательно,т.е. друг за другом),током от ампера и выше. K примеру – нужно ограничить до 400 вольт,тогда есть вариант – или два стабилитрона КС680 ( с напряжением пробоя 180 вольт каждый),включенные последом ( общее будет 180+180=360 воль) , или 4 стаба Д817Г по 100 в каждый ( соответственно в сумме будет 400в)… ну или искать буржуйский мощный под эти же параметры.

 

   Другой способ – стабилитрон в участок коллектор-база :

 

 

                                                           

 

Принцип – при увеличении напряга до уровня пробоя стабилитрона,тот пробивается и на базу транзюка прет ток,который его приоткрывает на период действия импулса перенапряжения.Проводящий участок колектор-эмиттер шунтирует источник напряжения,ограничивая импульс на приемлемом уровне. Обычно туда лепят КС518.

 

         Третий – наверное наиболее путний – за счет «внутренних средств» управляющей микросхемы  (L497, KC1055 )

В ентой микрухе реализована возможность защиты транзистора от перенапряжений – но вот не во всех моделях коммутаторов она включена  — заботой производятелов о своевременном «вылете» коммутатора и отдаванием наших денег за новый…

 

Сидит эта возможность на 15-м выводе (если микруха в 16-ти ножном корпусе.Если ног 20 – то на 18-м) , выглядит таким вот хреном

 

 

                                                                                    

Напряжение расчитывается по формуле (22,5/R3+ 0,005)*R2+22,5

По даташиту R2 5 килоом, R3  350 ом,напряжение около 350 в. Варьируя номиналы можно устанавливать требуемый порог ограничения напряжения.Один момент – прежде чем расчитывать – надо знать на какое напряжение расчитан транзистор,т.е. позырить его марку и порыться в справочнике.Хотя иногда их ставят не в корпусне а просто как пластинку,залитую компаундом,безо всяких маркировок ( встречались такие BU941)…

 

Ограничения по току тут не распейсываю,т.к. обычно оно уже задействовано производятелами штатными средствами мокросхемы.Единственный момнет,который указывался – менять токоограничивающий резистор,если он выполнен в виде припаяной полоски железа – на обычный резюк 0,1 Ом , 2 Ватта,марки С5-16МВ – дескать у пластинки края хреново пропаяны могут быть.

 

 

Следующий пункт по частоте вылетания – датчик Холла . Вылетать любит от бросков напряжения, и по непроверенной инфе – от изменения намагниченности меняются характеристики.Ну и заводской брак есть,как у мну было… Защита – опять же или стабилитроны по питанию ( по справочнику,напряжение питания от 6 до 16 вольт,допускаемые кратковременные броски напряга в бортсети ( до 10 микросекунд) – 42в у датчика ДМИ-01 и 34в у IAV2A,IAV10A, IAV50A ) или стабилизатор (извращенцы могут поставить внешний на КРЕН5 J  ), на заводах в некоторые моджели коммутаторов лепят такой параметрический стаб :

 

 

 

Менять вылетевший дрочевно,заделан он там так что надо будет сымать датчик-распределитель с двигла, вытаскивать вал…менее дрочевно ежели есть аварийный вибратор (в коммутаторе ли отдельно) – можно на ем доехать до гаража ли СТО,сношаться уже там.

 

 

Электромагнитный датчик – скажу честно,не общался.Единственный момент,какой про него знаю – что может Эдс на нем до сотни (или сотен) вольт достигать… ну и из его описания сделал домыслы – опять же намагниченность и провода в обмотке перегореть ли оборваться могут…

 

 

Еще пункт «вылетания» — сами микросхемы и входные части коммутаторов,те что сигнал с датчика принимают…

Микрухи L497 и аналоги летят опять же  «по питанию» , внутренний стаб микрухи ограничивает это дело от 7 до 8 вольт, дополнительный (7 вывод) – аж до 27,так что стабилитроны по питанию лишними не будут,ну и электрику развалюхи в порядке надо содержать,регулятор напряжения тот же…

Еще иногда на вывод «входа сигнала от датчика» тоже стаб вешают,типа КС456,или конденсатор 2,2 нФ – для ограничения импулься ежели таковой возникнет.

 

Вылетание входной части обычно бывает у коммутаторов,работающих с электро-магнитным датчиком,т.к. производители лепят (вернее лепили) туда обычно ту же L497 и ее аналоги,дорабатывая «вход»  транзисторным каскадом,дабы сигнал датчика был понятен микрухе. Для э/м датчика существует своя микруха,именуемая как L484, и ее Российский аналог К1055КП1 (видимо недавно появился,т.к. ранее об ем не слыхал ).Вот тот транзюковый каскад обычно и вылетает,вотправда от чего – не скажу т.к. не знаю,гы-гы-гы. Догадываюсь что опять же «по питанию» или от ЭДС-а выше сотни вольт (см.выше).

 

Меры по защите сигнализаторов при возникновении ЭДС самоиндукции

В целях устранения пагубного влияния ЭДС самоиндукции применяются искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.

Не вдаваясь в физику переходных процессов рассмотрим наиболее действенные и широко применяемые искрогасящие цепи постоянного и переменного тока.

Цепи постоянного тока

Кремниевый диод включается параллельно индуктивной нагрузке, при замыкании контактов и в установившемся режиме не оказывает никакого воздействия на работу схемы. При отключении нагрузки возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку. Диоды наиболее эффективно предохраняют контакты реле от обгорания и являются лучшим решением, по сравнению с любыми другими схемами искрогашения. Такой способ применим и к сигнализаторам с транзисторным выходом.

Правила выбора обратного диода:

• Рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для нагрузок с рабочим напряжением до 250В DC и рабочим током до 5 А вполне подходит распространенный кремниевый диод 1N4007 с обратным напряжением 1000В DC и максимальным импульсным током до 20 А;
• Выводы диода должны быть как можно короче;
• Диод следует припаивать (привинчивать) непосредственно к индуктивной нагрузке, без длинных соединительных проводов – это улучшает ЭМС при процессах коммутации.

Цепи переменного и постоянного тока

RC-цепь является наиболее дешёвым и широко применяемым средством защиты цепей как переменного, так и постоянного тока.

В отличие от диодных схем, RC-цепи можно устанавливать как параллельно нагрузке, так и параллельно контактам реле. В некоторых случаях нагрузка физически недоступна для монтажа на ней искрогасящих элементов, и тогда единственным способом защиты контактов остается шунтирование контактов RC-цепями.

Расчет RC-цепи, подключаемой параллельно контактам реле:

Проще всего пользоваться универсальной номограммой. По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

RC-цепь, подключаемая параллельно нагрузке:

Применяется там, где нежелательна или невозможна установка RC-цепи параллельно контактам реле. Для расчета предлагаются следующие ориентировочные значения элементов:

• С = 0,5 … 1 мкф на 1 А тока нагрузки;
• R = 0,5 … 1 Ом на 1 В напряжения на нагрузке или
• R = 50…100% от сопротивления нагрузки.

Приведенные значения R и С не являются оптимальными. Если требуется максимально полная защита контактов и реализация максимального ресурса реле, то необходимо провести эксперимент и опытным путем подобрать резистор и конденсатор, наблюдая переходные процессы с помощью осциллографа.

Для защиты выходных транзисторных каскадов сигнализаторов RC-цепь подключают параллельно нагрузке.

Защита контактов реле от бросков напряжения и токов в цепях переменного и постоянного тока

В этой статье речь пойдет о защите контактов реле и входных цепей устройств чувствительных к воздействию бросков напряжения и тока в цепях постоянного и переменного тока с использованием:

• RC цепочки;
• диодной цепи;
• диодно-стабилитронной цепи;
• варисторной цепи.

При включении и отключении различного электрооборудования ток в электрической цепи, как правило, отличается от установившегося значения. При этом величина разброса составляет разы. Ниже приведены диаграммы изменения тока при включении различных характерных типов нагрузок.

При отключении индуктивной нагрузки возникает ЭДС самоиндукции (от несколько сотен до нескольких тысяч вольт). Такой бросок напряжения способен повредить коммутационный элемент, или существенно снизить его ресурс. Если ток в этих нагрузках относительно невелик (единицы ампер), то воздействие ЭДС самоиндукции на контакты, коммутирующие индуктивную нагрузку, может привести к коронного разряда или дуги.

Это, в свою очередь, может привести к появлению на контактах оксидов и карбидов. Воздействие ЭДС самоиндукции может также повредить устройство, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания.

Например, электронное реле времени, подключенное параллельно мощному промежуточному реле, может быть повреждено, либо нестабильно работать, если не предпринимать мер по защите от ЭДС самоиндукции.

При возникновении электрической дуги между контактами происходит разрушение мест контакта вследствие переноса материала контактирующих поверхностей. Это ведет к свариванию контактов и изменению формы контактов и, как следствие, к увеличению переходного сопротивления.

Увеличение переходного сопротивления приводит к росту выделения тепла в месте контакта, его окислению и, как результат, к полной потере контакта.

Для сохранения ресурса контактов и защиты нагрузок применяются различные способы защиты.

Защита контактов и входных цепей устройств, чувствительных к воздействию бросков напряжения и тока в цепях постоянного и переменного тока.

Тип цепи защиты		Род тока		Указания по применению	Примечание
		Пер.	Пос.
RC цепочки		+	+	Если нагрузкой является таймер, ток утечки, протекающий через RC цепь может привести к ошибке. При использовании на переменном токе, необходимо чтобы импеданс нагрузки был существенно меньше импеданса RC цепи.	При выборе номиналов RC цепи необходимо руководствоваться следующим: R – 0,5…1 Ом на 1В напряжения на контактах (или на нагрузке). С – 0,5…1 мкФ на 1А тока через контакты (или в нагрузке). Номиналы очень зависят от свойств нагрузки и характеристик ключа. Используйте неполярные конденсаторы.
		+	+	Если нагрузка реле или соленоид, то время отпускания увеличится.
Диодная цепь		—	+	Поскольку диод подключен параллельно нагрузке, энергия, запасенная в ней замыкается через диод, что приводит к увеличению времени отпускания по сравнению с RC цепью в 2…4 раза.	Используйте диод с обратным напряжением в 10 раз превосходящим напряжение на нагрузке и максимальным прямым током несколько большим чем ток в нагрузке.
Диодно-стабилитронная цепь		—	+	Используется если время затухания переходного процесса с диодной цепью слишком велико.	Используйте стабилитрон с напряжением стабилизации примерно равным напряжению источника питания.
Варисторная цепь		+	+	Используя свойство варистора стабилизировать напряжение на нем эта цепь предотвращает чрезмерно высокое напряжение на нагрузке. Использование варистора также несколько увеличивает время отпускания.

Поделиться в социальных сетях