КОРИСНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ПІДПІДКЛЮЧЕННЯ ІНДУКТИВНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

Будь-який пристрій, що містить котушку з провідником, є індуктивним навантаженням . Як правило, при збудженні котушки електричним струмом виконується механічна робота. Завдяки впливу магнітного поля, викликаного протіканням електричного струму в котушці, може виконуватися, наприклад, перемикання контактора або обертання вала електродвигуна.

При розриві кола протікання електричного струму в котушці за рахунок запасеної енергії генерується так звана ЕРС самоіндукції. При напрузі живлення 24 В амплітуда генерованого імпульсу напруги може досягати сотень вольт (рис. 1), при напрузі живлення 220 В – тисяч вольт. Амплітуда імпульсної напруги залежить від величини індуктивності та швидкості зміни струму.

Наявність високовольтних імпульсів напруги у разі комутації індуктивного навантаження з використанням електромеханічних реле призводить до пошкодження контактів реле внаслідок іскріння (рис. 1), збільшення опору замкнених контактів реле та, зрештою, до скорочення строку їх служби. Твердотільні реле не містять механічних контактів і характеризуються максимально допустимою величиною зворотної напруги, перевищення якої викликає пробій ізоляції та, як наслідок, вихід реле з ладу. Високовольтні імпульси напруги порівняно невеликої тривалості створюють високочастотні завади, які можуть негативно впливати на правильну роботу цифрових та аналогових схем у системі.

Обмеження високовольтних імпульсів при комутації індуктивного навантаження

Підключення до джерела постійного струму

Обмеження високовольтних імпульсів при підключенні індуктивного навантаження до джерела напруги постійного струму здійснюється досить просто шляхом увімкнення діода паралельно котушці індуктивності (рис. 2). Максимально допустиме значення струму через діод повинно бути щонайменше не меншим, ніж максимальний струм через котушку.

Підключення до мережі змінного струму

Придушення імпульсів при підключенні комутованого індуктивного навантаження до мережі змінного струму напругою 220 В реалізувати складніше, оскільки напрямок струму в навантаженні безперервно змінюється. Як правило, у таких випадках використовуються конденсатори (керамічні, плівкові) або різного роду обмежувачі напруги (супресори). Це можуть бути нелінійні резистори (варистори) або напівпровідникові обмежувачі напруги (Transient Voltage Suppressor Diode – TVS), наприклад типу Transil, Transzorb або інші. Торгова марка Transil належить компанії STMicroelectronics, Transzorb – компанії Vishay.

Для того щоб згладити імпульси малої тривалості, достатньо підключити конденсатор ємністю 0,1…1 мкФ з допустимою напругою 600 В. Інший варіант – це підключення супресора або варистора (рис. 2).

Комутація індуктивного навантаження за допомогою герконів

Крім реле для комутації індуктивного навантаження (соленоїда, трансформатора, електродвигуна тощо), можна також використовувати геркони. На початковому етапі розмикання геркона зазор між контактами невеликий, і запасеної в котушці енергії достатньо для утворення іскри (дугового розряду).

При використанні джерел напруги постійного струму для обмеження викиду напруги зазвичай використовується діод, однак його не можна використовувати в колах змінного струму. У цьому випадку для придушення дуги застосовується метал-оксидний варистор (MOV), двонапрямний супресор або так званий RC-демпфер (RC snubber), що являє собою просте RC-коло.

Переваги та недоліки різних способів придушення дуги

Різні методи придушення електричної дуги відрізняються своїми перевагами та недоліками. Який із методів використовувати в кожному конкретному випадку, визначається шляхом компромісу між вартістю, строком служби контактів, габаритними розмірами тощо.

RC-коло може підключатися як паралельно навантаженню, так і контактам геркона. Варіант підключення демпфера паралельно контактам є кращим. Його недолік – наявність струму витоку через демпфер при розімкнених контактах. Підключення демпфера паралельно навантаженню усуває струм витоку, однак у цьому випадку змінюється імпеданс навантаження, а також може знизитися ефективність придушення дуги.

Деякі варіанти підключення індуктивного навантаження до геркона наведені на рис. 3.

Вибір параметрів RC-демпфера

При виборі величини опору резистора та ємності конденсатора доводиться йти на компроміс. Опір повинен бути достатньо великим, щоб обмежити ємнісний струм розряду, коли контакти перемикача замикаються, і достатньо малим для ефективного обмеження амплітуди імпульсів перенапруги, що виникають при розмиканні контактів.

Більше значення ємності конденсатора зменшує амплітуду викидів напруги, однак вартість таких конденсаторів вища, і, крім того, у цьому випадку збільшується й енергія, що запасається в конденсаторі.

Орієнтовне значення опору резистора можна знайти, скориставшись законом Ома:

R = V/I.

Рекомендована величина опору визначається із простого співвідношення: 0.5VPK/ISW < R < 3VPK/ISW,
де VPK – пікова напруга змінного струму
(1.414VRMS), а ISW – номінальне значення комутованого струму.

При зменшенні опору резистора R зменшується зношування контактів від впливу дуги, а при збільшенні опору зменшується зношування контактів від ємнісного розрядного струму.

Рекомендоване значення ємності конденсатора – 0,1 мкФ.

Ефективність роботи RC-демпфера

Зрештою, наявність RC-демпфера повинна зменшувати або повністю усувати електричну дугу, що виникає між контактами геркона. Крім того, визначити номінальні значення можна за допомогою розрахунку або в процесі моделювання. Однак параметри навантаження не завжди точно відомі, крім того, вони можуть змінюватися в процесі роботи, тому в цьому випадку рекомендується вимірювати напругу на контактах за допомогою осцилографа.

Після розмикання контактів напруга підвищується, однак це не повинно повторно ініціювати електричну дугу. Крім того, амплітуда імпульсної напруги не повинна перевищувати максимально допустиму напругу конденсатора.

Для герконів ефективність роботи демпфера можна оцінити за інтенсивністю світлового випромінювання, створюваного дугою в зазорі між контактами. Незначне світіння відповідає меншій енергії дуги, що може гарантувати триваліший строк експлуатації контактів геркона.

Підключення діода паралельно котушці індуктивності (рис. 4) дозволяє різко обмежити амплітуду викидів напруги, однак недолік такого способу полягає в тому, що, як видно з рис. 4, збільшується час затримки вимкнення.

Плавне зниження струму через реле може стати причиною такого небажаного явища, як «залипання контактів» , що, своєю чергою, призводить до скорочення строку служби реле. Щоб уникнути цього, рекомендується використовувати схему підключення з діодом і додатковим стабілітроном (рис. 5).

Типова стандартна структура пристрою комутації (ключа) котушки індуктивності з використанням ключа на базі МОП-транзистора та захисного стабілітрона, який обмежує викиди напруги, а також еквівалентна схема заміщення в активному режимі наведені на рис. 6.

Робота МОП-транзистора в режимі комутації

Коли ключ замкнений, транзистор перебуває в стані насичення, опір відкритого каналу мінімальний (соті частки ома) і, відповідно, мінімальні втрати потужності на транзисторі.

Розмикання ключа відбувається не миттєво, а за цілком конкретний час, протягом якого транзистор перебуває в активному стані. Цей проміжок часу характеризується великим струмом, що протікає, і падінням напруги на транзисторі, а відповідно й великою розсіюваною потужністю, що може призвести до перегріву ключового МОП-транзистора.

Щоб вирішити цю проблему, компанія Maxim Integrated Products запропонувала використовувати реалізовану в ІМС MAX14912/913 так звану архітектуру Safe Demagnetization (SafeDemag).

Архітектура Safe Demagnetization

У випадку, коли ключовий МОП-транзистор починає перегріватися внаслідок підвищеної розсіюваної потужності, вбудований датчик температури ініціює команду на його відключення та одночасне ввімкнення додаткового транзисторного ключа, що забезпечує альтернативний шлях для струму (рис. 7), у результаті чого з’являється можливість для охолодження основного МОП-транзистора. Після того як його температура знизиться, відновлюється нормальна робота.

Результати тестування ІМС MAX14912

Результати тестування ІМС MAX14912, що ілюструють особливості технології SafeDemag при комутації індуктивного навантаження, можна знайти в .

Мікросхема MAX14912 містить вісім незалежних транзисторних ключів, реалізованих за структурою push-pull, і виготовляється в корпусі типу 56-QFN розмірами 8×8 мм.

Основні характеристики MAX14912

• типове значення напруги фіксації — 56 В;

• максимальна частота перемикання — 200 кГц;

• час увімкнення/вимкнення — не більше 0,1 мкс;

• максимальний опір каналу транзистора верхнього плеча — 230 мОм (типове значення 110 мОм) при струмі 500 мА та температурі 125 °С;

• струм обмеження — 870 мА (типове значення);

• напруга живлення — 10,5…36 В.

Структурна схема тестування мікросхеми MAX14912 наведена на рис. 8, часові діаграми, що ілюструють її роботу, — на рис. 9.

Аналіз часових діаграм

На часових діаграмах вхідний сигнал (IN) позначений жовтим кольором, вихідний сигнал (OUT) — червоним, струм через навантаження — зеленим.

Як видно, при перегріві відбувається відключення транзистора верхнього плеча та ввімкнення транзистора нижнього плеча, при цьому напруга на виході (OUT) дорівнює нулю.

Після його охолодження вихідна напруга (OUT) знижується до мінус 32 В (24 В – 56 В) (рис. 9).

Додаткову інформацію про особливості підключення індуктивного навантаження можна знайти в .

ЛІТЕРАТУРА

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.