Помехи при коммутации индуктивной нагрузки.
Описание проблемы
В практической работе мы часто сталкиваемся с проблемой, когда работа реле и контакторов в непосредственной близости от электронных устройств приводит к сбоям. Почему это происходит и что с этим можно сделать?
Обычно наиболее остро проблема проявляется, когда контакт реле работает на индуктивную нагрузку в виде обмоток других реле или контакторов, но может также возникать и с другими нагрузками, имеющими значительную индуктивность.
Почему коммутация индуктивности вызывает особые проблемы? При размыкании контакта индуктивность создает высокое напряжение, пропорциональное производной тока U=L*(dI/dt). Размыкание контакта теоретически происходит мгновенно, соответственно формула дает бесконечное напряжение. На практике контакт не может разомкнуться мгновенно, и не бывает также бесконечных напряжений, однако на контактах при размыкании за счет явления самоиндукции могут появляться неожиданно высокие напряжения.
На контактах реле при этом возникает электрический разряд. У электрического разряда есть свой набор свойств, который усугубляет проблему возникновения помех. Это отрицательное сопротивление, приводящее к тому, что на контактах не просто горит искровой или дуговой разряд, а возникают интенсивные релаксационные колебания с очень резкими фронтами порядка 10 наносекунд (возникает серия разрядов). При этом спектр частот помехи доходит до гигагерца и даже выше. Искрящий контакт вместе с подключенными к реле проводами образует антенну излучающую довольно большую пиковую мощность, учитывая то, что напряжение на контактах может достигать почти двух киловольт. Возникающее электромагнитное поле вызывает сбои чувствительной электроники поблизости.
Даже работа небольших катушек промежуточных реле переменного тока вызывает широкополосные помехи. Переключаемый ток при этом может быть всего несколько миллиампер.
Сигнал на контактах реле при размыкании (розовым) и помеха на цепях питания расположенного рядом устройства (желтым).
Измерение сигнала на контактах производится в точках 1 и 2
Решение проблемы
Против искрения контактов при работе на индуктивную нагрузку эффективно работают снабберные цепочки, подключаемые параллельно нагрузке или контактам реле. Обычно снаббер состоит из последовательно включенных резистора и конденсатора.
Цель работы снаббера в подавлении или значительном ослаблении искрения на контактах. Конденсатор снаббера совместно с индуктивностью нагрузки образует колебательный контур с достаточно низкой частотой колебаний. При размыкании контактов за счет того, что цепь больше не разрывается резко, а энергия, накопленная в индуктивности, медленно перетекает в конденсатор, напряжение возрастает с гораздо меньшей скоростью, что дает время контактам разойтись и увеличить противостояние электрическому пробою. Это позволяет исключить искрение или сильно подавить его.
Резистор в цепи ограничивает пиковый ток разряда (заряда) конденсатора при последующем замыкании контактов, что исключает возникновение искрения и износа контактов в этот момент. А также, он вносит в колебательный контур из конденсатора и индуктивности нагрузки затухание, что дополнительно уменьшает возникающее пиковое напряжение и быстро рассеивает накопленную в индуктивности энергию. Подключение ограничителей напряжения (варисторов и TVS диодов) в цепь контакта не подавляет искрение эффективно, так как они не влияют на скорость нарастания напряжения. Но, используются совместно со снабберной RC цепью, дополнительно ограничивая возникающие пиковые напряжения.
Сигналы после использования RC-снаббера.
Подключение снабберной цепочки
Выбор элементов снаббера и места их включения
Резистор обычно выбирается в диапазоне от 10 до 1000 Ом. Низкие значения R обеспечивают быстрое реагирование, но могут привести к большему нагреву. Резистор лучше брать с запасом по мощности, 1-2Вт, учитывая то, что через него проходит ток конденсатора в тот момент, когда к снабберной цепи приложено напряжение. Значение конденсатора может варьироваться от нескольких нФ до мкФ. Обычно выбирается в зависимости от индуктивности нагрузки и желаемой частоты среза. Частота среза должна быть выбрана так, чтобы эффективно фильтровать высокочастотные помехи, но не слишком низко, чтобы не повлиять на работу схемы.
Значения 0.1 мкФ и 100 Ом примерно подходят для работы на катушку контактора средней мощности.
Для маленьких промежуточных реле номиналы элементов могут быть другими - меньшая емкость и большее сопротивление, например 2 кОм + 0.01 мкФ. Конденсатор должен выбираться на напряжение с большим запасом относительно сетевого не менее 1000В, поскольку присутствует явление самоиндукции при отключении индуктивной нагрузки.
Снаббер лучше ставить параллельно индуктивной нагрузке. Иногда это сложно организационно. Тогда снаббер ставится параллельно контактам реле.
Подключение снабберной цепочки параллельно контактам реле
С точки зрения подавления искрения это эквивалентно. Однако, в этом случае через нагрузку будет продолжать течь ток, обусловленный импедансом конденсатора на сетевой частоте, даже при разомкнутых контактах реле. Это может вызывать вопросы, связанные с электробезопасностью и даже приводить к тому, что реле или контактор нагрузки может не отключиться. Соответственно, об этом надо помнить при расчете номинала конденсатора.