En aquest article discutim la fórmula i les tècniques de configuració de xarxes de circuits RC per controlar l’arc a través dels contactes de relés mentre es commuten càrregues inductives pesades.
Supressió de l'arc
Es produeix un arc a través dels contactes quan s’obre un commutador o un relé. Amb el temps, aquesta condició pot deteriorar els contactes.
Per superar aquest problema, es desplega un circuit de resistència / condensador o RC a través dels contactes i els protegeix. Un cop oberts els contactes, la tensió aplicada passa pel condensador i no pels contactes.
Durant el procés, el condensador es carrega més ràpid que el temps d'obertura dels contactes, la qual cosa evita que es formi un arc a través dels contactes.
Supressió del corrent d'entrada
Quan es tanquen els contactes, el corrent d'entrada del condensador carregat i la tensió d'alimentació poden ser significativament superiors a les qualificacions dels contactes, cosa que fa que empitjorin.
Per evitar-ho, s’introdueix una resistència en sèrie amb el condensador. Funciona com a limitador de corrent absorbint significativament el corrent d’entrada, reduint així l’arc produït i allargant la vida dels contactes.
C.C Bates va desenvolupar una fórmula per calcular el valor de resistència i capacitat que es requereix per a la xarxa RC: C = Jo2 / 10 i Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]
La tensió induïda a l'obertura del contacte es pot determinar mitjançant
V = IRc = ( Rc / RL ) Vo
- On VO= Font de tensió
- I = Carrega el corrent a l'obertura del contacte
- RC= Resistència de RC Snubber
- C = Capacitat de RC Snubber
- RL= Resistència a la càrrega
En els nostres exemples següents parlem del relleu de canya tractant d’avaluar els càlculs necessaris per al disseny de xarxes RC entre els seus contactes.
Com que el principi d'arc pot ser el mateix en els relés més grans també, les fórmules utilitzades en el relé de canya també es podrien aplicar per dimensionar les xarxes RC per als relés més grans.
Com passa l’arç en el canvi de relé Reed
Es pot utilitzar un interruptor de canya o un sensor de canya per controlar un dispositiu inductiu com una bobina de relé, un solenoide, un transformador, un motor petit, etc.
Quan s’obre l’interruptor reed, la càrrega emmagatzemada a la inductància del dispositiu obligarà els contactes del commutador a una alta tensió. Un cop obert l’interruptor, el buit de contacte és petit al principi.
Per tant, l’arc entre l’espai de contacte pot passar gairebé immediatament mentre l’interruptor només s’obre.
El fenomen es pot produir tant en càrregues resistives com inductives, però, atès que aquestes últimes produeixen un voltatge més elevat, es veu que augmenta l’activitat d’arc que redueix la vida del commutador.
Normalment, els circuits inductius de corrent continu utilitzen un díode per evitar l’alta tensió. Aquest tipus de díode s’anomena flyback, freewheeling o díode de captura.
Malauradament, l'aplicació d'aquest díode no és possible en circuits de corrent altern.
Per tant, hem d’utilitzar un varistor d’òxid de metall (MOV), un díode supressor de tensió transitòria bidireccional (TVS) o una xarxa de supressió de RC, també coneguda com snubber.
Aquests diversos enfocaments de supressió d'arc tenen molts pros i contres. No utilitzar supressió també és una opció si la vida del contacte del relé no es veu afectada sense ella.
Els molts factors que determinen quin enfocament s’ha d’emprendre inclouen el cost, la vida de contacte, l’embalatge, etc.
La raó fonamental dels dissenys de circuits de supressió d’espurnes és minimitzar l’arc i el soroll generat en connectar relés i commutadors.
Consideracions sobre el disseny de RC
Ús de subministrament de corrent continu amb el díode supressor de TVS :
Els díodes MOV i TVS condueixen el corrent quan se supera un voltatge llindar.
Normalment, aquests díodes estan connectats paral·lelament al contacte del commutador. Fins i tot a baixes tensions, com ara 24 VCA, aquests dispositius són capaços de funcionar de manera eficient.
A més, també poden funcionar bé amb càrregues de 120 VCA d’inductància més elevades. En comparació amb els díodes TVS, els dispositius MOV tenen capacitat addicional.
Per tant, quan s’utilitza un dispositiu MOV, haureu de tenir en compte la capacitat que s’ha d’utilitzar. La nota de l'aplicació Hamlin descriu millor aquest escenari.
Utilització de díodes TVS bidireccionals
La supressió de RC tenia l'avantatge a causa de limitar exactament la tensió de contacte de l'interruptor durant l'obertura de l'interruptor quan el buit de contacte és petit.
A més, es pot implementar la supressió de RC per disminuir l’arc i millorar la vida en càrregues resistives.
En un circuit de supressió de RC, una xarxa de condensadors i resistències connectades en sèrie es munta a través del contacte del commutador en una connexió paral·lela.
Una altra opció és col·locar el condensador i la resistència a través de la càrrega.
Tot i que és ideal connectar el botó RC al contacte del commutador, hi ha un enorme desavantatge, ja que es crea un camí corrent cap a la càrrega quan l’interruptor està obert.
Si el canó s’instal·la a tota la càrrega, elimina el corrent. No obstant això, els canvis en les connexions i la impedància de la font poden afectar l'eficiència de la supressió de l'arc.
Aplicació de RC Snubber Parallel amb el contacte de commutació
A la barrera, els valors de la resistència i del condensador depenen del requisit.
La resistència escollida ha de tenir un valor prou alt com per restringir el corrent de descàrrega capacitiva quan es tanquen els contactes de l’interruptor. Al mateix temps, ha de ser prou petit per restringir la tensió quan s’obren els contactes del commutador.
Si escolliu un valor de condensador gran, segurament disminuirà l’impacte de la tensió mentre s’obren els contactes del commutador.
Però un condensador més gran pot ser car i pot causar una major energia de descàrrega capacitiva durant el temps que es tanquen els contactes del commutador. Aquest tipus s’aplica tant als circuits de corrent continu com de corrent altern.
Utilitzant RC (Snubber) Supression Paralle amb la càrrega
S’aplica la llei d’Ohm per triar el valor de resistència més adequat per a la supressió de l’arc.
A la llei d'Ohm R = V / I , apliquem la fórmula R = 0,5 (Vpk/ JoSW) i R = 0,3 (Vpk/ JoSW) , on Vpk és la tensió màxima de CA ( 1,414 Vrms ) i JoSW és el corrent nominal de commutació del contacte de relé).
Per disminuir la degradació del contacte a causa de l'arc, hem d'assegurar-nos que el valor R sigui mínim. D'altra banda, s'ha d'incrementar el valor R per disminuir l'arc de contacte del relé a causa del corrent d'entrada.
Determinar el valor de R entre aquests escenaris és el repte.
Podeu començar C = 0,1 μF o 100 nF, quan es selecciona el condensador perquè aquest és un valor estàndard i, per tant, és econòmic. Depenent de l'examen de rendiment d'aquest condensador, podeu augmentar-lo fins que la capacitat sigui suficient.
Hi ha diversos mètodes per avaluar el rendiment dels valors escocesos escollits. Alguns es poden realitzar només mitjançant càlcul o simulació. No obstant això, les característiques resistives i inductives de la càrrega poden semblar indefinides.
Això es deu principalment a la inductància de les càrregues electromecàniques que fluctua quan els components canvien de posició.
És una bona pràctica examinar la forma d'ona de tensió a través dels contactes del commutador mitjançant un oscil·loscopi, especialment durant l'obertura del contacte. El sistema snubber hauria d’alleujar o, com a mínim, minimitzar l’arc que passa quan els contactes s’obren i es tanquen.
La tensió creixent no ha de reiniciar l'arc de contacte. A més, la tensió màxima a través del condensador de la barrera no ha de ser superior a la seva tensió nominal.
Una altra manera d’esbrinar si el botó funciona correctament per a un interruptor de canya és mirar la bretxa de contacte de l’interruptor i inspeccionar la brillantor de la llum produïda per l’arc.
Si hi ha menys llum, això significa que l’energia que genera l’arc és escassa i, per tant, necessita una vida més llarga.
El mètode final i més precís per examinar el rendiment del canalla és realitzar una prova de vida.
La vida del contacte és directament proporcional al nombre de cicles de commutació i no al nombre d’hores alimentades i no alimentades.
Es recomana mantenir el nombre màxim d'operacions per segon per a les proves de vida de les càrregues d'arc que oscil·len entre les 5 i les 50 operacions per segon.
Es tracta d’uns 5 a 50 Hz de freqüència màxima. El nombre de proves que podeu realitzar depèn de la càrrega elèctrica i de la diferència entre comoditat i precisió.
Quan hàgiu de conèixer les especificacions dels components per a la canalla, heu de tenir en compte algunes altres coses, a part de la inspecció descrita de l'avaluació de l'arc, el voltatge més alt del condensador i la vida útil.
És fonamental que quan s’obre un contacte d’interruptor, el corrent flueixi pel circuit de canals.
Heu d’assegurar-vos que aquest corrent no causi problemes a l’aplicació del snubber. A més, és fonamental confirmar que la dissipació de potència a la resistència del snubber no supera la seva potència nominal.
Un pensament més és que es pot utilitzar un circuit RC snubber en combinació amb un díode TVS bidireccional de MOV.
Un canó RC pot ser un circuit d'alta eficiència per limitar la tensió inicial a través dels contactes del relé d'obertura, mentre que el TVS o MOV pot ser una alternativa més eficient per restringir les tensions de sobretensió màximes.
Referències:
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
Anterior: Circuit de monitorització i detecció de corrent de precisió mitjançant IC NCS21xR Següent: Circuit de regulació de la llum amb botó de pressió
