Förhindra reläbågning med hjälp av RC Snubber Circuits

I den här artikeln diskuterar vi formeln och teknikerna för att konfigurera RC-kretsnät för att styra bågningen över reläkontakterna medan du växlar tunga induktiva belastningar.

Bågundertryckning

En båge produceras över kontakterna när en omkopplare eller ett relä öppnas. Med tiden kan detta tillstånd slita på kontakterna.

För att lösa detta problem används en motstånd / kondensator eller RC-krets över kontakterna och skyddar dem. När kontakterna är öppna går den applicerade spänningen genom kondensatorn och inte kontakterna.

Under processen laddas kondensatorn snabbare än kontakternas öppningstid vilket så småningom undviker att en båge bildas över kontakterna.

Ingångsströmundertryckning

När kontakterna stängs kan startströmmen från den laddade kondensatorn och matningsspänningen vara betydligt högre än kontakternas värden, vilket gör att de förvärras.

För att förhindra detta införs ett motstånd i serie med kondensatorn. Den fungerar som en strömbegränsare genom att absorbera startströmmen avsevärt och därigenom minska den producerade bågen och förlänga kontakternas livslängd.

C.C Bates utvecklade en formel för att beräkna det motstånds- och kapacitansvärde som krävs för RC-nätverket: C = Jag^två / 10, och Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]

Spänningen som induceras vid kontaktöppningen kan bestämmas med

V = IRc = ( Rc / RL ) Vo

• Där V_ELLER= Spänningskälla
• I = Lastström vid kontaktöppning
• R_C= Motstånd hos RC Snubber
• C = Capacitance of RC Snubber
• R_L= Lastmotstånd

I våra följande exempel pratar vi om vassrelä försök att utvärdera de beräkningar som krävs för att utforma RC-nätverk över sina kontakter.

Eftersom bågprincipen också kan vara densamma i större reläer, kan formlerna som används i reed-relä också tillämpas för dimensionering av RC-nätverk för större reläer.

Hur bågning händer vid växling av reedrelä

En reed-omkopplare eller reed-sensor kan användas för att styra en induktiv anordning som en reläspole, solenoid, transformator, liten motor etc.

När reed-omkopplaren öppnas tvingar laddningen som lagras i induktansen i enheten brytarkontakterna till en hög spänning. När omkopplaren öppnas är kontaktgapet litet i början.

Därför kan bågning mellan kontaktgapet ske nästan omedelbart medan strömbrytaren bara öppnas.

Fenomenet kan förekomma i både resistiva och induktiva belastningar, men eftersom de senare producerar en högre spänning, ses ökad ljusbågsaktivitet vilket minskar omkopplingstiden.

En diod används normalt av DC-induktiva kretsar för att undvika högspänning. Denna typ av diod kallas flyback, frihjul eller fångdiod.

Tyvärr är tillämpningen av denna diod inte möjlig i växelströmskretsar.

Så vi måste använda en metalloxidvaristor (MOV), en dubbelriktad transient spänningsdämpare (TVS) -diod eller ett RC-undertryckningsnät, även känt som en snubber.

Dessa olika bågundertryckningsmetoder har många fördelar och nackdelar. Att inte använda undertryckande är också ett alternativ om reläets kontaktliv inte påverkas utan det.

De många faktorer som avgör vilket tillvägagångssätt som måste vidtas, inkluderar kostnad, kontaktlivslängd, förpackning etc.

Den grundläggande orsaken till gnistdämpningskretsdesign är att minimera ljusbågar och det brus som genereras när reläer och växlar kopplas in.

RC Design-överväganden

Använd DC-matning med TVS-dämpardiod :

MOV- och TVS-dioderna leder ström när en tröskelspänning överskrids.

Normalt är dessa dioder parallellt anslutna till omkopplarkontakten. Även vid låga spänningar som 24 VAC kan dessa enheter fungera effektivt.

Dessutom kan de också fungera bra vid högre induktans 120 VAC-belastningar. Jämfört med TVS-dioder har MOV-enheter lagt till kapacitans.

Således, när en MOV-enhet används, måste du överväga kapacitansen som ska användas. Ansökan om Hamlin beskriver detta scenario bättre.

Använda dubbelriktad TVS-diod

RC-undertryckning hade kanten på grund av att den begränsade brytarkontaktens spänning exakt under omkopplarens öppning när kontaktspalten är liten.

Dessutom kan RC-undertryckning implementeras för att minska bågning och förbättra liv i resistiva belastningar.

På en RC-undertryckningskrets är en kondensator och ett motståndsnätverk anslutet i serie monterat över omkopplarkontakten i en parallellanslutning.

Ett annat alternativ är att placera kondensatorn och motståndet över lasten.

Även om det är perfekt att fästa RC-snubben över omkopplarkontakten är det en stor nackdel eftersom detta skapar en strömväg till lasten när omkopplaren är öppen.

Om snubbern installeras över lasten eliminerar den strömmen. Ändringar i anslutningarna och källimpedansen kan dock påverka effektiviteten i bågundertryckningen.

Använda RC Snubber Parallel med Switch-kontakten

I snubbern är värdena på motståndet och kondensatorn beroende av kravet.

Det valda motståndet måste ha ett tillräckligt högt värde för att begränsa den kapacitiva urladdningsströmmen när brytarens kontakter stänger. Samtidigt måste den vara tillräckligt liten för att begränsa spänningen när brytarkontakterna öppnas.

Om du väljer ett stort kondensatorvärde kommer det säkert att minska spänningseffekten medan brytarkontakterna öppnas.

Men större kondensator kan vara dyr och kan orsaka högre kapacitiv urladdningsenergi under den tid som brytarens kontakter stängs. Denna typ gäller både DC- och AC-kretsar.

Använda RC (Snubber) Suppression Paralle med belastningen

Ohms lag tillämpas för att välja det mest lämpliga motståndsvärdet för bågundertryckningen.

I Ohms lag R = V / I , vi tillämpar formeln R = 0,5 (V._pk/ Jag_SW) och R = 0,3 (V._pk/ Jag_SW) , var V_pk är växelströms-toppspänningen ( 1.414 Vrms ) och Jag_SW är den nominella kopplingsströmmen för reläkontakten).

För att minska kontaktnedbrytningen på grund av bågning måste vi se till att R-värdet är minimalt. Å andra sidan måste R-värdet ökas för att reducera reläkontakten på grund av inkopplingsströmmen.

Att bestämma värdet på R mellan dessa scenarier är utmaningen.

Du kan börja med C = 0,1 μF eller 100 nF, när du väljer kondensator eftersom detta är standardvärde och därmed kostnadsvänligt. Beroende på prestandaundersökningen av denna kondensator kan du öka den tills kapacitansen är tillräcklig.

Det finns flera metoder för att bedöma prestandan för de valda snubbervärdena. Vissa kan utföras bara genom beräkning eller simulering. Emellertid kan lastens resistiva och induktiva egenskaper se ut som obestämda.

Detta beror till stor del på induktansen av elektromekaniska belastningar som fluktuerar när komponenterna byter position.

Det är en bra praxis att undersöka spänningsvågformen över switchkontakterna via ett oscilloskop, särskilt under kontaktöppning. Snubbersystemet bör lindra eller åtminstone minimera bågningen som händer när kontakterna öppnas och stängs.

Den ökande spänningen bör inte starta om kontaktbågning. Dessutom får den maximala spänningen över kondensatorn i snubbern inte vara mer än dess spänningsvärde.

Ännu ett sätt att ta reda på om snubberen fungerar ordentligt för en reed-omkopplare är att titta på brytarkontaktgapet och inspektera utstrålningen av ljuset som produceras av bågen.

Om det finns mindre ljus betyder det att energin som genererar bågen är liten och därför garanterar längre livslängd.

Den sista och mest exakta metoden för att undersöka snubbers prestanda är att genomföra ett livstest.

Kontaktlivslängden är direkt proportionell mot antalet omkopplingscykler och inte mot antalet drivna och icke-drivna timmar.

Det rekommenderas att det maximala antalet operationer per sekund för livstestning av båglaster är cirka 5 till 50 operationer per sekund.

Detta är cirka 5 till 50 Hz av maximal frekvens. Antalet tester du kan utföra är beroende av den elektriska belastningen och skillnaden mellan bekvämlighet och precision.

När du behöver ta reda på specifikationerna för komponenterna för snubbern, måste du överväga några andra saker, förutom den beskrivna inspektionen av ljusbågsutvärdering, högsta kondensatorns spänning och livslängd.

Det är grundläggande att när en brytarkontakt öppnas strömmar ström genom snubberkretsen.

Du måste se till att den här strömmen inte orsakar problem med snubbers applikation. Dessutom är det viktigt att bekräfta att effektförlusten i snubberns motstånd inte överstiger dess effekt.

En tanke till är att en RC-snubberkrets kan användas i kombination med en dubbelriktad TVS-diod av MOV.

En RC-snubber kan vara en mycket effektiv krets för att begränsa den initiala spänningen över öppningens reläkontakter, medan TVS eller MOV kan vara ett mer effektivt alternativ för att begränsa toppspänningar.

Referenser:

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