Verhindern Sie Relaislichtbögen mithilfe von RC-Snubber-Schaltkreisen

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In diesem Artikel werden die Formel und Techniken zum Konfigurieren von RC-Schaltungsnetzwerken zur Steuerung des Lichtbogens über Relaiskontakte beim Schalten schwerer induktiver Lasten erläutert.

Lichtbogenunterdrückung

Ein Lichtbogen wird über den Kontakten erzeugt, wenn ein Schalter oder ein Relais geöffnet wird. Mit der Zeit kann dieser Zustand die Kontakte zermürben.



Um dieses Problem zu lösen, wird ein Widerstand / Kondensator oder eine RC-Schaltung über die Kontakte verteilt und diese gesichert. Sobald die Kontakte geöffnet sind, geht die angelegte Spannung durch den Kondensator und nicht durch die Kontakte.

Während des Prozesses lädt sich der Kondensator schneller auf als die Öffnungszeit der Kontakte, wodurch schließlich vermieden wird, dass sich ein Lichtbogen über den Kontakten bildet.



Einschaltstromunterdrückung

Wenn die Kontakte schließen, können der Einschaltstrom vom geladenen Kondensator und die Versorgungsspannung erheblich höher sein als die Nennwerte für die Kontakte, wodurch sie sich verschlechtern.

Um dies zu verhindern, wird ein Widerstand in Reihe mit dem Kondensator geschaltet. Es fungiert als Strombegrenzer, indem es den Einschaltstrom erheblich absorbiert, wodurch der erzeugte Lichtbogen verringert und die Lebensdauer der Kontakte verlängert wird.

C.C Bates entwickelte eine Formel zur Berechnung des Widerstands- und Kapazitätswerts, der für das RC-Netzwerk erforderlich ist: C. = ichzwei / 10 und Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]

Die an der Kontaktöffnung induzierte Spannung kann bestimmt werden durch

V = IRc = ( Rc / RL ) Vo

  • Wo V.ODER= Spannungsquelle
  • I = Laststrom bei Kontaktöffnung
  • R.C.= Widerstand von RC Snubber
  • C = Kapazität des RC-Dämpfers
  • R.L.= Lastwiderstand

In unseren folgenden Beispielen sprechen wir über die Reed-Relais Versuchen Sie, die Berechnungen zu bewerten, die für den Entwurf von RC-Netzwerken über die Kontakte hinweg erforderlich sind.

Da das Prinzip der Lichtbogenbildung auch bei größeren Relais das gleiche sein kann, könnten die in Reed-Relais verwendeten Formeln auch zur Dimensionierung der RC-Netzwerke für die größeren Relais angewendet werden.

Wie Lichtbögen beim Schalten von Reed-Relais ablaufen

Ein Reedschalter oder Reedsensor kann zur Steuerung eines induktiven Geräts wie einer Relaisspule, eines Magneten, eines Transformators, eines kleinen Motors usw. verwendet werden.

Wenn sich der Reedschalter öffnet, zwingt die in der Induktivität des Geräts gespeicherte Ladung die Schalterkontakte auf eine hohe Spannung. Sobald sich der Schalter öffnet, ist die Kontaktlücke am Anfang winzig.

Daher kann ein Lichtbogen zwischen den Kontaktlücken fast sofort auftreten, während sich der Schalter gerade öffnet.

Das Phänomen kann sowohl bei ohmschen als auch bei induktiven Lasten auftreten. Da letztere jedoch eine höhere Spannung erzeugen, wird eine erhöhte Lichtbogenaktivität beobachtet, wodurch die Lebensdauer des Schalters verringert wird.

Eine Diode wird normalerweise von den induktiven Gleichstromkreisen verwendet, um Hochspannung zu vermeiden. Diese Art von Diode wird als Flyback-, Freilauf- oder Catch-Diode bezeichnet.

Leider ist der Einsatz dieser Diode in Wechselstromkreisen nicht möglich.

Wir müssen also einen Metalloxid-Varistor (MOV), eine bidirektionale Transient Voltage Suppressor (TVS) -Diode oder ein RC-Unterdrückungsnetzwerk verwenden, das auch als Snubber bezeichnet wird.

Diese unterschiedlichen Ansätze zur Lichtbogenunterdrückung haben viele Vor- und Nachteile. Die Nichtunterdrückung ist auch eine Option, wenn die Lebensdauer des Relaiskontakts ohne sie nicht beeinträchtigt wird.

Zu den vielen Faktoren, die bestimmen, welcher Ansatz gewählt werden muss, gehören Kosten, Kontaktlebensdauer, Verpackung usw.

Der Hauptgrund für die Konstruktion von Funkenunterdrückungsschaltungen besteht darin, Lichtbögen und das Rauschen zu minimieren, das beim Einschalten von Relais und Schaltern entsteht.

Überlegungen zum RC-Design

Gleichstromversorgung mit TVS-Suppressordiode ::

Die MOV- und TVS-Dioden leiten Strom, wenn eine Schwellenspannung überschritten wird.

Normalerweise sind diese Dioden parallel mit dem Schaltkontakt verbunden. Selbst bei niedrigen Spannungen wie 24 VAC können diese Geräte effizient arbeiten.

Darüber hinaus können sie auch bei 120 VAC-Lasten mit höherer Induktivität gut funktionieren. Im Vergleich zu TVS-Dioden haben MOV-Geräte eine zusätzliche Kapazität.

Wenn ein MOV-Gerät verwendet wird, müssen Sie daher die zu verwendende Kapazität berücksichtigen. Der Hamlin-Anwendungshinweis beschreibt dieses Szenario besser.

Verwenden der bidirektionalen TVS-Diode

Die RC-Unterdrückung hatte den Vorteil, dass die Schaltkontaktspannung genau während des Öffnens des Schalters begrenzt wurde, wenn der Kontaktspalt klein ist.

Darüber hinaus kann eine RC-Unterdrückung implementiert werden, um Lichtbögen zu verringern und die Lebensdauer bei ohmschen Lasten zu verbessern.

Auf einer RC-Unterdrückungsschaltung ist ein in Reihe geschaltetes Kondensator- und Widerstandsnetzwerk parallel über den Schaltkontakt montiert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kondensator und den Widerstand über der Last zu platzieren.

Das Anbringen des RC-Dämpfers über dem Schaltkontakt ist zwar ideal, es besteht jedoch ein großer Nachteil, da dadurch bei geöffnetem Schalter ein Strompfad zur Last erzeugt wird.

Wenn der Dämpfer über der Last installiert ist, wird der Strom eliminiert. Änderungen der Verbindungen und der Quellenimpedanz können jedoch die Effizienz der Lichtbogenunterdrückung beeinträchtigen.

RC Snubber parallel zum Schaltkontakt anwenden

Im Dämpfer hängen die Werte des Widerstands und des Kondensators von der Anforderung ab.

Der gewählte Widerstand muss einen Wert haben, der hoch genug ist, um den kapazitiven Entladestrom zu begrenzen, wenn die Kontakte des Schalters schließen. Gleichzeitig muss es klein genug sein, um die Spannung beim Öffnen der Schalterkontakte zu begrenzen.

Wenn Sie einen großen Kondensatorwert wählen, wird der Spannungsaufprall beim Öffnen der Schaltkontakte mit Sicherheit verringert.

Ein größerer Kondensator kann jedoch teuer sein und während des Schließens der Kontakte des Schalters eine höhere kapazitive Entladungsenergie verursachen. Dieser Typ gilt sowohl für Gleichstrom- als auch für Wechselstromkreise.

Verwenden der RC (Snubber) -Unterdrückungsparalle mit der Last

Das Ohmsche Gesetz wird angewendet, um den am besten geeigneten Widerstandswert für die Lichtbogenunterdrückung zu wählen.

Im Ohmschen Gesetz R = V / I. wenden wir die Formel an R = 0,5 (V.pk/ ICHSW) und R = 0,3 (V.pk/ ICHSW) , wo V.pk ist die AC-Spitzenspannung ( 1,414 Veff ) und ichSW ist der Nennschaltstrom des Relaiskontakts).

Um die Kontaktverschlechterung aufgrund von Lichtbögen zu verringern, müssen wir sicherstellen, dass der R-Wert minimal ist. Andererseits muss der R-Wert erhöht werden, um den Lichtbogen des Relaiskontakts aufgrund des Einschaltstroms zu verringern.

Die Bestimmung des Wertes von R zwischen diesen Szenarien ist die Herausforderung.

Sie können mit beginnen C = 0,1 uF oder 100 nF bei Auswahl des Kondensators, da dies ein Standardwert und damit kostengünstig ist. Abhängig von der Leistungsprüfung dieses Kondensators können Sie ihn erhöhen, bis die Kapazität ausreicht.

Es gibt mehrere Methoden, um die Leistung der ausgewählten Snubber-Werte zu bewerten. Einige können nur durch Berechnung oder Simulation durchgeführt werden. Die Widerstands- und Induktionsmerkmale der Last können jedoch unbestimmt erscheinen.

Dies wird hauptsächlich durch die Induktivität elektromechanischer Lasten verursacht, die schwankt, wenn die Komponenten ihre Position ändern.

Es ist eine gute Praxis, die Spannungswellenform über den Schaltkontakten über ein Oszilloskop zu untersuchen, insbesondere während des Öffnens des Kontakts. Das Dämpfungssystem sollte die Lichtbogenbildung, die beim Öffnen und Schließen der Kontakte auftritt, verringern oder zumindest minimieren.

Die ansteigende Spannung sollte den Kontaktlichtbogen nicht neu starten. Darüber hinaus darf die maximale Spannung am Kondensator im Dämpfer nicht höher sein als die Nennspannung.

Ein weiterer Weg, um herauszufinden, ob der Dämpfer für einen Reed-Schalter ordnungsgemäß funktioniert, besteht darin, den Kontaktspalt des Schalters zu untersuchen und die Strahlung des vom Lichtbogen erzeugten Lichts zu untersuchen.

Wenn weniger Licht vorhanden ist, bedeutet dies, dass die Energie, die den Lichtbogen erzeugt, gering ist und daher eine längere Lebensdauer garantiert.

Die letzte und genaueste Methode zur Prüfung der Leistung des Dämpfers ist die Durchführung eines Lebenstests.

Die Kontaktlebensdauer ist direkt proportional zur Anzahl der Schaltzyklen und nicht zur Anzahl der Stunden mit und ohne Strom.

Es wird empfohlen, die maximale Anzahl von Vorgängen pro Sekunde für die Lebensdauertestung von Lichtbogenlasten bei etwa 5 bis 50 Vorgängen pro Sekunde zu halten.

Dies entspricht einer maximalen Frequenz von 5 bis 50 Hz. Die Anzahl der Tests, die Sie durchführen können, hängt von der elektrischen Last und dem Unterschied zwischen Komfort und Präzision ab.

Wenn Sie die Spezifikationen der Komponenten für den Dämpfer herausfinden möchten, müssen Sie neben der beschriebenen Überprüfung der Lichtbogenbewertung, der höchsten Kondensatorspannung und der Lebensdauer noch einige andere Dinge berücksichtigen.

Es ist von grundlegender Bedeutung, dass beim Öffnen eines Schaltkontakts Strom durch den Dämpfungskreis fließt.

Sie müssen sicherstellen, dass dieser Strom keine Probleme mit der Anwendung des Snubbers verursacht. Darüber hinaus muss unbedingt bestätigt werden, dass die Verlustleistung im Widerstand des Dämpfers die Nennleistung nicht überschreitet.

Ein weiterer Gedanke ist, dass eine RC-Dämpfungsschaltung in Kombination mit einer bidirektionalen TVS-Diode von MOV verwendet werden kann.

Ein RC-Dämpfer kann eine hocheffiziente Schaltung zur Begrenzung der Anfangsspannung über den öffnenden Relaiskontakten sein, während der TVS oder MOV eine effizientere Alternative zur Begrenzung der Spitzenstoßspannungen sein kann.

Verweise:

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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