Gasik RC i ogólnie o przekaźnikach

Posted by

W tym artykule będę chciał opowiedzieć trochę o wadach/zaletach przekaźników, jak sterować nimi dużym prądem, przy czym uniknąć sklejania się styków i złagodzić iskrzenia. Niestety osobiście napotkałem ogrom problemów, np. przy sterowaniu silnikami, albo urządzeniami, które generują wysokie napięcia.

Zacznę może od tego jak ważny jest dobry przekaźnik w sterowaniu dużym prądem, a w szczególności elementami posiadającymi kondensator do ochrony sieci przed zakłóceniami. Rozważmy taki układ:

Widzimy tutaj układ z cewką, który generuje wysokie napięcie. Taki układ przy dużym obciążeniu generowałby zakłócenia elektromagnetyczne, które mogłyby negatywnie wpłynąć na inne urządzenia, w szczególności elektroniczne/mikroprocesorowe, które znajdowałyby się w okolicy. Dlatego zastosowano tam kondensator. Powoduje on nagły przepływ prądu przy załączeniu, co z kolei przyczynia się do powstawania iskry na stykach przekaźnika. Stosując słabe przekaźniki, szczególnie chińskie no-name za 1$, bądźmy prawie pewni, że styki prędzej czy później się skleją i długo to nie podziała. Poniżej wklejam fotki dwóch rodzajów przekaźników, pierwszy chiński, drugi polskiej firmy Relpol (nie ma większego znaczenia czy to będzie ta firma, czy inna, byle przekaźnik był dobry, czyli najczęściej nietani).

Przy układzie z pierwszego schematu u góry, chiński przekaźnik często się „sklejał”, natomiast ten po prawej, ani razu. Oba miały identyczne parametry prądu przełączania 250VAC oraz 10A (nie sugerować się napisami na zdjęciach). Poniżej pokazane jak wygląda przeskok iskry w przekaźniku:

Usunięcie kondensatora z układu, teoretycznie rozwiązało problem, gdyż iskrzenie się zmniejszyło i ten tańszy przekaźnik nie sklejał już się.

Jak zapobiegać zakłóceniom elektromagnetycznym i zmniejszyć iskrzenie na stykach?

Poza inwestowaniem w lepszej jakości przekaźniki, możemy zastosować dodatkowo układ zwany Gasikiem RC. Jest to połączenie kondensatora z rezystorem w sposób jak poniżej:

Wartości tych dwóch elementów powinniśmy dobrać z nomogramu:

Nomogram dwójnika RC od firmy Hamlin

Jeśli chcemy poprawnie dobrać parametry dwójnika RC to musimy znać wartość napięcia zasilania odbiornika, oraz prąd jaki on pobiera (jeżeli jest to silnik, to chodzi o prąd znamionowy). Od siebie dodam takie spostrzeżenie, że w obwodzie gdzie zastosowano już kondensator do eliminacji zakłóceń, np. wiertarka, taki Gasik RC nie pomoże wyeliminować iskrzenia styków :(, chyba że byłby użyty zamiast tego kondensatora, ale to nie wiem jak wpłynie na eliminacje zakłóceń pochodzących z silnika 230V.

Sterowanie cewką przekaźnika

To też nie jest temat trywialny. Cewka jak wiemy część energii gromadzi w polu magnetycznym i przy rozłączeniu obwodu zachodzi zjawisko samoindukcji, część prądu wraca do cewki z odwrotną biegunowością. Powstają tak zwane szpilki, które trwają bardzo krótko, ale osiągają wysokie napięcie (nawet kilkaset volt!), mniej więcej tak to wygląda:

Bez odpowiedniego zabezpieczenia, może dojść nawet do uszkodzenia mikrokontrolera. Najlepszym rozwiązaniem jest dodanie diody prostowniczej w kierunku odwrotnym (zaporowym) do płynącego prądu. W momencie samoindukcji na cewce, całe napięcie, które wróci do obwodu zostanie zwarte na diodzie i tym samym „szpiki” zostaną wygaszone.

Na schemacie widzimy jeszcze tranzystor, o którym nie wspomniałem. Otóż cewką przekaźnika nie powinno się sterować bezpośrednio z mikrokontrolera, należy w tym przypadku użyć tranzystora, albo innego elementu pośredniego. Też dobrym rozwiązaniem jest użycie transoptorów, które odizolują galwanicznie nam przekaźniki (i zakłócenia od nich) od reszty układu.

Chciałbym jeszcze ostrzec przed dodawaniem kondensatora równolegle z diodą. Niestety nie pomoże to w niczym, a nawet zaszkodzi. Ja robiłem tak początkowo myśląc, że jest to dobre rozwiązanie (dodatkowe zabezpieczenie), a jednak jak okazało się, przez niego sterowanie większymi obciążeniami, w szczególności o charakterze indukcyjnym, było kłopotliwe. Poniżej wrzucam dwa oscylogramy:

Możemy dostrzec, że kondensator przy załączaniu powoduje oscylacje, które wpływaj negatywnie na sterowanie nim. Gdy sterowałem układem ze schematu na samej górze wpisu, to przekaźnik przeskakiwał kilka razy i czasem nawet się nie załączał. Dlatego nie powinniśmy umieszczać go nigdy równolegle do cewki przekaźnika.

Minimalna przełączana moc

Nie wiem, czy większość osób zdaje sobie sprawę, ale aby przekaźnik działał sprawnie i długo, nie może sterować cały czas małym prądem, albo niskim napięciem. Dzieje się tak, ponieważ na stykach przekaźnika osadzają się tlenki, siarczki i inne zanieczyszczenia i przy przełączaniu prądu o wysokim natężeniu są one czyszczone dzięki iskrzeniu styków (jest to efekt samoczyszczenia). Niestety przy tańszych przekaźnikach tych parametrów nie pozyskamy z noty katalogowej, więc trzeba po prostu mieć z tyłu głowy, że przy ciągłym przełączaniu niskich prądów przekaźnik może zacząć dziwnie się zachowywać, szczególnie narażone na to zjawisko są przekaźniki działające w urządzeniach audio, służące do przełączania sygnałów.

Prąd stały vs przemienny

General-purpose Relay: Maximum Switching Capacity | FAQ | Singapore | Omron  IA

Musimy pamiętać o tym, że na przekaźnikach najczęściej mamy podany maksymalny prąd przełączania dla prądu przemiennego. Niestety dla prądu stałego te wartości są zupełnie inne. Przykładowo, jeżeli dla napięcia 230 AC mamy napisane 16 A to już dla napięcia stałego o tej wartości będzie to zaledwie 0,5A (albo coś około tego, w zależności od jakości przekaźnika). Dzieje się tak dlatego, że przy prądzie stałym, dla wysokich napięć powstaje łuk elektryczny, który trwa, aż do momentu odpowiedniego oddalenia się styków, co w efekcie niszczy końcówki styków. W przypadku prądu przemiennego to zjawisko nie jest, aż tak groźnie, bo napięcia spada cyklicznie do 0, więc czas łuku elektrycznego jest mocno ograniczony. Np. dla 230V 50Hz, czas trwania łuku, wynosi maksymalnie 10ms.

Obciążenie rezydencyjne vs reaktancyjne

Na wykresie z poprzedniego akapitu widać dodatkowo podział ze względu na rodzaj obciążenia. O ile dla odbiornika o charakterze rezystancyjnym, maksymalna moc przełączania będzie duża, to już np. dla wiertarki będzie ona ponad dwukrotnie mniejsza (w zależności od przekaźnika). Często te lepsze przekaźniki mają w notach katalogowych załączone takie wykresy albo informacje o maksymalnej mocy urządzenia w zależności od charakteru obciążenia.

Dodatkowe informacje

Wiele urządzeń elektrycznych dużej mocy, w szczególności zawierające silniki elektryczne, albo świetlówki posiadają podłączony równolegle między przewodem fazowym a przewodem neutralnym kondensator dostosowany do prądu przemiennego. Jego celem jest eliminacja zakłóceń elektromagnetycznych w sieci. Takie zakłócenia mogą powodować nieprawidłowe działanie uC i innych urządzeń elektronicznych w okolicy.

Źródła i linki:

print

Leave a Reply

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.