In dit artikel bespreken we de formule en technieken voor het configureren van RC-circuitnetwerken voor het regelen van de boogvorming over relaiscontacten tijdens het schakelen van zware inductieve belastingen.
Boogonderdrukking
Een boog wordt geproduceerd over de contacten wanneer een schakelaar of een relais wordt geopend. Na verloop van tijd kan deze toestand de contacten verslijten.
Om dit probleem op te lossen, wordt een weerstand / condensator- of RC-circuit over de contacten geplaatst en beveiligd. Zodra de contacten open zijn, gaat de aangelegde spanning door de condensator en niet door de contacten.
Tijdens het proces laadt de condensator sneller op dan de openingstijd van de contacten, waardoor er uiteindelijk geen boog over de contacten ontstaat.
Inschakelstroomonderdrukking
Wanneer de contacten sluiten, kan de inschakelstroom van de geladen condensator en de voedingsspanning aanzienlijk hoger zijn dan de nominale waarden voor de contacten, waardoor ze verslechteren.
Om dit te voorkomen wordt een weerstand in serie met de condensator ingebracht. Het functioneert als een stroombegrenzer door de inschakelstroom aanzienlijk te absorberen, waardoor de geproduceerde boog wordt verminderd en de levensduur van de contacten wordt verlengd.
C.C Bates heeft een formule ontwikkeld voor het berekenen van de weerstands- en capaciteitswaarde die nodig is voor het RC-netwerk: C iktwee / 10, en Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]
De spanning die wordt geïnduceerd bij de contactopening kan worden bepaald door
V = IRc Rc / RL Vo
- Waar VOF= Spanningsbron
- I = Laadstroom bij openen contact
- RC= Weerstand van RC Snubber
- C = Capaciteit van RC Snubber
- RL.= Weerstand tegen belasting
In onze volgende voorbeelden hebben we het over de reed relais boogproblemen, en probeer de berekeningen te evalueren die nodig zijn voor het ontwerpen van RC-netwerken over zijn contacten heen.
Omdat het principe van boogvorming ook hetzelfde kan zijn in grotere relais, kunnen de formules die worden gebruikt in reedrelais ook worden toegepast voor het dimensioneren van de RC-netwerken voor de grotere relais.
Hoe vonken gebeuren bij het schakelen van het Reed Relay
Een reed-schakelaar of reed-sensor kan worden gebruikt voor het besturen van een inductief apparaat zoals een relaisspoel, solenoïde, transformator, kleine motor enz.
Wanneer de reedschakelaar opengaat, zal de lading die is opgeslagen in de inductantie in het apparaat de schakelaarcontacten naar een hoge spanning dwingen. Zodra de schakelaar opengaat, is de contactopening in het begin klein.
Daarom kan er bijna onmiddellijk een boog ontstaan tussen de contactopening terwijl de schakelaar net wordt geopend.
Het fenomeen kan optreden bij zowel resistieve als inductieve belastingen, maar aangezien deze laatste een hogere spanning produceren, wordt een verhoogde boogactiviteit waargenomen, waardoor de levensduur van de schakelaar wordt verkort.
Een diode wordt normaal gesproken gebruikt door de DC-inductieve circuits om hoge spanning te voorkomen. Dit type diode wordt de flyback-, freewheeling- of catch-diode genoemd.
Helaas is de toepassing van deze diode niet mogelijk in wisselstroomcircuits.
We moeten dus een metaaloxidevaristor (MOV), een bidirectionele transient voltage suppressor (TVS) diode of een RC-onderdrukkingsnetwerk gebruiken, ook wel een snubber genoemd.
Deze verschillende benaderingen van boogonderdrukking hebben veel voor- en nadelen. Het niet gebruiken van onderdrukking is ook een optie als de levensduur van het relaiscontact zonder dit niet wordt beïnvloed.
De vele factoren die bepalen welke aanpak moet worden gevolgd, zijn onder meer de kosten, de levensduur van het contact, de verpakking enz.
De fundamentele reden voor het ontwerpen van vonkonderdrukkingsschakelingen is het minimaliseren van boogvorming en de ruis die wordt gegenereerd bij het inschakelen van relais en schakelaars.
Overwegingen bij het RC-ontwerp
DC-voeding gebruiken met TVS-onderdrukkingsdiode
De MOV- en TVS-diodes geleiden stroom wanneer een drempelspanning wordt overschreden.
Normaal gesproken zijn deze diodes parallel verbonden met het schakelcontact. Zelfs bij lage spanningen, zoals 24 VAC, kunnen deze apparaten efficiënt werken.
Bovendien kunnen ze ook goed functioneren bij belastingen met een hogere inductantie van 120 VAC. Vergeleken met TVS-diodes hebben MOV-apparaten extra capaciteit.
Dus wanneer een MOV-apparaat wordt gebruikt, moet u rekening houden met de te gebruiken capaciteit. De Hamlin-toepassingsnota beschrijft dit scenario beter.
Met behulp van bidirectionele TVS-diode
RC-onderdrukking had de voorsprong vanwege het beperken van de schakelaarcontactspanning precies tijdens het openen van de schakelaar wanneer de contactopening klein is.
Bovendien kan RC-onderdrukking worden geïmplementeerd om boogvorming te verminderen en de levensduur bij ohmse belastingen te verbeteren.
Op een RC-onderdrukkingscircuit is een condensator- en weerstandsnetwerk in serie over het schakelcontact in een parallelschakeling gemonteerd.
Een andere mogelijkheid is om de condensator en weerstand over de belasting te plaatsen.
Hoewel het ideaal is om de RC-snubber over het schakelcontact te bevestigen, is er een enorm nadeel omdat hierdoor een stroompad naar de belasting ontstaat wanneer de schakelaar open is.
Als de snubber over de belasting wordt geïnstalleerd, elimineert deze de stroom. Veranderingen in de aansluitingen en de bronimpedantie kunnen echter de efficiëntie van de boogonderdrukking beïnvloeden.
RC Snubber parallel met het schakelcontact toepassen
In de snubber zijn de waarden van de weerstand en de condensator afhankelijk van de behoefte.
De gekozen weerstand moet een waarde hebben die hoog genoeg is om de capacitieve ontlaadstroom te beperken wanneer de contacten van de schakelaar sluiten. Tegelijkertijd moet het klein genoeg zijn om de spanning te beperken wanneer de schakelcontacten opengaan.
Als u een grote condensatorwaarde kiest, zal dit zeker de spanningsimpact verminderen terwijl de schakelcontacten openen.
Maar een grotere condensator kan duur zijn en kan een hogere capacitieve ontladingsenergie veroorzaken gedurende de tijd dat de contacten van de schakelaar sluiten. Dit type is van toepassing op zowel DC- als AC-circuits.
Gebruik van RC (Snubber) -onderdrukking parallel aan de belasting
De wet van Ohm wordt toegepast om de meest geschikte weerstandswaarde te kiezen voor de boogonderdrukking.
In de wet van Ohm R = V / I passen we de formule toe R = 0,5 (V.pk/ IkSW en R = 0,3 (Vpk/ IkSW , waar Vpk is de AC-piekspanning ( 1,414 Vrms ) en ikSW is de nominale schakelstroom van het relaiscontact).
Om de contactdegradatie door boogvorming te verminderen, moeten we ervoor zorgen dat de R-waarde minimaal is. Aan de andere kant moet de R-waarde worden verhoogd om de boogvorming van het relaiscontact als gevolg van de inschakelstroom te verminderen.
Het bepalen van de waarde van R tussen deze scenario's is de uitdaging.
U kunt beginnen C = 0,1 μF of 100 nF, bij het selecteren van de condensator omdat dit een standaardwaarde is en dus kostenvriendelijk. Afhankelijk van het prestatieonderzoek van deze condensator, kunt u deze verhogen totdat de capaciteit voldoende is.
Er zijn meerdere methoden om de prestaties van de gekozen snubberwaarden te beoordelen. Sommige kunnen alleen worden uitgevoerd door berekening of simulatie. De resistieve en inductieve kenmerken van de belasting kunnen echter onbepaald lijken.
Dit wordt grotendeels veroorzaakt door de inductantie van elektromechanische belastingen die fluctueert wanneer de componenten van positie veranderen.
Het is een goede gewoonte om de spanningsgolfvorm over de schakelcontacten te onderzoeken via een oscilloscoop, vooral tijdens het openen van het contact. Het snubber-systeem moet de boogvorming verminderen of op zijn minst minimaliseren die optreedt wanneer de contacten openen en sluiten.
De toenemende spanning mag de contactboogvorming niet opnieuw starten. Bovendien mag de maximale spanning over de condensator in de snubber niet hoger zijn dan de nominale spanning.
Nog een andere manier om erachter te komen of de snubber goed werkt voor een reedschakelaar, is door naar de opening van het schakelcontact te kijken en de straling van het licht dat door de boog wordt geproduceerd te inspecteren.
Als er minder licht is, betekent dit dat de energie die de boog genereert klein is en daarom een langere levensduur garandeert.
De laatste en meest precieze methode om de prestaties van de snubber te onderzoeken, is door een levenstest uit te voeren.
De levensduur van het contact is rechtevenredig met het aantal schakelcycli en niet met het aantal aan- en uitgetrokken uren.
Het wordt aanbevolen om het maximale aantal bewerkingen per seconde voor het testen van de levensduur van boogbelastingen rond de 5 tot 50 bewerkingen per seconde te houden.
Dit is ongeveer 5 tot 50 Hz van de maximale frequentie. Het aantal tests dat u kunt uitvoeren, is afhankelijk van de elektrische belasting en het verschil tussen gemak en precisie.
Wanneer u de specificaties van de componenten voor de snubber moet weten, moet u ook een paar andere dingen overwegen, afgezien van de beschreven inspectie van boogevaluatie, hoogste condensatorspanning en levensduur.
Het is van fundamenteel belang dat wanneer een schakelcontact wordt geopend, er stroom door het snubbercircuit vloeit.
U moet ervoor zorgen dat deze stroom geen problemen veroorzaakt met de toepassing van de snubber. Bovendien is het essentieel om te bevestigen dat de vermogensdissipatie in de weerstand van de snubber zijn vermogen niet overtreft.
Nog een gedachte is dat een RC-snubber-schakeling kan worden gebruikt in combinatie met een bidirectionele TVS-diode van MOV.
Een RC-snubber kan een zeer efficiënte schakeling zijn bij het beperken van de initiële spanning over de openingsrelaiscontacten, terwijl de TVS of MOV een efficiënter alternatief kan zijn voor het beperken van piekstootspanningen.
Referenties:
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
Vorige: Precisie stroomdetectie- en bewakingscircuit met behulp van IC NCS21xR Volgende: Lichtdimmercircuit met drukknop
