ПОЛЕЗНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ

Любое устройство, содержащее катушку с проводником, представляет собой индуктивную нагрузку . Как правило, при возбуждении катушки электрическим током совершается механическая работа. Благодаря воздействию магнитного поля, вызванного протеканием электрического тока в катушке, может выполняться, например, переключение контактора или вращение вала электродвигателя.
При обрыве цепи протекания электрического тока в катушке за счет запасенной энергии генерируется т. н. эдс самоиндукции. При напряжении питания 24 В амплитуда генерируемого импульса напряжения может достигать сотен вольт (рис. 1), при напряжении питания 220 В – тысячи вольт. Амплитуда импульсного напряжения зависит от величины индуктивности и скорости изменения тока.

Рис. 1. Выброс напряжения при индуктивной нагрузке

Наличие высоковольтных импульсов напряжения в случае коммутации индуктивной нагрузки с использованием электромеханических реле приводит к повреждению контактов реле вследствие искрения (рис. 1), увеличению сопротивления замкнутых контактов реле и, в конечном счете, к сокращению их срока службы. Твердотельные реле не содержат механических контактов и характеризуются максимально допустимой величиной обратного напряжения, превышение которого вызывает пробой изоляции и, как следствие, выход из строя реле. Высоковольтные импульсы напряжения сравнительно небольшой длительности создают высокочастотные помехи, которые могут оказывать негативное влияние на правильную работу цифровых и аналоговых схем в системе.
Ограничение высоковольтных импульсов при подключении индуктивной нагрузки к источнику напряжения постоянного тока осуществляется довольно просто включением диода параллельно катушке индуктивности (рис. 2). Максимально допустимое значение тока через диод должно быть, по крайней мере, не меньше, чем максимальный ток через катушку.
Подавление импульсов при подключении коммутируемой индуктивной нагрузки к сети переменного тока напряжением 220 В реализовать сложнее, т.к. направление тока в нагрузке непрерывно изменяется. Как правило, в таких случаях используются конденсаторы (керамические, пленочные) или разного рода ограничители напряжения (супрессоры). Это могут быть нелинейные резисторы (варисторы) или полупроводниковые ограничители напряжения (Transient Voltage Suppressor Diode – TVS), например, типа Transil, Transzorb или другие. Торговая марка Transil принадлежит компании ST Microelectronics, Transzorb – компании Vishay.

Рис. 2. Варианты подключения индуктивной нагрузки к реле

Для того, чтобы сгладить импульсы малой длительности, достаточно подключить конденсатор емкостью 0.1…1 мкФ с допустимым напряжением 600 В. Другой вариант – это подключение супрессора или варистора (рис. 2).
Кроме реле для коммутации индуктивной нагрузки (соленоида, трансформатора, электродвигателя и пр.) можно также использовать герконы. На начальном этапе размыкания геркона зазор между контактами небольшой и запасенной в катушке энергии достаточно для образования искры (дугового разряда). При использовании источников напряжения постоянного тока для ограничения выброса напряжения обычно используется диод, однако его нельзя использовать в цепях переменного тока. В этом случае для подавления дуги применяется металл-оксидный варистор (MOV), двунаправленный супрессор или т.н. RC-демпфер (RCsnubber), представляющий собой простую RC-цепь. Разные методы подавления электрической дуги отличаются своими преимуществами и недостатками. Какой из методов использовать в каждом конкретном случае, определяется путем компромисса между стоимостью, сроком службы контактов, габаритными размерами и пр. RC-цепь может подключаться как параллельно нагрузке, так и контактам геркона. Вариант подключения демпфера параллельно контактам является предпочтительным. Его недостаток – наличие тока утечки через демпфер при разомкнутых контактах. Подключение демпфера параллельно нагрузке устраняет ток утечки, однако в этом случае изменяется импеданс нагрузки, а также может снизиться эффективность подавления дуги. Некоторые варианты подключения индуктивной нагрузки к геркону приведены на рис. 3.

Рис. 3. Варианты подключения индуктивной
нагрузки к реле

При выборе величины сопротивления резистора и емкости конденсатора приходится идти на компромисс. Сопротивление должно быть достаточно большим, чтобы ограничить емкостный ток разряда, когда контакты переключателя замыкаются, и достаточно малым для эффективного ограничения амплитуды импульсов перенапряжения, возникающих при размыкании контактов. Большее значение емкости конденсатора уменьшает амплитуду выбросов напряжения, однако стоимость таких конденсаторов больше, и, кроме того, в этом случае увеличивается и запасаемая в конденсаторе энергия.
Ориентировочное значение сопротивления резистора можно найти воспользовавшись законом Ома R = V/I. Рекомендуемая величина сопротивления определяется из простого соотношения
0.5VPK/ISW < R < 3VPK/ISW,
где VPK – пиковое напряжение переменного тока
(1.414VRMS), а ISW – номинальное значение коммутируемого тока. При снижении сопротивления рези- стора R уменьшается износ контактов от воздействия дуги, а при увеличении сопротивления уменьшается износ контактов от емкостного разрядного тока. Рекомендуемое значение емкости конденсатора 0.1 мкФ. В конечном счете наличие RC-демпфера должно уменьшать или полностью устранять электрическую дугу, возникающую между контактами геркона. Кроме того, определить номинальные значения можно посредством расчета или в процессе моделирования. Однако параметры нагрузки не всегда точно известны, кроме того, они могут изменяться в процессе работы, поэтому в этом случае рекомендуется измерять напряжение на контактах с помощью осциллографа. После размыкания контактов напряжение повышается, однако это не должно повторно инициировать электрическую дугу. Кроме того, амплитуда импульсного напряжения не должна превышать максимально-допустимое напряжение конденсатора.
Для герконов эффективность работы демпфера можно оценить по интенсивности светового излучения, создаваемого дугой в зазоре между контактами. Незначительное свечение соответствует меньшей энергии дуги, что может гарантировать более продолжительный срок эксплуатации контактов геркона.

Рис. 4. Варианты шунтирования индуктивной нагрузки

Подключение диода параллельно катушке индуктивности (рис. 4) позволяет резко ограничить амплитуду выбросов напряжения, однако недостаток такого способа заключается в том, что, как видно из рис. 4, увеличивается время задержки выключения.
Плавное снижение тока через реле может послужить причиной такого нежелательного явления как «залипание контактов» , что в свою очередь приводит к сокращению срока службы реле. Чтобы избежать этого, рекомендуется использовать схему подключения с диодом и дополнительным стабилитроном (рис. 5).

Рис. 5. Вариант схемы ограничения выброса
напряжения

Типовая стандартная структура устройства коммутации (ключа) катушки индуктивности с использованием ключа на базе МОП-транзистора и защитного стабилитрона, ограничивающего выбросы напряжения, а также эквивалентная схема замещения в активном режиме приведены на рис. 6.

Рис. 6. Типовая структура устройства
коммутации катушки индуктивности

Когда ключ замкнут, транзистор находится в состоянии насыщения, сопротивление открытого канала минимально (сотые доли ома) и соответственно минимальны потери мощности на транзисторе. Размыкание ключа происходит не мгновенно, а за вполне конкретное время, в течение которого транзистор находится в активном состоянии. Этот промежуток времени характеризуется большим протекающим током и падением напряжения на транзисторе, и соответственно большой рассеиваемой мощностью, что может привести к перегреву ключевого МОП-транзистора. Чтобы решить эту проблему компания Maxim Integrated Products, Inc. предложила использовать реализованную в ИМС MAX14912/913 т. н. архитектуру Safe Demagnetization (SafeDemag).

В случае, когда ключевой МОП-транзистор начинает перегреваться вследствие повышенной рассеиваемой мощности, встроенный датчик температуры инициирует команду на его от ключение и одновременное включение дополнительного транзисторного ключа, обеспечивающего альтернативный путь для тока (рис. 7), в результате чего появляется возможность для охлаждения основного МОП-транзистора. После того как его температура снизится, возобновляется нормальная работа.

Рис. 7. Структура, реализующая архитектуру
Safe Demagnetization

Результаты тестирования ИМС MAX14912, иллюстрирующие особенности технологии SafeDemag при коммутации индуктивной нагрузки, можно найти в . Микросхема MAX14912 содержит восемь независимых транзисторных ключей, реализованных по структуре push-pull, и изготавливается в корпусе типа 56-QFN размерами 8×8 мм. Типовое значение напряжения фиксации 56 В. Максимальная частота переключения 200 кГц. Время включения/отключения не более 0.1 мкс. Максимальное сопротивление канала транзистора верхнего плеча 230 мОм (типовое значение 110 мОм) при токе 500 мА и температуре 125 °С, ток ограничения 870 мА (типовое значение). Напряжение питания 10.5…36 В. Структурная схема тестирования микросхемы MAX14912 приведена на рис. 8, временные диаграммы, иллюстрирующие ее работу, – на рис. 9.

Рис. 8. Структурная схема тестирования
ИМС MAX14912

На временных диаграммах входной сигнал (IN) обозначен желтым цветом, выходной сигнал (OUT) – красным, ток через нагрузку – зеленым. Как видно, при перегреве происходит отключение транзистора верхнего плеча и включение транзистора нижнего плеча, при этом напряжение на выходе (OUT) равно нулю. При его охлаждении выходное напряжение (OUT) снижается до минус 32 В (24 В – 56 В) (рис. 9).

Рис. 9. Временные диаграммы,
иллюстрирующие работу ИМС MAX14912

Дополнительную информацию об особенностях подключения индуктивной нагрузки можно найти в .

ЛИТЕРАТУРА

1. Switching Inductive Loads. – Artisan Controls Corporation.
2. FT01S Solid State Output FlexTimer. – Artisan Controls Corporation.
3. Application Note: Inductive load arc suppression. – Littelfuse, Inc., 2016.
4. Coil Suppression Can Reduce Relay Life. – Tyco Electronics Corporation.
5. Switching inductive loads with safe demagnetization. – Maxim Integrated Products, Inc..
6. Fundamentals of relay technology (www.phoenixcontact.com).
7. Intelligent Power Switches (IPS): Basic Features & Protection. – International Rectifier.
8. Multichannel drivers driving inductive loads with L99MC6 and L9733. AN4402. Application note.