Управление мощными нагрузками - достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.
Традиционная дилемма здесь - чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью - при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле - второе для подстраховки на размыкание.
Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус - они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.
Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:
Гальваническая развязка входа и нагрузки
Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности
Но сначала - чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки - пылесос мощностью 650 Вт.
Классическая схема - подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос - а лучше оба - должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.
Включаем:
Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль - задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.
Выключаем:
Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего - ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.
Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер - RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.
Включаем:
Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.
Выключаем:
Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.
Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле - ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.
Литература по теме: Agilent - Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки - мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление - добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.
А теперь сделаем ход конём - объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.
Что есть на этой схеме? Слева - вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 - со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.
Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 - и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает. И не греется.
Выключение - в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.
Включение:
Выключение:
Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей - NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.
Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:
Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов - то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме - ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.
Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.
Появление полупроводников оказало огромное влияние на развитие электроники: габаритные размеры, как и цена компонентов, уменьшились в разы. Диоды и транзисторы стали внедряться повсеместно. Одной из таких отраслей стала релейная техника, которая благодаря полупроводникам значительно расширила диапазон применения.
Использование полупроводников привело к появлению нового класса релейной техники — твёрдотельным реле (ТТР). Так, если в электромеханических реле для размыкания (замыкания) цепи использовался механический контакт, то в новом классе устройств эту функцию взяли на себя транзисторы и тиристоры (симисторы). Данная замена позволила уйти от ряда существенных недостатков электромеханических реле, таких как: дребезг контактов, возникновение дугового разряда при переключении, высокое время переключения и низкая надёжность. Помимо этого применение цепи обвязки позволило добавить «интеллект» реле, т.е. реализовать ряд сервисных функций: контроль перехода через ноль, наличие статусного сигнала и т.д. Причём всё это имеет достаточно компактный размер. Применение полупроводников также позволило уйти от электромагнитной развязки, заменив её оптоэлектронной, что позволило увеличить помехозащищённость.
Наличие всех этих преимуществ позволило применить ТТР в различных отраслях производства. Так возможность организации срабатывания реле не при переходе управляющего сигнала через ноль, а при его максимальном (амплитудном) значении укрепило роль ТТР для коммутации индуктивной нагрузки. Этот процесс отличается от коммутации активной нагрузки тем, что в момент подачи сигнала начинается переходный процесс установления стационарного режима электрической цепи, при котором среднее значение тока за период равно нулю. В этом случае в цепи на время переходного процесса, которое зависит от индуктивности и сопротивления цепи (постоянной времени цепи τ=L/R), появляется постоянная составляющая электрического тока (цепь на время переходного процесса работает с подмагничиванием). Самый не желательный момент включения это момент перехода напряжения фазы через ноль. В этом случае ток подмагничивания и, соответственно, амплитуда тока в цепи имеет максимальное значение. Такой режим может привести к насыщению сердечника (трансформатор, автотрансформатор, обмотка контактора и т. д.). И как результат, резкому уменьшению индуктивности и, соответственно, резкому увеличению тока (рис.1).
Рисунок 1 - переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через нуль. τ - постоянная времени электрической цепи.
Этого можно избежать, если включить реле при максимальном амплитудном Um) значении переменного напряжения (рис. 2). Как видно из графика, это достигается по средствам сдвига фаз тока относительно напряжения на 90˚.
Рисунок 2 – переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через максимальное значение Um.
Одним из вариантов решения данной задачи является использование полупроводникового оптоэлектронного однофазного реле переменного тока РПТ-90, с включением при максимальном (амплитудном Um) значении переменного напряжения, выпускаемое отечественной фирмой ЗАО «Протон-Импульс» (рис. 3). Реле выполнено в монолитном корпусе с габаритами 58,4х45,7х23.
Рисунок 3 – Габаритные и присоединительные размеры модуля
Реле предназначено для подключения активной и активно-индуктивной нагрузки (трансформатор. автотрансформатор, электромагнитный контактор и т.д.) к сети переменного тока частотой f=50-60Гц, напряжением Uд=100-400В. В качестве управляющего может служить переменное напряжение от 7 до 278 В. Схема включения изображена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема включения реле РПТ-90
Данное реле является универсальным, имеет защиту IP 54 и позволяет коммутировать как активную, так и индуктивную нагрузку на ток до 63 А. Технические характеристики реле представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры РПТ-90
Выводы:
Помимо перечисленных достоинств ТТР обладают повышенной надёжностью и временем работы, что делает представленное реле универсальным решением для задачи коммутации цепи на активную и индуктивную нагрузку.
Использование в переключающих схемах для создания и размыкания емкостной индуктивной и резистивной нагрузки. Сущность изобретения коммутационное устройство содержит электромагнитное реле, контактом и двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, способный замыкать и размыкать емкостную, индуктивную или чисто резистивную нагрузки без образования дуги и без существенных тепловых потерь. Замыкание нагрузки осуществляется посредством напряжения, которое подается по фазодетектирующему оптическому элементу, на двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор. То же самое напряжение подают на RC-цепь задержки времени, например RC-цепочку, которая на определенный период времени запитывает электромагнитное реле. При размыкании эта последовательность является обратной. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к переключающей схеме для создания и размыкания емкостной, индуктивной и резистивной нагрузки. Электрические переключающие устройства известны в различных примерах, известных под названием "релейных схем". Имеются известные электромагнитные реле, но для них требуется много пространства, энергии и, кроме того, они создают электрический шум при замыкании и размыкании. Для таких устройств также требуется относительно большая мощность управления, а поэтому они противопоказаны для ряда задач, например, когда управление осуществляется от компьютера. Другой тип электрических переключающих схем основан только на электронике, т. е. замыкание и размыкание осуществляется без механических контактов, а наоборот используется полупроводниковая технология. Эти так называемые "SSR-реле" (твердотельные реле) обладают большими тепловыми потерями при больших нагрузках, особенно при нагрузках индуктивных. Поэтому их необходимо охлаждать, для чего они исключаются из ряда задач, в частности для использования в течение длительного периода времени. Наиболее близким к заявленному является коммутационное устройство, содержащее входные выводы для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки, электромагнитное реле, контакт которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемента оптической связи со светоизлучателем в цепи управляющего входа, выходом подключенный к управляющим входу бесконтактного коммутатора, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала. Недостатком известного устройства является то, что оно содержит относительно сложную схему, включающую в себя множество относительно сложных схемных элементов. Целью изобретения является создание переключающего средства для замыкания и размыкания различных типов нагрузки с любой схемой переменного тока, особенно в случаях, когда любое возникновение теплового эффекта или высокочастотного шума при замыкании и размыкании является нежелательным или неприемлемым, или же когда имеется риск возникновения взрыва. К этому присовокупляется важность создания переключающего средства, которое является компактным, простым, надежным и недорогим при изготовлении. Для достижения положительного эффекта в устройство введена цепь управления бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, включенного фазосдвигающим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор выполнен с управляющими входом силиcторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента оптической связи включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора. На чертеже показана схема предлагаемого устройства. Коммутирующее устройство содержит входные выводы 1 для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки 2, электромагнитное реле 3, контакт 4 которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор 5, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь 6 управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемента оптической связи со светоизлучателем 7 в цепи управляющего входа, выходом светочувствительного элемента 8, подключенный к управляющему входу бесконтактного коммутатора 5, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала, цепь управления 9 бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, выполненного фазосдвигающим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор 5 выполнен с управляющим входом силисторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента 8 оптической связи (светочувствительный элемент) включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора 5. Цепь 6 управления электромагнитным реле выполнена на резисторе 10 и конденсаторе 11, соединенных последовательно, в которую может быть дополнительно введен усилитель на транзисторе 12. Цепь управления бесконтактным коммутатором 5 выполнена в виде последовательно соединенных резисторе 13 и конденсаторе 14 (2-я RC-цепь), один вывод которой подключен к общей точке соединенных последовательно диода 15 и резистора 16. Работа данного примера реализации заключается в том, что напряжение управления подается для замыкания и размыкания схемы. Если используется напряжение переменного тока, оно должно выпрямляться. При наличии напряжения управления ток пойдет через диод 15, резистор 16 и светоизлучатель 7 оптического элемента связи. Это, в свою очередь, обеспечит запуск светочувствительного элемента 8. Оптический элемент сопряжения выполнен таким, какое применяется для управления бесконтактным коммутатором 5 силисторного типа, и в дополнение задерживает замыкание до тех пор, пока фазовый угол не будет нулевым. Оптический элемент сопряжения соединен с управляющим входом бесконтактного коммутатора 5, который подключает нагрузку. Эта нагрузка может быть индуктивной, емкостной или чисто резистивной. Одновременно с запуском бесконтактного коммутатора, через контакт 4 управляющим напряжением то же напряжение запускает выработку электрического поля в конденсаторе 11 через резистор 10. Конденсатор 11 создает вместе с резистором 10 схему задержки (RC-цепочку), которая будет в течение промежутка времени, определенного выбранными величинами резистора 10 и конденсатора 11, вырабатывать напряжение между базой транзистора 12 и землей, так что резистор 12 будет проводить ток по управляющей обмотке электромагнитного реле 3, которое шунтирует контакт 4 реле замыкания нагрузку 2. При использовании транзистора 12 для усиления уровня напряжения RC-цепочка развитие большого заряда в RC-цепочке стремится к избыточному, а следовательно, конденсатор может иметь существенно меньшую емкость. Поскольку управляющее напряжение запускает силистор и запускает заряд конденсатора 11, то же управляющее напряжение начинает заряжать конденсатор 14 через резистор 13. Резисторы 13 и 16 являются вместе с конденсатором 14 составляющими схемами задержки. Эта схема задержки используется при размыкании соединения нагрузки. Как только происходит отсечка управляющего напряжения, RC-цепочка, образованная из резисторов 12 и 16 и конденсатора 14, подает ток на оптический элемент на период времени, определенный этой RC-цепочкой. С другой стороны, транзистор 12 сразу же выключится, размыкая электромагнитное реле. Однако, соединение с нагрузкой будет поддерживаться посредством коммутатора 5 до тех пор, пока полностью не исчезнет управляющее напряжение, когда конденсатор 14 существенно разряжен. Для того, чтобы коммутатор 5 разомкнул схему при пересечении нулевого напряжения, постоянная времени RC-цепочки, образованной элементами 16, 13 и 14, должна соответствовать по меньшей мере половине периода нагрузки 2. Однако, она может быть больше, поскольку именно определяющий фазу оптический соединитель задает размыкание, возникающее точно при пересечении нулевого напряжения. Это подразумевает, что малый допуск составляющих не является критическим и можно использовать недорогие компоненты для получения того же результата, что и с более точными и дорогими компонентами. За счет использования оптического элемента для замыкания и размыкания коммутатора 9 можно также получить гальваническое разделение между управляющей схемой и нагрузкой.
Формула изобретения
1. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее входные выводы для подключения к источнику управляющего двоичного сигнала, выходные выводы для включения устройства в цепь нагрузки, электромагнитное реле, контакт которого включен между выходными выводами устройства, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор, выходной цепью включенный параллельно контакту электромагнитного реле между выходными выводами устройства, цепь управления электромагнитным реле, входными выводами подключенную к входным выводам устройства, а выходными выводами к обмотке электромагнитного реле, и элемент оптической связи со светоизлучателем в цепи управляющего входа, выходом подключенный к управляющему входу бесконтактного коммутатора, причем цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой переднего фронта его выходного сигнала относительно переднего фронта входного сигнала, отличающееся тем, что в устройство введена цепь управления бесконтактным коммутатором, входными выводами подключенная к входным выводам устройства параллельно цепи управления электромагнитным реле, а выходными выводами к управляющему входу элемента оптической связи, выполненного фазодетектирующим с встроенным интегральным детектором пересечения нуля нагрузки, двунаправленно управляемый бесконтактный коммутатор выполнен с управляющим входом симисторного типа с общим управляющим электродом для обоих направлений, выход элемента оптической связи включен между управляющим электродом и соответствующим силовым электродом бесконтактного коммутатора и является измерительным входом детектора пересечения нуля нагрузки, при этом цепь управления бесконтактным коммутатором выполнена в виде повторителя двоичного сигнала с временной задержкой заднего фронта его выходного сигнала относительно заднего фронта входного сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления электромагнитным реле выполнена в виде первой RC-цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора и конденсатора, включенных между входными выводами этой цепи управления, при этом обмотка электромагнитного реле включена параллельно конденсатору первой RC-цепи. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в первую RC-цепь введен транзистор, база которого соединена с общей точкой резистора и конденсатора первой RC-цепи, коллектор с другим выводом этого резистора, а обмотка электромагнитного реле включена параллельно конденсатору первой RC-цепи через база-эмиттерный переход транзистора. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь управления бесконтактным коммутатором выполнена в виде второй RC-цепи, один вывод которой подключен к общей точке последовательно соединенных диода и второго резистора, другой вывод которого соединен с первым выходным выводом цепи управления бесконтактным коммутатором, вторым выходным выводом которой является второй вывод RC-цепи. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что постоянная времени разряда конденсатора второй RC-цепи выбрана большей или равной половине периода переменного напряжения на выходных выводах устройства.
Похожие патенты:
Изобретение относится к разъединительному устройству (1) для прерывания постоянного тока между источником (2) постоянного тока и электрическим устройством (3), в частности между фотогальваническим генератором и инвертором с токопроводящим механическим коммутирующим контактом (7а, 7b) и с полупроводниковой электроникой (8), включенной параллельно коммутирующему контакту (7а, 7b)
Изобретение относится к модульному схемному устройству (10) для коммутации электрических мощностей. Оно содержит панельку (40) реле и адаптер (30), соединяемый разъемно с панелькой (40) реле. Адаптер (30) содержит полупроводниковое реле (60) и электрически соединенное с ним устройство управления (50). Кроме того, предусмотрено наличие реле (20), соединяемого разъемно электрически и механически с адаптером (30) таким образом, что в состоянии после соединения полупроводниковое реле (60) подключено параллельно к механическому выключателю (22) реле (20), причем устройство управления (50) может управлять реле (20) и полупроводниковым реле (60) в разные моменты времени. Технический результат - снижение степени износа нормально разомкнутых контактов реле, замыкаемых и размыкаемых без нагрузки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Устройство (13) для прерывания электрического тока, протекающего через линию (14) передачи или распределения энергии, содержит параллельное соединение основного прерывателя (8) и нелинейного резистора (11). Основной прерыватель (8) содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока. Устройство (13) дополнительно содержит последовательное соединение высокоскоростного переключателя (10), содержащего, по меньшей мере, один механический переключатель, и вспомогательный прерыватель (9), который имеет меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем основной прерыватель (8), и содержит, по меньшей мере, один мощный полупроводниковый переключатель первого направления тока. Это последовательное соединение подключено параллельно параллельному соединению. В способе использования устройства (13) вначале открывают вспомогательный прерыватель (9), коммутируя таким образом ток в основной прерыватель (8), после чего открывают высокоскоростной переключатель (10), и после этого открывают основной прерыватель (8), коммутируя таким образом ток в нелинейный резистор (11). Устройство (13) может дополнительно использоваться в компоновке ограничения тока. Технический результат - обеспечение прерывания постоянного тока с уменьшением потерь в установившемся состоянии в мощных полупроводниковых переключателях. 10 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил.
Выключатель содержит первый и второй контакты для подачи питания для работы электронного устройства, а также первый контакт замыкания и размыкания и второй контакт замыкания и размыкания, подключенные к внутренней цепи электронного устройства. Выключатель содержит также блок подачи питания, ключ активизации, генерирующий сигнал управления внутренней цепью электронного устройства, и блок запаздывания, обеспечивающий, чтобы при включении контактный выключатель и ключ активизации срабатывали не одновременно, а с заданным временем запаздывания. Технический результат - безопасное подключение электронного устройства без броска тока или сильного искрового разряда, а также автоматическое отключение двухполюсного контактного выключателя мгновенно или через некоторое время в случае, если питание отключается программой, или при выключении внутренней цепи за счет сигнала управления ключа активизации, что предотвращает потребление энергии в режиме ожидания. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.
Изобретение относится к переключающей схеме для создания и размыкания емкостной, индуктивной и резистивной нагрузки
Катушка индуктивности запасает энергию, прямо пропорциональную индуктивности L и квадрату тока I через катушку:
При включении индуктивности в цепь источника питания ток через катушку нарастает медленно (индуктивность не допускает броска тока) с постоянной времени, пропорциональной индуктивности катушки L и суммарному сопротивлению Кц всей последовательно с катушкой включенной цепи:
Таким образом, индуктивные нагрузки не создают проблем при включении (за исключением соленоидов с подвижным сердечником и электромоторов, где при включении индуктивность мала и пусковой ток может быть в десятки раз больше токов в установившемся режиме).
При отключении индуктивностей выделяется запасенная в катушке энергия, создавая напряжение самоиндукции, равное рабочему напряжению, умноженному на добротность катушки. Добротность индуктивной нагрузки бывает на практике от 0,5 (катушки с большим внутренним сопротивлением) до 50 (типичные соленоиды электромеханических замков, катушки контакторов и мощных реле, электромоторы и т.д). Напряжение самоиндукции катушки обычного промышленного реле с рабочим напряжением 24 VDC может превышать 1 киловольт!
При необходимости коммутации индуктивных нагрузок следует отдавать предпочтение реле, у которых:
Минимальное время выключения;
Максимальное расстояние между контактами;
Контакты выполнены из сплавов AgCdO или AgSnO.
Хорошо помогают гасить дугу специальные искрогасящие цепи, их рассмотрению будет посвящен особый раздел.
Одним из популярных использований диодов является ослабление индуктивной "отдачи": импульсов высокого напряжения, возникающих при прерывании протекания постоянного тока через индуктивность. Возьмем, к примеру, простую схему на рисунке ниже без защиты от индуктивной отдачи.
Когда кнопка нажат, ток проходит через индуктивность, создавая вокруг нее магнитное поле. Когда кнопка отжимается, ее контакт разрывается, прерывая протекание тока через индуктивность и вызывая быстрое уменьшение магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцируемое в катушке провода, прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока во времени (закон Фарадея: e = NdΦ/dt), это быстрое уменьшение магнитного поля вокруг катушки создает "всплеск" высокого напряжения.
Если речь идет о катушке электромагнита, например, о соленоиде или реле, (сконструированной для создания физической силы при помощи магнитного поля при протекании тока), эффект индуктивной "отдачи" вообще не имеет никакой полезной цели. Фактически, он очень вреден для коммутатора, так как вызывает чрезмерное искрение контактов, что значительно сокращает их срок службы. Из практических способов уменьшения высоковольтного переходного процесса, возникающего при размыкании переключателя, нет более простого, чем так называемый коммутирующий диод, показанный на рисунке ниже.
Индуктивная отдача с защитой: (a) Ключ разомкнут. (b) Ключ замкнут, сохранение энергии в магнитном поле. (c) Ключ разомкнут, индуктивная отдача накоротко замыкается диодом. В этой схеме диод подключен параллельно катушке, поэтому, когда постоянное напряжение будет подаваться на катушку через кнопку, он будет смещен в обратном направлении. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток (рисунок выше (b)).
Однако когда ключ размыкается, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока индуцированием напряжения обратной полярности с целью поддержания тока той же величины и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке смещает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для протекания тока катушки индуктивности, поэтому вся ее накопленная энергия рассеивается медленно, а не мгновенно (рисунок выше (c)).
В результате напряжение, наведенное в катушке резко ее уменьшающимся магнитным полем, довольно мало: просто величина прямого падения напряжения на диоде, а не сотни вольт, как было ранее. Таким образом, во время процесса разряда к контактам ключа прикладывается напряжение, равное напряжению батареи плюс примерно 0,7 В (если используется кремниевый диод).
В языке электроники термин коммутация относится к изменению полярности напряжения или направления тока. Таким образом, назначение коммутирующего диода состоит в том, чтобы действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушке индуктивности при прерывании протекания через нее тока. Менее формальный термин для коммутирующего диода - демпфер, поскольку "демпфирует" или "гасит" индуктивную отдачу.
Примечательным недостатком этого метода является дополнительное время, которое добавляет к разрядке катушки. Поскольку наведенное напряжение ограничивается до очень низкого значения, скорость изменения магнитного потока во времени сравнительно невелика. Помните, что закон Фарадея описывает скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt), как пропорциональную наведенному мгновенному напряжению (e или v). Если мгновенное напряжение ограничено некоторым низким значением, то скорость изменения магнитного потока во времени будет также ограничена низким (медленным) значением.
Если катушка электромагнита "погашена" с помощью коммутирующего диода, магнитное поле буде рассеиваться с относительно низкой скоростью по сравнению с изначальным сценарием (без диода), где поле исчезает почти мгновенно после размыкания ключа. Количество времени, о котором идет речь, будет, скорее всего, меньше одной секунды, но оно будет заметно больше, чем без коммутирующего диода. Это может привести к неприемлемым последствиям, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, поскольку реле будет иметь естественную "временную задержку" обесточивания катушки, и нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым схемам.
К сожалению, нельзя одновременно и исключить высоковольтный переходной процесс индуктивной отдачи, и сохранить быстрое снятие намагниченности катушки: невозможно нарушить закон Фарадея. Однако, если медленное снятие намагниченности неприемлемо, можно достигнуть компромисса между переходными напряжением и временем, позволяя напряжению на катушке подняться до некоторого более высокого уровня (но не настолько высокого, как без коммутирующего диода). Схема на рисунке ниже показывает, как это можно сделать.
(a) Последовательно с коммутирующим диодом включен резистор. (b) Диаграмма напряжения. (c) Уровень без диода. (d) Уровень с диодом, но без резистора. (e) Компромиссный уровень с диодом и резистором. Резистор, включенный последовательно с коммутирующим диодом, позволяет напряжению, наведенному катушкой, подниматься до уровня превышающего прямое падение напряжения на диоде, ускоряя тем самым процесс размагничивания. Это, конечно же, будет давать большее напряжение на контактах, и поэтому резистор должен быть такого номинала, чтобы ограничить переходное напряжение на приемлемом максимальном уровне.
