Применение устройств подавления бросков

Применение устройств подавления бросков
напряжения в реле постоянного тока
Перевод с английского сделал UR3IIL Огромное спасибо
Данная статья написана в ответ на многочисленные сообщения о проблемах,
возникающих в результате неправильного применения устройств подавления
бросков напряжения (в дальнейшем УПБН) в реле постоянного тока. Самая
распространенная проблема - это «залипание» нормально открытых
контактов при коммутации индуктивных нагрузок или ламп с большим
начальным током.
Необходимость подавления бросков напряжения
При мгновенном отключении питания эл. магнитного реле с помощью
механического выключателя или полупроводникового устройства,
уменьшающееся магнитное поле вызывает значительный бросок напряжения
в своем стремлении рассеять запасенную энергию и воспрепятствовать
неожиданному прекращению протекания тока. Так например, в реле на 12В
пост. тока броски тока при отключении реле могут достигать 1000 – 1500В.
Такие значительные броски тока создают помехи современным электронным
системам, выводят из строя полупроводниковые устройства, вызывают
повышенный износ выключателей. Поэтому общепринято применять УПБН,
которые ограничивают пиковое напряжение на значительно меньшем уровне.
Типы применяемых устройств
На рис. 1 показана обычно применяемая схема УПБН. Как следует из
рисунка, УПБН может подключаться как параллельно катушке, так и
параллельно выключателю, коммутирующему реле. Обычно
предпочтительнее подключать такое устройство параллельно обмотке реле,
поскольку в этом случае данное устройство располагается в
непосредственной близости от реле (в случае монтажа на печатных платах
применяют как первый, так и второй способ подключения).
В случае подключения параллельно обмотке реле можно применять такие
устройства:
- двунаправленный диод, вольт-амперные характеристики которого подобны
двум стабилитронам, соединенным катод к катоду (или анод к аноду);
- выпрямительный диод с обратно-смещенным p-n переходом, включенный
последовательно со стабилитроном так, что их аноды (или катоды) являются
общими и при этом выпрямитель предотвращает нормальное протекание
тока;
- металл-оксидный варистор (MOV);
- выпрямительный диод с обратно-смещенным p-n переходом, включенный
последовательно с резистором;
- наиболее экономным является применение резистора, там где это
возможно;
- выпрямительный диод с обратно-смещенным p-n переходом;
- демпфирующее устройство из резистора и конденсатора, наименее
экономичный вариант, в настоящее время не применяется;
- бифилярно наматываемая дополнительная обмотка реле. Это не практичный
вариант, т.к. значительно увеличиваются стоимость и размеры реле.
Параллельно выключателю обычно подключают стабилитрон или
демпфирующее устройство из резистора и конденсатора. Все замечания,
высказанные в отношении устройства, подключаемого параллельно катушке,
относятся и к устройству, подключаемому параллельно выключателю.
Рис. 1 Схема подключения УПБН.
Подключение параллельно катушке.
Подключение параллельно выключателю.
Влияние УПБН на динамику реле и срок службы
Хотя применение УПБН является общепринятой практикой, однако
проектируют реле без учета динамического воздействия УПБН. Таким
образом, оптимальный срок службы контактов (нормально открытых
контактов) оговаривается при работе реле без УПБН и справочные данные о
расчетном электрическом сроке службы также базируются на работе реле без
УПБН. Для успешного размыкания цепи постоянного тока необходимо, чтоб
контакты реле работали на размыкание очень быстро.
В типовом реле имеет место ускорительное движение якоря в направлении
отключенного состояния при отключении реле. Скорость движения якоря в
момент размыкания контактов играет важную роль в предотвращении
«залипания» контактов и позволяет разорвать слегка приваренные контакты
при включении большеточной резистивной нагрузки или нагрузки с большим
пусковым током. И именно на скорость движения якоря и оказывают влияние
УПБН. Если УПБН создает токопроводную цепь, то происходит медленный
спад запасенной в магнитной цепи реле энергии, движение якоря замедляется
и он может даже кратковременно изменить направление движения. В
результате этого происходит повторное замыкание контактов (особенно при
коммутировании индуктивной нагрузки), что зачастую приводит к
«залипанию» контактов, от которого реле может освободиться при
повторном включении, а может и не освободиться. С учетом влияния на
перемещение якоря в реле с нормально открытыми контактами,
оптимальным является применение кремниевого диода в качестве УПБН. Он
оказывает минимальное влияние на динамику отпускания реле, поскольку
напряжение будет расти до определенной величины, а затем ток потечет
через небольшое сопротивление. В результате этого произойдет быстрое
рассеяние запасенной энергии на УПБН. Такие диоды выпускаются в виде
двунаправленных компонентов и позволяют реле быть неполяризованным
при установке в схему. Следует иметь в виду, что если применить
однонаправленный диод, то последовательно с ним необходимо включить
выпрямительный диод, который будет блокировать нормальное протекание
тока, такой вариант имеет небольшое преимущество перед применением
стабилитрона. Подбирать УПБН следует таким, чтобы его расчетный
импульсный параметр превосходил ожидаемую величину броска напряжения
при отключении катушки реле.
Металл-оксидный варистор дает примерно такие же результаты, как и
подавляющий диод, но имеет более высокое сопротивление во «включенном
состоянии», поэтому бросок напряжения достигает более высокой величины.
Например, подавляющий диод на 33В имеет фиксацию уровня напряжения в
пределах 30 – 36В, тогда как у MOV варистора на 33В фиксация уровня
напряжения находится в пределах 45 - 55В (эти данные базируются на
типовых автомобильных реле с током катушки 130мА). Если это повышение
напряжения не играет роли, то такой варистор будет экономнее
подавляющего диода и также превращает реле в неполяризованное.
Если реле должно быть поляризованным, то наилучшим решением является
применение выпрямительного диода с обратно-смещенным p-n переходом,
включенного последовательно со стабилитроном. Применение такого УПБН
рекомендует фирма «Сименс» для автомобильных реле. Влияние на
динамику отпускания якоря минимальное и не снижается надежность. Такой
метод довольно экономичный, но нужно подобрать стабилитрон с
соответствующим пробивным напряжением и импульсными
характеристиками, отвечающими конкретному реле. Если реле установлены
на печатных платах и для их коммутации используют транзисторы,
стабилитроны можно подключать параллельно транзисторам, так например,
если транзистор с общим эмиттером, то катод стабилитрона подключается к
коллектору, а анод к эмиттеру (в таких цепях не применяют последовательно
соединяемый выпрямительный диод).
В случае реле, коммутирующих не очень большую нагрузку, успешно
применяют выпрямительный диод с обратно-смещенным p-n переходом,
включенный последовательно с резистором, при этом резистор нужно
выбирать достаточно большой величины, чтобы обеспечить достаточно
быстрое рассеяние запасенной в реле энергии и не допустить слишком
большого броска напряжения. Величину сопротивления резистора можно
вычислить по известной формуле:
R = Vпик/Iкат
R – величина сопротивления в Омах;
Vпик – допускаемый пиковый бросок напряжения;
Iкат – ток в катушке реле в стабильном состоянии.
Реальная пиковая величина броска напряжения будет меньше вычисленной
по данной формуле из-за потерь энергии в резисторе. При использовании
такого УПБН следует получить у изготовителя рекомендуемые исходные
величины.
Можно также использовать и просто резистор в качестве УПБН, если не
имеют значения дополнительное рассеяние энергии и тепловыделение на
резисторе. В большинстве случаев это оказывается самый экономный метод
(при условии правильного выбора величины резистора, чтоб не было
отрицательного влияния на работу реле). Обычно этот метод рекомендует
применять фирма «Сименс», если позволяют конкретные условия.
Многие инженеры используют только лишь выпрямительный диод в
качестве УПБН. Этот метод является экономичным и полностью устраняет
броски напряжения, однако оказывает очень сильное отрицательное
воздействие на работу реле. Например, отмечается необъяснимое частое
«залипание» контактов в таких системах. В некоторых случаях применения
это незначительная проблема и оператор может восстановить
работоспособность несколькими последовательными
включениями/выключениями. Однако в других случаях такое залипание
может полностью вывести систему из строя. В таких системах необходимо
применять УПБН других типов.
Ниже приведены данные по быстродействию реле с использование УПБН
различных типов. Реле автомобильные, катушка 55 Ом, напряжение 13,8В
пост. тока.
Тип УПБН
Время
Теоретический
Практический
отпускания бросок
бросок
(мсек)
напряжения
напряжения
Без УПБН
Диод и стабилитрон 24В
Резистор 680 Ом
Резистор 470 Ом
Резистор 330 Ом
Резистор 220 Ом
Резистор 100 Ом
Резистор 82 Ом
Диод
Предлагаемый метод подавления броска напряжения
С точки зрения физики рекомендуемым методом подавления броска
напряжения является применение выпрямительного диода с обратносмещенным p-n переходом, включенного последовательно со стабилитроном,
подключаемого параллельно катушке реле. Такой метод обеспечивает
оптимальную динамику отпускания и срок службы нормально открытых
контактов. Этот метод можно применять и в схемах на печатных платах,
однако если реле устанавливается в гнездо, то более практичным будет
применение одного резистора.
Если допускаются значительные броски напряжения и значительное
рассеяние мощности, то можно рекомендовать применение резистора. С
точки зрения FMEA – метода анализа выхода из строя и его последствий,
резистор в меньшей степени повышает вероятность выхода системы из строя,
чем два диода описанных выше (при условии правильного выбора величины
резистора, чтоб не было отрицательного влияния на динамику отпускания
реле). Следует отметить. Что оптимальная величина сопротивления
резистора для реле одного типа, не будет правильной для реле другого типа.
После освещения различных методик подавления бросков напряжения в
случае реле с нормально открытыми контактами, следует добавить
комментарии по реле с нормально закрытыми контактами. Если основная
нагрузка подключена к нормально закрытым контактам (а вспомогательная
нагрузка или никакая нагрузка к нормально открытым контактам), то
желательно применять только лишь выпрямительный диод в качестве УПБН
(или, возможно, выпрямительный диод и резистор небольшой величины,
подключенный последовательно). Замедленное перемещения якоря реле,
отрицательно влияющее на нормально открытые контакты, оказывает
положительное влияние на нормально закрытые контакты. При этом
наблюдается меньший дребезг контактов при замыкании нормально
закрытых контактов. Это объясняется меньшей ударной скоростью якоря и
такой метод использовался для улучшения работы реле с нормально
закрытыми контактами.
-------------- ----------------- ------------------- ------------------ ----------------