In questo articolo discutiamo la formula e le tecniche per configurare le reti di circuiti RC per controllare l'arco attraverso i contatti del relè durante la commutazione di carichi induttivi pesanti.
Soppressione dell'arco
Quando un interruttore o un relè viene aperto, viene prodotto un arco attraverso i contatti. Con il tempo, questa condizione può logorare i contatti.
Per superare questo problema, un resistore / condensatore o un circuito RC viene distribuito attraverso i contatti e li protegge. Una volta aperti i contatti, la tensione applicata passa attraverso il condensatore e non i contatti.
Durante il processo, il condensatore si carica più velocemente del tempo di apertura dei contatti che alla fine evita la formazione di un arco attraverso i contatti.
Soppressione della corrente di spunto
Quando i contatti si chiudono, la corrente di spunto dal condensatore carico e la tensione di alimentazione possono essere notevolmente superiori ai valori nominali dei contatti, provocandone il peggioramento.
Per evitare ciò, viene introdotto un resistore in serie al condensatore. Funziona come un limitatore di corrente assorbendo la corrente di spunto in modo significativo riducendo così l'arco prodotto e prolungando la durata dei contatti.
C.C Bates ha sviluppato una formula per calcolare il valore di resistenza e capacità richiesto per la rete RC: C = ioDue / 10 e Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]
La tensione indotta all'apertura del contatto può essere determinata da
V = IRc = ( Rc / RL ) Vo
- Dove VO= Sorgente di tensione
- I = Corrente di carico all'apertura del contatto
- RC= Resistenza di RC Snubber
- C = capacità dello smorzatore RC
- RL= Resistenza al carico
Nei nostri esempi seguenti parliamo di relè reed problemi di arco e provare a valutare i calcoli necessari per la progettazione di reti RC attraverso i suoi contatti.
Poiché il principio dell'arco può essere lo stesso anche nei relè più grandi, le formule utilizzate nei relè reed potrebbero essere applicate anche per il dimensionamento delle reti RC per i relè più grandi.
Come si verificano gli archi elettrici nella commutazione del relè reed
Un interruttore reed o un sensore reed possono essere utilizzati per controllare un dispositivo induttivo come una bobina di relè, un solenoide, un trasformatore, un piccolo motore ecc.
Quando l'interruttore reed si apre, la carica immagazzinata nell'induttanza nel dispositivo forza i contatti dell'interruttore ad alta tensione. Una volta che l'interruttore si apre, la distanza tra i contatti è piccola all'inizio.
Pertanto, l'arco tra lo spazio tra i contatti può verificarsi quasi immediatamente mentre l'interruttore si sta aprendo.
Il fenomeno può verificarsi sia in carichi resistivi che induttivi, ma poiché questi ultimi producono una tensione maggiore, si osserva una maggiore attività dell'arco riducendo la durata dell'interruttore.
Un diodo viene normalmente utilizzato dai circuiti induttivi CC per evitare l'alta tensione. Questo tipo di diodo è chiamato diodo flyback, freewheeling o catch.
Sfortunatamente, l'applicazione di questo diodo non è possibile nei circuiti CA.
Quindi, dobbiamo usare un varistore di ossido di metallo (MOV), un diodo soppressore di tensione transitoria bidirezionale (TVS) o una rete di soppressione RC, nota anche come snubber.
Questi diversi approcci di soppressione dell'arco hanno molti pro e contro. Non utilizzare la soppressione è anche un'opzione se la durata del contatto del relè non viene influenzata senza di essa.
I molti fattori che determinano quale approccio deve essere intrapreso, includono il costo, la durata del contatto, l'imballaggio ecc.
Il motivo fondamentale per la progettazione dei circuiti di soppressione delle scintille è ridurre al minimo la formazione di archi e il rumore generato quando si innestano relè e interruttori.
Considerazioni sulla progettazione RC
Utilizzo dell'alimentazione CC con il diodo soppressore TVS :
I diodi MOV e TVS conducono corrente quando viene superata una tensione di soglia.
Normalmente, questi diodi sono collegati parallelamente al contatto dell'interruttore. Anche a basse tensioni come 24 VAC, questi dispositivi sono in grado di funzionare in modo efficiente.
Inoltre, possono funzionare bene anche con carichi di induttanza 120 VAC più elevati. Rispetto ai diodi TVS, i dispositivi MOV hanno una capacità aggiuntiva.
Pertanto, quando viene utilizzato un dispositivo MOV, è necessario considerare la capacità da utilizzare. La nota applicativa di Hamlin descrive meglio questo scenario.
Utilizzo del diodo TVS bidirezionale
La soppressione RC ha avuto il limite a causa della limitazione della tensione di contatto dell'interruttore esattamente durante l'apertura dell'interruttore quando la distanza tra i contatti è piccola.
Inoltre, la soppressione RC può essere implementata per ridurre la formazione di archi e migliorare la durata dei carichi resistivi.
Su un circuito di soppressione RC, una rete di condensatori e resistori collegati in serie è montata attraverso il contatto dell'interruttore in una connessione parallela.
Un'altra opzione è posizionare il condensatore e il resistore attraverso il carico.
Sebbene il collegamento dello smorzatore RC attraverso il contatto dell'interruttore sia l'ideale, c'è un enorme svantaggio perché questo crea un percorso di corrente verso il carico quando l'interruttore è aperto.
Se lo snubber è installato attraverso il carico, elimina la corrente. Tuttavia, i cambiamenti nei collegamenti e nell'impedenza della sorgente possono influire sull'efficienza della soppressione dell'arco.
Applicazione del soppressore RC in parallelo con il contatto di commutazione
Nello snubber, i valori del resistore e del condensatore dipendono dal requisito.
Il resistore scelto deve avere un valore sufficientemente alto da limitare la corrente di scarica capacitiva alla chiusura dei contatti dell'interruttore. Allo stesso tempo, deve essere abbastanza piccolo da limitare la tensione quando i contatti dell'interruttore si aprono.
Se scegli un valore di condensatore elevato, diminuirà sicuramente l'impatto della tensione mentre i contatti dell'interruttore si aprono.
Ma un condensatore più grande può essere costoso e potrebbe causare una maggiore energia di scarica capacitiva durante il tempo in cui i contatti dell'interruttore si chiudono. Questo tipo si applica a entrambi i circuiti CC e CA.
Utilizzo della soppressione RC (snubber) in parallelo con il carico
La legge di Ohm viene applicata per scegliere il valore del resistore più appropriato per la soppressione dell'arco.
Nella legge di Ohm R = V / I , applichiamo la formula R = 0,5 (Vpk/ IOSW) e R = 0,3 (Vpk/ IOSW) , dove Vpk è la tensione di picco CA ( 1.414 Vrms ) e ioSW è la corrente di commutazione nominale del contatto del relè).
Per diminuire la degradazione del contatto dovuta all'arco, dobbiamo assicurarci che il valore R sia minimo. D'altra parte, il valore R deve essere aumentato per diminuire l'arco di contatto del relè dovuto alla corrente di spunto.
Determinare il valore di R tra questi scenari è la sfida.
Puoi iniziare con C = 0,1μF o 100 nF, quando si seleziona il condensatore perché questo è un valore standard e quindi conveniente. A seconda dell'esame delle prestazioni di questo condensatore, è possibile aumentarlo fino a quando la capacità è sufficiente.
Esistono diversi metodi per valutare le prestazioni dei valori di soppressione scelti. Alcuni possono essere eseguiti solo mediante calcolo o simulazione. Tuttavia, le caratteristiche resistive e induttive del carico possono apparire indefinite.
Ciò è in gran parte causato dall'induttanza dei carichi elettromeccanici che fluttua quando i componenti cambiano posizione.
È buona norma esaminare la forma d'onda della tensione attraverso i contatti dell'interruttore tramite un oscilloscopio, specialmente durante l'apertura dei contatti. Il sistema soppressore dovrebbe alleviare o almeno ridurre al minimo l'arco che si verifica quando i contatti si aprono e si chiudono.
La tensione crescente non dovrebbe riavviare l'arco di contatto. Inoltre, la tensione massima ai capi del condensatore nello snubber non deve essere superiore alla sua tensione nominale.
Ancora un altro modo per scoprire se lo smorzatore funziona correttamente per un interruttore reed è guardare la distanza tra i contatti dell'interruttore e ispezionare la radianza della luce prodotta dall'arco.
Se c'è meno luce, significa che l'energia che genera l'arco è piccola e quindi garantisce una vita più lunga.
Il metodo finale e più preciso per esaminare le prestazioni dello snubber è condurre un test di vita.
La durata dei contatti è direttamente proporzionale al numero di cicli di commutazione e non al numero di ore alimentate e non alimentate.
Si consiglia di mantenere il numero massimo di operazioni al secondo per il test di durata dei carichi d'arco compreso tra 5 e 50 operazioni al secondo.
Si tratta di circa 5-50 Hz di frequenza massima. Il numero di test che è possibile eseguire dipende dal carico elettrico e dalla differenza tra praticità e precisione.
Quando è necessario conoscere le specifiche dei componenti per lo smorzatore, è necessario considerare anche alcune altre cose oltre all'ispezione descritta sulla valutazione dell'arco, la massima tensione e durata del condensatore.
È fondamentale che quando un contatto dell'interruttore viene aperto, la corrente attraversi il circuito dello smorzatore.
È necessario assicurarsi che questa corrente non causi problemi all'applicazione dello snubber. Inoltre, è essenziale confermare che la dissipazione di potenza nel resistore dello snubber non superi la sua potenza nominale.
Un altro pensiero è che un circuito snubber RC può essere utilizzato in combinazione con un diodo TVS bidirezionale di MOV.
Uno snubber RC può essere un circuito altamente efficiente nel limitare la tensione iniziale attraverso i contatti del relè di apertura, mentre TVS o MOV possono essere un'alternativa più efficiente per limitare le tensioni di picco.
Riferimenti:
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
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