Kaip pratęsti relės tarnavimo laiką naudojant lanko slopinimo ir slopinimo grandines

Relės sugenda daug anksčiau, nei žada jų duomenų lapai. Tai dažna ir brangi problema. Tai atsitinka pramoniniuose valdikliuose, automatikos sistemose ir net pažangiuose hobio projektuose. Pagrindinis kaltininkas dažnai yra tylus žudikas: elektros lankas per kontaktus.

Šis ankstyvas relės gedimas neturi įvykti. Sprendimas yra suprasti ir naudoti veiksmingą lanko slopinimą.

Šiame vadove pateikiamas išsamus ir praktiškas pagrindinių relės kontaktų apsaugos metodų paaiškinimas. Apžvelgsime elektros lanko mokslą. Tada išnagrinėsime, kaip naudoti „flyback“ diodų grandines, RC slopinimo konstrukciją ir metalo oksido varistorius (MOV). Pabaigoje jūs žinosite, kaip diagnozuoti gedimus ir sukurti stiprias grandines, kurios žymiai pagerina relės tarnavimo laiką.

Kodėl sugenda perdavimo kontaktai

Norėdami išspręsti problemą, pirmiausia turime suprasti fiziką. Kontaktų erozijos prevencija prasideda žinant, kaip sugenda ir sugenda relės kontaktai. Šis degradavimas yra nuspėjamas. Jis atsiranda dėl elektrinio ir mechaninio įtempio perjungiant apkrovą. Šio proceso supratimas yra jūsų pirmasis žingsnis veiksmingos prevencijos link.

Kontakto atidarymas ir uždarymas

Relė yra elektromechaninis jungiklis. Kai įjungiate jo ritę, magnetinis laukas judina armatūrą. Dėl to kontaktai užsidaro arba atsidaro, užbaigiant arba nutraukiant grandinę. Tai įvyksta per milisekundes.

Veiksmas atrodo paprastas. Tačiau elektriniai įvykiai kontaktiniuose paviršiuose yra sudėtingi ir potencialiai destruktyvūs. Tai ypač aktualu perjungiant indukcines apkrovas. Varikliai, solenoidai, vožtuvai ir net kitos relės ritės sukuria šias sudėtingas sąlygas.

Elektros lanko supratimas

Elektros lankas yra labai jonizuotas plazmos kanalas. Jis susidaro, kai įtampa tarp dviejų laidininkų tampa pakankamai aukšta, kad sumažėtų oro dielektrinis stiprumas. Pagalvokite apie relės kontaktų atidarymą, kai tarp jų yra įtampos tarpas.

Kai relė sumažina srovę iki indukcinės apkrovos, žlungantis magnetinis laukas sukuria didelį įtampos šuolį. Tai vadinama atgal-EMF. Spygliuočio poliškumas yra priešingas maitinimo įtampai. Jis gali siekti šimtus ar tūkstančius voltų, gerokai viršijant įprastą darbinę įtampą. Ši aukšta įtampa uždega ardomąjį lanką, kai kontaktai atsiskiria.

Pakartotinis elektros lankas sukelia didelę žalą:

Kontaktų įdubimas ir erozija: intensyvus lanko karštis pasiekia tūkstančius laipsnių Celsijaus. Jis tiesiogine prasme išgarina nedidelius kontaktinės medžiagos kiekius. Dėl to susidaro mažos duobės ir krateriai, pažeidžiantys kontaktinį paviršių.

Medžiagos perdavimas: lanko metu išlydytas metalas juda iš vieno kontakto į kitą. Taip viename kontakte sukuriamas „vamzdis“, o kitame – atitinkamas „krateris“. Rezultatas yra prastas, didelio{2}}priešingumo ryšys ir galimas gedimas.

Kontaktinis suvirinimas: esant stipriai-srovei arba esant dideliems lanko reiškiniams, kontaktai pakankamai įkaista, kad išsilydytų ir susilietų. Suvirintoji relė sugenda nuolat įjungta. Tai gali būti katastrofiška jūsų kontroliuojamai sistemai.

Oksidacija ir karbonizacija: Aukšta lanko temperatūra pagreitina chemines reakcijas su aplinkiniu oru. Taip ant kontaktinių paviršių susidaro izoliaciniai metalo oksidų ir anglies nuosėdų sluoksniai. Žymiai padidėja kontaktinis pasipriešinimas, sukeliantis perkaitimą ir gedimą.

Varžinės ir indukcinės apkrovos

Grynai varžines apkrovas, kaip ir paprastus kaitinimo elementus, perjungti daug lengviau relės kontaktuose. Kai atidarote grandinę, įtampa tarp kontaktų tik pakyla iki maitinimo įtampos lygio. Paprastai to nepakanka norint pradėti reikšmingą lanką.

Indukcinės apkrovos kaupia energiją magnetiniuose laukuose. Staigus, nekontroliuojamas šios sukauptos energijos išleidimas perjungimo metu sukelia žalingus įtampos šuolius. Dėl to lanko slopinimas yra labai svarbus projektuojant.

Pagrindinis slopinimo principas

Kibirkšties prisijaukinimas yra energijos valdymas. Pagrindinis principas nebūtinai yra visiškai užkirsti kelią kibirkštims. Tai yra didžiulės energijos, kurią išskiria indukcinės apkrovos, valdymas.

Tikslas yra sukurti alternatyvų, saugų kelią sukauptai energijai išsklaidyti. Užuot leidę jai smarkiai išsikrauti kaip lankas per atidaromus relės kontaktus.

Ką reiškia slopinimas

Lanko slopinimas reiškia aktyvų įtampos ir srovės valdymą relės kontaktuose perjungimo metu. Norime užkirsti kelią sąlygoms, kurios leidžia susidaryti lankams ir išsilaikyti.

Tai pasieksite suteikdami srovei iš žlungančio magnetinio lauko lengvesnį kelią. Užuot veržusi kelią per oro tarpą, energija nukreipiama į tam skirtą apsaugos grandinę. Ten jis nekenksmingai išsisklaido, dažniausiai kaip nedidelis šilumos kiekis.

Dvi pagrindinės strategijos

Yra dvi pagrindinės lanko slopinimo strategijos. Dauguma apsaugos grandinių naudoja vieną arba abu būdus.

Įtampos fiksavimas: tai apriboja didžiausios įtampos šuoliai tarp kontaktų iki lygio, kuris yra saugiai žemesnis už oro tarpo gedimo įtampą. Jei įtampa niekada nepasidaro pakankamai aukšta, lankai negali susidaryti. Tokie komponentai kaip Zener diodai ir MOV pirmiausia užtikrina įtampos fiksavimą.

Srovės nukreipimas: tai suteikia mažos{0}} varžos kelią išsaugotai indukcinei energijai, kai kontaktai atsidaro. Srovė nukrypsta nuo kontaktų tarpo ir ilgesnį laiką išsisklaido kontroliuojamame komponente. „Flyback“ diodų grandinės ir RC slopinimo grandinės yra puikūs pavyzdžiai.

Nuolatinės srovės apkrovos apsauga

Relės kontaktams, perjungiantiems nuolatinės srovės indukcines apkrovas, apsaugoti dažniausiai naudojamas „flyback“ diodas. Tai paprasta, efektyvu ir būtina norint užtikrinti nuolatinės srovės grandinių su solenoidais, varikliais ir relės ritėmis ilgaamžiškumą.

Kaip veikia „Flyback“ diodas

Flyback diodas, dar vadinamas laisvos eigos diodu, jungiasi lygiagrečiai su indukcine apkrova. Labai svarbu, kad jį įdiegtumėte atvirkštine{1}}krypties kryptimi, palyginti su maitinimo šaltinio poliškumu.

Štai seka:

Relė uždaryta: normaliai veikiant, srovė teka iš nuolatinės srovės tiekimo per relės kontaktus ir indukcinę apkrovą. Diodas yra atvirkštinis{1}}ir nelaidus. Tai praktiškai nematoma grandinei.

Relė atsidaro: atsidaro momentinės relės kontaktai, nutrūksta srovės kelias. Magnetinis laukas apkrovos ritėje pradeda žlugti, sukeldamas aukštą-įtampos atgal-priešingo poliškumo EMF.

Diodų laidai: šis atvirkštinio-poliškumo įtampos šuolis dabar nukreipiamas į priekį-pakeičia grįžtamąjį diodą. Diodas iš karto veda, sukurdamas uždarą kontūrą srovei per apkrovos ritę ir patį diodą.

Ši srovė „laisva eiga“ arba „skrenda atgal“ per kilpą. Jis saugiai išsklaido sukauptą magnetinę energiją kaip šilumą ritės apvijos varžoje ir nedidelį įtampos kritimą per diodą. Įtampos šuolis per relės kontaktus prispaudžia diodo tiesioginę įtampą (paprastai nuo 0,7 V iki 1 V). Tai per mažai, kad būtų galima pradėti lanką.

Norėdami tai įgyvendinti, prijunkite diodo katodą (pusę, kuri paprastai pažymėta juostele) prie apkrovos nuolatinės srovės maitinimo jungties teigiamos pusės. Prijunkite anodą prie neigiamos pusės.

Tinkamo diodo pasirinkimas

Pasirinkti tinkamą „flyback“ diodą yra paprasta. Turite atsižvelgti į tris pagrindines specifikacijas.

Išorinė srovė (jeigu): diodo nuolatinė tiesioginė srovė turi būti lygi pastoviosios būsenos -srovei, kurią ima indukcinė apkrova, arba ją viršyti. Pasirinkite diodą, kurio nominalioji vertė patogiai viršija apkrovos srovę.

Didžiausia pasikartojanti atvirkštinė įtampa (VRRM): Diodo atvirkštinė įtampa turi viršyti grandinės maitinimo įtampą. Mažiausiai 2 kartus didesnis saugos koeficientas yra patikima praktika. 24 V nuolatinės srovės grandinėms diodas, kurio VRRM yra 50 V arba didesnis (pvz., 1N4001), yra puikus pasirinkimas.

Diodo greitis (trr): Daugumoje elektromechaninių relių, kurios persijungia gana lėtai, standartiniai lygintuvų diodai, tokie kaip 1N400x serija, veikia puikiai. Tačiau jei perjungiate apkrovas aukštu dažniu naudodami kietojo kūno-įtaisus (pvz., PWM variklio greičiui valdyti), jums reikia greito-atkūrimo arba Šotkio diodų, kad būtų užtikrintas pakankamai greitas įjungimas.

Išjungta-Išjungimo laiko prekyba-

Paprastas „flyback“ diodas turi vieną pastebimą trūkumą: jis pailgina apkrovos išjungimo{0}}laiką. Kadangi srovė cirkuliuoja ilgiau, magnetinis laukas žlunga lėčiau.

Relių ar kontaktorių atveju tai reiškia, kad armatūra atsipalaiduoja lėčiau. Solenoidinių vožtuvų vožtuvai užsidaro ilgiau. Daugumoje programų šis nedidelis delsimas (dažnai tik dešimtys milisekundžių) nėra problema. Tačiau didelės-greities ar laiko-kritinėse sistemose turite į tai atsižvelgti. „Zener“ diodas nuosekliai sujungtas su „flyback“ diodu gali pagreitinti energijos išsklaidymą, tačiau tai padidina sudėtingumą pažangesniems projektams.

Kintamosios srovės apkrovos apsauga

Kontaktų apsauga kintamosios srovės grandinėse yra sudėtingesnė nei nuolatinės srovės grandinėse. Paprastas diodas neveiks, nes jis sukurtų trumpąjį jungimą per pusę kintamosios srovės ciklo. Vietoj to, mes pasikliaujame dviem pagrindiniais komponentais: RC slopinimo grandine ir metalo oksido varistoriumi (MOV).

RC Snubber grandinė

RC slopintuvas yra universalus ir efektyvus lanko slopinimui tiek kintamosios srovės, tiek nuolatinės srovės grandinėse. Tačiau tai yra kintamosios srovės indukcinių apkrovų sprendimas. Jį sudaro nuosekliai sujungtas rezistorius ir kondensatorius. Šis R-C tinklas jungiasi lygiagrečiai su komponentu, kurį norite apsaugoti,-paprastai relės kontaktus.

RC snubber atlieka svarbias dvi funkcijas:

Ribos įtampos kilimas (dV/dt): Atsidarius relės kontaktams, kondensatorius suteikia pradinį srovės kelią. Tai neleidžia akimirksniu pakilti įtampai tarp kontaktų ir suteikia kontaktams daugiau laiko fiziškai atsiskirti. Lėtinant įtampos kilimo greitį (dV/dt), jis neleidžia įtampai pasiekti lankinio potencialo, kol kontaktų tarpas pakankamai neišsiplečia, kad atlaikytų.

Įsijungimo srovės ribos: kai relės kontaktai užsidaro, per juos išsikrauna kondensatorius (kuris gali būti įkrautas). Serijos rezistorius čia yra labai svarbus. Tai apriboja šią iškrovos srovę iki saugaus lygio. Be rezistoriaus momentinis srovės šuolis iš kondensatoriaus gali būti pakankamai didelis, kad suvirintų relės kontaktus.

Praktinis Snubber dizaino vadovas

Nors tikslus slegiantis dizainas gali apimti sudėtingus skaičiavimus, pagrįstus apkrovos induktyvumu ir kintamąja talpa, -nustatytos taisyklės--pritaikymas ypač gerai veikia bendrosios paskirties programoms.

Štai žingsnis{0}}po-pagrindinio RC stabdymo dizaino procesas:

Pasirinkite rezistorių (R): kaip pradžios tašką naudokite maždaug 1 omą vienam kontaktiniam voltui. 120 V kintamosios srovės grandinėms tinkamas maždaug 100–120 omų rezistorius. 240 V kintamosios srovės grandinėse pradėkite nuo 220–240 omų. Šalia skaičiavimo pasirinkite standartinę rezistoriaus vertę.

Pasirinkite kondensatorių (C): įprasta taisyklė yra 0,1 mikrofarado (µF) vienam apkrovos srovės amperui. 2A apkrovai tiktų 0,22 µF kondensatorius.

Apskaičiuokite rezistoriaus galią (P): rezistorius turi išsklaidyti energiją, kurią jis sugeria per kiekvieną ciklą. Apytikslę galios apytikslę vertę galima apskaičiuoti P ≈ C × V², kur C yra talpa Faradais, o V yra RMS linijos įtampa. 120 V grandinėse su 0,1 µF kondensatoriais galia būtų (0,1 × 10⁻⁶) × 120²=1.44 W. Visada rinkitės rezistorius, kurių galia yra bent du kartus didesnė už apskaičiuotą saugumo ir ilgaamžiškumo vertę. Šiuo atveju tiktų 3W arba 5W rezistoriai.

Pasirinkite kondensatoriaus įtampą: tai labai svarbu saugumui. Kondensatorius turi būti specialiai pritaikytas naudoti kintamosios srovės linijoje. Ieškokite „X-type“ saugos kondensatorių. Vardinė įtampa turėtų būti žymiai didesnė už linijos įtampą. 120 V kintamosios srovės linijoms naudokite bent 250 V kintamosios srovės kondensatorius. 240 V kintamosios srovės linijoms reikia 400 V kintamosios srovės arba, dažniau, 630 V nuolatinės srovės.

Pro-patarimas iš patirties: visada naudokite ne-induktyviuosius rezistorius. Standartiniai vieliniai-apvijimo rezistoriai turi savo induktyvumą, kuris gali trikdyti slopinimo funkciją ir sumažinti efektyvumą. Pirmenybė teikiama anglies sudėties, anglies plėvelės arba metalo plėvelės rezistoriams.

Metalo oksido varistorius (MOV)

Metalo oksido varistorius (MOV) yra nuo įtampos{0}}priklausantis rezistorius. Jis veikia kaip atvira grandinė esant normaliai darbo įtampai. Tačiau jis tampa laidininku, kai jo įtampa viršija vardinę „užspaudimo įtampą“.

MOV puikiai tinka dideliems, greitiems ir didelės{0}}energijos pereinamiesiems procesams. Tai apima žaibo smūgius arba didelį indukcinės apkrovos perjungimą toje pačioje elektros linijoje. Paprastai jie jungiasi lygiagrečiai su apkrova arba per kintamosios srovės maitinimo linijos įvestį prie įrenginio.

Pagrindinis MOV apribojimas yra tai, kad tai yra aukojamas komponentas. Kiekvieną kartą, kai jis sugeria pereinamąjį veiksmą, jo vidinė struktūra šiek tiek pablogėja. Laikui bėgant ir po daugelio įvykių jo suspaudimo įtampa krenta. Galiausiai jis sugenda, dažnai dėl trumpojo jungimo. Dėl šios priežasties visada naudokite jį su saugikliu arba grandinės pertraukikliu. Pagalvokite apie tai kaip apie žiaurų-jėgos trumpalaikį sugėriklį, o ne apie tiksliai-sureguliuotą lanko slopinimo įtaisą, pavyzdžiui, slopintuvą.

Tinkamo metodo pasirinkimas

Esant kelioms galimybėms, tinkamų apsaugos būdų pasirinkimas gali atrodyti sudėtingas. Pasirinkimas visiškai priklauso nuo jūsų taikymo: apkrovos tipo (AC/DC, induktyvumo lygis) ir konkrečių apsaugos tikslų. Ši sistema padės priimti teisingą inžinerinį sprendimą.

Apsaugos metodų palyginimas

Šioje lentelėje pateikiamas aiškus trijų pagrindinių aptartų metodų palyginimas.

Realūs{0}}pasaulio scenarijai

Taikykime šias žinias įprastuose inžinerijos scenarijuose.

1 scenarijus: 24 V DC solenoidinio vožtuvo valdymas.

Rekomendacija: naudokite „flyback“ diodą. Standartinis 1N4004 diodas, pastatytas tiesiai per du solenoido gnybtus (su katodu į +24V), yra paprasčiausias, pigiausias ir efektyviausias sprendimas. Jis visiškai nuslopins atgal-EMF ir apsaugos relės kontaktus.

2 scenarijus: 120 V kintamosios srovės vandens siurblio su 3 A srove perjungimas.

Rekomendacija: RC slopintuvas per relės kontaktus yra idealus. Naudodamiesi mūsų vadovu, pradėtume nuo 120 omų rezistoriaus ir 0,33 µF kondensatoriaus (0,1 µF vienam amperui). Reikėtų apskaičiuoti rezistoriaus galią ir saugiai padidinti jo dydį. Siekiant papildomo tvirtumo, MOV gali prisijungti per kintamosios srovės liniją, tiekiančią visą valdymo bloką, kad apsaugotų nuo išorinių viršįtampių.

3 scenarijus: mikrovaldiklio 5 V loginis kaištis, varantis 12 V relę.

Rekomendacija: šis scenarijus turi du apsaugos taškus. Pirma, pati 12 V relės ritė yra nuolatinės srovės indukcinė apkrova. Skrydžio atgalinis diodas (pvz., 1N4148 arba 1N4001) turi jungtis per relės ritę, kad apsaugotų tvarkyklės tranzistorių arba IC nuo ritės galinės -EMF. Antra, kad ir kokia būtų apkrova relės kontaktų jungiklis (AC arba DC), turi turėti atitinkamą apsaugą (snubber, MOV ar kitą grįžtamąjį diodą), kad apsaugotų pačius relės kontaktus.

Dažnos klaidos, kurių reikia vengti

Dešimtmečių patirtis šioje srityje atskleidžia keletą bendrų klaidų diegiant kontaktų apsaugą. Jų išvengti yra taip pat svarbu, kaip pasirinkti tinkamus komponentus.

Nestatykite grįžtamojo diodo ant kintamosios srovės apkrovos arba kintamosios srovės relės ritės. Jis veiks kaip lygintuvas ir sukurs tiesioginį trumpąjį jungimą per pusę kintamosios srovės ciklo. Tai sugadins diodą ir greičiausiai perdegs saugiklis arba sugadins maitinimo šaltinį.

Nepamirškite serijinio rezistoriaus RC slopintuve. Kondensatorius, esantis tiesiai ant kontaktų, sukels didžiulę, momentinę įjungimo srovę, kai kontaktai užsidarys. Tai daugiau nei gali suvirinti juos jau pirmą kartą.

Nesumažinkite komponentų įvertinimų. Snubber rezistorius, kurio galia yra nepakankama, perkais ir suges. Per žemos įtampos kondensatorius sugenda ir suges. Visada naudokite dideles saugos ribas.

Nestatykite apsaugos grandinių toli nuo pereinamojo laikotarpio šaltinio. Siekiant maksimalaus efektyvumo, apsaugos komponentai turi būti fiziškai išdėstyti kuo arčiau komponento, kurį jie saugo. Tiesiai prie apkrovos gnybtų diodams arba tiesiai prie relės kontaktų, skirtų slopintuvams. Ilgi laidai padidina induktyvumą ir gali sumažinti grandinės veikimą.

Pastatas ilgaamžiškumui

Lanko slopinimo įgyvendinimas neprivalomas. Tai pagrindinė tvirtos ir patikimos elektros konstrukcijos dalis. Ardomoji nekontroliuojamo indukcinio smūgio galia yra pagrindinė priešlaikinio relės gedimo priežastis. Kaip matėme, sprendimai yra veiksmingi ir prieinami.

Suprasdami kontaktų erozijos priežastį ir sistemingai taikydami tinkamą apsaugą-nuolatinės srovės apkrovoms skirtus grįžtamuosius diodus, kintamosios srovės apkrovų RC slopintuvus arba trumpalaikių viršįtampių MOV{1}}galite išvengti netikėtų gedimų nusivylimo.

Šie metodai suteikia galimybę kurti sistemas, kurios būtų ne tik funkcionalios, bet ir patvarios. Keleto paprastų komponentų pridėjimas yra nedidelė investicija. Jis atneša daug naudos dėl patikimumo ir žymiai pagerina relės tarnavimo laiką.

Ar didelės{0}}galios vandens siurblio valdikliai naudoja kintamosios srovės kontaktorius arba reles?

Pramoninės automatikos PLC spintų tarpinių relių parinkimas

Ar įkrovimo stoties vidinė relė paprastai atidaryta ar uždaryta?

Tarpinės relės prijungimo būdas artumo jungiklio valdymo vadove