Содержание

Дребезг контактов и защита от него. | Робототехника

Большинство опытных инженеров работающих с электроникой, знакомы с данным явлением и отлично справляются с ним.

Что такое дребезг контактов. Если металлический шарик уронить, на твердую поверхность, например кафельная плитка, то за счет собственной упругости и упругости плитки, шарик несколько раз подскочит.

микроподскоки

микроподскоки

Конечно, это будут не супер отскоки как у баскетбольного мяча, но несколько отрывов произойдет. Если посмотреть на фото перекидных контактов реле, то заметим, что они из металла и обладают определенной упругостью.

В момент переключения будет происходит от 3 до 7 касаний, прежде чем они сомкнуться плотно.

Как видим из электрической диаграммы, в момент переключения проходит несколько импульсов. В работе цифровых устройств, дребезг примет уже такой вид.

Хотя в ТТЛ логике данная диаграмма дребезга переднего фронта не “заметит”, а вот задний фронт, каждое касание и отрыв, будут формировать новый импульс. Это может сказаться в целом на работе устройства, например работе счетчика импульсов. Даже при работе с Ардуино вы столкнетесь с ним, при работе с кнопками или концевиками.

Следующая задача, это устранение данной технической помехи. Тут можно предложить три варианта решения,

1. Это выбор коммутационных устройств с отсутствием дребезга, точнее они уже конструктивно включают способы устранения или не допущения дребезга. Но по сути его можно приравнять ко второму пункту.

2. Аппаратное решение проблемы – установка дополнительной схемы на входе микроконтроллера.

Здесь, конечно, решений тысячи, начиная от применения RC – фильтров и заканчивая двухтактными D – триггерами.

Решения с фильтром:

В данной схеме, как только нажата кнопка S2 ёмкость через неё мгновенно разряжается по замкнутому контуру через S2. В тот момент, когда S2 кратковременно разомкнута, на разряженной емкости логический 0 и пока она зарядится требуется время, заряд идет по цепи, VCC – R2 -C1 – GND. Но есть у схемы недостаток: в момент отключения S2, ёмкости требуется время для заряда (восстановление заряда) ёмкости, а пока она заряжается, на входе логический 0.

3. Решение – это программное. в целом принято считать, что любое переключение заканчивается в период 50 миллисекунд, но при желании опытным путем можно точно для Вашего случая измерить время дребезга и взять время задержки с запасом. Итак идея программного компенсирования дребезга в том, что после сработки входа, мы выдерживаем паузу и после этого пропускаем импульс в обработку.

Пример программы:

Вводим две переменные

a -текущее состояние

b – предыдущее состояние.

Запускаем цикл опроса кнопки.

Считываем значение значение кнопки а,

Сравниваем a и b

Если а = b то продолжаем цикл опроса.

иначе делаем паузу и снова проверяем Если а <> b то числу b присваиваем число a

Выполняем необходимые процедуры и снова заходим на цикл опроса кнопки.

Это один из простейших примеров, программы. Грамотные программисты пишут под себя модули уже сразу с задержкой в командах.

Обратите внимание, что недостаток это программы в том, что в момент делаем паузу : программа ожидает заданное время, то есть общая остановка процесса вычисления, при этом на входе в эту паузу, может творится все, что угодно.

Достоинство алгоритма в том, что он прост и понятен.

При работе с енкодером (преобразователь вращения в импульсы), обязательно ставятся фильтры и настраивается система в целом, так как при быстром вращении, нужный импульс может проигнорироваться как дребезг.

Эта тема важна именно тем, кто работает с кнопками, концевиками и любыми сухими контактами.

Учитесь с нами, если видите недочеты, то пишите лично.

Для поиска публикаций через поисковые системы, просто вводите слово Вивитроника.

Свои комментарии можете предлагать в группе вконтакте,
Если есть вопросы или по желания, то пишите, через Обратную связь.
Канал телеграм.

Устранение искрения машин постоянного тока

Устранение эффекта

Чтобы устранить дребезг контактов, возможно использовать аппаратное или программное решение. К аппаратным решениям относится:

  1. Установка конденсаторов параллельно входу. Тогда может снижаться быстродействие реакции на нажатие при слишком большой ёмкости и неполного устранения дребезга при слишком маленькой.
  2. Введение триггеров Шмидта во входную цепь устройства. Более сложное решение, которое затруднительно для реализации в ходе доработки уже готового изделия, но и более технологичное и совершенное.

Если рассмотреть это явление на примере сдвигового регистра, то в этом видео наглядно показано его воздействие. После каждого нажатия кнопки должен загораться следующий светодиод.

https://youtube.com/watch?v=PR96GZdUz0s

Схема включения регистра и светодиодов на рисунке ниже:

Кнопка подключена так, как показано на схеме:

Пример осциллограммы сигнала с выраженным дребезгом:

Установив конденсатор на 1 мкФ параллельно кнопке для его подавления, получаем стабильное и точное срабатывание:

https://youtube.com/watch?v=idueJoJGiHU

Схема подавления:

А фронт сигнала переключения, как вы можете убедиться, действительно завален, зато без лишних всплесков.

Альтернативой такому решению защиты от этого эффекта, без заваливания фронта и с большим быстродействием является использование триггера Шмидта. Типовая его схема изображена ниже:

На следующем рисунке изображены другие варианты схем на логических элементах для борьбы с дребезгом контактов:

Кроме аппаратного устранения, как было сказано, есть и программный способ решения данной проблемы. Он заключается в написании кода, смысл которого в считывании изменения сигнала, выдержки определенного времени и повторного его считывания.

Круговой огонь

Круговой огонь по коллектору представляет собой короткое замыкание якоря машины через электрическую дугу на поверхности коллектора.

Круговой огонь возникает в результате чрезвычайно сильного расстройства коммутации, когда под сбегающим краем щетки появляются сильные искры и электрические дуги (рисунок 1).

Рисунок 1. Распространение кругового огня по коллектору

Распространение огня происходит путем повторных зажиганий дуги. Появляющаяся под щеткой дуга растягивается электродинамическим силами и гаснет, оставляя за собой ионизированное пространство. Поэтому следующая дуга возникает в более благоприятных условиях, является более мощной и растягивается на большее расстояние по коллектору, и, наконец дуга может растянуться до щеток противоположной полярности.

Круговой огонь возникает обычно при больших толчках тока якоря (значительные перегрузки, короткие замыкания на зажимах машины или в сети и тому подобное).

При этом, с одной стороны, появляется сильное искрение («вспышка») под щеткой, а с другой – происходит значительное искажение кривой поля в зазоре и увеличение напряжения между отдельными коллекторными пластинами, что способствует возникновению кругового огня. Круговой огонь вызывает порчу поверхности коллектора и щеток.

Действенной мерой против возникновения кругового огня является применение компенсационной обмотки, а также быстродействующих выключателей, отключающих короткие замыкания в течение 0,05 – 0,01 с.

Иногда, при Uн > 1000 В, между щеточными бракетами разных полярностей ставятся также изоляционные барьеры, препятствующие распространению дуги.

Определение и суть проблемы в электронике

Дребезг контактов возникает при нажатии на кнопку и переключатель, он возникает из-за реальных вибраций контактной пластины при её перемещении. Любой переключатель устроен так, что у него есть подвижный и неподвижный контакт. Как видно из названия, подвижным называется тот, что соединен с толкателем или рычагом, на который уже нажимает человек или механизм при работе устройства.

Так как кнопки имеют механическое устройство, то от их качества зависит то, как точно они отрабатывают нажатия. При этом в любом случае полностью устранить явление дребезга нельзя. К чему он приводит?

Если клавиша управляет каким-то электронным устройством с цифровым входом, например, микроконтроллера, логического элемента и пр., то его вход распознает столько нажатий, сколько было импульсов послано в результате возникновения дребезга.

Пример осциллограммы дребезга контактов изображен на рисунке ниже:

Искрение контактов: причины возникновения и способы устранения

Загрязнение и обгорание контактов прерывателя вызывает резкое увеличение сопротивления между ними, в результате чего уменьшается ток в первичной обмотке катушки зажигания и снижается мощность искры между электродами и свечой. Чтобы уменьшить обгорание контактов прерывателя при их размыкании, параллельно им включен конденсатор. Для предохранения вторичной обмотки от пробивания предусмотрен искровой промежуток между контактами, через который при высоком сопротивлении воздушного промежутка между электродами свечи зазор между электродами больше требуемого проскакивает искра.

Искрит розетка при включении вилки

Периодически у многих людей возникает ситуация, когда в момент подключения или отключения электрических приборов, в розетке появляется треск, а также искрение, видимое даже снаружи. В некоторых случаях неприятно пахнет горелым пластиком. Характерным признаком неисправности считается заметное нагревание вилки, а также одного или обоих контактов самой розетки.

Причины такого состояния могут быть разными, но основной их них считается уже отмечавшееся несовпадение между собой вилок и розеток по установленным стандартам. В настоящее время используются вилки двух стандартов:

  • В типе «С» имеется два круглых штыря, диаметром 4 мм. Они называются также «Europlug» и соответствуют советским образцам, применяющимся и в настоящее время.
  • Вилка типа «F» имеет штыри, диаметр которых составляет 4,8 мм. Кроме того в ней дополнительно установлен заземляющий контакт. Она известна под названием «Schuko».

Если в розетку, предназначенную для вилок «С», подключить вилку типа «F», это вызовет постепенное ослабление контактов, а зазоры между ними существенно увеличатся. Когда после этого вновь используется вилка «С», ослабленные контактные лепестки недостаточно обжимают ее штыри, в результате чего возникает искрение.

Такая же ситуация возникает при использовании вилок «С» с розетками, рассчитанными на больший диаметр штырей вилок «F». Здесь также из-за слабого обжима и контакта появляются искры, способствующие преждевременному износу изделий.

Другой причиной почему искрит розетка когда вставляешь вилку является низкое качество отдельных видов продукции и ее преждевременный износ. В настоящее время в этой области существует очень широкий ценовой диапазон. В стремлении сэкономить, люди далеко не всегда приобретают качественные розетки, выключатели и другие электроустановочные изделия, которые стоят значительно дороже своих дешевых аналогов. Однако даже у известных производителей встречается продукция низкого качества. При подключении проводников могут деформироваться слабые контакты розеток, поэтому площадь соприкосновения вилок будет не полной, а частичной. При высоких нагрузках это неизбежно приведет к перегреву контактов.

Как правило разъемы розеток рассчитаны на большое количество включений и выключений вилок. В соответствии с требованиями вилка должна находиться внутри розетки в течение длительного времени, не изменяя ее рабочих качеств. Однако если для изготовления контактов применяются дешевые материалы, быстро теряющие свои пружинящие свойства, такие розетки начинают очень быстро искрить при включении вилки. Это объясняется расшатанной контактной системой, периодически теряющей соединение со штырями.

В местах ослабления контактов во время работы происходит выделение тепла. В результате, на их поверхностях появляется окисная пленка, еще более увеличивающая сопротивление и повышающая температуру. Постепенно вокруг нагретого элемента выплавляется пластик, который, затекая внутрь может заблокировать вилку. Изделие окончательно выходит из строя и его дальнейшая эксплуатация становится невозможной.

Способы устранения

Выяснив причины искрения, вы можете выбрать действенный способ устранения неполадки.

Например, если плохо соединяются контакты, это может быть признаком их засорения сажей. Необходимо удалить весь нагар, используя растворители. Обычно протирают контакты ваткой, пропитанной спиртом. В качестве растворителя подойдёт обычная водка или одеколон.

Изначально поверхность контактов делают очень гладкой для лучшего прижатия их друг к другу. Но в процессе эксплуатации искрение разрушает напыление, вследствие чего появляются шероховатости. Для восстановления работоспособности достаточно отшлифовать поверхность нулёвкой. Если покрытие серебряное – лучше использовать деревянную пластинку, а когда контакт сгорел, то он подлежит замене.

Возможна ситуация, когда искрит замкнутый контакт. Причиной может быть сильное его выгорание или потеря упругости пластины, которая разрывает контакт. Можно попытаться временно восстановить работоспособность реле путём шлифования или попытаться восстановить изгиб пластин.

Мы рассмотрели примеры устранения последствий искрения. Но существует ряд эффективных способов борьбы с причиной этого явления.

Остановимся на некоторых из них:

  1. Применение неокисляющихся металлов – серебра и различных сплавов.
  2. Покрытие контактов ртутью (при условии, что они находятся в закрытой камере, например, контакты манометра).
  3. Использование схем для шунтирования.
  4. Встраивание в конструкции коммутирующих аппаратов искрогасительных RC цепей.

Метод с применением схем для подавления искрения довольно эффективен и не дорогой. При желании каждый, хоть немного разбирающийся в электротехнике человек, может самостоятельно изготовить искрогасящую цепь.

Для гашения искрообразования в индуктивных цепях постоянного тока достаточно установить диод параллельно нагрузке. При этом катод диода необходимо подключить к положительному, а анод соединить с отрицательным полюсом.

На рисунке 3 изображены схемы, объясняющие действие шунтирующего диода

Обратите внимание на то, как индукционный ток рассеивается на диоде, не попадая на коммутационное реле (позиция С)

Рис. 3. Схемы объясняющие действие шунтирующего диода

Для переменного тока устанавливают шунтирующую искрогасительную RC цепь. Накопленная энергия рассеивается на переходном сопротивлении, а не на контактах. Ёмкость шунтирующего конденсатора можно вычислить по формуле: Cш = I2/10, здесь I — рабочий ток нагрузки, а 10 – условная постоянная, позволяющая производить расчёты для простых схем RC цепей.

Сопротивление резистора находим : Rш = E0 / (10*I*(1 + 50/E0)), где E0 –  ЭДС (напряжение) источника питания, I – сила рабочего тока нагрузки, цифра 50 –стандартная частота переменного ток в электросети. Также пользуются для подбора параметров номограммой ниже.

Рис. 4. Номограмма

Сама типовая схема искрогасительной RC цепи изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема искрогасительной RC цепи

Защита контактов от искрения – лучший способ продлить срок службы коммутирующего устройства. Применив несложную схему можно успешно решить задачу, связанную с искрением.

Это интересно: Высоковольтные разъединители — назначение, устройство, классификация

Как устранить неисправность?

Изъять старые щетки и заменить их идентичными. Новые комплекты продаются в большинстве хозяйственных магазинов или на точках с электротоварами. При выборе замены стоит учитывать параметры плотности графитового вещества и конструктивные особенности конкретной болгарки. Состав и плотность щеток отличаются в зависимости от технических характеристик УШМ. Если эти параметры не совпадают, новые щетки будут также искрить и гореть.

Исследовать коллектор на предмет механических повреждений. При попадании на него пыли, грязи, песка в момент работы могут образоваться царапины, вмятины, сколы. Оценить их степень, если имеются.

5 причин почему может искрить выключатель и как это исправить

By avafff , June 20, in Электрика, слаботочка. Потрескивание традиционных электрических выключателей как правило связано с превышением значения мощности коммутируемой ими нагрузки. Традиционные электрические выключатели как правило расчитаны на ток не более 6А, что соответствует осветительной нагрузке чуть более 1кВт если это резистивная нагрузка, то есть обычные лампочки и раза в два меньше для активных нагрузок. Если Вам требуется включать бОльшую мощность, нежели заявлено в документации к выключателю, то на выбор :. Добрый день. Отсюда искрение. Несложно провода перекинуть с клавиш поменять клавиши местами.

При включении выключателя, особенно в темноте, характерно видно искрение, в виде небольшой кратковременной вспышки.

Как устроен аппарат защиты

Чтобы разобраться в причинах всех неисправностей, нужно рассмотреть устройство автомата. Он состоит из пары силовых контактов, теплового разъединителя и электромагнитного разъединителя.

Тепловой разъединитель срабатывает медленно, при незначительном (до 2 и более раз в зависимости от время-токовой характеристики конкретного автоматического выключателя) превышении номинального тока. Электромагнитный — при коротком замыкании или превышении тока в несколько раз, срабатывает за доли секунды. С первого взгляда может показаться, что ломаться здесь нечему, но давайте рассмотрим каждую из упомянутых неисправностей отдельно.

К чему может привести неисправность

Наиболее вероятные варианты такого развития событий:

  1. Возникновение пожара в помещении.
  2. Выход из строя приборов, подключенных к электрической сети.
  3. Повреждение жил проводов и кабелей, обеспечивающих подачу напряжения на конкретное устройство.
  4. Поражение электрическим током людей, использующих неисправный аппарат.

Как определить неисправность и как ее устранить, должен знать каждый. Предупреждение подобных неисправностей под силу даже обычному пользователю, не имеющему специальных знаний и навыков.

Современные квартиры и частные дома невозможно представить без электрической энергии. Для непосредственного подключения потребителей к питанию используются розетки, рассчитанные на различную мощность. Их применение делает включение и выключение бытовых приборов удобным и безопасным. Однако иногда возникают ситуации, когда искрит розетка и тогда ее использование становится потенциально опасным. В лучшем случае она просто выйдет из строя, а в сложной аварийной ситуации возможны любые негативные последствия, вплоть до возникновения пожара. Во избежание подобных случаев, нужно знать причины возникновения неисправностей и основные способы их устранения.

Основные причины искрения

Чтобы ответить на вопрос, почему и при каких обстоятельствах возникает электрическая искра, выясним, какие процессы лежат в основе искрообразования. Собственно говоря, их немного – всего два:

  1. Дребезг контактов.
  2. Влияние индуктивных цепей при их коммутации.

Существует ещё несколько факторов усиливающих процесс искрения. Это износ, превышение значений токов коммутации, ослабление пружин или уменьшение упругости пластин и некоторые другие.

Для лучшего понимания причин искрения рассмотрим более детально физику процесса. Начнём с понятия искры.

Из школьного курса физики известно, что между проводниками, на которых образовались электрические заряды, происходит ионизация воздушного пространства. По нему в определённый момент протекает ток. Если поддерживать разницу потенциалов на определённом уровне, то образуется электрическая дуга, с огромным тепловым излучением. Примером может служить работа сварочного аппарата.

Известно, что заданным током электрическую дугу можно зажечь лишь на определённом расстоянии между электродами. Чем больше разница потенциалов, тем больший промежуток, на котором происходит образование дугового электротока.

А теперь остановимся вкратце на процессах, вызывающих искрение в коммутационных устройствах.

Дребезг контактов

Когда катушка реле замыкает электрическую цепь или разрывает контакт, он под действием упругих сил несколько раз отскакивает. В определённые моменты расстояние между контактами оказывается настолько маленькое, что создаются условия для электрического пробоя. Поскольку процесс дребезга длится лишь доли секунды, то образуется именно искра, которая исчезает в положении замкнутого контакта. Искрение прекращается также в том случае, когда цепи полностью разомкнуты.

Влияние индуктивных цепей

При коммутации электродвигателей и различных соленоидов на выводах индуктивной нагрузки происходит образование ЭДС самоиндукции: E = -L*di/dt.

Из формулы видно, что ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока. Поэтому, при мгновенном расхождении контактов её величина резко возрастает. Кроме того, на ЭДС самоиндукции влияет индуктивность коммутируемого устройства. В частности, такой принцип коммутации использовался в старых моделях автомобилей. Контакты прерывателя с огромной скоростью разрывали цепь катушки индуктивности, в результате чего на электродах свечей зажигания напряжение достигало десятки киловольт.

В нашем случае напряжение разрыва, конечно же, значительно меньше, однако его вполне достаточно для образования искры. Заметим, что определённой индуктивностью обладают даже обычные провода. Поэтому искрение возможно при отключении нагрузки, находящейся в конце длинных линейных цепей.

Прочие причины искрения

Выше упоминалось о том, что усилить искрение могут различные факторы, связанные с эксплуатацией коммутационных устройств. В данном разделе мы рассмотрим, что происходит под действием некоторых факторов:

  1. При плохом контакте увеличивается продолжительность дребезга, что является причиной усиления искрения.
  2. Если ток коммутации сильно отличается от номинального (в большую сторону) то, во-первых, греются контакты, а во-вторых – искра получается более мощной и разрушительной.
  3. Когда ослабление упругости пластин коммутационной системы не обеспечивает надёжного замыкания, то это ведёт к подгоранию контактов, образованию налёта и сажи, увеличивающих процесс искрообразования.

Заметим, что в электродвигателях постоянного тока искрят щетки. В оптимальном режиме работы мотора искрение незначительное. Но при перегрузках или в случаях междувитковых замыканий происходит значительное искрообразование, разрушающее коллектор. Похожее явление происходит при плохом прижимании щёток или в результате засорения промежутков между пластинами коллектора.

На рисунке 1 изображен якорь с подгоревшим коллектором.

Рис. 1. Подгоревший коллектор

Искрение наблюдается, когда вставляют в розетку вилки шнуров, во время подключения мощных электроприборов. Явление усиливается, если штырьки штепселя не соответствуют гнезду розетки.

Последствия, к которым приводят плохая коммутация в розетке, показаны на рис.2.

Рис. 2. Последствия плохой коммутации

Почему мигает свет в квартире: пути самостоятельного решения проблемы

Вы ужинаете, или удобно устроились с журналом на диване. Мигнул свет, потом еще и еще. Даже если это происходит изредка, согласитесь: когда моргает свет в квартире, это раздражает. Но всегда ли нужно в таком случае вызывать электрика, ждать и брать на себя дополнительные расходы? В некоторых случаях причину можно найти и быстро устранить самому. Причем безо всякого риска и без группы допуска по электробезопасности.

Предостережение!

Но запомним накрепко: без квалификации и навыков электрика, без специального инструмента и защитных средств производить работы на ЛЮБОМ электрооборудовании, в том числе и на бытовых электроприборах, нельзя ни в коем случае! Можно только пользоваться штатными органами управления, ничего не разбирая.

Электрошок не предупредит вас о себе заранее, а последствия его непредсказуемы и могут оказаться длительными. Особенно, если вы употребляли спиртное. Уже от стопки водки электрическое сопротивление человека падает в 1000 раз, и безобидный при иных обстоятельствах щипок может оказаться смертельным ударом.

Вариант 1: Моргает лампочка в стационарном светильнике

Прежде всего – а почему моргает свет в квартире? Если мигает одна лампочка в стационарном светильнике (или одна секция в люстре), то неисправна или она, или выключатель, или участок проводки между ними.

Прислушаемся к выключателю, ухом поближе. Не слышится ли что-то вроде слабого треска или шипения? Если да – плохой контакт. Выключатель, тем не менее, может быть вполне исправен, просто на контакты или в пружинку попала грязь. Вывинтим мигающую лампочку и быстро несколько раз пощелкаем выключателем

Обратите внимание – при вывинченной лампочке, без нагрузки! Иначе и так ослабшие контакты могут подгореть, и выключатель совсем испортится. Ввинчиваем опять лампочку

Помогло? Если нет, идем дальше.

Меняем мигающую лампочку на заведомо исправную. Если нет запасной, вывинчиваем временно откуда-нибудь. Так и мигает? Что ж, дело в проводке или в электроарматуре светильника. Это уже дело мастера.

Вариант 2: Моргает лампочка, работающая от розетки

Если же мигает светильник, подключаемый в розетку, пробуем включить его в розетку, заведомо исправную, иди в несколько розеток по очереди. Перестал мигать? «Родная» розетка неисправна, нужен мастер и ремонт.

Так и мигает? Повторяем процедуру проверки выключателя и лампочки. Не помогло? Что ж, светильник нужно ремонтировать или заменить.

Вариант 3 (глобальный): Свет мигает во всей квартире

  • Допустим, в квартире есть хотя бы одна комната, где свет не мигает. Тогда, скорее всего, дело в «дозе» – распределительной коробки внутри квартиры. Самим туда лезть не нужно, но электрику ваша информация может пригодиться.
  • Мигает «вся квартира?» Смотрим в окна. Если мигает и в соседних домах, неисправность на подстанции либо в магистральном подводящем кабеле – фидере. Нужно сообщить в аварийную коммунальную службу либо непосредственно диспетчеру электросети – номер скажут в справочной.
  • Свет в соседних домах горит ровно? Выглянем в подъезд – как там, не мигает ли? Расспросим соседей. У всех и в подъезде мигает? Неисправен фидер от подстанции до дома, либо оборудование вводного щита в доме или распределительная электросеть в нем. Тут обязательно нужно сообщить в коммунальную аварийку – домовые электросети в их ведении.
  • Наконец, мигает только у вас? Возможно, неисправен предохранитель (пробка) вашей квартиры в элекрощитке на лестничной клетке. Если он доступен и есть запасной, можно заменить. Но! Если щиток опломбирован, ни в коем случае НЕ ВСКРЫВАЙТЕ его! Проблем и санкций с энергетиками потом не оберешься. И по той же причине – плюс пожарная и электробезопасность – НЕ СТАВЬТЕ ВМЕСТО ПРОБКИ «ЖУКА», самодельный предохранитель из проволоки. Пожар из-за «жука» – очень распространенная ситуация.

Вариант 4 (иногда встречающийся): проблема в качестве лампочек

Иногда свет может моргать не только из-за проблем с напряжением или электрооборудованием, а из-за низкого качества его главного источника – лампочки. Поэтому стоит относиться серьезнее к её выбору.

Как видим, если мигает свет в квартире, самому можно сделать немного. Но полученная вами информация поможет специалисту быстрее устранить неисправность, а вас, если вы знаете причину, будет не так раздражать.

(1 1,00 из 5) Загрузка…

Вывести все материалы с меткой:

Защита контактов реле от бросков напряжения и токов в цепях переменного и постоянного тока

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Проверка и доработка реле с контактами на 10А и обмоткой на 12В

Добрый день. Зашёл спор у нас с мужем. Образуется искра на контактах РЭЛЕ. Он утверждает,что меньшая искра при одинаковой нагрузке образуется на переменном токе,т. Токда как если ставить конденсаторы на переменке,то через большие ёмкости ток будет идти не переставая. Понятно,что лучше применить тиристор или оптрон,но так получилось,что на переправе коней не меняют.

В этой статье речь пойдет о защите контактов реле и входных цепей устройств чувствительных к воздействию бросков напряжения и тока в цепях постоянного и переменного тока с использованием:.

На маломощных контактах электромагнитных реле редко появляется электрическая дуга , но часто происходит искренне. Это особенно опасно в чувствительных и быстродействующих электромагнитных реле, в которых раствор контактов делают очень малым. Искренне увеличивается при вибрации контактов реле. Оно сокращает срок службы контактов электромагнитных реле и может привести к ложным срабатываниям быстродействующих аппаратов схемы управления или к пробою полупроводниковых элементов из-за перенапряжения. Для уменьшения искрения контактов реле применяют специальные схемы, создающие дополнительную электрическую цепь, по которой замыкается ток, вызванный ЭДС самоиндукции.

Это, кстати, уменьшает скорость срабатывания реле, увеличивает искрение на контактах при размыкании и сокращает срок его службы, поэтому в целом так делать не рекомендуется. При чём тут скорость? Вся разница в этом. Войдите , пожалуйста.

Виды электротехнических устройств

Если искрит выключатель, его необходимо заменить на новый прибор или отремонтировать. Включение света с треском, искрением и прочими проблемами недопустимо — может случиться замыкание проводки, возгорание и пожар.

Чтобы отремонтировать выключатель света, нужно знать, какие бывают устройства:

  1. Одно-, двух- и трехклавишные — широко используются в жилых помещениях, замыкание цепи происходит при нажатии клавиши.
  2. Кнопочные изделия — бывают оборудованы светодиодным индикатором, не имеют принципиального отличия по конструкции механизма от клавишных моделей.
  3. Диммерные приспособления с возможностью регулировать интенсивность света: контакт выключателя наступает при вращении колесика.
  4. Поворотные модели имеют простую конструкцию, включают освещение при повороте рукоятки на корпусе.

По типу управления новшеством в области электротехники — сенсорные выключатели, изделия с электронным таймером задержки времени, акустические и дистанционные модели. У большинства потребителей установлены клавишные изделия, с ремонтом которых можно справиться самостоятельно.

Причины возникновения искр и дуги

Прежде чем рассмотреть, почему искрят контакты, разберемся в основных понятиях. Коммутационный аппарат и его контактная система должны обеспечивать надежное соединение с возможностью его разрыва в любой момент. Контакты состоят из двух электрических пластин, которые в замкнутом положении должны быть надежно прижаты друг к другу.

Дуга возникает при коммутации индуктивных цепей. К таким относятся различные электродвигатели и соленоиды, но стоит помнить, что даже прямой отрезок провода имеет определенную индуктивность, и чем он длиннее — тем она больше. При этом, ток в индуктивности моментально прекратится не может — это описано в законах коммутации. Поэтому на выводах индуктивной нагрузки образуется ЭДС самоиндукции, её величина описывается формулой:

E=L*dI/dt

Интересно! В нашем случае важную роль играет скорость изменения тока. При отключении она крайне велика, соответственно ЭДС будет стремиться к большим значениям, вплоть до десятков киловольт (например система зажигания автомобиля).

В результате ЭДС возрастает до такой степени, что его величина пробивает промежуток между контактами — образуется электрическая дуга или искры. Качество любых соединений описывается их переходным сопротивлением: чем меньше — тем лучше соединение и тем меньше нагрев. При их размыкании оно резко возрастает и стремится к бесконечности. В этот же момент происходит разогрев площади их соприкосновения.

Кроме того, между разомкнутыми контактами на фоне возрастающего ЭДС самоиндукции и повышенной температуры воздуха из-за разогрева поверхностей при размыкании пластин происходит и ионизация воздуха. В результате присутствуют все условия для возникновения дуги и искрения.

Если говорить о том, почему искрят контакты при замыкании электрической цепи, то это происходит уже не при индуктивной, а при емкостной нагрузке. Вы наблюдаете это каждый раз, когда вставляете в розетку зарядное устройство от ноутбука или телефона. Дело в том, что разряженная емкость (конденсатор) на входе устройства в начальный момент времени представляет короткозамкнутый участок цепи, ток которого уменьшается по мере её заряда.

Если вы наблюдаете искрение в реле или выключателе в замкнутом положении — причиной этому служит плохое состояние контактных поверхностей и их высокое переходное сопротивление.

В распаячной коробке треск при включении света — электро помощь

Проблемы с электропроводкой — серьезный повод, чтобы обратить внимание на состояние электрической цепи, подключенных приборов и устройств. Небрежное отношение может спровоцировать короткое замыкание, оплавление проводников, привести к возгоранию

Когда искрит выключатель света при включении освещения в квартире или доме, слышно потрескивание, владельцам жилья необходимо немедленно решить данную проблему или обратиться за помощью к специалистам-электрикам.

​От чего иногда искрит и потрескивает выключатель света? — Советы от Handyman

Наверное каждый человек наблюдал такую картину, как при включении света, искрит выключатель. И искрит он больше именно при включении, нежели при выключении. Этот вопрос довольно распространенный, но конкретного ответа при поиске я не нашел, и поэтому решил немного просвятить своих читателей. Начнем по порядку.

При включении выключателя, особенно в темноте, характерно видно искрение, в виде небольшой кратковременной вспышки. Затем свет включается и искрение пропадает. Здесь может быть 3 основные причины.

1 причина:

Контакты выключателя обросли нагаром ( окисление ) и при приближении к друг-другу создают электрическую дугу, которую мы и видим. Это самая распространенная причина искрения выключателя, так как нагар на замыкающих пластинках уже выглядит как отростки, они то и создают искрение до того, как контакт полностью замкнется.

2 причина:

Существенно ослабла пружина ( пластина ) дожимающая контакт при включении. Вы слышите щелчок при включении? Он должен быть резким и четким, то есть нажал и сразу щелк.

Если у Вас выключатель включается мягко и его нужно буквально дожимать пальцем ( иногда свет не включается пока сильно не надавишь ) то значит дело в пружине.

Здесь процесс искрения может не пропадать, а искрить постоянно ( некоторые его наблюдают ) так как контакты не замкнуты с нужным усилием и причина искрения слабый контакт.

3 причина:

Включаемый источник света, люстра, торшер, бра имеют мощные лампы (особенно галогеновые), которые существенно перегружают нагрузку на те же замыкающие контакты.

Здесь уже надо смотреть потребляемую мощность всех ламп, и по возможности менять выключатель по конструкции. То есть в более бюджетных выключателях контакты и пластина ( пружина) выполнены не слишком качественно и могут давать «плавный пуск».

А также нужно посмотреть какие автоматы стоят на этой линии, возможно их мощность не соответствует нагрузке.

Однозначно, если у Вас искрение продолжается долю секунды и пропадает, а так же искрят абсолютно новые выключатели — ничего страшного, по практике замечено что искрят при включении почти все выключатели.

А если Вы наблюдаете постоянное искрение, нагревание клавиши выключателя, а так же мерцание лампочек в люстрах и светильниках — немедленно приступайте к ремонту выключателя. Ремонтируется выключатель редко ( если только поджать пружину и зачистить контакты, но это не надолго) , в основном его меняют.

Так же стоит обратить внимание на проводку чтоидет к выключателю и ее крепление к контактам. Бывает контакт слабеет и начинается искрение выкл и нагрев клавиши, в этом случае нужно подтянуть винты контактов

Если Вы видите что выключатель искрит постоянно ( видно свечение) , греется, подтрескивает ( издает шум) нужно не откладывая Вызвать электрика на дом и произвести ремонт цепей освещения.

Помните, искрящий выключатель — может стать источником возгорания!

С электричеством не шутят!

Искрит розетка — почему так происходит и как это устранить

Если искрит розетка, то в первую очередь надо смотреть на то, когда именно возникает искрение – в процессе работы или при включении штепселя.

Различить их несложно – в первом случае это долгий характерный треск электрического разряда, при котором зачастую греется вилка.

Во втором случае раздается громкий треск в тот момент, когда штепсель входит в розетку, а потом все работает в обычном режиме. Исходя из этой первичной диагностики, подбирается метод дальнейшего решения проблемы.

Треск при включении штепселя

Это явление наблюдается достаточно часто – к примеру, если уезжать на несколько дней из дома и отключать электроприборы из розеток. По возвращении все включается обратно и тут в некоторых розетках видна ощутимая вспышка и раздается громкий треск.

Причины возникновения

Несмотря на то, что выглядит это все достаточно угрожающе и многих заставляет рефлекторно отдергивать руки от розеток, в таком явлении нет ничего указывающего на неисправность.

Перечень необходимых инструментов

Некоторые потребители в случае обнаружения неисправности выключателя при искрении, треске или гудении прибора сразу обращаются к электрикам. Однако поломку, которая подлежит восстановлению, можно устранить самостоятельно. В большинстве случаев достаточно подогнуть контакты, чтобы прибор стал нормально функционировать.

Для ремонта нужны следующие инструменты:

  • индикаторная отвертка с лампой или электронным табло;
  • отвертка обычного типа для откручивания шурупов/винтов;
  • изоляционная лента и наждачная бумага мелкой зернистости;
  • пассатижи, маркер, нож для зачистки изоляции проводки.

Все выключатели имеют пластиковый корпус, защитную рамку и внутренний рабочий механизм. Рамка может крепиться к механизму защелками или винтами. В подрозетнике расположен рабочий механизм, зафиксированный распорными лапками или винтами. Для выполнения ремонта нужно обеспечить доступ к контактной группе, сняв с прибора внешнюю коробку.

Дребезг контактов и его устранение

Дребезг контактов – это нежелательное многократное их замыкание и размыкание возникающее в результате воздействия на них с целью получения желаемого одного замыкания или размыкания. Т.е. мы например как бы хотим чтобы контакты замкнулись один раз как в идеальном ключе а вместо этого получаем не одно замыкание а много замыканий и размыканий. Эти нежелательные замыкания длятся очень не долго и поэтому во многих случаях не мешают или мешают не сильно но в некоторых случаях они могут помешать, например в том случае если для подсчёта нажатий на кнопку используется достаточно быстрая микросхема-счётчик. Дребезг возникает от того что контакты обладают массой и упругостью. Эти параметры можно считать паразитными и контакты имеющие их как бы являются колебательной системой на подобии грузика на пружинке. Из за потерь в системе колебания затухают. Примерно представить себе этот процесс можно так как показано на анимированной картинке:
На некоторых сайтах в интернете пишут что дребезга контактов при размыкании возникать не должно и это логично однако практика показывает что при соединении тактового входа счётчика с кнопкой с нормально замкнутыми котактами и при нажатиии на эту кнопу, счётчик по каким то причинам считает те нажатия которые не производились. Это можно увидеть из видео ниже т.к. там показан результат действия именно кнопки с нормально замкнутыми контактами на тактовый вход счётчика.
Устранить дребезг у уже сделанной кнопки нельзя но зато, применяя специальные схемы, можно устранить его последствия и получить “чистый ровный” импульс который можно подавать на входы быстродействующих микросхем. Одной из самых распространенных и популярных в интернете схем является схема из одного конденсатора большой ёмкости подключенного параллельно контактам. Конденсатор как бы сглаживает пульсации т.к. по второму закону коммутации напряжение на конденсаторе не может резко измениться однако бывают такие контакты которые дребезжат столь сильно что это не помогает. Увеличение ёмкости – решение не самое лучщее т.к. при замыкании контактов происходит как бы к.з. конденсатора и через эти контакты течёт большой ток что будет приводить к более быстрому износу данных контактов, к тому же большой конденсатор может быть неудобен из за своих размеров. К счастью существуют другие схемы. Логично предположить что для устранения последствий дребезга можно использовать одновибратор т.е. схему которая при подаче на его вход короткого запускающего импульса делает у себя на выходе длинный импульс. Если длинна выходного импульса будет больше длительности дребезга то идея сработает. Одновибратор можно например сделать на основе таймера 555 однако данный таймер имеет некоторые конструктивные недостатки которые мешают сделать на его основе надёжную систему устранения дребезга. На практике хорошо”себя показала” схема на элементах “не”:
Однако она делает задержку на выходе относительно первого касания контактов друг друга. Это не всегда бывает большим недостатком (возможно даже бывает достоинством) но если всё же это мешает то можно применить схему на элементах “и-не”:
В первой схеме выход одного из элементов соединен со входом другого а выход другого со входом одного через конденсатор. В исходном состоянии (контакты кнопки разомкнуты) на входе первого элемента “не” (который слева) имеется логическая единица и на выходе второго тоже, конденсатор разряжен. Когда кнопка нажимается и начинает дребезжать, конденсатор начинает понемногу заряжаться от выхода второго элемента “не” на котором будет единица до тех пор пока конденсатор не зарядиться достаточно для переключения первого элемента в другое состояние. После этого на выходе появиться ноль и конденсатор будет разряжаться, номиналы деталей д.б. такими чтобы он успел это сделать до того как кнопка будет отпущена т.е. возможно времени у него не много, по этому не стоит делать емкость конденсатора и сопротивление резистора RC цепи слишком большими. Слишком малыми тоже делать не стоит чтобы схема исправно устраняла дребезг. После отпускания кнопки пойдут аналогичные процессы и дребезг (или что там ещё происходит) от отпускания будет устранен тоже. Вторая схема аналогична первой но из за того что один из выводов первого элемента “и-не” соединен с кнопкой напрямую, переключение из лог. единицы в лог. ноль на выходе произойдет после первого касания контактов но перехода обратно не будет после первого размыкания по тому что это элемент “и-не” и для его переключения лог. единица нужна на обоих входах а после первого касания на один из входов попал лог. ноль.
Видео по данной теме:


КАРТА БЛОГА (содержание)

Опрос двоичного датчика (Лекция) | МПС

МПС

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Опрос двоичного датчика. Ожидание события

2. Ожидание статического сигнала

3. Ожидание импульсного сигнала

4. Устранение дребезга контактов

 

1. Опрос двоичного датчика. Ожидание события

В устройствах и системах логического управления объектами события в объекте управления фиксируются с использованием разнообразных датчиков цифрового и аналогового типов. Наибольшее распространение имеют двоичные датчики типа да/нет, например концевые выключатели, которые подключаются к МК так, как показано на рисунке 1.

Рис. 1.  Схема двоичного датчика а) и сигнал на его выходе б)

 

2. Ожидание статического сигнала

Типовая процедура ожидания события (WAIT) состоит из следующих действий: ввода сигнала от датчика, анализа значения сигнала и передачи управления в зависимости от состояния датчика. На рисунке 2 представлена блок-схема алгоритма процедуры ожидания события, фиксируемого замыканием контакта двоичного датчика.

Рис. 2. Блок-схема процедуры ожидания события

 

Например, при подключении датчика к линии бита 3 порта 1 программа реализации процедуры ожидания замыкания контакта будет иметь вид:

 

WAITO:  JNB P1.3, WAITO ;ожидание размыкания контакта датчика

 

Другим частным случаем типовой процедуры ожидания события является процедура ожидания размыкания контакта, которая может быть реализована следующим образом:

 

WAITC:  JB P1.3, WAITC  ;ожидание замыкания контакта датчика

 

Режим прерывания целесообразно использовать только для опроса особо важных датчиков с целью уменьшения времени реакции на исключительную (аварийную) ситуацию в объекте управления.

 

3. Ожидание импульсного сигнала

Схема подключения датчика импульсного сигнала аналогична схеме на рисунке 1. Особенность процедуры ожидания импульсного сигнала состоит в том, что МК должен обнаружить не только факт появления, но и факт окончания сигнала.

Для программирования этой процедуры удобно воспользоваться рассмотренными выше примерами ожидания события, смонтировав их последовательно в линейную программу. Оформлять процедуры WAITC и WAIT0 в виде подпрограмм нецелесообразно, так как это удлиняет программу, а длина и, следовательно, время исполнения программы определяют минимальную длительность импульса, который может быть обнаружен программой.

Последовательность склеивания процедур WAITC и WAIT0 зависит от формы импульса. Для “отрицательного” импульса (1 –> 0–> 1) процедура WAITC предшествует процедуре WAIT0, для “положительного” (0 –> 1 –> 0) следует за ней.

Ниже приведены примеры программной реализации процедуры ожидания “отрицательного” импульсного сигнала при подключении датчика к биту 3 порта 1 при условии, что начальное состояние входа – единичное:

 

WAITC:  JB P1.3, WAITC  ;ожидание замыкания контакта датчика

WAITO:  JNB P1.3, WAITO ;ожидание размыкания контакта датчика

 

Программная реализация цикла ожидания накладывает ограничения на длительность импульса: импульсы длительностью меньше времени выполнения цикла ожидания могут быть “не замечены” МК.

 

4. Устранение дребезга контактов

При работе МК с датчиками, имеющими механические или электромеханические контакты (кнопки, клавиши, реле и клавиатуры), возникает явление, называемое дребезгом. Это явление заключается в том, что при замыкании контактов возможно появление отскока (BOUNCE) контактов, которое приводит к переходному процессу. При этом сигнал с контакта может быть прочитан МК как случайная последовательность нулей и единиц. Подавить это нежелательное явление можно схемотехническими средствами с использованием буферного триггера (рис. 3), но чаще это делается программным путем.

Рис. 3. Схема подавления  дребезга контактов

 

Наибольшее распространение получил программный способ ожидания установившегося значения с помощью временной задержки.

Устранение дребезга контакта путем введения временной задержки заключается в следующем. Программа, обнаружив замыкание контакта К, запрещает опрос состояния этого контакта на время, заведомо большее длительности переходного процесса.

Временная задержка (в пределах 1-20 мс) подбирается экспериментально для каждого типа датчиков и реализуется подпрограммой DELAY.

 

WAITC:  JB P1.3, WAITC  ;ожидание замыкания контакта датчика

        ACALL DELAY     ;вызов подпрограммы задержки

        JB P1.3, WAITC  ;повторная проверка на замыкание контакта

 

Повторная проверка не обязательна и проводится для устранения реакции на случайные помехи.

В случае ожидания импульсного сигнала с учетом подавления переходного процесса программа будет выглядеть:

WAITC:      JB P1.3, WAITC    ;ожидание замыкания контакта датчика

ACALL DELAY ;вызов подпрограммы задержки

JB P1.3, WAITC    ;повторная проверка на замыкание контакта

WAITO:      JNB P1.3, WAITO   ;ожидание размыкания контакта датчика

ACALL DELAY ;вызов подпрограммы задержки

JNB P1.3, WAITO   ;повторная проверка размыкания контакта

 

 

 

Опрос двоичного датчика (Лекция)

В начало

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Опрос двоичного датчика. Ожидание события

2. Ожидание статического сигнала

3. Ожидание импульсного сигнала

4. Устранение дребезга контактов

 

1. Опрос двоичного датчика. Ожидание события

В устройствах и системах логического управления объектами события в объекте управления фиксируются с использованием разнообразных датчиков цифрового и аналогового типов. Наибольшее распространение имеют двоичные датчики типа да/нет, например концевые выключатели, которые подключаются к МК так, как показано на рисунке 1.

Рис. 1.  Схема двоичного датчика а) и сигнал на его выходе б)

 

2. Ожидание статического сигнала

Типовая процедура ожидания события (WAIT) состоит из следующих действий: ввода сигнала от датчика, анализа значения сигнала и передачи управления в зависимости от состояния датчика. На рисунке 2 представлена блок-схема алгоритма процедуры ожидания события, фиксируемого замыканием контакта двоичного датчика.

Рис. 2. Блок-схема процедуры ожидания события

 

Например, при подключении датчика к линии бита 3 порта 1 программа реализации процедуры ожидания замыкания контакта будет иметь вид:

 

WAITO:  JNB P1.3, WAITO ;ожидание размыкания контакта датчика

 

Другим частным случаем типовой процедуры ожидания события является процедура ожидания размыкания контакта, которая может быть реализована следующим образом:

 

WAITC:  JB P1.3, WAITC  ;ожидание замыкания контакта датчика

 

Режим прерывания целесообразно использовать только для опроса особо важных датчиков с целью уменьшения времени реакции на исключительную (аварийную) ситуацию в объекте управления.

 

3. Ожидание импульсного сигнала

Схема подключения датчика импульсного сигнала аналогична схеме на рисунке 1. Особенность процедуры ожидания импульсного сигнала состоит в том, что МК должен обнаружить не только факт появления, но и факт окончания сигнала.

Для программирования этой процедуры удобно воспользоваться рассмотренными выше примерами ожидания события, смонтировав их последовательно в линейную программу. Оформлять процедуры WAITC и WAIT0 в виде подпрограмм нецелесообразно, так как это удлиняет программу, а длина и, следовательно, время исполнения программы определяют минимальную длительность импульса, который может быть обнаружен программой.

Последовательность склеивания процедур WAITC и WAIT0 зависит от формы импульса. Для “отрицательного” импульса (1 –> 0–> 1) процедура WAITC предшествует процедуре WAIT0, для “положительного” (0 –> 1 –> 0) следует за ней.

Ниже приведены примеры программной реализации процедуры ожидания “отрицательного” импульсного сигнала при подключении датчика к биту 3 порта 1 при условии, что начальное состояние входа – единичное:

 

WAITC:  JB P1.3, WAITC  ;ожидание замыкания контакта датчика

WAITO:  JNB P1.3, WAITO ;ожидание размыкания контакта датчика

 

Программная реализация цикла ожидания накладывает ограничения на длительность импульса: импульсы длительностью меньше времени выполнения цикла ожидания могут быть “не замечены” МК.

 

4. Устранение дребезга контактов

При работе МК с датчиками, имеющими механические или электромеханические контакты (кнопки, клавиши, реле и клавиатуры), возникает явление, называемое дребезгом. Это явление заключается в том, что при замыкании контактов возможно появление отскока (BOUNCE) контактов, которое приводит к переходному процессу. При этом сигнал с контакта может быть прочитан МК как случайная последовательность нулей и единиц. Подавить это нежелательное явление можно схемотехническими средствами с использованием буферного триггера (рис. 3), но чаще это делается программным путем.

Рис. 3. Схема подавления  дребезга контактов

 

Наибольшее распространение получил программный способ ожидания установившегося значения с помощью временной задержки.

Устранение дребезга контакта путем введения временной задержки заключается в следующем. Программа, обнаружив замыкание контакта К, запрещает опрос состояния этого контакта на время, заведомо большее длительности переходного процесса.

Временная задержка (в пределах 1-20 мс) подбирается экспериментально для каждого типа датчиков и реализуется подпрограммой DELAY.

 

WAITC:  JB P1.3, WAITC  ;ожидание замыкания контакта датчика

        ACALL DELAY     ;вызов подпрограммы задержки

        JB P1.3, WAITC  ;повторная проверка на замыкание контакта

 

Повторная проверка не обязательна и проводится для устранения реакции на случайные помехи.

В случае ожидания импульсного сигнала с учетом подавления переходного процесса программа будет выглядеть:

WAITC:      JB P1.3, WAITC    ;ожидание замыкания контакта датчика

ACALL DELAY ;вызов подпрограммы задержки

JB P1.3, WAITC    ;повторная проверка на замыкание контакта

WAITO:      JNB P1.3, WAITO   ;ожидание размыкания контакта датчика

ACALL DELAY ;вызов подпрограммы задержки

JNB P1.3, WAITO   ;повторная проверка размыкания контакта

 

 

 

test711

test711

Преобразователь Ш711.


Проект Ильдуса Харисова .

mailto:Ильдус Харисов <[email protected]>

Башкирия.  Ново-Стерлитамакская ТЭЦ.


Тема для проектирования.

 

         Многоканальность МИП Ш711/1 состоит в следующем: к измерительному входу одноканального АЦП при помощи модуля коммутатора подключается, какой либо канал после измерения канал отключается и подключается следующий канал, таким образом, опрашиваются все 60 каналов со скоростью 20 каналов за секунду. Коммутация каналов в модуле коммутатора осуществляется контактами герконовых реле типа РГК-15, всего в модуле коммутатора используется 21 или 22 реле. На один канал приходится по два реле. Одно реле коммутирует входной сигнал напряжения АЦП, а второе подключает источник стабилизированного тока к сопротивлению датчика. На модуле также находятся одно или два служебных реле.

В случае залипания контакта реле произойдет наложение канала на канал, что может вызвать ошибочное изменение результатов измерения по каким либо конкретным каналам или по всем каналам. Определение неисправного реле в статическом режиме (когда, поочередно подавая на катушки реле напряжение и прозвонкой определяя состояние контактов герконов) не представляется возможным. Определение неисправного реле возможно только в динамическом режиме с измерением динамических параметров герконовых реле и производить отбраковку по времени срабатывания и времени отпускания в течение продолжительного времени при условиях приближенным к рабочим. При скорости опроса  20 каналов за секунду время, отведенное на один канал составляет 50 миллисекунд. При времени преобразования АЦП равным 33 миллисекунды суммарное время срабатывания и отпускания не должно превышать 17 миллисекунд. В случае превышения этого значения к входу АЦП окажется, подключено два датчика параллельно, и результат измерения будет ошибочным.

Для измерения времени срабатывания и времени отпускания контактов герконовых реле было разработано тестирующее устройство для проверки модулей коммутаторов МИП Ш711. Данное устройство позволяет измерять время срабатывания и отпускания в интервале от 0.1 до 9.9 миллисекунды, продолжительность теста не ограничивается.

 

Аппаратная часть.

 

         Тестер выполнен на печатной плате размером 155х155 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Основой тестера является микроконтроллер PIC16F876-20I/SP (D1) производства фирмы Microchip, который работает на частоте 10 МГц стабилизированной кварцевым резонатором (ZQ1). Время выполнения одной инструкции составляет 0.4 микросекунды. Контроллер дает команды на включение и отключение реле, контролирует состояние контактов герконов, а также анализирует и выводит результаты теста на семисегментный девятиразрядный светодиодный индикатор. К выходам порта В микроконтроллера подключены  дешифратор адресов реле (D2, D3, D4, VT18-VT29) и дешифратор разрядов (D5, D6, D7, VT9-VT17) светодиодного 9-ти разрядного цифрового индикатора. К выходам порта С через сопротивления и транзисторные ключи (R1-R16, VT1-VT8) подключены сегменты индикатора (HL1). К входам порта А подключены 4 шинки образованные контактами герконов на модуле коммутатора. Входы порта А подтянуты к напряжению питания резисторами (R19-R23). К 5-му биту порта А подключена кнопка управления (SB2). Эта кнопка имеет несколько предназначений: пуск и останов теста, пролистывание результатов теста. Тестер подключается к модулю коммутатора через  выходной разъем (X1), а к входному разъему (X2) модуля коммутатора подключается специальная заглушка. Питается устройство напряжением +5В (для схемы управления) и +10В для коммутации реле. Для сброса микроконтроллера предусмотрена кнопка сброс (SB1).

        

Алгоритм работы.

 

            В микроконтроллер была занесена программа со следующим алгоритмом работы устройства: подается напряжение  на катушку определенного реле и начинается отсчет времени срабатывания, после того как контакты герконов замкнутся, отсчет времени прекращается, и текущий результат сравнивается с предыдущим и в память записывается большее значение. Далее контакты удерживаются замкнутыми в течение 33 миллисекунд (примерное время преобразования АЦП), снимается напряжение с катушки реле и начинается отсчет времени отпускания, после того как контакты герконов разомкнутся, отсчет времени прекращается, и текущий результат сравнивается с предыдущим и в память записывается большее значение. Последовательно тестируются все 22 (или 21 в зависимости от исполнения модуля) реле.

        

Программная часть.

 

         Программа (объемом чуть менее 1 Кбайт) работы тестера находится в памяти программ микроконтроллера (флеш ПЗУ). Программа написана на ассемблере фирмы MicroChip в текстовом редакторе и компилирована при помощи программы MPASMWIN.EXE с созданием hex файла, который затем перенесен в контроллер с помощью программатора PICLIGHT-2 и программы IC-Prog. Программа состоит из основной программы и 10 подпрограмм:

– измерения времени срабатывания реле

– измерения времени отпускания реле

– индикации ошибки (определение неисправного реле и замыкания на шинах)

– задержки на 1 миллисекунду (время переключения разрядов индикатора)

– задержки на 0.1 миллисекунду (подсчет времени срабатывания и отпускания контактов герконов)

– задержки на 33 миллисекунды (время удержания контактов герконов в замкнутом состоянии)

– задержки на 1 секунду (устранение дребезга кнопки)

– индикации (управление светодиодным индикатором)

– преобразования 16-тиричного кода в 7-ми сегментный

– преобразования 8-ми разрядного НЕХ числа в 2-х байтное двоично-десятичное число.

 Основная программа включает в себя:

         – инициализацию контроллера (направление портов ввода вывода)

         – очистку регистров памяти

         – проверку нажатия кнопки

         – проверку состояния шин перед выполнением теста

         – тест

         – проверку нажатия кнопки

         – индикацию результатов теста

 

Заключение.

 

         Описанное выше устройство было проверено в работе, с его помощью были обнаружены неисправные реле. По результатам измерения можно сделать вывод, что максимальное время срабатывания или отпускания не превышает 1.6 миллисекунды. В перспективе предполагается разработка переносного программатора для программирования настроечных параметров приборов Ш711/1 на базе однокристального микроконтроллера PIC16F877 с применением ЖК модуля и ПЗУ объемом 64 Кбайт.

         Автор данного устройства не претендует на совершенство аппаратной и программной частей, и каждый желающий может усовершенствовать его по своему усмотрению.

 

Рис.1 Схема тестирующего устройства.

   

Рис. 2 Схема модуля коммутатора с заглушкой.

 

Расположение элементов 

 

Вид сверху

 

 Вид снизу 


Скачайте исходный код программы микроконтроллера.

 

Скачайте шестнадцатеричный файл прошивки.

 

В начало статьи.




 


Интерфейсные переключатели и реле к Re

Аннотация: В этой заметке обсуждается влияние переключателей при их использовании для подключения нагрузок. Высокие токи, протекающие через переключатель, ухудшают его качество при использовании в качестве переключателя питания. И механические переключатели, и реле демонстрируют дребезг переключателя во время работы. MAX6816 / MAX6817 / MAX6818 обеспечивают устранение дребезга переключателя и защиту от электростатического разряда ± 15 кВ.

Разработка внешнего интерфейса для промышленного или автомобильного приложения может оказаться сложной задачей для непосвященного системного инженера.Скачок контактов переключателя и реле может привести к возникновению дуги, угрожающей надежности системы. Электростатический разряд (ESD) также может поставить под угрозу надежность и время безотказной работы. Цель этого обсуждения – облегчить задачу разработки интерфейса между входами микроконтроллера и агрессивной промышленной или автомобильной средой.

Переключатель Bounce

Идеальной операции переключения, описанной в большинстве учебников – единственного перехода, который происходит мгновенно при срабатывании, за которым следует нулевое сопротивление в открытом состоянии – никогда не существовало! Настоящие переключатели демонстрируют конечное сопротивление, называемое «контактным сопротивлением», которое со временем увеличивается с количеством срабатываний переключателя.Сопротивление контактов нового переключателя составляет от менее 50 мОм до 100 мОм, в зависимости от материала контактов, нагрузки, условий окружающей среды и использования переключателя.

Когда переключатель меняет состояние, его контакты проходят несколько циклов открытия-закрытия, называемых «дребезгом контактов», прежде чем перейти в состояние покоя в конечном состоянии. В некоторых случаях этот быстрый отскок контакта вызывает изменяющееся сопротивление, когда движущийся контакт скользит по неподвижному контакту. На рис. 1 кнопочный переключатель подает на резистор 24 В (типичное промышленное управляющее напряжение).Обратите внимание, что по крайней мере четыре основных переключения происходят прежде, чем выход перейдет в состояние покоя на 24 В. Для цифровой системы управления эти переходы можно интерпретировать как четыре отдельных замыкания контактов.


Рисунок 1. Переключите контакт на дребезг и тестовую схему.

Дребезг контактов недопустим, потому что автомобильные и промышленные системы управления требуют точных данных в реальном времени в виде определенных изменений состояния. (Для получения дополнительной информации о отказов переключателя и связанных проблемах см. Примечание к приложению «Отказ переключателя и другие грязные маленькие секреты».Факторы, которые влияют на номинальную емкость переключателя, включают коэффициент мощности, напряжение переменного или постоянного тока, амплитуду напряжения, тип нагрузки (лампа или двигатель; то есть, является ли нагрузка резистивной, индуктивной или емкостной), а также величину. тока через переключатель. Как правило, номинальное напряжение переменного тока для переключателя указывается для данного уровня тока и коэффициента мощности. Его рабочее напряжение должно быть меньше, чем это номинальное напряжение переменного тока.

Тип нагрузки на коммутаторе влияет на его рейтинг резко.Резистивная нагрузка, такая как вольфрамовый нагреватель, вызывает наименьшее напряжение. Индуктивные нагрузки и нагрузки двигателя создают дополнительную нагрузку на переключатель при его размыкании и замыкании. На подпрыгивающих контактах переключателя могут возникать пусковые токи, в 3–10 раз превышающие установившиеся уровни. Отскок возникает как при открытии, так и при закрытии, и возникающая в результате дуга вызывает износ контактов, более высокое сопротивление и более низкую надежность.

Ламповая и емкостная нагрузки представляют собой наихудший случай. В момент замыкания переключателя обе эти нагрузки вызывают короткое замыкание переключателя.Холодное сопротивление лампы близко к 0 Ом, а разряженный конденсатор – это короткое замыкание при подаче напряжения! Это изменение состояния может вызвать пусковые токи, в 100 раз превышающие установившееся значение. Проблема усугубляется тем, что в течение этого интервала короткого замыкания контакты переключателя дергаются. Высокие уровни тока и прыгающие контакты вызывают сильное искрение на контактах переключателя, которое вызывает эрозию контактов. Что еще хуже, повторяющиеся циклы работы переключателя с сильной дугой могут вызвать короткое замыкание из-за сварки (плавления) контактов вместе.

Последнее, что необходимо учитывать при выборе переключателя для автомобильной или промышленной среды, – это уровень мощности и материал контактов. Серебряные контакты обычно указываются для уровней мощности выше 0,4 ВА (диапазон уровней мощности или номинальная мощность мокрого контакта). Этот уровень мощности обеспечивает достаточное количество дуги, чтобы удалить любые серебряные налеты (окисление, увеличивающее контактное сопротивление). Таким образом, минимальное искрение является полезным, но чрезмерное искрение, вызванное лампой или емкостной нагрузкой, разрушает контакты переключателя.

Для уровней мощности ниже 0.Следует использовать позолоченные контакты 4 ВА (диапазон низкого уровня или номинальное значение для сухих контактов). Поскольку этим уровням мощности не хватает энергии для возникновения дуги, серебряные контакты покрываются оксидом контактов (изолирующим материалом) и, следовательно, не могут замкнуть цепь. Однако покрытие серебряных контактов золотом предотвращает потускнение и тем самым продлевает срок службы контактов до уровня механической стойкости. Также для диапазона низкого уровня (вместо выпуклых контактов) можно использовать разветвленные контакты, то есть двухконтактные параллельные переключающие контакты.Два зубца обеспечивают протирку, которая поддерживает надежность, помогая удалить потускнение контактов.

Во избежание ухудшения качества сигнала из-за износа контактов не следует направлять сигналы через контакты переключателя, которые также выполняют управление уровнем мощности (то есть контакты, которые управляют двигателями, лампами или соленоидами). Кроме того, любые контакты, передающие сигналы в микроконтроллер или промышленную систему управления, должны включать устранение сигнала с помощью аппаратного или программного обеспечения.

Поскольку циклы проектирования теперь измеряются месяцами, а не годами, стало серьезной проблемой обнаружить на полпути проекта, что ваш микроконтроллер не работает в реальном времени, потому что его внутренние ресурсы (таймеры, ОЗУ, прерывания и даже опросы для устранения неполадок) входы) выходят за пределы возможностей.Вам нужно решение, которое снижает общую стоимость системы, минимально зависит от микроконтроллера (программного обеспечения и ОЗУ), требует мало места на печатной плате и способствует надежности системы.

Как показано на рисунке 1, простого понижающего резистора недостаточно для того, чтобы переключатель мог произвести чистое и определенное изменение состояния. Рисунок 2 иллюстрирует типичное учебное решение проблемы подпрыгивания переключателя. Два резистора и два логических элемента ИЛИ-ИЛИ образуют защелку R-S (рисунок 2a).Два резистора опускают вход R или S, когда переключатель разомкнут, и они ограничивают ток на землю, если контакты переключателя должны плавиться. Таблица истинности для защелки R-S иллюстрирует ее работу (, таблица 1, ).


Рис. 2. Схема переключателя-дебаунсера КМОП с одним переключателем R-S защелки (а) и схема переключателя-дебаунсера КМОП с одним переключателем (б).

Таблица 1. Отбойник выключателя с защелкой R-S

R S Q Выход
л л Удерживать последнее логическое состояние
H л л
л H H
H H Состояние неизвестно, не допускается

На выходе Q высокий логический уровень, когда переключатель установлен в положение S.Таким образом, дребезг контактов просто вызывает низкий логический уровень на входе S. Этот вход находится в состоянии удержания, потому что понижающий резистор на R удерживает этот вход на низком логическом уровне. Обратное верно, когда переключатель установлен в положение R: Q имеет логический 0, и он поддерживает состояние удержания при наличии дребезга контактов. Эта схема приемлема, но требует двух дополнительных ворот ИЛИ-НЕ. Таким образом, есть возможности для улучшения.

Одним из недостатков этой схемы защиты от дребезга является то, что требуется однополюсный двухпозиционный переключатель (SPDT), который стоит больше, чем однополюсный однопозиционный переключатель (SPST), и физически больше.Более крупный переключатель, резисторы и вентили ИЛИ-НЕ требуют больше места на печатной плате. Кроме того, «нестабильное состояние» таблицы истинности указывает, что состояние Q не может быть гарантировано, когда оба входа одновременно имеют высокий логический уровень. Это состояние может легко возникнуть при поиске и устранении неисправностей в полевых условиях, если, например, входы низкого и высокого уровня закорочены проводом измерителя.

Переключающие контакты с замыканием до размыкания допускают возникновение нестабильных состояний, поэтому контакты для этой цепи должны быть рассчитаны на размыкание до замыкания.Поскольку в схеме не предусмотрено переключение уровня напряжения, к переключателю необходимо подвести три провода. Дополнительная схема и место на печатной плате увеличивают стоимость системы.

В новом методе устранения дребезга используется ИС переключателя-дребезга, чтобы уменьшить количество компонентов, потребление энергии и пространство на печатной плате (рис. 2b). U1 – это модуль защиты CMOS-переключателя, подключенный непосредственно к SPST-переключателю. Его вход имеет подтягивающий резистор 63 кОм для входов с высоким логическим уровнем, что экономит место на печатной плате. Конденсатор C1 развязывает вывод VCC.Замыкание переключателя подтягивает вывод IN к низкому уровню и обеспечивает низкий логический уровень на выводе OUT. Вывод OUT не меняет состояние до тех пор, пока вывод IN не стабилизируется в течение 40 мс, что скрывает эффект любого дребезга контакта.

Не столь очевидным преимуществом этой схемы является резистивная нагрузка переключателя внутренним резистором 63 кОм, обеспечивающая надежность и неограниченный срок службы переключателя. В этой схеме не существует запрещенных состояний, потому что на входе низкий или высокий уровень. Кроме того, схема блокировки пониженного напряжения IC обеспечивает условие, важное для автомобильных и промышленных приложений: чтобы вывод OUT находился в известном состоянии во время включения питания.Схема повышает надежность и снижает системные затраты за счет меньшего количества компонентов, менее дорогостоящего переключателя SPST и всего двух проводов, подключенных к переключателю.

Реле отказов

Реле также представлены в учебниках как идеальные коммутационные устройства. Предполагается, что, как и переключающие контакты идеального переключателя, контакты реле имеют нулевое сопротивление и единственный переключающий переход, который происходит немедленно при срабатывании. Как и в случае с переключателями, фактические контакты реле, конечно, имеют контактное сопротивление, которое со временем увеличивается при повторных срабатываниях.Типичное контактное сопротивление составляет от менее 50 мОм до 200 мОм в новом состоянии.

Срабатывание реле также механическое. Однако, в отличие от переключателя, реле SPST имеет только один подвижный контакт, который электрически соединяется проводом с одной из клемм внешнего контакта. Стационарный контакт подключается к другому внешнему контакту. Контакты реле также совершают несколько циклов размыкания-замыкания контактов, прежде чем прийти в состояние покоя в конечном состоянии. Этот интервал дребезга контактов дополняет время срабатывания и срабатывания реле, которое может измеряться десятками миллисекунд.

Рисунок 3 показывает напряжение на резистивной нагрузке после срабатывания промышленного реле, которое подает 24 В на резистор. Перед тем, как контакты остановятся при напряжении 24 В, очевидно, как минимум 12 основных коммутационных переходов. Автомобильный микроконтроллер или промышленная система управления интерпретируют эти переходы как несколько циклов контактов реле.


Рис. 3. Схема проверки и дребезга контактов реле.

Что касается переключателей, наихудшими нагрузками для реле являются ламповые и емкостные нагрузки.Эти нагрузки подвергают контакты дополнительному напряжению, создавая короткое замыкание в момент размыкания или замыкания контактов реле. Поэтому вы должны указать контакты реле для типа нагрузки, ожидаемой в приложении. В отличие от переключающих контактов, релейные контакты оцениваются по их резистивной нагрузке переменного / постоянного тока и «контактной мощности».

Номинальная мощность контактов обеспечивает максимальную нагрузку двигателя, которой может подвергаться реле без преждевременного выхода из строя. Реле, используемые в промышленных и автомобильных системах управления с целью изоляции одного источника питания или заземления от другого, подвержены одинаковым «сухим» и «низкоуровневым» диапазонам рассеяния мощности.Позолоченные или раздвоенные контакты реле должны быть указаны для уровней мощности сигнала ниже 0,4 ВА. Использование реле уровня мощности с серебряными контактами означает, что разработчик может вскоре ожидать выхода из строя!

Дребезг контактов при протекании тока высокого уровня подвергает контакты реле тому типу неисправности контактов, который наблюдается в переключателях. Опять же, сигналы не должны поступать от контактов, которые приводят в действие двигатели, соленоиды или аналогичные компоненты в автомобильной или промышленной системе управления. Для этого следует использовать отдельный набор контактов.

В качестве трансляторов сигналов реле и резистор не подходят для подачи чистого сигнала на микроконтроллер или систему управления. На рис. 4 показано устройство защиты от взлома из учебника, применяемое к контактам реле для системного микроконтроллера. [7] Датчик процесса, такой как дистанционное реле давления, приводит в действие реле (установленное на плате управления) с напряжением 24 В постоянного тока. Значение RC-фильтра нижних частот должно быть достаточно большим (от 20 мс до 200 мс), чтобы замаскировать любое время дребезга, вызванное контактами реле.


Рисунок 4.Схема восьмиразрядного дебаунсера для микроконтроллера.

По мере того, как конденсатор заряжается и разряжается, ИС триггера Шмитта обеспечивает изменение выходного сигнала с гистерезисом и резким, определенным переключением. Для этой схемы требуется программное обеспечение для опроса, а для ее большого количества компонентов требуется больше места на печатной плате (для типичного 8-битного входного модуля он включает в себя две микросхемы триггера Шмитта 74HC14, восемь конденсаторов и 16 резисторов).

В листинге 1 представлена ​​подпрограмма опроса псевдопорта, которая отслеживает реле в указанной выше схеме на предмет изменений в состоянии контакта.Для каждого прохода через основной цикл основная программа переходит к подпрограмме Check_Port, считывает входные данные и сохраняет их в ячейке памяти Port1. Он сравнивает данные Port1 со старыми данными порта в области памяти Port_P и выполняет битовый тест в строке 4. Если никакие входные биты не изменились с момента последнего чтения Port1 (Port_P содержит предыдущие данные), выполнение программы завершает эту подпрограмму и продолжается снова. в основной программе. Если биты изменились, он добавляет «1» к ячейке памяти счетчика.Счетчик сравнивается с константой «N_Pass_Value» (количество проходов через основную программу до того, как реле считается отключенным), и если значение Count меньше N_Pass_Value, выполнение снова возвращается к основной программе. Если Count равно N_Pass_Value, Count устанавливается в ноль, новые данные Port1 копируются в Port_P, и выполнение переходит из подпрограммы обратно в основную программу.

Листинг 1. Подпрограмма для псевдо-опроса кода

  1. Check_Port: чтение данных порта
  2. Сохранение Port_Data в Port1
  3. Сравнить Port1 с Port_P (EX-OR Port1 с Port_P)
  4. Test for Bit Changes: (Нет ) Возврат из подпрограммы Check_Port, (Да) Продолжить
  5. Добавить 1 в счетчик
  6. Count = N_Pass_Value: (Нет) Возврат из подпрограммы Check_Port, (Да) Продолжить
  7. Установить счетчик = 0
  8. Сохранить порт 1 в Port_P
  9. {Сделайте что-нибудь с новыми данными порта}
  10. Возврат из подпрограммы Check_Port с новыми данными Port_P для основной программы
Альтернативное решение требует гораздо меньшего количества компонентов (, рис. 5, ) и меньше полагается на программное обеспечение, чтобы определить, когда реле или контакт переключателя изменили состояние.Таким образом, сокращается время обработки данных в микроконтроллере или системе управления. Микросхема переключателя-дебаунсера CMOS подает на микроконтроллер все восемь входов. Вывод изменения состояния (Active-Low CH) переходит в низкий уровень, когда происходит изменение состояния. Канал Active-Low подключается к выводу запроса прерывания (Active-Low IRQ) микроконтроллера. На выводе EN Active-Low U1 устанавливается низкий уровень для чтения выходных данных, и он сбрасывает сигнал CH Active-Low на высокий уровень. Этот подход не требует процедуры опроса; с этим можно быстро справиться с помощью простой процедуры обслуживания прерывания.Результатом стало значительное улучшение обработки данных в реальном времени микроконтроллерами в автомобильных и промышленных приложениях.


Рисунок 5. Восьмиразрядная схема переключателя-дебаунсера CMOS для микроконтроллера.

В листинге 2 показана подпрограмма обслуживания прерывания псевдокода для схемы на рисунке 5. Листинг 2, похоже, не имеет преимуществ перед листингом 1 по длине кода, но его преимущество существенно для обработки входных данных в реальном времени, так как требуется в автомобильной и промышленной сферах.Что наиболее важно, процедура обслуживания прерывания запускается только тогда, когда доступны новые данные (когда реле или переключатель меняют состояние). Это действие позволяет процессору выполнять другие ресурсоемкие процедуры и обрабатывать данные ближе к реальному времени.

Листинг 2. Подпрограмма для кода псевдопрерывания

  1. New_Port: Установить EN \ pin bit low
  2. Read Port Data
  3. Store Port_Data в Port_P
  4. Установить EN \ pin bit high (Reset CH \ = High)
  5. Возврат из подпрограммы службы Check_Port с новыми данными Port_P, готовыми для основной программы
  6. Main_P: Продолжить программу до прерывания
  7. {При необходимости сделать что-нибудь с новыми данными порта}
Подпрограмма Check_Port в листинге 1 должна выполняться во время каждого цикла основной программы, независимо от того, доступны ли новые данные.Эта подпрограмма также требует дополнительного байта ОЗУ для данных порта 1, который может быть недоступен при использовании 8-битного микроконтроллера в приложении для обработки данных в реальном времени. Как упоминалось ранее, системные ресурсы, такие как оперативная память и обработка данных в реальном времени, демонстрируют признаки нагрузки только на поздних этапах цикла проектирования.

Рисунок 6 и листинг 3 показывают процедуру псевдо-опроса-устранения неполадок, которая проверяет изменения в состоянии контактов реле с минимальным использованием оборудования, резисторов или избыточного программного обеспечения.Резисторы опускают входные контакты микроконтроллера, когда контакты реле разомкнуты. R выбирается для типа контактов реле, указанного разработчиком, с учетом материала контактов и тока нагрузки. Подпрограмма DB_Check_Port (листинг 3) работает следующим образом.


Рисунок 6. Минимальный релейный интерфейс для микроконтроллера.

Выполнение программы переходит к этой подпрограмме при каждом проходе по основной программе. Он считывает входные данные и сохраняет их в ячейке памяти Port1 для сравнения со старыми данными порта в ячейке памяти Port_P (строки с 1 по 3).Код в строке 4 выполняет битовый тест. Если ни один бит не изменился с момента последнего чтения Port1, выполнение завершает подпрограмму и продолжается в основной программе (Port_P содержит предыдущие данные). Когда биты изменили состояние, цикл таймера / счетчика (строки 6 и 7) отмечает 50 мс, отсчитывая тактовые циклы ЦП. По истечении этого интервала данные Port1 передаются в область памяти Port_P для использования основной программой.

Этот подход имеет две основные проблемы: он тратит время ЦП и не обеспечивает защиту от электростатического разряда (ESD) или переходных процессов на входных линиях.Замедление времени обработки данных для цикла таймер / счетчик неприемлемо в автомобильных и промышленных приложениях, где сигналы датчиков и системного управления должны обрабатываться в режиме реального времени. Кроме того, эта конструкция не обеспечивает входной защиты выводов микроконтроллера, поскольку выводы подключаются непосредственно к клеммам реле. Целостность микроконтроллера может быть легко нарушена техником, заменяющим реле, потому что это действие может позволить электростатическому разряду непосредственно попасть на контакты микропроцессора.

Листинг 3. Подпрограмма для псевдотаймера / кода отключения счетчика

  1. DB_Check_Port: чтение данных порта
  2. Сохранение данных порта в Port1
  3. Сравнить Port1 с Port_P (EX-OR Port1 с Port_P)
  4. Test for Bit Changes : (Нет) Возврат из подпрограммы Check_Port, (Да) Продолжить
  5. Сохранить 50ms_Count в Счетчике
  6. DB_TMR: Уменьшить счетчик на 1
  7. Test Counter = 0: (Нет) Перейти к DB_TMR, (Да) Продолжить
  8. Сохранение Port_Data в Port_P
  9. {Сделайте что-нибудь с новыми данными порта}
  10. Возврат из подпрограммы Check_Port с новыми данными Port_P для основной программы

Automotive Specifics

Все без исключения автомобильные среды представляют собой проблему для инженеров-проектировщиков.Автомобильные системы должны выдерживать температуры в диапазоне от -40 ° C до + 70 ° C, постоянную механическую вибрацию и загрязняющие вещества, такие как смазочные материалы, охлаждающие жидкости и другие жидкости. Будут обсуждаться статические перенапряжения и обратные напряжения, всплески переключения, переходные процессы от параллельных и последовательных нагрузок, переходные процессы шума низкого напряжения и сбросы нагрузки.

Вы должны учитывать возможность статического перенапряжения или напряжения обратной полярности от аккумуляторной системы автомобиля. Шина питания транспортного средства передает напряжение до +24 В при запуске разряженной батареи от внешнего источника.Источник питания микроконтроллера должен быть способен выдерживать это напряжение, как и любой вход, который может быть замкнут накоротко из-за отказа компонента или действия специалиста по обслуживанию. Если аккумулятор транспортного средства непреднамеренно подключен задним ходом, все системы, подключенные к шине питания транспортного средства, будут подвергаться отрицательному напряжению. Снова обратимся к рисункам 2b и 5, защита на входах противодребезги MAX6816, MAX1617 и MAX6818 может обрабатывать ± 25 В (высокий логический уровень + 25 В и низкий логический уровень -25 В).

В качестве альтернативы вы можете защитить каждый вход, установив последовательный резистор и последовательно соединенные стабилитроны (или диоды для подавления переходных напряжений, или TVS, диоды) параллельно с понижающим резистором (рис. 2а). Для дополнительной защиты источник питания микроконтроллера должен также включать диод обратной защиты, включенный последовательно с его входом. Когда параллельно подключенные индуктивные нагрузки, такие как топливные насосы, реле, звуковые сигналы, соленоиды и стартеры, отключены (выключены), они могут генерировать переходные процессы отрицательного напряжения до -100 В на шине питания.

Аналогичным образом, переходные процессы положительного напряжения до + 100 В могут возникать, когда последовательно подключенная нагрузка, такая как переключатель в задней части автомобиля, отключена от индуктивного компонента, такого как длинный жгут проводов, который подает +12 В на заднюю часть автомобиля. автомобиль. Жгут проводов в автомобиле содержит распределенную емкость и индуктивность, которые могут накладывать всплески переключения ± 100 В на шину питания +12 В. Защита от электростатических разрядов и переходных процессов на входе – необходимость в этой среде.

Когда низкое сопротивление стартера двигателя приводит к проворачиванию двигателя, возникающий сильный ток может вызвать переходные процессы с низким напряжением из-за кратковременного снижения напряжения на шине питания +12 В до уровня +5 В.Эта проблема особенно опасна в холодную погоду, когда вязкость масла выше. Кроме того, скорость вращения стартера во время запуска не является постоянной, а изменяется из-за воздействия механических компонентов, прикрепленных к коленчатому валу. Результатом является изменение уровня переходного процесса низкого напряжения. Поэтому проектируемые элементы управления системой (электронные модули) должны иметь достаточную «переходящую» емкость (входную емкость источника питания), чтобы обеспечить работу во время этих низковольтных переходных процессов.Одним из преимуществ интеграции схем и меньшего количества компонентов является меньшая рассеиваемая мощность, что обеспечивает меньшую переходящую емкость.

Последняя опасность, которую следует учитывать, – это сбросы нагрузки, которые происходят, когда муфта кондиционера, мигающие фары или другая большая нагрузка внезапно отключаются от шины питания. Если двигатель ускоряется или работает на высокой скорости, цепь возбуждения генератора переменного тока (постоянная времени которой составляет от 40 нс до 400 мс) может подвергать шину питания напряжению от + 10 В до + 120 В.

Дизайнер должен учитывать все вышеперечисленное при разработке системы управления автомобильной средой. Рисунок 7 показывает простой вид различных нагрузок, подключенных к шине питания, с их распределенной индуктивностью, емкостью и сопротивлением. Подключение переключателя, который просто сигнализирует о событии, например, дверного переключателя аварийной сигнализации или переключателя давления в точке переключения коробки передач, подвергает вход контроллера всем упомянутым выше переходным опасностям.


Рисунок 7.Модель жгута проводов автомобиля.

Защита входа для типичного устройства HCMOS, подключенного к шине питания, проиллюстрирована на Рис. 8a . Резисторы R1 и R3 выбраны для ограничения тока через переключатели, когда они замкнуты (условия сухого или мокрого контакта), и для увеличения входных напряжений до +12 В. Конденсаторы C1 и C3 (обычно маленькие, от 22 до 100 нФ, керамические конденсаторы) развязывают на землю любые радиочастотные помехи от таких источников, как система зажигания и радиостанции CB.Резисторы R2 и R4 ограничивают токи на входах HCMOS при наихудшем переходном напряжении + 150В. Наконец, конденсаторы C2 и C4 вместе с R2 и R4 образуют RC-защитный барьер для входа, обеспечивая типичную постоянную времени от 50 мс до 200 мс.

В другом альтернативном варианте используется ИС (MAX6817), которая включает два устройства защиты от электростатического разряда в корпусе SOT-23 для поверхностного монтажа (, рис. 8b, ). На первый взгляд, защита от переходных процессов, показанная на Рисунке 8a, кажется, отсутствует, но эта защита не требуется для входов MAX6817.Резисторы R1 и R3 не нужны, потому что U1 включает резистор 63 кОм. Конденсаторы C1 и C3 не являются обязательными и обычно не требуются, поскольку защита входа является внутренней для U1. Резисторы, встроенные в микросхему MAX6817 IC (U1), ограничивают входные токи.


Рис. 8. Схема дискретно-компонентной, HCMOS-защиты входа и интерфейса от дребезга (a), а также схема однокомпонентной, HCMOS-защиты входа и интерфейса противодребезговой защиты (b).

Наконец, комбинация устранения дребезга RC из C2 и C4 с R2 и R4 не требуется, потому что U1 устраняет дребезги сигналов в течение не менее 40 мс после того, как установился дребезг контактов.Чрезвычайно низкий ток питания U1 (6 мкА, тип.) Позволяет системе справляться с низковольтными шумовыми переходными процессами с меньшей задерживающей способностью. Схема на рис. 8b также обеспечивает блокировку при пониженном напряжении для защиты при отключении или повторном подключении аккумуляторной батареи автомобиля.

Механические ударные волны, которые преобразуются в электрические сигналы от реле давления и других преобразователей, часто игнорируются разработчиками электроники, но вызывают беспокойство у инженеров-автомобилестроителей. Например, реле давления контролирует гидравлическую жидкость в автоматической коробке передач во время ускорения, как для указания соответствующей точки переключения для коробки передач, так и для отправки сигнала контроллеру двигателя (микроконтроллеру).

Поскольку это давление жидкости не изменяется мгновенно (равно как и напряжение на конденсаторе или ток через катушку индуктивности), выходной сигнал давления включает выбросы и звон в точке переключения. Таким образом, сигнал реле давления требует дребезга не только для дребезга контактов в реле давления, но и для отражения механической ударной волны. Переключатели, которые контролируют давление охлаждающей жидкости, также требуют дребезга (потому что воздух в охлаждающей жидкости двигателя вызывает кавитацию), а реле температуры требуют дребезга для маскировки механических и электрических воздействий.Эти проблемы с механическими ударами также возникают в промышленных приложениях.

Приложение: Защита от электростатического разряда

Исследования показали, что на электростатические разряды приходится от 10% до 30% всех отказов. Хотя во многих прекрасных книгах подробно обсуждается ОУР, это приложение предлагает лишь краткий обзор этого сложного мира.

Поверхность может легко получать электроны (отрицательный заряд) или терять электроны (положительный заряд), когда два разных материала входят в контакт и трются друг о друга. Трибоэлектрификация (трение) заставляет электроны собираться в лужах на непроводящих поверхностях, потому что при напряжениях ниже 2 кВ электроны не могут проходить через непроводящую поверхность.Такие бассейны формируют положительные или отрицательные электростатические поля, создавая градиенты напряжения между поверхностями с силовым полем, которое может тянуть или толкать заряды.

Поля около этих бассейнов сильные, но заряды (электроны) предпочитают рассеиваться над проводящей поверхностью и через нее. Джон М. Кольер проводит аналогию с водоемом с чрезвычайно тонкой плотиной, возведенной в центре. Если вода (электроны) добавляется к одной стороне, эта сторона прикладывает силу к нижнему бассейну перпендикулярно плотине, в результате чего дамба в конечном итоге разрушается (разряд электростатического разряда) и пропускает воду (поток электронов) в нижний бассейн (проводящая поверхность). .Эта аналогия и концепция электронов в пулах справедливы для напряжений ниже 2 кВ. Поскольку градиент напряжения в 100 В обычно разрушает затворы полевого МОП-транзистора, наша недорогая схема с программным устранением неисправностей с минимальным количеством резисторов определенно подвергает систему риску повреждения микроконтроллера электростатическим разрядом!

Напряжения выше 3 кВ считаются электростатическими разрядами высокого напряжения, для которых концепция скопления электронов на непроводящей поверхности больше не применяется. При таких более высоких напряжениях избыточный заряд на непроводящей поверхности легко ионизирует воздух и разряжается (через искру) на любую соседнюю проводящую поверхность.Искра позволяет току течь от одной поверхности к другой через воздух. Молния – отличный пример такой формы разряда. Острые углы на проводящей поверхности при более высоких напряжениях имеют тенденцию концентрировать силовые линии электрического поля, которые легче ионизируют воздух в коронном разряде. В этих условиях при относительной влажности от 10% до 20% риск опасности электростатического разряда очень высок.

Объекты, генерирующие статическое электричество, бывают разных форм. Двумя примерами являются трение двух поверхностей друг о друга (трибоэлектрическая зарядка) или снятие куска пластиковой ленты с печатной платы.Было показано, что консервированные криогенные устройства того типа, которые используются для поиска и устранения неисправностей, генерируют заряженные капли. Другой пример – отказ высоковольтной изоляции в высоковольтной искровой системе автомобиля может привести к возникновению напряжения, достаточно высокого, чтобы вызвать коронный разряд между поверхностями.

Для предотвращения повреждений от электростатического разряда необходимо учитывать факторы окружающей среды, такие как влажность (которая снижает электростатический разряд, но не устраняет его). Электропроводящие браслеты и коврики должны быть частью рабочего места, защищенного от статического электричества. Проводящие материалы должны быть заземлены, особенно это касается отверток.(Отвертка представляет собой проводник с острыми углами, непроводящей ручкой и незаземленным наконечником, требующим электростатического разряда.)

Обратите внимание, что заземление бесполезно на непроводящих поверхностях. Поэтому в цепи, которые могут прямо или косвенно контактировать с источниками электростатического разряда, должен быть предусмотрен какой-либо тип защиты от электростатического разряда. Сами по себе токопроводящие клавиатуры не обеспечат защиты, если технический специалист может разрядить свою отвертку во вход микроконтроллера.

TVS-диоды и ИС могут защитить систему от электростатических разрядов и переходных процессов.TVS-диоды обеспечивают низкое напряжение ограничения без ухудшения самих себя. Они доступны от нескольких производителей с рабочим напряжением от + 5В до + 24В. При указании свинцовых TVS-диодов (то есть не для поверхностного монтажа), делайте выводы как можно короче, чтобы исключить индуктивность выводов, которая сводит на нет преимущества диода за счет увеличения времени его отклика.

Каждая из схем на рисунках 2b и 5 обеспечивает защиту от электростатического разряда для входов микроконтроллера. Входы MAX6816, MAX1617 и MAX6818 могут работать с напряжением ± 25 В и защищены от электростатического разряда до +15 кВ.Защита от электростатического разряда обеспечивается во всех состояниях нормальной работы, при включении, отключении питания и выключении. Этот тип защиты от электростатического разряда и защиты входа идеально подходит для автомобильных и промышленных приложений. Преимущества антистатической ИС с защитой от электростатического разряда включают в себя защиту от электростатического разряда и противодействие в одном и том же корпусе, тем самым минимизируя площадь печатной платы, уменьшая количество деталей и повышая надежность и устойчивость системы.

Надежность и надежность стали центральными вопросами для автомобильного дизайнера, поскольку производители автомобилей разрабатывают автомобили, которые управляются и тормозятся «по проводам».«В скором времени автомобили могут иметь электродвигатели, обеспечивающие рулевое управление с усилителем, торможение двигателями на каждом колесе, дросселирование топлива с управляемым двигателем ускорение и многое другое. Все эти нововведения потребуют более крупного жгута проводов, но существующие жгуты уже подлежат переходные отказы

Библиография

  1. «Техническая информация», EAO Switching Products World Class, Catalog 102B, Nov. 1998, pp. 104-105.
  2. «Rerating Current», Design Guide 2000 NKK Switches, № по каталогу9908, май 1999 г., стр. Z3.
  3. Pasahow, Эдвард Дж., “Введение в интерфейс и периферийное оборудование”, Microprocessor Technology and Microcomputers, McGraw-Hill, 1988, p. 234.
  4. Кац, Рэнди Х., «Практические вопросы», Contemporary Logic Design .
  5. Престопник, Ричард Дж., «Базовые интерфейсы ввода и вывода», Digital Electronics, Saunders College Publishing, 1990, стр. 465-466.
  6. «Реле для печатных плат общего назначения», Potter & Brumfield General Stock Каталог, Кат.13C222, август 1988 г., стр. 4-24.
  7. Горовиц, Пол и Хилл, Уинфилд, «Switch Bounce», The Art of Электроника, Cambridge University Press, 1994, стр. 576-577.
  8. Фрайбург, Джордж А., Stocker & Yale, «ESD-Safe Lighting», Robotics World, март / апрель 2000 г., стр. 36–38.
  9. Колер, Джон М. и Уотсон, Дональд Э., ESD От А до Я, Международный Thomson Publishing, 1996.
  10. «Автомобильные приложения», High-Speed ​​CMOS Designer’s Guide, Signetics / Philips, 1988, стр.С 3-39 до 3-44.
  11. “Переключатель Bounce и другие маленькие грязные секреты », – записка от Максима, Сентябрь 2000 г.
Аналогичная версия этой статьи появилась в номере журнала EDN от 5 июня 2001 г.

(PDF) Новый подход для снижения дребезга контактов в электромагнитных переключателях

IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRONICS

оценивает текущую точку и ищет лучшие. Таким образом,

может адаптировать сигнал активации, когда система изменяет

из-за

, т.е.ж., к износу, пластическим деформациям или контактной эрозии. В дополнение к

, поскольку он не требует какой-либо модели системы, он

дает хорошие результаты при использовании различных сигналов активации или конфигураций схемы

. Более того,

может быть применен даже к различным типам переключателей, включая высоковольтные,

, которые особенно подвержены дребезгу контактов из-за наличия

электрических дуг большой энергии. В результате представленный алгоритм

более универсален и надежен, чем предыдущие подходы

, основанные на моделях.Кроме того, он прост в вычислительном отношении и требует

нескольких вычислений в реальном времени, поэтому он особенно хорошо подходит для реализации

в недорогих микроконтроллерах.

REF ER ENC ES

[1] S. Haghbin, S. Lundmark, M. Alak¨

ula, и O. Carlson, «Grid-connected

Интегрированные зарядные устройства

в транспортных средствах: обзор и новинка

решение », IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 60, нет. 2. С. 459–473,

февраля 2013 г.

[2] С. Садеги, Л. Гуо, Х. А. Тольят и Л. Парса, «Широкий диапазон рабочих скоростей

диапазон пятифазных машин с постоянными магнитами за счет использования различных конфигураций статора

», IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 59, нет. 6, pp.

2621–2631, июнь 2012 г.

[3] TC Beh, M. Kato, T. Imura, S. Oh и Y. Hori, «Автоматизированная система согласования импеданса

для надежного беспроводного питания. передача через магнитно-резонансную муфту

», IEEE Trans.Ind. Electron., Vol. 60, нет. 9,

pp. 3689–3698, Sep. 2013.

[4] П. Баркан, «Исследование явления отскока контакта», IEEE Trans.

Power App. Syst., Нет. 2, pp. 231–240, Feb. 1967.

[5] RC Tung, A. Fruehling, D. Peroulis, A. Raman, «Множественные шкалы времени

и моделирование явлений динамического дребезга в RF mems

переключателях. , ”J. Microelectromech. Syst., Т. 23, нет. 1, pp. 137–146, Feb.

2014.

[6] Z. Guofu, W.Ция, Ю. Венин и Л. Хуйминь, «Постоянный магнит

, эквивалентная модели

для расчета статического притягивающего крутящего момента реле –

Метод конечных элементов», IEEE Trans. Магн., Т. 48, вып. 9, pp.

2467–2471, сентябрь 2012 г.

[7] Д. Ваттио и О. Верлинден, «Моделирование динамического поведения

электромеханических реле для анализа чувствительности к ударам и

вибрациям». ”Exp. Мех., Т. 51, нет. 9. С. 1459–1472, ноябрь.2011.

[8] Э. Рамирес-Лаборео, К. Сигес и С. Льоренте, «Новая модель электромеханических реле

для прогнозирования движения и электромагнитной динамики

», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 52, нет. 3, pp. 2545–2553,

Май / июн. 2016.

[9] Т. С. Дэвис, Х. Нури и Ф. В. Бриттон, «На пути к контролю контакта

bounce», IEEE Trans. Компон. Packag. Manuf. Technol., Т. 19, нет. 3,

pp. 353–359, Oct. 1996.

[10] P.М. дос Сантос Диас де Мораес и А. Дж. Перин, «Электронный блок управления

для уменьшения дребезга контактов в электромагнитных контакторах», IEEE

Trans. Ind. Electron., Vol. 55, нет. 2, pp. 861–870, февраль 2008 г.

[11] Х. Линь, X. Ван, С. Фанг, П. Джин и С. Хо, «Проектирование, оптимизация и

интеллектуального управления постоянным -магнитный контактор », IEEE Trans. Инд.

Электрон., Т. 60, нет. 11, pp. 5148–5159, Nov. 2013.

[12] B. Carse, N. Larsen, H.Нури и Т. Дэвис, «Подход к уменьшению дребезга контакта

с использованием нечеткого управления», в Proc. IEEE Int.

Symp. Ind. Electron., Vol. 3. IEEE, июль 1999 г., стр. 1025–1029.

[13] М. Ф. Рахман, Н. К. Чунг и К. В. Лим, «Оценка положения в соленоидных приводах

», IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 32, нет. 3, pp. 552–559,

May / Jun. 1996.

[14] Ф. Малагути, «Пропорциональное управление двухпозиционным соленоидным гидравлическим клапаном

с помощью нелинейного надежного контроллера», в Proc.IEEE Int. Symp. Инд.

Электрон., Т. 2. IEEE, июль 2002 г., стр. 415–419.

[15] A. Garc´

ıa Espinosa, J. R. Riba Ruiz, J. Cusid´

o, и X. Alabern Morera,

«Бездатчиковое управление и диагностика неисправностей электромеханических контакторов»,

IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 55, нет. 10, pp. 3742–3750, Oct. 2008.

[16] X. Ван, Х. Линь, С. Хо, С. Фанг и П. Джин, «Анализ динамических характеристик

постоянных магнитов. контактор с бездатчиковым перемещением

профильное управление », IEEE Trans.Магн., Т. 46, нет. 6, pp. 1633–1636, Jun.

2010.

[17] Э. Дель Кастильо и AM Hurwitz, «Управление непрерывным процессом:

Обзор литературы и дополнения к

», J. of Quality Technology, т. 29, нет. 2,

с. 184, Apr. 1997.

[18] С. В. Батлер и Дж. А. Стефани, «Контролирующее непрерывное управление травлением поликремния

на затворе

с использованием эллипсометрии на месте», IEEE Trans. Полуконд.

Мануф., Т. 7, вып. 2. С. 193–201, май. 1994.

[19] Т.Л. Кларк-Прингл и Дж. Ф. МакГрегор, «Оптимизация молекулярно-массового распределения

с использованием корректировок от партии к партии», Ind. Eng. Chem.

Res., Vol. 37, нет. 9, pp. 3660–3669, Jul. 1998.

[20] C. Owens, H. Zisser, L. Jovanovic, B. Srinivasan, D. Bonvin, и

FJ Doyle III, «Run-to-run контроль концентрации глюкозы в крови

для людей с сахарным диабетом 1 типа », IEEE Trans. Биомед. Eng.,

т. 53, нет. 6. С. 996–1005, июн.2006.

[21] Б. Сринивасан, Д. Бонвин, Э. Виссер, С. Паланки, «Динамическая оптимизация периодических процессов

: Ii. роль измерений в обработке неопределенности

// Ж. вычисл. Chem. Англ., Т. 27, нет. 1, pp. 27–44, Jan. 2003.

[22] Б. Сринивасан, С. Паланки, Д. Бонвин, «Динамическая оптимизация пакетных процессов

: I. характеристика номинального решения», Comput.

Chem. Англ., Т. 27, нет. 1. pp. 1-26, Jan. 2003.

[23] Y.Ван, Ф. Гао и Ф. Дж. Дойл, «Обзор итеративного управления обучением,

повторяющегося управления и непрерывного управления», J. Process Control, vol. 19,

нет. 10, pp. 1589–1600, Dec. 2009.

[24] Дж. Э. Бокс, «Эволюционная операция: метод повышения производительности в промышленности

», J. R. Stat. Soc. Сер. C, стр. 81–101, июнь 1957.

[25] К. Одет и Дж. Э. Деннис-младший, «Сеточные адаптивные алгоритмы прямого поиска

для оптимизации с ограничениями», SIAM J.Оптимизация, т. 17, нет. 1, стр.

188–217, июль 2006 г.

[26] Л. М. Риос и Н. В. Сахинидис, «Оптимизация без производных: обзор алгоритмов

и сравнение программных реализаций», J. Global

Оптимизация , т. 56, нет. 3, pp. 1247–1293, Jul. 2013.

[27] C. Do, M. Lishchynska, M. Cychowski, K. Delaney, M. Hill,

«Энергетический подход к адаптивному формированию импульсов для управление переключателями постоянного тока RF-

mems », Ю.Microelectromech. Syst., Т. 21, нет. 6,

pp. 1382–1391, декабрь 2012 г.

Эдгар Рамирес-Лаборео (S’15) получил

M.S. степени в области промышленной инженерии и

электроники из Университета

Сарагоса, Сарагоса, Испания, в 2014 и 2015 годах,

соответственно, где он в настоящее время работает –

под опекой доктора философии. степень в области системной инженерии

и информатики.

С 2013 года он работал в Департаменте информационных технологий и систем

(DIIS) и в Институте исследований

в Арагоне (I3A) Университета

Сарагосы.Его исследовательские интересы включают моделирование и управление электромеханическими устройствами elec-

, оптимизацию и управление Run-to-Run.

Карлос Сигес (M’00 – SM’11) получил M.S.

степень в области информатики и систем, эн-

инженеров и доктор философии. степень в области промышленного производства

инженера Университета Сарагосы,

Сарагоса, Испания, в 1989 и 1992 годах, соответственно.

В 1994 году он начал работать доцентом

Departamento de Informatica e Ingenieria

de Sistemas Университета Сарагосы, где он

стал профессором в 2009 году, а также был старшим преподавателем

.Занимался исследованием

датчиков силы и инфракрасных датчиков для роботов. Его текущие исследовательские интересы

включают системы управления и отраслевые приложения, компьютерное зрение, визуальный контроль

и совместное управление несколькими транспортными средствами.

Серджио Льоренте получил M.S. и к.т.н.

степени в области электронной техники Университета

Сарагосы, Сарагоса, Испания, в 2001 г.,

,

и 2016 г., соответственно.

В 2001 году он присоединился к группе компаний BSH Home Appliances

в Сарагосе, Испания, где он занимал

различных должностей в отделе исследований и разработок

дополнительных индукционных варочных панелей.Он

в настоящее время отвечает за несколько направлений исследований

и является изобретателем более чем 150 патентов. Он

также был доцентом в Университете

Сарагосы с 2004 года. Его исследовательские интересы включают силовую электронику

, алгоритмы моделирования и управления для силовой электроники и контроль температуры

.

Это авторская версия статьи, опубликованной в этом журнале. Перед публикацией издатель внес в эту версию изменения.

Окончательная версия записи доступна по адресу http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2016.2605622

Copyright (c) 2016 IEEE. Разрешено личное использование. Для любых других целей необходимо получить разрешение от IEEE по электронной почте [email protected]

Реле (часть 2), схемы защиты контактов

реле, часть 2
Elliott Sound Products Реле и способы их использования – Часть 2

© 2015, Род Эллиотт (ESP)
Обновлено август 2020 г.

Вверх
Основной индекс Указатель статей
Содержание
Введение

Введение в статью о реле охватывает катушку, схемы драйверов, а также обсуждаются материалы и характеристики контактов.Это часть 2 статьи, в которой контакты рассматриваются более подробно. В частности, мы рассмотрим множество различных способов повреждения контактов и защиты от искрения. Однако не за счет использования специализированных устройств – в этом разделе просто описаны способы использования доступных реле для отключения «сложных» нагрузок без излишней нагрузки на контакты.

Конечно, существует бесчисленное множество различных нагрузок и источников питания, и можно только смотреть на общие принципы.Некоторые из них представляют собой примеры из «учебников», которые использовались в течение многих лет с разумным успехом. Это схемы, которые вы часто видите на схемах продуктов и примечаниях к применению, и они обычно дают неплохие результаты.

Нагрузки

переменного тока могут быть особенно жесткими, если нагрузка индуктивная. Трансформаторы и двигатели попадают в эту категорию, и есть некоторые уловки, которые могут минимизировать пусковой ток при подключении и напряжение обратного хода при срабатывании реле. Даже некоторые резистивные нагрузки могут вызвать проблемы, особенно если нагрузка представляет собой лампы накаливания, которые вызывают очень высокий пусковой ток.В некоторых случаях можно будет получить очень надежную операцию переключения при нулевом напряжении только с помощью твердотельного реле (SSR), но даже электромеханические реле могут быть удивительно точными, если вы захотите добавить микроконтроллер, который контролирует Фаза переменного тока и проверяет время срабатывания реле.

Наука, лежащая в основе контактных материалов, очень сложна, и у меня нет необходимого оборудования для исследования контактных поверхностей на молекулярном уровне. Кое-что из того, что вы прочтете ниже, может звучать как научная фантастика, но ссылки достаточно ясно покажут, что все эти эффекты существуют, какими бы маловероятными они ни казались.Если у вас есть доступ к микроскопу, вы можете поискать себя сами, но чтобы увидеть настоящие проблемы, вам понадобится электронный микроскоп – далеко за пределами моего ценового диапазона.

Некоторые реле имеют так называемые «раздвоенные» контакты. Это просто означает, что контактный рычаг разделен на две части с контактным материалом на каждой из двух секций. В зависимости от того, как это делается, это может уменьшить дребезг контактов, если две секции имеют разную ширину и, следовательно, имеют разную механическую резонансную частоту.

Твердотельные реле (SSR) также рассматриваются здесь, и в первую очередь те, которые используют SCR (кремниевые выпрямители) или TRIAC (двунаправленные SCR).Общий термин для них – тиристоры, что представляет собой сокращение, основанное на комбинации версии вакуумной лампы, называемой тиратрон + транзистор. Эти устройства предлагают исключительно быстрое переключение и бывают самых разных стилей. Поскольку они являются полупроводниками, в большинстве случаев вам необходимо установить радиатор, чтобы поддерживать рабочую температуру ниже номинального максимума. В некоторых случаях вы можете заменить EMR на SSR, но существуют правила проектирования, которые необходимо соблюдать, чтобы предотвратить сбой SSR, нагрузки или того и другого.Общие принципы описаны, но невозможно объяснить все в одной статье, и я не собираюсь даже пытаться. На эту тему написаны целые книги, так что я едва могу поцарапать поверхность.

Нижеследующее адаптировано из таблицы данных реле [8] и показывает кривые снижения номинальных характеристик как для переменного, так и для постоянного тока. Чтобы реле соответствовало ожидаемому сроку службы, ток и напряжение не должны превышать пределы, указанные красными кривыми. В случае превышения номинальных значений в контактах реле возникнет искрение, которое либо сократит срок службы, либо разрушит контакты реле.Серьезная перегрузка (например, 14 А при 56 В для схемы защиты усилителя постоянного тока) приведет к выходу реле из строя – вероятно, при первом использовании!


Рисунок 0.1 – Номинальные характеристики контактов реле

Представленный выше график, пожалуй, самый важный график, который вы когда-либо видели, когда дело касается реле, переключающего постоянный ток. Само реле особого значения не имеет, потому что обычно меняется только максимальный ток. Данные могут быть экстраполированы для реле с более высоким током, но если в техническом описании конкретно не представлен аналогичный график, показывающий более высокую коммутационную способность постоянного тока, предположим, что 30 В постоянного тока является максимально допустимым напряжением для номинального тока.Понижение номинального тока, требуемое при более высоких напряжениях, очень очевидно. При 40 В постоянного тока допустимый ток снижается до менее 2 А с абсолютным максимальным напряжением 100 В постоянного тока при 500 мА или меньше. Игнорируйте это на свой страх и риск!

Рейтинги и ограничения реле не являются предметом споров и не указывают на то, что номинальные значения могут быть превышены за счет срока службы контактов. Эти пределы следует считать абсолютным , и если контакты реле когда-либо создают устойчивую дугу, реле выходит из строя.Фотография на рис. 4.0 – прекрасный пример катастрофического отказа. Это может произойти при первом срабатывании реле при чрезмерном напряжении и токе – «второго шанса» нет.


1 – Износ механического контакта

Контакты большинства реле предназначены для небольшого скольжения при размыкании и замыкании. Этот процесс помогает поддерживать контакты в чистоте и предназначен для удаления оксидов, сульфидов и других загрязнений с поверхностей. Когда производитель реле указывает максимальное количество операций (обычно от 100 000 до 1 000 000), это может относиться только к механическому сроку службы, когда контакты «сухие» (не пропускающие ток).Иногда вы увидите две цифры: одна – это механический ресурс, а другая – срок службы при полной номинальной нагрузке.

Герконовые реле

являются исключением, поскольку они герметично закрыты для исключения внешнего загрязнения и обычно используют контактные материалы, которые не требуют протирки для поддержания проводимости. Информацию об использованных материалах см. В Части 1 этой статьи.

Поскольку контактные поверхности трутся друг о друга, всегда будет небольшой износ, а поскольку оксиды тверже основного материала, мельчайшие частицы оксида могут действовать как абразив и увеличивать контактный износ.Когда реле спроектировано для использования скользящих контактов, это учитывается при изготовлении реле, но если реле используется в зоне, где наблюдается значительная вибрация, износ может ускориться. Это реальное явление, но оно редко является причиной выхода из строя контактов, если реле не работает всухую в течение миллионов циклов. В этом случае следует использовать полупроводниковый переключатель.

Одна вещь, которую вы должны сделать, чтобы гарантировать минимальный износ контактов реле постоянного тока, – это убедиться, что пульсации напряжения на источнике постоянного тока не настолько велики, чтобы вызывать какое-либо гудение или движение якоря.Использование нефильтрованного или плохо фильтрованного источника постоянного тока вызовет механическое движение якоря и контактов, что ускорит механический износ. Напряжение пульсаций P-P обычно не должно превышать 10% от значения постоянного тока (например, пульсации размаха 1,2 В для источника питания 12 В). Лучше меньше, но обычно это не является абсолютно необходимым.


2 – Контактное плавление

Основная проблема всех электромеханических реле (ЭМИ) – контактное искрение. Однако задолго до возникновения дуги возникает небольшая проблема плавления контактов.Не весь контакт, конечно, но, возможно, всего несколько молекул. Этот эффект происходит, когда контакты замыкаются (замыкаются) и размыкаются (размыкаются). Когда мы исследуем даже самую гладкую поверхность под мощным микроскопом, совершенно очевидно, что она совсем не гладкая.

Таким образом, хотя контакты нового реле могут выглядеть идеально гладкими, при просмотре с большим увеличением вы обнаружите, что это не так. Эта общая неровность называется «неровностью», и она существует даже на поверхностях, которые кажутся зеркально гладкими.Неизбежно, что на атомном или молекулярном уровне будут высокие и низкие точки, и по мере использования реле они будут перемещаться, поскольку материал контакта плавится и переносится с одного контакта на другой. Это не опечатка или шутливый комментарий – это действительно случается. В основном это на молекулярном уровне, и это даже происходит, когда реле переключает небольшой ток. Однако реле, используемое для переключения уровней сигнала 1 В (среднеквадратичное значение) при величине миллиампера или около того, никогда не будет иметь дуги, а мощности недостаточно, чтобы что-либо расплавить.

Ток ниже 1 А может привести к плавлению достаточно малой точки контакта. Учтите, что вы можете получить предохранители с номиналом менее 50 мА, поэтому совершенно очевидно, что, если проводник достаточно тонкий, его можно заставить плавиться при удивительно низких токах. Конечно, масса самого контакта действует как радиатор, поэтому не ожидайте, что ваши контакты сразу будут уничтожены – может потребоваться более 100000 операций, прежде чем вы даже сможете увидеть какие-либо точечные пятна. Миграция и / или испарение металла на атомном или молекулярном уровне может перемещать только несколько молекул каждый раз, и если полярность является случайной (с питанием и нагрузкой переменного тока), то миграция выравнивается – любой материал, потерянный с одной полярностью, восстанавливается, когда полярность меняется.

Температура частей контактов реле в момент включения или отключения может легко достигать более 4500 ° C, как раз в критической точке, где весь ток сосредоточен в очень небольшой области общей поверхности. В том, что это произойдет, можно сказать наверняка из-за микроскопических пиков и впадин на поверхности. Неизбежно будут пики, которые образуют начальный или конечный контакт, и, поскольку они настолько малы, плотность тока чрезвычайно высока. Контактный материал расплавится и может быть буквально взорван от точки контакта из-за достигнутых очень высоких температур.Окружающий воздух перегревается, ионизируется, и именно ионы воздуха и металла в конечном итоге (ну, примерно через несколько микросекунд) создают дугу.

Описанные процессы плавления очень недолговечны и могут существовать только нано или микросекунды. Как правило, некоторая степень контактного плавления будет, даже если в вашем приложении никогда не возникает видимой дуги. При относительно низких напряжениях и токах можно ожидать, что часть контактного материала плавится каждый раз, когда контакты размыкаются или замыкаются.Это означает, что между контактами будет передаваться небольшое количество материала.

Материал Электропроводность Напряжение расплава Напряжение дуги Ток дуги
Медь 100% 0,43 13 0,43
Золото 77% 0,43 15 0.38
Никель 25% 0,65 14 0,5
Палладий 16% 0,57 15 0,5
Чистое серебро 105% 0,37 12 0,4
Вольфрам 31% 0,75 15 1,0
Таблица 2.1 – Материалы контактов, напряжение расплава, напряжение и ток дуги
Примечание: Медь является справочным материалом в приведенной выше таблице.Другие материалы показаны относительно проводимости меди.

Расплавленный контактный материал будет иметь тенденцию скапливаться на катодном (отрицательном) контакте, и часто будет происходить потеря материала из-за кипения и / или горения расплавленного контактного материала, в результате чего расплавленный материал диспергируется. Хотя эти эффекты находятся на молекулярном уровне, после десятков тысяч операций всегда будут какие-то видимые повреждения. Если контакты занижены, реле выйдет из строя преждевременно.

В таблице «напряжение плавления» относится к напряжению, которое существует между каждой из контактных поверхностей, при условии, что между ними существует молекулярный мост (например, пара высоких точек). Если напряжение на мосту превышает указанное значение, материал расплавится. Размер моста не имеет значения, но в большинстве случаев он будет микроскопически маленьким. Напряжение и ток дуги обсуждаются в следующем разделе.


3 – Контактная дуга

Если вам показалось, что кое-что из вышеперечисленного было немного пугающим, примите во внимание, что все меняется к худшему, когда ток составляет несколько ампер, и именно тогда мы должны найти способы минимизировать дугу.Электрическая дуга может достигать температуры более 19 000 ° C и ничем не отличается от процесса дуговой сварки, когда расплавленный материал транспортируется от сварочного стержня к свариваемой поверхности. Наихудший вариант – постоянный ток, потому что ток всегда в одном и том же направлении, поэтому материал обычно мигрирует от катода к аноду, унося с собой атомные или молекулярные частицы материала. При переменном токе (и при условии случайного переключения) полярность контактных электродов изменится, поэтому некоторый материал перемещается сначала в одну сторону, затем в другую.Во всех случаях, когда возникает дуга, будут некоторые потери материала из-за разбрызгивания, и не все молекулы из одного контакта собираются другим. Когда происходит перенос материала через переменный ток, испаренный металл будет стремиться мигрировать от более горячего электрода к более холодному.

Дуга может возникать при размыкании или замыкании контактов, и это во многом зависит от контактной поверхности и характера нагрузки. Если дуга будет продолжаться, контакты будут разрушены. Устойчивые дуги обычно могут возникать только при размыкании контактов, поскольку дуга автоматически гаснет, как только контакты соприкасаются друг с другом.Однако, если повреждение контактов настолько велико, что контактные поверхности соприкасаются на короткое время только в период отскока контакта, между контактами вполне может возникнуть дуга. Поначалу зазор может составлять всего несколько микрометров, но если дуга сохраняется, то полностью разрушаются контакты.

Различные металлы имеют разное напряжение и ток, которые позволяют образовать дугу, и это показано в Таблице 2.1. Если напряжение и ток ниже минимального, дуга не возникает.Однако, если напряжение или ток выше номинального значения дуги для используемого материала контактов, возникнет дуга. Иногда для удаления оксидов (или сульфидов в случае серебра) требуется небольшое количество дуги при работе с контактными материалами, но все дуги разрушительны и должны быть остановлены как можно быстрее.

Если напряжение и ток ниже значений, приведенных в Таблице 2.1, дуга обычно не возникает. Если напряжение или ток превышают пороговое значение дуги для используемого контактного материала, возникает дуга.Напряжение и / или ток не обязательно должны быть установившимися, и мгновенные переходные процессы могут вызвать дугу. Как только напряжение и ток упадут ниже заданных значений, дуга обычно гаснет при условии, что зазор между контактами достаточно велик.

Контакты реле спроектированы так, чтобы разделиться на достаточное расстояние, чтобы гарантировать, что дуга будет продолжаться до тех пор, пока ее полное сопротивление не станет достаточно высоким, чтобы ток дуги больше не поддерживался. Из-за различий между переменным и постоянным током мощность реле на 10 А при 250 В будет значительно снижена, если оно будет использоваться с постоянным током.Обычно можно увидеть реле 250 В переменного тока со сниженным до 30 В постоянного тока для его номинального тока (вы можете четко увидеть номинальные значения на реле Zettler на фотографии ниже – в центре вверху на рисунке). Если вы решите игнорировать максимальное напряжение (особенно с постоянным током), вы можете ожидать, что реле выйдет из строя. Это может произойти в самый первый раз, и отказ, вызванный серьезной дугой, будет полным и постоянным. Однако есть способы подавления дуги, и это основная цель этой второй части статей о реле.


Рисунок 3.1 – Выбор реле

Выбор реле такой же, как и в Части 1, и снова показан здесь для справки. В большинстве проведенных мною тестов использовалось восьмеричное реле по той простой причине, что крышка легко снимается. Нет смысла пытаться наблюдать дугу, если вы не видите или не снимаете крышку. В некотором смысле это «несправедливый» тест, потому что реле имеет очень надежные контакты и большое разделение, но тенденции все еще очень очевидны, и легко увидеть, имеет ли методика значение или нет.


4 – Подавление дуги

За прошедшие годы было разработано несколько различных методов гашения контактной дуги, или, в некоторых случаях, возможно вообще предотвратить возникновение дуги. Последнее – идеальный случай, и хорошо спроектированная схема демпфирования может быть удивительно эффективной. Эти методы в равной степени применимы к переключателям, поскольку они также имеют контакты и часто работают при напряжениях, превышающих их номинальные значения. Большие и прочные тумблеры могут справиться со значительным количеством злоупотреблений, как и реле такого же размера.Идея здесь состоит в том, чтобы сделать все возможное, чтобы предотвратить злоупотребления и разрешить использование меньшего и более дешевого реле (или переключателя). В качестве альтернативы, если оставить переключатель или реле в том же состоянии, мы можем ожидать, что они прослужат в течение всего срока службы оборудования.

Используемые методы зависят от нагрузки и питания. Некоторые методы гашения дуги применимы только к постоянному току, а другие могут использоваться с переменным или постоянным током. Переменный ток всегда проще, потому что ток проходит через ноль 100 или 120 раз в секунду в зависимости от частоты сети.Более высокие частоты (например, 400 Гц, обычно используемые в электрических системах самолетов) могут создавать дополнительные проблемы, но большинство деталей самолетов являются специальными предметами и здесь не рассматриваются.

Подавление дуги часто требуется для уменьшения радиопомех, особенно если оборудование будет использоваться где-то рядом с AM-радио или в местах, где недопустимы электромагнитные помехи, потому что это вызовет неисправность другого оборудования. Первые использованные радиопередатчики были основаны на искровом разряднике – причудливом названии контактов, поддерживающих дугу.Создаваемый радиочастотный шум является широкополосным и может распространяться на удивительное расстояние. Ранние радиопередачи (или беспроводные, как это было известно в то время) через Атлантический океан использовали передатчики с искровым разрядником.

При замыкании контактов часто возникает небольшая дуга. Такое, казалось бы, странное поведение обычно является результатом отскока контакта. Контакты реле и переключателя почти никогда не достигают идеального контакта при работе, даже если это кажется невооруженным глазом. Осциллограф четко покажет, что контакты замыкаются, размыкаются и снова замыкаются несколько раз при срабатывании реле или переключателя.Контакты и поддерживающие рычаги обладают массой и упругостью, и когда две контактные поверхности сводятся вместе, они отскакивают несколько раз, прежде чем сойтись, и контакты будут касаться друг друга должным образом. Когда (а не если) это происходит, дуга возникает каждый раз, когда контакты разъединяются, и, поскольку соответствующие расстояния обычно очень малы, дугу легко поддерживать в течение нескольких микросекунд, когда контакты разъединяются.

Чтобы вы не подумали, что я преувеличиваю и что это не может быть так плохо, как я утверждаю, обратите внимание на следующую фотографию.На фото вы видите все, что осталось от верхнего контакта после длительной дуги. Показанное реле представляет собой промышленный тип для тяжелых условий эксплуатации, и внутренне оно почти идентично тому, которое я использовал для некоторых испытаний (но не до разрушения).


Рисунок 4.0 – Результат длительной дуги

Иногда самый простой способ получить более широкое расстояние между контактами и снизить вероятность возникновения дуги – это использовать последовательно два или более комплектов контактов. Увеличивая эффективный общий зазор между контактами, вы получаете гораздо большее номинальное напряжение, не влияя на ток.Даже в этом случае вам нужно использовать методы, предотвращающие образование дуги – увидеть реле с непрерывной дугой на 5 А или более – страшная вещь, и вы сразу поймете, что если она не остановится быстро , у вас будет ex-relay на вашем рабочем месте. Если это произойдет, контактные рычаги могут нагреться до такой высокой температуры, что они потеряют свою эластичность («пружину») и не будут обеспечивать надлежащее контактное давление. Это займет всего пару секунд!


4.1 – Магнитные цепи гашения дуги

Использование магнита для «отвода» дуги от контактов может работать очень хорошо, но это не распространенная схема.Магнит должен располагаться очень близко к контактам и / или быть очень мощным. Доступны неодимовые магниты, которые отлично справятся с задачей, но полярность магнита и , полярность дуги определяют эффективность. Это то, что требует тестирования методом проб и ошибок, и, конечно же, важно, чтобы вы могли видеть дугу и определять, действует ли магнитное поле.

Магнит должен находиться точно в правильном положении для используемого реле, и он не должен поляризовать магнитную цепь реле, так как это может легко помешать срабатыванию и отключению реле, как ожидалось.Поскольку все зависит от конструкции реле, магнитной силы и положения магнита, здесь мы не приводим никаких подробностей. Поскольку это настолько необычно, большинство людей никогда не видели, чтобы это было сделано, и дальнейшее обсуждение бесполезно. Не стесняйтесь экспериментировать, но помните о подводных камнях.

Еще есть (немаловажная) проблема крепления магнита на корпусе реле. Магнит должен быть надежно закреплен, чтобы он не мог сдвинуться с места или упасть, и в точное положение определяется путем тестирования.Это нетривиально, потому что корпуса реле не всегда изготавливаются из материалов, благоприятных для приклеивания, а на неодимовых магнитах есть внешнее покрытие, которое со временем может ухудшиться. Если магнит упадет, у вас будет незакрепленный магнит внутри вашего оборудования и – реле защиты, которое не сработает. Я полагаю, что немногие читатели сочтут любой вариант желательным.

Существуют коммерческие реле гашения дуги (с постоянными магнитами), в первую очередь для рынка электромобилей. Полярность имеет решающее значение для правильной работы, поэтому использование магнита для схемы защиты динамика непредсказуемо, поскольку неисправность может быть положительной или отрицательной по постоянному току, а полярность и положение магнита нельзя оптимизировать для обоих.Также существуют электромагнитные реле гашения дуги, которые используют ток короткого замыкания для создания магнитного поля, которое соответствует полярности тока короткого замыкания. Это в первую очередь промышленные продукты, которые не подходят для большинства любительских приложений.


4.2 – Демпферные цепи ПДУ

Простым, эффективным и очень распространенным методом является использование резистора и конденсатора последовательно между контактами. Такое расположение обычно называют «демпфирующей» схемой, и они широко используются во всевозможных конструкциях.Конденсатор поглощает часть энергии, которая в противном случае рассеивалась бы в дуге, и если мы уменьшим доступную энергию, мы можем ожидать, что дуга гаснет быстрее, чем это было бы без демпферной цепи. Обратите внимание, что добавление демпфера, как показано, просто уменьшает дугу и предполагает, что реле используется при токе, не превышающем его номинальный ток. Добавление демпфера помогает минимизировать EMI (электромагнитные помехи), создаваемые дугой, но не означает , что пределы реле могут быть превышены!


Рисунок 4.1 – Базовая схема демпфера

Есть некоторые «практические правила», которые применяются к демпферам, используемым через контакты, и они дают дизайнеру хорошее место для начала. Следующие элементы попадают в эту категорию – это не единственный диапазон значений, который можно использовать, но вы должны с чего-то начинать …

R1 – от 0,5 до 1 Ом на контактное напряжение
C1 – от 500 нФ до 1 мкФ на контактный усилитель

Например, если вы хотите переключить 48 В постоянного тока на 10 А, R1 может быть 24 Ом, а C1 – около 20 мкФ.Если переключается переменный ток, последовательное сопротивление R1 + C1 должно быть большим по сравнению с сопротивлением нагрузки, иначе ток будет подаваться на нагрузку даже при разомкнутых контактах. Поскольку переменный ток менее проблематичен, чем постоянный, значение емкости можно значительно уменьшить, и я бы предположил, что для C1 потребуется самое большее около 1 мкФ. Это ограничивает ток примерно до 15 мА, когда контакты разомкнуты при питании 48 В 50 Гц. Это только пример, и ваша нагрузка должна быть тщательно протестирована, чтобы убедиться, что остаточный ток не создает больше проблем.

Хотя это может показаться маловероятным, этот базовый демпфер на удивление эффективен. Я тестировал нагрузку 40 В постоянного тока при 4 А, используя резистор 10 Ом и конденсатор 1 мкФ, и единственное свидетельство дуги возникло, когда контакты замыкались, . Это произошло из-за дребезга контакта. Без демпфера при размыкании контактов возникла очень заметная дуга, как и ожидалось. В случае, если вам интересно, резистор предназначен для поддержания тока на управляемом уровне при замыкании контактов, и его нельзя игнорировать – даже если действие гашения дуги намного лучше при отсутствии сопротивления.

Пока контакты разомкнуты, С1 заряжается до полного напряжения питания. Конденсатор обычно представляет собой металлизированный пленочный тип с очень низким ESR . Когда контакт замыкается, крышка закорачивается, и пиковый ток может быть чрезвычайно высоким. Это может привести к серьезной эрозии контактов из-за плавления, как обсуждалось выше, и в худшем случае контакты свариваются. Это в любом случае имеет тенденцию происходить, и обычно возвратная пружина достаточно сильна, чтобы разорвать сварной шов, когда реле обесточено.Если ток достаточно высок, в какой-то момент в будущем сварной шов станет постоянным или произойдет такая сильная эрозия контактов, что реле выйдет из строя.

R1 в показанной цепи ограничивает пиковый ток до 2 А, но его можно дополнительно уменьшить, чтобы улучшить гашение дуги при размыкании контактов. Когда контакты впервые размыкаются, в идеале использовать только конденсатор, так как он будет поддерживать напряжение на контактах ниже напряжения дуги в течение нескольких микросекунд, необходимых для того, чтобы зазор стал достаточно широким, чтобы предотвратить возникновение дуги.Как уже говорилось, это создаст очень высокий пиковый ток при замыкании контактов, поэтому я предлагаю использовать следующую схему. Обратите внимание, что с DC можно использовать только только .


Рисунок 4.2 – Улучшенный демпферный контур

Добавление D1 означает, что конденсатор находится почти прямо напротив контактов, поэтому может поглощать почти полную энергию, которая в противном случае могла бы вызвать дугу. D1 должен иметь номинальный импульсный ток 1 мс, который равен как минимум , что и ток нагрузки, но желательно намного больше.Контактный ток при замыкании контактов ограничен R1 (и, конечно, нагрузкой), поэтому R1 может иметь гораздо большее значение, чем без диода. Для обычных приложений оно должно быть примерно в 10 раз больше, чем вы использовали бы без диода, поэтому около 240 Ом вполне нормально. Усовершенствованная версия должна быть способна почти полностью предотвратить искрение, если конденсатор имеет соответствующий размер. Большая емкость означает лучшую способность гашения дуги, но пиковый ток диода увеличивается, поэтому может потребоваться диод большего размера.

Эта схема особенно хорошо подходит для использования через резервный переключатель постоянного тока, который используется во многих гитарных усилителях. Они часто вообще не имеют схемы защиты, и единственная причина, по которой устойчивая дуга не возникает при размыкании переключателя, заключается в том, что ток сравнительно низкий, обычно менее 100 мА. Добавление схемы на рис. 4.2 полностью устранит дугу, если колпачок имеет правильный размер, и он должен быть рассчитан не менее чем на 1 кВ для большинства ламповых усилителей.

В любой схеме выбор конденсатора имеет решающее значение.Используемый колпачок должен выдерживать пиковый ток и, естественно, требует номинального напряжения, намного превышающего напряжение источника. Сетевые конденсаторы X-класса – хороший выбор для большинства приложений, поскольку они имеют высокое номинальное напряжение и предназначены для защиты от скачков напряжения и шума, которые обычно возникают в сети. В любом случае, конденсатор, который вы используете, должен выдерживать высокий импульсный ток, и это необходимо проверить по техническим характеристикам. Если вы воспользуетесь какой-либо старой крышкой, которая попадется под руку, вы, вероятно, столкнетесь с горьким разочарованием, когда крышка в конечном итоге выйдет из строя и контакты реле сгорят или крышка закорочена.То же самое, если вы экономите на диоде.

Демпферная цепь («традиционная» или «улучшенная») должна располагаться как можно ближе к контактам реле. Длинные выводы означают индуктивность, и это может частично свести на нет преимущества схемы. В идеале общая длина выводов не должна превышать ~ 25 мм, чтобы паразитная индуктивность оставалась низкой.

Ранее я упоминал, что большинство тестов проводилось с использованием восьмеричного реле, показанного на рисунке 3.1. Примечательно, что при токе 5 А постоянного тока и напряжении без нагрузки 80 В даже это реле могло поддерживать дугу на контактах при полном размыкании.Реле имеет расстояние между контактами около 0,8 мм, и хотя это не кажется большим, оно значительно больше, чем у большинства реле меньшего размера, используемых в проектах электроники. Другой, который я измерил, имеет контактный зазор всего 0,3 мм. Используя усиленный демпфер, дуга была незначительной при размыкании контактов – большую часть времени дуги не было вообще, но иногда была видна небольшая вспышка. Я использовал только конденсатор 1 мкФ для начальных испытаний, и увеличение его до 5 мкФ почти полностью устранило дугу.Последовательно включив контакты (см. Раздел «Последовательные контакты» ниже), можно было переключать 5А при напряжении без нагрузки 80 В без демпфера! Ну, пока не решилось развить непрерывную дугу при незначительном повышении напряжения!

Если ожидается, что реле будет обрабатывать это напряжение и ток в реальной цепи, я бы использовал емкость не менее 10 мкФ и сильноточный диод (не менее 3 А). Даже тогда, прежде чем решить, что он выполнит свою работу, я настаивал на тестировании схемы как минимум на 10 000 операций и использовал регистратор данных для записи каждого обрыва, чтобы убедиться, что дуги не было вообще для всех 10 000 операций.Без этого теста я бы не стал использовать его без присмотра, и, конечно, не стал бы предлагать его в качестве проекта или использовать в коммерческом дизайне, пока не был бы абсолютно уверен, что он подходит для поставленной задачи.

В некоторых случаях демпфер устанавливается параллельно с нагрузкой. Конденсатор в этом случае выполняет почти ту же функцию, поскольку он поддерживает напряжение нагрузки, так что, когда контакты размыкаются, напряжение на них на мгновение составляет всего несколько вольт. Выбор конденсатора и резистора такой же, как и раньше, и резистор по-прежнему используется для ограничения пикового тока в конденсаторе при замыкании контактов.Без резистора ток ограничен только импедансом цепи и ESR конденсатора, поэтому будет протекать очень высокий пиковый ток.

Демпферы

могут использоваться с резистивными или индуктивными нагрузками, а стандартная версия работает с переменным и постоянным током. Однако ни в коем случае не следует предполагать, что все будет хорошо только потому, что вы выполнили приведенные здесь или в другом месте расчеты. Каждый случай должен быть тщательно протестирован, потому что требуется только один случай, когда дуга решает стать непрерывной и реле выходит из строя, а также, вполне возможно, другие схемы.С переменным током часто можно обойтись практически всем, но любое применение постоянного тока создает особые проблемы и требует не менее особого внимания.

Если это вообще возможно, следует переключить источник переменного тока на постоянный. Если постоянный ток получается от мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора, переключение переменного тока на выпрямитель предпочтительнее переключения постоянного тока, но, конечно, это не всегда удобно или применимо. Многое можно получить, используя реле MOSFET или дискретный переключатель MOSFET для постоянного тока, но все же требуется большая осторожность, чтобы пиковый ток находился в пределах номинальных значений MOSFET.Кроме того, остерегайтесь режима отказа MOSFET, который очень близок ко второму пробою биполярных транзисторов.


4.3 – Цепи подавления диодов

Когда у вас есть источник постоянного тока и нагрузка является индуктивной, даже кажущиеся неопасными напряжения и токи могут вызвать серьезное искрение. Так же, как катушки реле имеют обратную ЭДС, то же самое происходит и с другими индуктивными нагрузками. К ним относятся другие (обычно более крупные) реле, двигатели, соленоиды всех типов, магнитные муфты и т. Д. Добавление диода параллельно нагрузке устранит противо-ЭДС, как это происходит с катушкой реле, и снова увеличит расцепление. время подключенного реле, соленоида или сцепления.Проблема в этом или нет, зависит от приложения.

Использование диода параллельно нагрузке не означает, что больше ничего делать не нужно, особенно если нагрузка потребляет большой ток или для работы требуется высокое напряжение. Дополнительный диод только подавляет обратную ЭДС нагрузки, но не защищает контакты от дуги постоянного тока. В таких случаях вам, вероятно, потребуется использовать демпферные диоды и , как показано на рис. 4.3.

.


Рисунок 4.3 – Улучшенная цепь демпфера и индуктивная нагрузка

Хотя вы можете подумать, что вышеизложенное является излишним, что-то подобное часто может потребоваться, если нагрузка работает от высокого напряжения.Любое постоянное напряжение выше 30 В или около того означает, что потребуются специализированные реле, но даже реле, рассчитанное на 30 В постоянного тока, может работать при более высоких напряжениях, если будут приняты надлежащие меры предосторожности. Данные производителя обычно предполагают, что вы будете использовать реле «в том виде, в каком оно было куплено», без каких-либо корректирующих мер. Если вы будете осторожны, проведете тесты и примените правильную схему гашения дуги, вы сможете увеличить номинальное напряжение. Насколько сильно зависит от самого реле, и у одних будет встроенный запас прочности, у других – нет.Вы никогда не узнаете, пока он не будет протестирован, а в некоторых случаях это будет означать очень тщательно разработанный тест, который наказывает контакты вплоть до отказа.

Хорошо, средний любитель не собирается разрабатывать испытательный стенд и проводить тесты на этом уровне, но если бы вы занимались производством аэрокосмической продукции, выбора не было бы. Главное здесь то, что тестирование необходимо, по крайней мере, на базовом уровне. То, что кажется, что оно должно работать нормально, может или не может работать так, как ожидалось, в реальных условиях жизни.


4.4 – Ограничители переходных напряжений

Для нагрузок переменного тока и некоторых нагрузок постоянного тока, где использование диода замедлит время срабатывания электромагнитного клапана или другого привода, можно использовать TVS или MOV . Это ограничит переходный процесс до предустановленного максимума, и, хотя они будут задерживать время восстановления, задержку можно уменьшить до точки, где, мы надеемся, это не проблема. TVS-диоды доступны в широком диапазоне напряжений и бывают двух видов – однонаправленные и двунаправленные.Они похожи на стабилитроны, но способны выдавать гораздо более высокий мгновенный пиковый ток – типичный 30-вольтовый TVS может выдерживать более 500 А, мгновенную мощность 15 кВт или более. Продолжительность пикового тока, конечно, должна быть очень короткой при максимальных номинальных значениях и обычно составляет менее 1 мс.

При использовании любого TVS нужно также быть осторожным с емкостью перехода. Для устройств с низким напряжением это может быть более 5 нФ, а емкость и индуктивность нагрузки образуют параллельную настроенную цепь.Опять же, это зависит от приложения, вызовет ли это проблему или нет. Приложения переменного тока должны использовать двунаправленный TVS-диод, а однонаправленные устройства подходят для использования с цепями постоянного тока.

MOV

– это еще один способ минимизировать переходные процессы высокого напряжения, но их напряжение пробоя не определено должным образом, поэтому в вашей схеме необходимо использовать контакты с достаточным зазором, чтобы гарантировать, что напряжение пробоя наихудшего случая все еще находится в установленных пределах.


Рисунок 4.4 – Использование TVS или MOV с индуктивной нагрузкой

Вы можете использовать один или другой – TVS или MOV, в зависимости от схемы, вероятных переходных процессов напряжения и характера самой нагрузки.Для приложений постоянного тока можно использовать однонаправленный TVS-диод, но не в том случае, если он вызовет проблемы с нагрузкой. Чаще всего это замедленная реакция из-за тока, генерируемого противо-ЭДС.


4.5 – Контакты серии

Самый простой способ получить более высокое напряжение от реле – это использовать два набора контактов последовательно. На номинальный ток не влияет, но эффективный зазор открытого контакта удваивается, поэтому отключение дуги становится менее сложной задачей. Однако в данном случае термин «высокое напряжение» означает не киловольты, а напряжение переменного тока ниже 500 В или напряжение постоянного тока ниже 100 В или около того.Другое дело – настоящие высоковольтные реле, которые могут иметь контакты в вакууме или в инертном газе под давлением.

Возможно использование обычных реле при напряжении выше их расчетного, просто путем последовательного соединения контактов. Вы должны быть уверены в том, что диэлектрическая прочность изоляции контактов соответствует поставленной задаче (в этом могут помочь таблицы данных), и в целом вы можете ожидать небольшой или нулевой помощи от производителей реле, потому что вы используете продукт таким образом, чтобы не было предназначено.Пример такого расположения показан ниже.


Рисунок 4.5 – Последовательные контакты, демпфирующая цепь и индуктивная нагрузка

Расположение контактов не обязательно должно быть точно таким, как показано выше, и в некоторых случаях будет зависеть от выводов контактов реле и компоновки печатной платы. Тем не менее, конечный результат должен быть проверен, потому что могут быть зазоры между базовыми выводами реле или печатными платами, которые не способны выдерживать полное напряжение без пробоя.

Используя эту схему, обычное двухполюсное реле, рассчитанное на 30 В при 10 А постоянного тока, теперь может использоваться с источником 60 В постоянного тока.Схема демпфера по-прежнему является очень хорошей идеей, и ее не следует упускать. При использовании с переменным током теоретически он может переключать 500 В, но изоляция и / или расстояние между выводами могут быть недостаточно хорошими для этого. Максимальное напряжение, указанное в таблице данных, действительно является максимальным и никогда не должно превышаться.


Рисунок 4.6 – Максимальная отключающая способность нагрузки постоянного тока

Приведенный выше график был взят из таблицы данных монтажного реле на печатной плате Schrack RT2. Он довольно четко показывает, что при максимальном номинальном токе 8 А напряжение постоянного тока не должно превышать 32 В для одной пары контактов или 64 В для двух последовательно соединенных наборов контактов.По мере уменьшения тока нагрузки вы можете подавать большее напряжение, но абсолютное максимальное напряжение постоянного тока ограничено до 300 В из-за зазора между базовыми выводами реле (только 2,5 мм между центрами выводов для контактных выводов). Как отмечено на самом графике, эти напряжения относятся к резистивной нагрузке. Это не указано, поэтому предположим, что указанные напряжения и токи применимы, когда нет демпфирующей цепи, параллельной контактам. Однако даже для с демпфером лучше не превышать напряжения и токи, рекомендованные производителем.


5 – Изменение полярности

Никогда не используйте пару контактов DPDT на одном реле для изменения полярности двигателя или другой нагрузки. Это может быть экономично, но катастрофа ждет своего часа. В большинстве реле зазоры между контактами малы, и подача полного напряжения на нормально разомкнутые и нормально замкнутые контакты вызывает проблемы. Если возникнет дуга, она будет подключена непосредственно к источнику питания и будет иметь очень низкое последовательное сопротивление (как показано на рисунке 5.1). На диаграмме ниже показаны правильные и неправильные способы сделать это.

В большинстве случаев применения двигателей вам необходимо иметь возможность выключить двигатель в любом случае, поэтому использование двух реле не является серьезным недостатком. Другая проблема с использованием одного реле заключается в том, что его можно переключать с прямого на обратное без промежуточного периода остановки, поэтому двигатель будет потреблять очень высокий ток и может быть поврежден. Схема обозначена как «НЕ делайте этого!» положительно опасен для источника питания, двигателя и реле.


Рисунок 5.1 – Использование реле для изменения полярности

В обоих случаях реле показаны обесточенными.Для правильного переключения двигателя используйте два реле («Сделай это вместо» на рисунке). Схема не слишком отличается от транзисторного «H-моста», и, как и в случае с транзисторной версией, вы должны убедиться, что оба реле никогда не могут работать одновременно с , так как это приведет к короткому замыканию источника питания. Если вы используете реле с тремя наборами контактов, можно разработать блокировку, которая предотвратит одновременное включение обоих реле. Схема блокировки также может быть реализована электронным способом в схеме, которая управляет катушками реле.

Я показал оба реле как DPDT (2-Form-C), но вы можете использовать 2-Form-A (двухполюсные, только нормально разомкнутые контакты), и вам нужно только учитывать общие принципы гашения дуги. . На контактах с низким напряжением всегда будет только незначительное искрение, но для более высоких напряжений вам потребуется использовать демпферы для гашения дуги. Во второй цепи есть два набора контактов, соединенных последовательно, поэтому реле на 30 В постоянного тока могут выдерживать 60 В постоянного тока.

При срабатывании реле 1 положительное питание подключается к левой стороне двигателя, а отрицательное – к правой.Реле 2 меняет полярность. Когда оба реле находятся в состоянии покоя (обесточены), двигатель обесточен. Конечно, это не единственный способ сделать это, но общие принципы останутся прежними.


Рисунок 5.2 – Альтернативное использование реле для изменения полярности (с оговорками!)

Иногда требуется, чтобы двигатель остановился как можно быстрее. Самый простой способ добиться этого – закоротить двигатель, когда он выключен. На рис. 5.2 показано, как это можно сделать.Когда оба реле обесточены или находятся под напряжением, двигатель закорочен либо на положительное, либо на отрицательное напряжение. Это снимает любые ограничения на одновременное включение обоих реле, но в то же время двигатель всегда закорачивает , когда он не работает. Для некоторых приложений это хорошо, но не всегда.

Когда оба реле обесточены, обмотки двигателя подключены к + ve. Если срабатывает реле 1, ток течет через нормально замкнутые контакты реле 2, через двигатель, а затем на GND (отрицательное питание) через нормально разомкнутые контакты реле 1.Процесс обратный, когда реле 2 находится под напряжением.

Выберите метод, обеспечивающий необходимую вам функциональность, с замыканием двигателя или без него, когда он не используется. Имейте в виду, что закорачивание работающего двигателя может вызвать серьезное механическое напряжение, и это не всегда лучший вариант. Вам нужно будет проверить свой двигатель, чтобы убедиться, что напряжение короткого замыкания на максимальной скорости не создает проблем.

Вы должны быть абсолютно уверены, что дуга, возникающая из размыкающихся контактов под нагрузкой, не может поддерживаться.Если это произойдет, реле и источник питания выйдут из строя, будет много дыма, и после того, как постоянный ток проявит самое худшее, не останется много дыма. Это хороший и простой способ реверсировать двигатель, но он несет в себе опасность, которую вы должны понимать. Выбор реле – критическое , если вы используете этот метод.


6 – Пусковой ток

Многие нагрузки показывают значительный пусковой ток, что создает значительную нагрузку на контакты при их замыкании. Некоторые примеры перечислены ниже, но существует множество вариантов.Вольфрамовые лампы постепенно выводятся из употребления во всем мире, но они по-прежнему будут использоваться во многих промышленных процессах и никогда не исчезнут полностью. Тороидальные трансформаторы намного хуже, чем трансформаторы с пластинами E-I, и некоторые электронные нагрузки включают в себя активные ограничители пускового тока, но большинство из них не имеют. Паразитная емкость на длинных участках проводки может показаться маловероятным источником пускового тока, но это может быть реальной проблемой, особенно с учетом очень низкого импеданса. Я предлагаю вам прочитать статью «Снижение бросков тока» для получения дополнительной информации.

Примеры нагрузок, которые вызывают значительные переходные процессы пускового тока при замыкании контактов, следующие …

1 – Вольфрамовые лампы, у которых сопротивление холоду составляет от 7% до 10% от их нормального рабочего сопротивления
2 – Трансформаторы и пускорегулирующие устройства, у которых пусковой ток может в 5-20 раз превышать нормальный рабочий ток
3 – Электронные нагрузки, обычно источники питания для приборов, компьютеры, освещение и т. д.
4 – Большие соленоиды переменного тока и большинство двигателей
5 – Конденсаторы, подключенные к контактам или емкостным нагрузкам без (или недостаточного) сопротивления последовательного ограничения тока
6 – Паразитная емкость в длинных кабельных трассах

У любителей или даже промышленных дизайнеров мало вариантов выбора – используйте реле с прочными контактами и контакты с хорошей теплопроводностью и электропроводностью, а также ингибиторы сварки.Обычно это означает сплав серебро + оксид кадмия для контактов или, возможно, оксид серебра и олова. Для большинства функций переключения мощности широко используются реле на 10 А, 250 В переменного тока и по очень разумной цене, и особенно для любительских применений, немногим схемам нужно больше. Например, было бы глупо сэкономить несколько центов на реле 5А для цепи 4А. Промышленные системы, конечно, очень разные, особенно потому, что некоторое оборудование может подвергать реле мучительным циклам включения / выключения.

Для больших тороидальных трансформаторов (мощностью более 300 ВА) рекомендуется схема «плавного пуска», такая как Project 39.Здесь используются реле, рекомендуемые типы реле – 10 А, 250 В. Они были выбраны, потому что я знаю, что они воспримут насилие, они легко доступны и недороги. Как правило, устройство плавного пуска настоятельно рекомендуется для использования с трансформаторами, и, если возможно, пиковый пусковой ток не должен быть больше максимального номинального тока реле. Это обеспечивает долгий срок службы контактов при нормальном использовании.

Ограничитель броска тока также может использоваться с лампами с вольфрамовой нитью накаливания, и это не только снижает очень сильные выбросы тока, но и продлевает срок службы ламп, так как уменьшаются термические и магнитные удары.Лампы также могут быть полезны, если они управляются твердотельным реле с переключением при переходе через ноль. Это не так хорошо, как правильно спроектированный ограничитель броска тока, но он действительно значительно снижает пусковой ток для ламп малой мощности. Нити накаливания очень мощных ламп обладают значительной тепловой инерцией, поэтому переключение при нулевом напряжении может быть не таким успешным.

Пусковые «события» не ограничиваются индуктивными нагрузками, вольфрамовой нитью накала или электронными нагрузками. Многие установленные системы люминесцентного освещения имеют конденсаторы коррекции коэффициента мощности (PFC), подключенные параллельно к каждому светильнику, и они представляют собой почти полное короткое замыкание в момент включения.Начальный импульсный ток может быть удивительно высоким и ограничен только импедансом проводки. Эти схемы вызывают большую нагрузку на любой переключатель или реле, которое используется для управления ими, но есть несколько доступных коммерческих устройств плавного пуска. Это становится чрезвычайно сложной проблемой для больших инсталляций, и, хотя это очень интересно, невозможно попытаться охватить ее здесь. Конденсаторы PFC также используются с двигателями и другими индуктивными нагрузками, и там они тоже вызывают проблемы.


7 – Индуктивные нагрузки

Большинство индуктивных нагрузок имеют стальной сердечник, и высокий пусковой ток вызван насыщением сердечника при подаче питания. Это относится ко всем индуктивным нагрузкам с питанием от переменного тока – постоянный ток отличается и будет рассмотрен отдельно. Очень немногие индуктивные нагрузки переменного тока могут вообще не использовать железный сердечник, поэтому насыщение не является проблемой. Однако я не могу придумать ничего подобного, так что нет особого смысла обсуждать то, что вряд ли можно найти в каком-либо реальном приложении.

Хотя это может показаться неправдой, оптимальная часть формы волны переменного тока для переключения любой индуктивной нагрузки находится на пике формы волны переменного тока. Можно было бы подумать, что нулевое напряжение было бы идеальным, но было бы очень неправильно. Это просто из-за того, как работает индуктор. При наличии начального высокого напряжения ток не может увеличиваться мгновенно, а увеличивается со скоростью, определяемой индуктивностью и сопротивлением / импедансом цепи. Если у нас есть сопротивление цепи 10 Ом и мы подаем 325 В постоянного тока на катушку индуктивности 10H, начальный ток равен нулю, а через 10 мс ток возрастет только до 313 мА.Пройдет более 2,5 секунд, прежде чем ток повысится до 30 А, а максимальный ток ограничен сопротивлением. Однако это предполагает, что катушка индуктивности не насыщается, а их очень мало.

Трансформатор или другая индуктивная нагрузка переменного тока может иметь индуктивность 10 Гн, а ток намагничивания в установившемся режиме обычно будет меньше 50 мА – часто намного меньше (особенно для тороидальных трансформаторов). Прежде чем продолжить это обсуждение, я настоятельно рекомендую вам прочитать статью «Снижение пускового тока».В эту статью включены осциллограммы и другой материал, который полностью объясняет это явление и способы борьбы с ним.

Если сеть на любую индуктивную нагрузку переключается на пике формы сигнала переменного тока, пусковой ток ограничивается до сравнительно безопасного значения. Это может быть объединено со схемой плавного пуска, использующей резисторы или термисторы, в сочетании с реле, чтобы закоротить их после завершения события броска тока. Во многих конструкциях, использующих термисторы, эта часть отсутствует, поэтому после кратковременного отключения электроэнергии пиковый ток ограничивается только сопротивлением проводки и цепи, поскольку термисторы все еще горячие и имеют минимальное сопротивление.Это может создать хаос, например, сработавшие автоматические выключатели, что приведет к возникновению потенциально опасной ситуации.

Хотя переключение на пике формы сигнала переменного тока очень желательно для минимизации пускового тока, оно также создает очень быстрый импульс нарастания в сети, который может создавать проблемы с другим оборудованием. Также очень сложно добиться какой-либо точности с помощью ЭМИ, потому что у каждого типа будет разное время втягивания, оно меняется с возрастом и даже может зависеть от температуры.Как только ЭМИ синхронизируются с сетью, мы также получаем проблему однонаправленного переноса материала контактов – точно так же, как мы это делаем с постоянным током. Если это будет предпринято, микроконтроллер необходимо запрограммировать, чтобы обеспечить возможность переключения полярности сети, чтобы реле работало в течение 50% времени с положительными полупериодами и 50% времени с отрицательными полупериодами. циклы. Почему микроконтроллер? Чрезвычайно сложно даже попытаться синхронизировать переключение, используя что-либо еще.


Рисунок 7.1 – Гибридное электромеханическое и твердотельное реле

Единственный разумный способ попробовать любую форму переключения, синхронизированную с формой сигнала сети, – это использовать твердотельное реле (SSR). Несмотря на их потенциальные проблемы (особенно с электронными нагрузками), они могут срабатывать очень точно в нужное вам время, а для сложных нагрузок вы можете просто включить электромеханическое реле параллельно. Это не так глупо, как может показаться сначала. SSR обеспечивает точное управление точкой переключения формы сигнала переменного тока, и ему нужно быть в цепи всего пару миллисекунд.

Общая идея показана выше. Для срабатывания схемы оба входа будут иметь высокий уровень вместе. SSR сработает немедленно, и через несколько миллисекунд контакты замкнутся. Для выключения сначала отключается ЭМИ, и должно пройти достаточно времени, чтобы контакты были полностью разомкнуты. Затем привод к SSR можно снять, и он выключится сам по себе, когда ток пройдет через ноль. Вы можете спросить, зачем был включен демпфер. Возможно, вам это не понадобится, но если между реле и нагрузкой имеется значительная линейная индуктивность, существует вероятность того, что индуктивный «толчок» (противо-ЭДС) может повторно запустить SSR.Демпфер замедляет быстрые импульсы нарастания и предотвращает перенапряжение из-за обратной ЭДС от нагрузки или проводки.

Даже если он используется для больших токовых нагрузок, SSR должен работать в холодном режиме, потому что он должен обрабатывать только половину цикла переменного тока. Тепловой инерции корпуса будет достаточно для предотвращения перегрева при достаточно низком рабочем цикле переключения. Для быстрого переключения SSR может потребоваться радиатор, но он будет намного меньше, чем в случае без реле.

Когда EMR вступает во владение, устраняются многие и «интересные» проблемы, которые могут возникнуть с SSR и электронной нагрузкой.Когда нагрузка выключена, EMR всегда должен отключаться первым, чтобы ток нагрузки прерывался SSR. 20 мс (16,66 мс для 60 Гц) – достаточно времени, чтобы это происходило плавно и чисто – каждый раз. Я построил прибор для проверки пускового тока, в котором есть именно это – SSR используется для замыкания и размыкания цепи, а электромеханическое реле передает ток после срабатывания.

Индуктивные нагрузки имеют не только проблемы с пусковым током, но и при разрыве цепи, когда нагрузка потребляет ток, также возникают проблемы с обратной ЭДС, которые обсуждались ранее.Решение с параллельным реле + SSR также имеет дело с этим, потому что SSR всегда прекращает проводить, когда ток проходит через ноль. SSR не имеет дуги, и хотя нормальное реле имеет полное напряжение на своих контактах, дуги не будет, потому что они полностью разомкнуты к тому времени, когда SSR размыкает цепь.

Преимущества гибридного решения не были проигнорированы, и они используются в промышленных приложениях. Некоторые производители создают гибридные комбинации SSR / EMR со встроенной необходимой логикой.Одно из основных преимуществ – это рассеивание самого SSR, которое будет составлять около 1 Вт на каждый ампер тока нагрузки. По сравнению с этим обычное реле имеет чрезвычайно низкие потери, поэтому это позволяет изготавливать реле очень высокой мощности без необходимости в радиаторе и без эрозии контактов, которая сопровождает все ЭМИ, коммутирующие значительный ток и напряжение.

Очень важно понимать, что SSR, использующие TRIAC или SCR , не могут использоваться с DC. Оба этих устройства требуют, чтобы ток упал до нуля, прежде чем они отключатся, а с постоянным током этого не происходит.Существует устройство, называемое тиристором «выключения затвора» (тиристор GTO-SCR или GTO), но его обычно довольно сложно использовать, и он в основном используется в крупных промышленных контроллерах. Они обычно используются в инверторах большой мощности и приводах двигателей с регулируемой скоростью и здесь не рассматриваются, поскольку не используются в качестве заменителей реле.

Также важно отметить, что SSR не обеспечивают полную изоляцию цепи, которую вы получаете с EMR. Всегда будет некоторый ток утечки, потому что тиристоры являются полупроводниковыми устройствами и не имеют бесконечного импеданса в выключенном состоянии.Демпферная цепь (если используется) усугубляет утечку, потому что конденсатор пропускает переменный ток, пропорциональный его величине. При применении необходимо учитывать ток утечки, так как он может вызвать сбои в работе некоторых нагрузок.

Индуктивные нагрузки

постоянного тока включают катушки реле, электромагнитные клапаны, магнитные муфты или тормоза, а также двигатели. Диод, подключенный параллельно нагрузке, устранит противо-ЭДС, но, как упоминалось ранее, это замедлит срабатывание соленоидов всех типов (включая реле).Средства точно такие же, как те, которые обсуждались для реле в Части 1 этой статьи, и могут включать только диод, когда время срабатывания не критично, или диод плюс резистор или стабилитрон, если можно допустить небольшую задержку. Если требуется минимально возможная задержка, вам необходимо использовать двунаправленный TVS или, возможно, MOV, а коммутационное устройство (или SSR) должно быть рассчитано на наихудший пик напряжения при отключении питания.

Как и в случае любой нагрузки постоянного тока, искрение контактов является основной проблемой.При напряжении ниже 30 В и токе менее 10 А есть много недорогих реле, которые отлично справятся с этой задачей, но более высокое напряжение создаст проблемы. Схемы демпфирования – это начало, но вам также может потребоваться использовать последовательные контакты, чтобы гарантировать, что дуга может быть погашена со 100% надежностью. По возможности используйте полевой МОП-транзистор, IGBT или транзистор с достаточно высоким номинальным напряжением, чтобы выдерживать любую обратную ЭДС (конечно, после фиксации с помощью TVS или MOV). Без зажима ожидайте пиковое напряжение от 500 В до 2 кВ, особенно в цепях с высокой индуктивностью.


8 – Электронные нагрузки

В большинстве регионов полностью емкостные нагрузки очень редки, но, как упоминалось выше, существует бесчисленное множество мест, где конденсаторы используются параллельно с индуктивными нагрузками для улучшения коэффициента мощности схемы. Это создает проблемы из-за очень высокого пускового тока, и может потребоваться включение последовательных катушек индуктивности, чтобы снизить бросок тока до приемлемого уровня.

Хотя и не емкостный, очень распространенной нагрузкой являются импульсные блоки питания.Это , а не емкостные нагрузки, потому что они выпрямляют сеть и сглаживают выход постоянного тока с помощью конденсатора. Колпачок фильтра не отражает емкостную нагрузку, потому что диоды в мостовом выпрямителе предотвращают влияние емкости на входящий источник питания любого реактивного компонента . Они представляют только нелинейную нагрузку. Этот момент, кажется, был упущен многими людьми (включая инженеров-электриков, которым следовало бы знать лучше), и это правда, верите вы мне или нет.

Если емкость действительно вызывает серьезные проблемы, так это в момент включения. Колпачок полностью разряжен и в течение первых нескольких микросекунд действует как короткое замыкание. Пусковой ток ограничен только последовательным сопротивлением цепи. Попытка использовать любой тиристорный SSR для этих нагрузок – катастрофа, и в статье «Диммеры и светодиоды» есть несколько интересных снимков с осциллографа, которые показывают, что может пойти не так. Это становится интересным, когда предполагается, что тиристорный контроллер полностью включен.Нет проблем с резистивными или даже индуктивными нагрузками, но с электронными нагрузками все иначе. Поскольку они настолько распространены, их поведение необходимо изучить.

Типичная электронная нагрузка показана ниже, но импульсный источник питания заменен резистором, потребляющим ту же мощность, что и сам источник. Проблемы вызваны мостовым выпрямителем и конденсатором, а не схемой переключения. Тиристор не может оставаться включенным, если ток через него меньше тока удержания – это значение, указанное в таблице данных.С электронной нагрузкой ток не может течь до тех пор, пока входящее напряжение не станет выше, чем напряжение на конденсаторе фильтра. Следовательно, SSR на основе TRIAC или SCR ничего не делает, пока пиковое напряжение сети не станет немного выше, чем напряжение конденсатора, даже при подаче непрерывного или импульсного тока затвора. Когда SSR включается, он делает это с чрезвычайно быстрым временем нарастания . Единственное, что ограничивает пик тока, – это индуктивность и сопротивление сетевой проводки, а также любые (токарные) цепи ограничения в нагрузке.


Рисунок 8.1 – Электронная нагрузка с контролем SSR

Схема для электронной нагрузки очень распространена и используется при сетевом напряжении и низких напряжениях после трансформатора. Паразитная индуктивность выводов не включена, но в самой нагрузке есть токен ограничивающий резистор, рассчитанный на то, чтобы его рассеивание не превышало 5 Вт. Как только схема перейдет в «установившееся состояние», SSR не сможет проводить, пока входящий пик сети не станет немного выше, чем напряжение конденсатора, и он снова отключится, как только ток прекратится.Это произойдет сразу после пика формы сигнала переменного тока. Поскольку период проводимости такой короткий, пиковый ток должен быть намного выше обычного. Этот тип нагрузки в лучшие времена развивает большой пиковый ток – SSR только усугубляет ситуацию.

Для моделирования электронной нагрузки я использовал 230 В переменного тока при 50 Гц, а выходная мощность составляла 300 Вт, рассеиваемая нагрузочным резистором. Пиковый ток, показанный на графике ниже, составляет 84 А и остается выше 42 А в течение 50 мкс. Среднеквадратичный ток составляет 5,3 А – в четыре раза больше, чем должно быть для нагрузки 300 Вт.Это никогда не станет очевидным, если вы не проведете тщательные измерения формы сигнала тока. Это необходимо сделать с помощью осциллографа, потому что немногие измерители RMS могут работать с очень высоким отношением пикового среднего значения, и они будут показывать низкие значения. SSR должен сработать всего через 500 мкс после того, как входящий переменный ток сравняется с постоянным напряжением на C1, чтобы сгенерировалась форма тока ниже.


Рисунок 8.2 – Электронная нагрузка с контролем SSR; Формы сигналов

Красный график – это напряжение постоянного тока, зеленый – входной ток сети, а синий – входное напряжение сети.С переключателем или обычным реле общая мощность нагрузки не изменяется, но пиковый ток ограничивается до 10 А, а среднеквадратичный ток составляет 2,7 А – существенная разница. Это причина того, что тиристорные SSR (SCR или TRIAC) никогда не должны использоваться с этим типом электронной нагрузки. Схема и моделирование были немного преувеличены для ясности, потому что на самом деле будет большее сопротивление (в основном от сети питания), а также будут небольшие катушки индуктивности на стороне сети выпрямителя, чтобы минимизировать помехи.Пиковый ток в «реальной» цепи, управляемой таким образом, вероятно, будет меньше половины измеренного здесь, но при пиках 40 А это по-прежнему вызывает большую нагрузку на компоненты. Это также повторяющийся большой ток, поэтому SSR необходимо рассчитывать на пиковый ток наихудшего случая – непрерывно.

Другое дело – гибридное реле. Если он предназначен для включения при переходе через нуль сети и сразу после этого нагрузка принимается ЭМИ, то проблем нет. Пусковой ток сведен к минимуму, контактная дуга отсутствует, и нагрузка отключится при отсутствии тока.Это идеальная ситуация, которая может быть достигнута только с помощью гибридной цепи SSR + EMR. Электронные нагрузки создают особые проблемы, но если вы не исследовали их тщательно (с помощью стендовых тестов для проверки вашей теории), довольно легко упустить проблемы, и в итоге вы получите оборудование, которое выходит из строя (или не работает) без видимой причины. .

На случай, если вам интересно, использование SSR с переключением при нулевом напряжении (для электронной нагрузки), но без параллельного EMR, может вообще не работать. К тому времени, когда входящее пиковое напряжение станет достаточно высоким, чтобы позволить току течь, схема детектора пересечения нуля будет запрещать переключение, поэтому ничего не произойдет.SSR с переключением при нулевом напряжении может работать только в том случае, если он закорочен контактами реле до завершения первого полупериода.

Обратите внимание, что использование переключения при нулевом напряжении для индуктивных нагрузок (включая трансформаторы) приводит к максимально возможному пусковому току, и этого следует избегать.


9 – Гибридные реле Выше были предложены гибридные реле

, и хотя вы, безусловно, можете построить свои собственные, вы также можете купить их готовыми [7] (только пример, другие также существуют).Они производятся несколькими разными компаниями и разработаны специально для решения проблем как SSR, так и EMR, как описано выше. Исключается контактная дуга, поэтому срок службы ЭМИ не сокращается из-за дуговой коррозии, а тепловые проблемы твердотельных реле устраняются системой байпаса. Радиатор не нужен, потому что мощность рассеивается всего 10 мс или около того. Однако, вероятно, будет ограничение на количество циклов включения / выключения за определенный период.

Теперь у них есть собственная страница, так как возможности обширны.Для получения информации о различных типах см. Раздел «Гибридные реле, использующие полевые МОП-транзисторы, симметричные транзисторы и тиристоры». Поскольку они являются специализированными (и дорогими), у вас может возникнуть соблазн создать свои собственные, и при условии, что у вас есть навыки для их создания (и проверки каждого аспекта его функции и безопасности), нет причин не делать этого.

Не ожидайте, что вы сможете сразу броситься и легко купить его, потому что они считаются довольно специализированными промышленными устройствами, но они существуют. Как описано ранее в этой статье, наиболее распространенной схемой является TRIAC для выполнения фактического переключения с параллельным подключением электромеханического реле для управления током нагрузки.Больше нет необходимости в радиаторе для секции SSR, потому что он находится в цепи только в течение очень короткого времени, а EMR не страдает от искрения, потому что он предназначен для открытия первым. По прошествии достаточного времени, чтобы убедиться, что контакты разомкнуты, SSR отключается. Это занимает всего несколько миллисекунд, поэтому в большинстве приложений не возникает проблем с синхронизацией.

Еще одним важным преимуществом является то, что EMI (электромагнитные помехи) практически сведены к нулю, потому что нет дуги от контактов.Это может быть более важным, чем что-либо еще в крупных центрах обработки данных (как только один пример), где EMI ​​может нанести ущерб близлежащим компьютерным системам. Большинство из них предназначены только для переменного тока, и хотя нет причин, по которым гибридное реле MOSFET не может быть произведено (что позволило бы работать на постоянном токе), я нашел только пару ссылок при поиске.

Внимание! Есть два типа гибридного реле. Один использует геркон для активации TRIAC или двухсторонних SCR, и хотя это действительно подходит для термина «гибридный», это не так. что здесь обсуждается.Единственный гибрид, который действительно заслуживает этого титула, – это полупроводниковый переключатель с параллельно включенным электромагнитным реле, который обеспечивает преимущества, описанные в этом разделе. Гибриды тростниковых реле (довольно) легко доступны, но не дают каких-либо существенных преимуществ при нормальном использовании по сравнению с оптоизолированными SSR. Они являются полезными для продуктов, которые требуют невосприимчивость к ионизирующему излучению (где фотодиоды будут проводить из-за радиационной бомбардировки, например, рентгеновских лучей, гамма-лучей и т. д.).

Доступно не так много информации о внутренней схеме каких-либо гибридных реле (кроме статьи ESP, указанной выше). Хотя есть принципиальные схемы, большинство из них значительно упрощены. Одна из наиболее полных схем, найденных при поиске изображений, была показана на рис. 7.1 на этой странице, и даже она значительно упрощена, так как не показывает схему управления, необходимую для обеспечения разомкнутости ЭМИ до того, как привод будет удален из Раздел SSR.Не то чтобы это особенно сложно – оба реле включаются одновременно (SSR всегда будет первым проводить), а простой таймер гарантирует, что EMR будет отключен, возможно, за 10 мс до того, как привод SSR будет удален.

Похоже, что гибридные реле – сравнительно «новые» компоненты, которые еще не реализовали свой потенциал. Простые функции переключения – наиболее распространенный процесс в энергетических приложениях, и, вероятно, это только вопрос времени, когда гибриды станут более доступными.Сказав это, я, конечно, не стал бы предлагать вам затаить дыхание в ожидании – многие люди в отрасли, вероятно, даже не знают, что эти продукты существуют. Однако это, безусловно, один из лучших способов обеспечить длительный срок службы контактов и низкий уровень электромагнитных помех для любой системы переключения.

Следует отметить, что гибридные реле не подходят для приложений, критичных к безопасности, где может быть обязательным, чтобы защита обеспечивалась механическим разделением контактов без какой-либо части, замыкающей сами контакты.Поскольку в них используются полупроводники, гибридные реле могут (а некоторые будут) выходить из строя, а наиболее распространенным видом отказа любого полупроводника является короткое замыкание. Однако при правильном использовании это, вполне возможно, одно из лучших решений, доступных в настоящее время. Стоимость (конечно) является здесь важным фактором, и мне не удалось найти какую-либо информацию о ценах на какое-либо гибридное реле, доступное в настоящее время.

Одна область, где гибридное реле MOSFET было бы идеальным, – это защита громкоговорителей от постоянного тока. Напряжения постоянного тока выше 30 В при любом значительном токе, как известно, трудно прервать, что вызывает большую разрушительную дугу на контактах, которая может вывести из строя реле (а также «защищенные» громкоговорители).Гибридное решение устраняет эти трудности, а параллельное ЭМИ означает отсутствие дополнительных искажений, поскольку полевые МОП-транзисторы закорочены при нормальной работе. К сожалению, это не так просто, как кажется, из-за требований к плавающим источникам питания для обеспечения напряжения затвора MOSFET. Эта проблема была решена (по крайней мере частично) за счет введения новой ИС драйвера MOSFET (Si8751 / 2 – упоминается в статье ESP и в Project 198 (MOSFET Solid State Relay).


Выводы

Для обеспечения максимального срока службы контактов решающее значение имеет гашение дуги. Лучшее решение – это то, что в первую очередь предотвращает зажигание дуги, но этого бывает очень сложно добиться. Мы надеемся, что использование демпферов, диодов, TVS или MOV предотвратит возникновение дуги или, по крайней мере, отведет достаточно энергии от дуги, чтобы она могла погаснуть задолго до того, как контакты будут на максимальном расстоянии друг от друга.

Чтобы получить надежное решение, нужно поэкспериментировать, но если этого не сделать, всегда есть риск.Как уже отмечалось, постоянный ток – это принципиально зло, и может быть очень сложно предотвратить образование дуги, если у вас напряжение выше 30 В или около того. Хотя твердотельные реле могут решить эту проблему, они не всегда подходят. Большинство SSR не могут использоваться со звуковыми сигналами, потому что они создают сильные искажения. Двунаправленные реле MOSFET – одно из решений, но они дороги и, скорее всего, так и останутся.

Можно использовать гибридные реле

, и проявив некоторую изобретательность, вы можете создать свое собственное, используя обычное реле, симистор и оптрон, простой детектор перехода через ноль для получения контрольной точки и микроконтроллер для отслеживания времени.Это можно сделать с помощью бюджетного 8-контактного микроконтроллера для большинства приложений, и это совсем не сложно. Если нагрузка индуктивная, вам необходимо включить ее на пике формы сигнала переменного тока (или около него), а для емкостных, электронных или резистивных нагрузок (включая лампы накаливания) вам необходимо включить его сразу после перехода через ноль.

Электромеханические реле почти всегда будут иметь меньшие потери, чем их «твердотельные» эквиваленты. Большинство SSR на основе TRIAC и SCR будут показывать падение напряжения около 1 В, и устройство будет рассеивать около 1 Вт на ампер тока нагрузки.Итак, если ток составляет 10 А, вы должны иметь возможность рассеивать 10 Вт тепла – для этого требуется радиатор. Эквивалентное ЭМИ может иметь контактное сопротивление менее 10 миллиом (0,01 Ом), поэтому рассеяние на контакте будет не более 1 Вт для того же тока.

Даже это больше, чем вы обычно найдете. Обратите внимание, что вы не можете измерить сопротивление омметром, потому что нет достаточного тока для обеспечения правильного контакта. Я проверил восьмеричное реле, которое использовал для большей части своих тестов, и мой омметр показал более 0.6 Ом, но тест с использованием постоянного тока 1 А и измерения напряжения на контактах показал, что фактическое сопротивление составляло 12 миллиом. Это дает рассеивание 12 мВт при токе 1 А (рассчитывается как I²R), с чем легко справляется сам контактный узел. Более поздний тест при 10 А переменного тока показал сопротивление 6 миллиом, поэтому контакты рассеивают только 600 мВт. Большинство силовых реле будут похожими.


Часть 1 – Типы, выбор и катушки


Список литературы
1 Relay Care
2 ENG_CS_13C3236_AppNote_0513_Relay_Contact_Life_13c3236r.pdf
3 ENG_CS_13C3203_Contact_Arc_Phenomenon_AppNote_0412.pdf
4 ENG_CS_13C9134_Contact_Load-Life_AppNote_0613_13C9134 _-_ Relay_contact_performance_en_rupped Relays Relays
5 в сети.)
8 NAiS COMPACT PC BOARD POWER RELAY – JW Relays (Matsushita Electric Works, Ltd.)


Основной индекс Указатель статей
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и © 2014. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены в соответствии с Международные законы об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Журнал изменений: страница создана, авторские права © Род Эллиотт, 5 декабря 2014 г./ Обновлено в августе 2020 г. – добавлены рисунок 0.1 и текст.

Электронные реле

| FDA

[Предыдущая глава] [Содержание] [Следующая глава]

ОТДЕЛ. ЗДРАВООХРАНЕНИЯ, ОБРАЗОВАНИЯ И
WELFARE ОБЩЕСТВЕННАЯ СЛУЖБА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ
АДМИНИСТРАЦИЯ ПРОДУКТОВ И НАРКОТИКОВ
* ORA / ORO / DEIO / IB *

Дата: 10.11.87 Номер: 51
Связанные области программы:
Медицинское оборудование Радиологическое здоровье


ITG ТЕМА: ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕЛЕ

Этот ITG предназначен для ознакомления исследователя с электронным реле.Поскольку это только введение, будут рассмотрены более простые реле (EMR, сухой язычок, ртутный смачиватель и SSR); поскольку более глубокое обсуждение более сложных моделей может разрушить основной фокус этой ITG. Включены объяснения теории реле, влияния окружающей среды, конструкции и отказов.

ТЕОРИЯ

Реле – это устройства с электрическим управлением, которые размыкают или замыкают электрические контакты, чтобы воздействовать на работу других устройств в той же или другой электрической цепи.Это размыкание и замыкание контактов реле не является мгновенным действием; поскольку для выполнения действия требуется крошечный промежуток времени, от 0,5 до 50 микросекунд. Самыми основными компонентами реле являются его катушка, якорь и контакты. Когда реле включается в некоторую заданную цепь, ток из этой цепи индуцирует магнитное поле в катушке реле. Затем магнитное поле в катушке воздействует на якорь таким образом, что оно заставляет контакты замыкать или размыкать часть цепи, к которой подключены выходные клеммы реле.

Реле выполняет серию последовательных событий, включающих как включение, так и выключение. Начиная с выключенного реле, если напряжение или ток увеличиваются, реле начинает перемещаться через свою неактивную (без срабатывания) область, где переключение не происходит. Затем, когда ток или напряжение все еще увеличиваются, реле входит в область, где оно неактивно и активно (без срабатывания и срабатывания). Здесь реле неконтролируемо включается и выключается и, как говорят, испытывает «дребезг».«Затем реле достигает активной (срабатывающей) области и начинает полностью работать. Теперь реле находится под напряжением и находится в« рабочем состоянии ». Как только напряжение или ток начинают непрерывно уменьшаться, реле начинает двигаться обратно через его активная область. Теперь реле пытается удерживать свое текущее состояние (контакты разомкнуты или замкнуты). Затем реле приближается к области, где оно одновременно удерживает действие и неактивно (выпадение). Это состояние работы реле является параллельным активному / неактивный режим при увеличении тока или напряжения.Наконец, реле достигает неактивной области и становится неработоспособным. Реле теперь обесточено и находится в «восстановленном состоянии». Хотя процесс включения и выключения описательно долгий, необходимо повторить, что на самом деле процесс происходит быстрее, чем мгновение ока.

РЕЛЕ КОНТАКТЫ

Поскольку основное назначение реле – «замыкание» (замыкание контактов) или «размыкание» (размыкание контактов) цепей, необходимо обсудить контакты реле.

Контакты реле должны быть достаточно большими, чтобы не произошло разрушения от разрушающего плавления; однако они не должны быть слишком большими, иначе плотность тока упадет ниже критического уровня и помешает успешной работе. Наилучший контакт происходит при наличии достаточного электрического давления (напряжения) и тока, а также достаточного механического давления на контакты, чтобы вызвать плавление контактных поверхностей при каждой операции.

Контакты могут быть повреждены как при закрытии, так и при открытии.Повреждение замыкания контактов обычно происходит из-за скачков тока, потому что контактные силы в этот момент незначительны, что позволяет контактам скользить и отскакивать. Это нехорошо, потому что ток нагрузки часто во много раз превышает установившееся значение в этот момент. В точке замыкания контакта часто образуется микроскопический сварной шов или «перемычка». В цепях постоянного тока этот мост обычно асимметрично разрывается при следующем размыкании контактов, что приводит к переходу металла. В цепях переменного тока обычно происходит чистая потеря материала контактов, а пары металла, которые конденсируются в непосредственной близости от фактической области контакта, обычно черного цвета и ошибочно принимаются за углерод.

Повреждение контакта из-за открытия бывает двух форм; Постоянный и переменный ток. В случае постоянного тока переходные процессы более чем уверены в существовании при размыкании контакта. Когда цепь индуктивной нагрузки постоянного тока размыкается, большая часть энергии, накопленной в нагрузке, должна рассеиваться в виде дуги на контактах, если не предусмотрены другие средства поглощения энергии. Часть энергии нагрузки рассеивается в виде тепла в сопротивлении нагрузки, в потерях на вихревые токи в ее магнитной цепи и в распределенной емкости обмотки катушки.Нагрузки переменного тока обрабатываются по-разному, потому что устойчивая дуга прекращается, когда ток проходит через ноль, и меняет направление на обратное в конце первого полупериода после разъединения контактов. В условиях умеренной дуги срок службы контактов может быть значительно увеличен за счет шунтирования нагрузки с помощью комбинации резистор-конденсатор-диод, постоянная времени которой равна постоянной времени нагрузки.

Необходимо соблюдать некоторые меры предосторожности, чтобы гарантировать успешную работу контактов реле. Реле, работающие рядом с чувствительными цепями, могут вызвать проблемы в электронном оборудовании из-за дуги, возникающей при работе контактов.В качестве электрической защиты и защиты от помех необходимо применять какой-либо тип подавления. Еще одна вещь, о которой следует знать, – это переходные напряжения, возникающие при размыкании контактов цепи нагрузки. Эти напряжения могут превышать выдерживаемое диэлектриком напряжение между контактами и другой частью реле. В некоторых схемах эти напряжения могут быть достаточно высокими, чтобы вызвать поломку другого компонента схемы. Эти переходные процессы часто вызывают помехи в соседних или связанных цепях. Устранение переходных процессов высокого напряжения значительно повышает надежность системы, а также скорость отклика и стабильность.В качестве последнего предостережения следует обратить особое внимание на защиту от прикосновения. Правильная защита может увеличить продолжительность жизни на три порядка.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЕ

Ниже приведены некоторые общие характеристики реле, которые следует знать исследователю.

Отскок контакта – это неконтролируемое размыкание и замыкание контактов из-за сил внутри реле.

Контактный дребезг – это неконтролируемое размыкание и замыкание контактов из-за внешних сил (например,г., удары / вибрация).

Номинальные характеристики контактов – Это электрическая нагрузка на контакты с точки зрения импульсного тока замыкания, установившегося напряжения и тока, а также индуцированного напряжения отключения.

Полярность обмотки катушки – Если обычные типы реле, предназначенные для низковольтных цепей (50 В), не используются в короткоживущем оборудовании, лучше всего подключить отрицательный потенциал к клеммам внешней катушки. Затем реле можно управлять, подавая заземленный положительный потенциал на внутренние клеммы обмотки (ей) реле.Это сводит к минимуму электролиз и увеличивает срок службы катушек реле.

Полярность контактной пружины – ко всем подвижным пружинам должен быть подключен одинаковый потенциал. Это снижает вероятность случайного короткого замыкания, которое может в мгновение ока разрушить контакты реле.

Срок службы – Циклический срок службы электромагнитного / электромеханического реле (ЭМИ) может варьироваться от менее одного миллиона срабатываний до сотен миллионов. Некоторые специальные реле способны на многие миллиарды срабатываний. Статический срок службы ЭМИ ограничен физическим или химическим износом их компонентов.Другими возможными ограничениями являются износ катушки и гальваническое воздействие между некоторыми разнородными металлами. Конструкция, материалы и производственные процессы реле являются решающими факторами, определяющими статический срок службы.

Циклический срок службы твердотельных реле (SSR) незначителен, поскольку они являются чисто статическими устройствами. Их статическая жизнь ограничена физическими или химическими изменениями, влияющими на предполагаемую функцию их соединений. Максимальная температура перехода для SSR ограничивает рассеиваемую мощность.Эта внутренне рассеиваемая мощность вызвана прямым падением напряжения на устройстве и требованиями привода устройства (источника питания реле). Переходные процессы напряжения выше номинального могут вывести устройство из строя или вызвать нежелательное состояние. Окружающая среда, конструкция, применение и изготовление SSR определяют статическую долговечность.

ТИПЫ

Реле

бывают разных типов и классификаций. Как указывалось ранее, обсуждаются только типы EMR, сухой тростник, смачиваемый ртутью и SSR.Реле классифицируются по входу, выходу, номинальной нагрузке, использованию и общей производительности.

A. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ / ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ (EMR)

Универсального назначения – Эти реле имеют такую ​​конструкцию, конструкцию, рабочие характеристики и номинальные характеристики, которые можно адаптировать для широкого диапазона применений. Они обычно имеют якорь типа тарелки, пластинчатые пружины, контакты кнопок и L-образную или U-образную пяточную часть (рис. арматура.Реле общего назначения имеют три рабочих диапазона; легкий (два ампера или меньше), средний (от двух до десяти ампер) и тяжелый или силовой (15 и более ампер). У них есть ожидаемая продолжительность жизни 100 000 операций для их контактов и 10 миллионов операций в целом. Реле общего назначения находят наиболее популярное применение в системах кондиционирования и отопления, бытовых электроприборах, управлении маломощными двигателями, управлении освещением и лифтами.

Реле силового типа

– они похожи на реле общего назначения, только они больше и прочнее (рис. 2) (размер изображения 4 КБ).Их контакты подходят для больших токов и высокоиндуктивных нагрузок. Реле силового типа характеризуются номинальным током контакта 20-25 ампер, способностью лучше справляться с контактными нагрузками и простотой ремонта. От них мало пользы в ситуациях, когда задействованы различные положения, удары или вибрация. Силовые реле специально используются для управления электродвигателем.

Реле телефонного типа

– Их конструкция состоит из якоря с установленной на конце катушкой и пружинных контактов, установленных параллельно длинной оси катушки реле (Рисунок 3) (размер изображения 7 КБ).Реле телефонного типа чаще всего используются в бизнес-машинах, системах связи, компьютерных устройствах ввода / вывода, электронной обработке данных, лабораторных испытательных приборах, логике управления станками и производственном испытательном оборудовании.

Реле

с резонансным герконом – эти реле предназначены для реагирования на заданную частоту входного тока катушки. В их работе задействована электромагнитная катушка, которая при возбуждении приводит в движение вибрирующий язычок с контактом на его конце. Когда входная частота катушки соответствует резонансной частоте язычка, язычок будет вибрировать и заставлять свой контакт касаться неподвижного контакта, тем самым замыкая цепь один раз за каждый электрический цикл.На других частотах язычок не реагирует. К сожалению, их контакты не замыкаются до надежного замыкания, и они иногда демонстрируют нежелательный дрейф частоты из-за экстремальных температур, взлома, ударов или вибрации. Резонансные герконовые реле используются в приложениях, где требуется только частотный отклик, таких как связь, выборочная сигнализация, передача данных и телеметрия.

Реле

Crystal Can – этот тип реле появился, когда условия окружающей среды стали диктовать, что реле должны быть герметичными, легкими, устойчивыми к ударам и вибрации (рис. 4) (размер изображения 5 КБ).С реле с кристаллами могут работать относительно небольшие контакты с довольно небольшим давлением. Кроме того, номинальные характеристики контактов должны быть ограничены для легких нагрузок. Эти реле имеют небольшие размеры и могут быть адаптированы к печатным платам (ПК) и твердотельным схемам. Их проблема в том, что их внутренние механизмы недоступны во время использования для проверки оставшегося срока службы, и они дороги.

Реле с задержкой времени

(TDR) – TDR в основном состоят из синхронного двигателя, используемого для точной длительной задержки при размыкании и замыкании контакта.В наиболее популярных TDR используется обычное реле плюс некоторые необходимые гибридные схемы, а также корпус, используемый для объединения всех этих элементов в единое целое (рис. 5) (размер изображения 4 КБ). Регулировка времени осуществляется путем изменения настройки кастрюли с помощью ручки, которую можно поворачивать снаружи, или шлицевого вала для настройки отвертки. С помощью TDR можно управлять всеми видами функций синхронизации; такие как временная задержка срабатывания, временная задержка срабатывания, генерация интервала задержки со сбросом, синхронизация последовательности с повторением, генерация импульсов и интервальная синхронизация.Единственный недостаток TDR – низкая точность повторения.

Реле «Разрешающее замыкание» – в этом типе реле переключение контактов происходит, когда катушка под напряжением обеспечивает достаточное усилие, чтобы преодолеть предварительно натянутую пружину, удерживающую контакты в нерабочем или нормальном положении. Когда сила смещения преодолевается достаточным натяжением якоря из-за подачи напряжения на катушку, происходит переключение контактов. Когда катушка обесточена, контактные пружины возвращаются в свое неработающее положение, потому что смещающая сила возвратной пружины теперь не встречает сопротивления.

Реле с защелкой

– Эти реле имеют контакты, которые блокируются в активированном или обесточенном положении до тех пор, пока не будут сброшены вручную или электрически.

Дифференциальные реле

– срабатывают, когда разница напряжения, тока или мощности между несколькими обмотками достигает заданного значения.

Шаговые реле – Шаговые реле работают, переключая их контакты в последовательные положения, когда на катушку подается импульсное питание. Они могут двигаться в любом направлении.

B. СУХИЕ РЕЛЕ

Реле с сухим герконом отличаются от реле EMR тем, что для них не требуется якорь. Они генерируют поток, который воздействует непосредственно на контакты, без использования какой-либо связи. Они сконструированы таким образом, что два нормально разделенных, электропроводящих и проводящих магнитный поток элемента в герметичной стеклянной оболочке обеспечивают часть пути основного потока катушки, так что, когда катушка находится под напряжением, эти элементы прикрепляются друг к другу, образуя замкнутый контакт (рисунок 6) (размер изображения 7КБ).Сухой тростник находит наиболее широкое применение в бизнес-машинах, системах связи, компьютерных устройствах ввода / вывода, электронной обработке данных, приборах для лабораторных испытаний и оборудовании для производственных испытаний.

C. РЕЛЕ, СМАЧИВАЕМЫЕ РТУТЬЮ

Ртутные контактные реле – в этих реле происходит электрический контакт ртути с ртутью. Контактные поверхности обновляются за счет капиллярного действия, вытягивая пленку ртути по поверхностям постоянных переключающих элементов, когда подвижный контактный элемент перемещается из одного положения передачи в другое.Пленка ртути вытягивается из резервуара на дне капсулы между неподвижными элементами, чтобы обеспечить перекрытие. Не происходит контакта твердого металла с твердым металлом; поэтому контакты фактически обновляются при каждой операции. С помощью контактных реле, смоченных ртутью, можно надежно переключать широкий диапазон уровней сигнала и мощности, при этом характер нагрузки не влияет ни на срок службы контактов, ни на характеристики. Одна очень важная деталь этих реле заключается в том, что они должны устанавливаться правой стороной вверх с наклоном оси менее 20-30 от вертикали.Если реле перевернуть, контакты будут затоплены из ртутного бассейна и могут не работать должным образом в течение некоторого времени. Кроме того, поскольку ртуть является основной частью работы этого реле; низкие температуры ниже -38,8 C являются проблемой, потому что ртуть затвердевает при этой температуре. Ртутные контактные реле идеально подходят для импульсных высокоиндуктивных электромагнитов, таких как поворотные шаговые переключатели. Чаще всего они используются в системах кондиционирования и отопления, в бизнес-машинах, коммуникациях, компьютерных устройствах ввода / вывода, управлении электроэнергией, электронной обработке данных, лабораторных испытательных приборах и оборудовании для производственных испытаний.На рис. 7 (размер изображения 7 КБ) показано типичное реле с ртутным контактом.

Силовые ртутные контактные реле для тяжелых условий эксплуатации – Эти реле были разработаны для предотвращения эрозии контактов реле, работающих с большими силовыми нагрузками. Постоянные контактно-восстановительные свойства ртути решают эту задачу. Электропроводность в ртутных контактах силового типа происходит через лужу ртути, и два основных средства для этого процесса: и без перемычек или открытых в другом положении) и методом вытеснения ртути.Здесь плунжер опускается в бассейн с ртутью, так что проводящий ртутный мост проходит от одного терминала до другого; таким образом замыкая цепь над плотиной, которая в противном случае изолирует один вывод от другого. (2) Когда катушка обесточена, плунжер снова всплывает, ртуть возвращается, чтобы наполнить бассейн, и контур размыкается. На рисунке 8 (размер изображения 5 КБ) показана типичная модель.

D. ТВЕРДЫЕ РЕЛЕ (SSR)

Твердотельные реле

полностью отличаются от трех ранее упомянутых типов, поскольку у них нет движущихся частей (рисунок 9) (размер изображения 4 КБ).SSR – это, по сути, полупроводниковое переключающее устройство с входными клеммами, изолированными от выходного тракта переключения. Выходной переключатель может быть полевым транзистором (для переключения низкого уровня) или пробным (для переключения питания переменного тока, как в случае с большинством современных SSR), а вход обычно представляет собой сигнал постоянного тока низкого уровня в 3-32 Диапазон Гц. SSR состоит из элемента управления, который эквивалентен катушке, и управляемого выхода, эквивалентного контактам.

Окружающая среда

Для некоторых реле подойдет любая среда.Выбранное реле должно просто адаптироваться к предлагаемой среде и не должно подвергаться чрезмерной инженерии. В некоторых средах наблюдаются экстремальные температуры и радиация / загрязнение, особенно те, которые встречаются при работе в воздухе и в космосе.

Общие условия окружающей среды – В случае ЭМИ коммерческие среды хорошо переносятся как в закрытых, так и в открытых условиях. Чрезвычайные проблемы, связанные с атмосферой, частицами и влажностью, могут потребовать герметичного уплотнения. Упаковка и небольшая масса SSR делают их невосприимчивыми к большинству сред, особенно ударам и вибрации.

Температура – способность ЭМИ выдерживать тепло ограничена типом используемых изоляционных материалов. Если температура будет выше максимально допустимой, это приведет к более быстрому разрушению и разложению большинства изоляционных материалов. Доступны конструкции EMR, которые могут работать при максимальной температуре окружающей среды 125 C. Способность SSR выдерживать тепло ограничена соображениями температуры перехода. Повышенные скачки температуры окружающей среды с превышением номинальных значений обычно обладают достаточной инерцией, чтобы вызвать необратимые изменения в реле, если оно работает почти на максимальной мощности.Многие SSR могут работать при температурах 125 C и более, но их чувствительность затвора и усиление падают ниже -20 C.

Загрязнение – В EMR загрязнение контактов вызывает наибольшее беспокойство. Результаты могут отличаться от слегка повышенного контактного сопротивления до электрического разомкнутого состояния. Катушки реле чувствительны к определенным загрязнениям, которые химически разрушают катушку и приводят к электрическому пробою и короткому замыканию. В твердотельных реле загрязнения чаще всего встречаются в полупроводниковых таблетках, что приводит к снижению напряжения блокировки и увеличению тока утечки.

Рекомендации по проектированию

Конструкция реле не слишком сложна, но, тем не менее, жизненно важна. В первую очередь проектировщик должен учитывать контакты реле (а также прикрепленный якорь и пружины), тип входа (AC / DC) и нагрузку, которая будет подключена к реле.

Динамические характеристики якоря и контактного узла в первую очередь определяются массой якоря и зависят от конструкции магнита и потокосцепления.Контактные и восстанавливающие пружины прикреплены или связаны с якорем для достижения желаемых характеристик замыкания и / или размыкания. Основными характеристиками этих пружин являются модули упругости, усталостной прочности, проводимости и коррозионной стойкости.

При выборе между входными реле переменного или постоянного тока большинство разработчиков предпочитают характеристики, получаемые от входных реле постоянного тока. Хотя реле переменного тока имеют экономические преимущества, реле постоянного тока чаще всего используются, потому что:

  1. Реле постоянного тока имеют более длительный срок службы.Контакты реле переменного тока преждевременно сглаживаются из-за износа от колебаний переменного тока во время их замыкания и размыкания.
  2. Реле
  3. постоянного тока обладают большей чувствительностью. Поскольку они не вибрируют, можно использовать более легкие возбуждающие силы, чем в случае переменного тока.
  4. Катушки
  5. постоянного тока имеют меньшие тепловые потери и могут быть сделаны меньшего размера.
  6. Реле
  7. постоянного тока, особенно при большой нагрузке, могут выдерживать более широкий диапазон напряжений, чем переменный ток.
  8. Расчет времени невозможен при работе обычных реле с переменным током.

Если единственное требование состоит в том, что реле просто должно срабатывать, когда переключатель к нему замкнут, и отпускать, когда этот переключатель разомкнут, тогда не имеет значения, питаются ли реле от переменного или постоянного тока.

Что касается нагрузок, исследователь должен знать, что ожидается от реле при подключении к таким устройствам. В отношении оборудования связи ожидается, что реле будет иметь длительный срок службы, надежность, отсутствие слишком частого обслуживания и благоприятные условия окружающей среды.Типы телефонов идеально подходят для этих приложений. В компьютерных устройствах ввода-вывода реле должно отвечать требованиям тяжелых условий эксплуатации и иметь максимальный ожидаемый срок службы при максимальной надежности. Также требуется установка с быстрым разъединением, так что требующий внимания блок может быть мгновенно заменен. Окружающая среда не проблема. При регулировании мощности главным требованием являются долгий срок службы, надежность и отсутствие необходимости в частом техническом обслуживании. Окружающая среда не представляет угрозы для этих реле. При электронной обработке данных единственное, что следует учитывать, – это контакты, рассчитанные на большие различия в нагрузке на контакты и окружающей среде.В приборах для лабораторных испытаний необходима максимальная надежность, хорошая легкость и отсутствие необходимости в частом техническом обслуживании. Окружающая среда не имеет значения. Для производственного испытательного оборудования требуется высокий уровень изоляции и выдерживаемого напряжения диэлектрика при низком контактном сопротивлении.

Отказ

Большинство отказов EMR легко обнаруживаются благодаря визуальным признакам отказа. Обычно сбои происходят в контактах. Разрушение контактов проявляется в виде образования пленки, износа, эрозии зазора, поверхностного загрязнения и холодной сварки.Образование пленки – это эффект органической и неорганической коррозии, вызывающий чрезмерное сопротивление, особенно в условиях сухого растрескивания. Эрозия из-за износа возникает из-за попадания частиц в контактную зону, которые могут вызвать перекрытие небольших контактных зазоров. Загрязнение поверхности возникает, когда частицы грязи и пыли на контактной поверхности препятствуют достижению низкого сопротивления между контактами и могут фактически вызвать открытую трещину. Холодная сварка – это самоклеивание чистых контактов в сухой среде. Некоторыми симптомами неисправности контактов являются высокое контактное сопротивление, механическое повреждение, размыкание или короткое замыкание катушки, а также заедание, перенос или сварка контактов.Заедание контактов и высокое сопротивление контакта могут быть прерывистыми и восприниматься как пропуски, а не отказы.

В SSR обычно нет визуальных свидетельств неисправности, кроме теплового обесцвечивания. Отказы SSR характеризуются постоянным коротким замыканием, невозможностью блокировать напряжение или током утечки, достигающим размеров отказа. Общие факторы отказа, связанные с SSR: превышение максимального номинального напряжения; термомеханическая усталость от циклических скачков температуры; химические реакции, такие как формирование каналов; и физические изменения, такие как кристаллизация материалов.Отказы SSR ускоряются при длительном повышении температуры. Поскольку визуальное обнаружение настолько сложно, обнаружение отказа SSR может оказаться весьма сложным в зависимости от знаний, опыта и необходимого оборудования.

Список литературы

  1. Чут, Джордж Мистер Электроника в промышленности. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company, 1971.
  2. Финк, Дональд Г., изд., Справочник инженера-электронщика. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company, 1975.
  3. Финк, Дональд Г., изд., Стандартное руководство для инженеров-электронщиков. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company, 1960.
  4. Харпер, Чарльз А., изд., Справочник компонентов для электроники. Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company, 1977.

Рисунки с 1 по 3 находятся на той же странице. Рисунки с 4 по 9 находятся на той же странице.

Рисунок 1. Реле общего назначения.

Рисунок 2. Реле силовое.

Рисунок 3. Реле телефонного типа.

Рисунок 4.Кристалл может ретранслировать.

Рисунок 5. Ручка регулируемая TDR

Рисунок 6. Схематическое и реальное изображение сухого тростника

.

Рисунок 7. Фактическая и схематическая цена ртутных реле

Рис. 8. Роторное реле для тяжелых условий эксплуатации

Рис. 9. Типовой SSR

[Предыдущая глава] [Содержание] [Следующая глава]

% PDF-1.6 % 43 0 obj> эндобдж xref 43 85 0000000016 00000 н. 0000002336 00000 н. 0000002426 00000 н. 0000002614 00000 н. 0000003114 00000 п. 0000003215 00000 н. 0000003923 00000 н. 0000004094 00000 н. 0000004464 00000 н. 0000004673 00000 п. 0000005122 00000 н. 0000005173 00000 н. 0000005271 00000 н. 0000005371 00000 п. 0000005750 00000 н. 0000005971 00000 п. 0000006449 00000 н. 0000006739 00000 н. 0000011474 00000 п. 0000015364 00000 п. 0000015662 00000 п. 0000016054 00000 п. 0000019806 00000 п. 0000023712 00000 п. 0000028540 00000 п. 0000032110 00000 п. 0000036110 00000 п. 0000039949 00000 н. 0000044520 00000 п. 0000046629 00000 н. 0000048338 00000 п. 0000048475 00000 п. 0000052276 00000 п. 0000052799 00000 н. 0000053301 00000 п. 0000053545 00000 п. 0000077231 00000 п. 0000077267 00000 п. 0000077741 00000 п. 0000077850 00000 п. 0000102857 00000 н. 0000102893 00000 п. 0000103376 00000 н. 0000103499 00000 н. 0000116375 00000 п. 0000116411 00000 н. 0000116882 00000 н. 0000116989 00000 н. 0000139991 00000 н. 0000140027 00000 н. 0000140498 00000 п. 0000140605 00000 н. 0000167045 00000 н. 0000167081 00000 н. 0000167552 00000 н. 0000167659 00000 н. 0000168142 00000 н. 0000168263 00000 н. 0000177373 00000 н. 0000177411 00000 н. 0000177895 00000 н. 0000178018 00000 н. 0000187128 00000 н. 0000187166 00000 н. 0000187638 00000 н. 0000187747 00000 н. 0000210750 00000 н. 0000210788 00000 н. 0000211260 00000 н. 0000211369 00000 н. 0000237810 00000 п. 0000237848 00000 н. 0000238320 00000 н. 0000238429 00000 н. 0000262116 00000 н. 0000262154 00000 п. 0000262629 00000 н. 0000262740 00000 н. 0000287748 00000 н. 0000287786 00000 н. 0000288270 00000 н. 0000288395 00000 н. 0000301272 00000 н. 0000301310 00000 н. 0000001996 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 127 0 obj> поток xb`f`Pc`c`l Ā

Устранение неполадок Общие проблемы с электрическими контактами

Проблемы с электрической контактной сваркой, эрозией контактов, переносом материала или сопротивлением электрического контакта часто можно объяснить некоторыми общими факторами.Инженеры PEP Brainin рекомендуют рассмотреть эти переменные в качестве первого шага в определении потенциальной первопричины отказа электрического контакта.

Для получения дополнительной информации об электрических контактах и ​​сборках Brainin перейдите на нашу страницу с электрическими контактами.

Проблема №1: Заедание электрического контакта (сварка)

Это один из наиболее распространенных видов отказа электрических контактов. Ниже приводится перечень некоторых возможных факторов, способствующих этому.

  • Загрязнение или коррозия контактной поверхности может увеличить сопротивление контакта, тем самым повышая температуру в точках контакта и увеличивая склонность к сварке.
  • Ослабленное заклепочное соединение, плохая сварка или паяное соединение также могут способствовать нагреву контактов, что может привести к сварке.
  • Плохое совмещение контактов снижает эффективную площадь контакта и может способствовать контактной сварке.
  • Механическая проблема в устройстве, которая снижает контактное усилие или уменьшает усилие размыкания контактов, может вызвать проблемы с контактной сваркой.
  • Токи, превышающие нормальные, могут вызвать контактную сварку. Для новых приложений, помимо вышеперечисленных.
  • Убедитесь, что размер и материал контактов подходят для применения.
  • Опорные элементы для электрических контактов должны быть как можно более проводящими, чтобы контакты оставались холодными. Этот фактор не следует упускать из виду, поскольку он может иметь значение для успеха или неудачи для данного набора контактов.

Проблема № 2: Высокая контактная эрозия

Если электрические контакты разрушаются слишком быстро, проверьте все факторы, перечисленные в разделе о контактной сварке (выше), потому что те же факторы могут вызвать повышенную скорость эрозии, даже если условия недостаточно тяжелые, чтобы вызвать сварку.Дополнительно:

  • Проверить дребезг контактов. Если электрические контакты дребезжат при замыкании, это может значительно увеличить эрозию.
  • Для цепей переменного тока контакты не должны размыкаться слишком быстро. Контакты должны размыкаться достаточно быстро, чтобы минимизировать повторное зажигание дуги, но достаточно медленно, чтобы минимизировать длину дуги (энергия дуги пропорциональна длине дуги). Дуга будет иметь тенденцию гаснуть при первом нулевом токе после того, как контакты размыкаются за пределами критического расстояния.В цепях постоянного тока электрические контакты следует размыкать быстро, чтобы минимизировать продолжительность дуги. Как для цепей переменного тока, так и для цепей постоянного тока контакты должны замыкаться быстро с минимальным дребезгом.
  • Любое устройство, добавленное для уменьшения продолжительности или интенсивности дуги между электрическими контактами, уменьшит эрозию.
  • Механическую эрозию можно уменьшить, снизив контактное усилие в разумных пределах. Однако, если контактное усилие слишком низкое, электрическая эрозия намного превзойдет любое уменьшение механического износа.

Проблема № 3: Передача материала от одного электрического контакта к другому

Передача материала обычно связана с цепями постоянного тока из-за полярности прерываемой цепи.

  • Если электрические контакты работают в условиях отсутствия дуги, явление, известное как «перенос металлического моста», вызывает перемещение материала от положительного контакта к отрицательному.
  • Если электрические контакты работают в условиях дуги, в дополнение к переносу металла происходит еще одно явление, которое вызывает перенос материала с отрицательного контакта на положительный.Это результат излучения дуги и называется «переносом дуги». В результате продолжительность и интенсивность дуги будут определять, будет ли чистая передача на отрицательный или положительный контакт.
  • Выбор материалов для электрических контактов, устойчивых к переносу материала, важен для приложений постоянного тока. Высокие температуры плавления и кипения, хорошее сопротивление контактной сварке, высокая электрическая и теплопроводность, а также высокая твердость – это свойства, которые помогают уменьшить перенос материала.

Проблема № 4: Высокое электрическое сопротивление контакта

Эта проблема обычно вызвана инородным загрязнением или коррозией материала электрического контакта. Высокое сопротивление контакта может привести к перегреву, контактной сварке, высокой скорости эрозии или вообще отсутствию контакта.

  • Контрактную коррозию можно контролировать, используя контактный материал, который не подвержен агрессивному воздействию окружающей среды, в которой будут работать контакты.
  • Электрические контакты могут работать в герметичной контролируемой атмосфере для устранения или уменьшения коррозии и посторонних загрязнений.
  • Контакты должны быть как можно более чистыми, когда устройство полностью собрано.
  • Конструкция системы электрических контактов, обеспечивающая некоторое очищающее действие, может иметь жизненно важное значение для поддержания чистоты контактных поверхностей во время работы.

Debouncing Contact and Switches

Для новых идей по созданию встроенных систем (как аппаратных, так и встроенных) присоединяйтесь к более чем 40 000 инженеров, подписавшихся на Embedded Muse, бесплатную новостную рассылку, выходящую раз в две недели.У Muse нет никакой шумихи и никакого пиара от продавцов. Нажмите здесь, чтобы подписаться.

Раздача в декабре 2021 г.

Питер Глива любезно предлагает копию своей книги Embedded Software Timing для раздачи в декабре. Я просмотрел это здесь.

На этой странице представлены данные о том, как несколько переключателей на самом деле отскакивают, и представлен код C, который устраняет это отскок.

Данный отчет разделен на две части:

  • Часть 1 (которую вы читаете) описывает проблему устранения неполадок и дает практические данные.
  • Часть 2 показывает сначала аппаратные решения, а затем программный код устранения неполадок.


Август 2004 г.
Ред. 1: апрель 2006 г.
Ред. 2: апрель 2007 г.
Ред. 3: июнь 2008 г.
Ред. 4: март 2014 г. (добавлена ​​ссылка на код Трента Клегхорна)

Пиво немного нагревается, когда вы стучите по пульту дистанционного управления. Снова и снова, теряя самообладание, вы нажимаете кнопку «канал вверх», пока телевизор, наконец, не вознаграждает вас за ваши усилия. Но оказывается, что на канале 345 воспроизводится Jeopardy, поэтому вы снова машете пультом в общем направлении телевизора и продолжаете возиться с кнопками.

Некоторые пульты дистанционного управления работают на удивление хорошо, даже если луч отражается от трех стен до того, как он попадет на ИК-детектор телевизора. Другие этого не делают. Один поставщик сказал мне, что надежность просто не важна, поскольку пользователи будут подсознательно нажимать кнопку снова и снова, пока канал не изменится.

Когда однократное дистанционное нажатие заставляет трубку перескакивать на два канала, мы, разработчики, знаем, что виноват паршивый код устранения неполадок. У FM-радио на моей яхте есть кнопка настройки, которая смещается слишком далеко, когда я сильно ударил ее.Обычный подозреваемый: отказов.

Когда контакты любого механического переключателя сталкиваются друг с другом, они немного отскакивают перед установкой, вызывая дребезг. Разрушение, конечно же, – это процесс устранения отскоков, преобразования грубых реалий аналогового мира в чистые единицы и нули. Существуют как аппаратные, так и программные решения, хотя наиболее распространенными являются решения, реализованные в виде фрагментов кода.

Побродите по сети, чтобы попробовать различные подходы к устранению проблем.Большинство из них довольно хромые. Некоторые из них основаны на экспериментальных параметрах отскока. В телеконференциях ходила смесь анекдотических историй, заменяющая эмпирические данные.

Спросите большинство разработчиков о характеристиках отскока, и они сделают предположение о максимальном времени отскока. Но во время отскока происходит очень много всего. Как мы можем создать эффективный аппаратный или программный фильтр отказов, если мы не понимаем все событие? В это время в наш код попадает длинная и сложная строка двоичных битов.Каковы характеристики этих данных?

Мы пишем функции, которые обрабатывают совершенно загадочную и неизвестную строку ввода. Это вряд ли правильный способ создания надежного кода.

Предложение: Подпишитесь на мою бесплатную рассылку новостей, в которой часто рассматриваются проблемы и связанные с ними темы.

Итак, я провел несколько экспериментов.

Я вытащил несколько старых переключателей из своего мусорного ящика.20 баксов в постоянно надоедливой местной Radio Shack дали больше (вы заметили, что Radio Shack имеет все меньше и меньше компонентов? Становится все труднее купить там паршивый NPN-транзистор). Baynesville Electronics (http://www.baynesvilleelectronics.com), лучший магазин электроники в Балтиморе, оказался настоящей находкой для переключателей. В итоге у меня было 18 самых разных переключателей.

К моему настольному ПК всегда прилагается небольшая плата разработки MSP430 за 49 долларов (сильно недооцененный 16-разрядный микропроцессор TI) с установленным набором инструментов IAR.Вставить на доску небольшой код и провести эксперименты – это дело секунд. Изначально я планировал подключить каждый коммутатор к входу MSP430, чтобы прошивка считывала параметры отказов и сообщала о них. Небольшая игра с осциллографом смешанных сигналов (MSO) показала, что это неразумный подход.

Я отказался от обычных осциллографов. Теперь мой прицел Agilent MSO-X 3054A MSO стал моим любимым прицелом. MSO – осциллограф смешанных сигналов; он сочетает в себе логический анализатор и осциллограф.Запуск по аналоговому каналу или по цифровому шаблону, чтобы начать трассировку, и посмотреть, как взаимодействуют цифровой и аналоговый.

Многие переключатели демонстрировали довольно резкое и неожиданное поведение. Отскоки менее 100 нсек были обычным явлением (подробнее об этом позже). Никакой разумный микроконтроллер не мог надежно зафиксировать такого рода переходы, поэтому я отказался от этого плана и вместо этого использовал осциллограф, подключив как аналоговые, так и цифровые каналы к переключателю. Это позволило мне увидеть, что происходит в аналоговой области, и как компьютер интерпретирует данные.Питание 5 В и напряжение 1 кОм завершили испытательный стенд.

Если переход менее 100 нс не может быть зафиксирован компьютером, зачем об этом беспокоиться? К сожалению, даже очень короткий сигнал время от времени будет переключать логику. Привяжите его к прерыванию, и вероятность возрастет. Эти переходы, хотя и очень короткие, иногда будут искажать рутину устранения дребезга. Ради эксперимента нам нужно их увидеть.

Я протестировал триггерные переключатели от старого дешевого игрового джойстика (три желтых на рисунке), левую кнопку мыши от древнего компьютера Compaq (на плате в верхнем левом углу), тумблеры, кнопки и ползунковые переключатели. .Некоторые из них монтировались на шасси, другие должны были быть припаяны непосредственно к печатным платам.


Переключатели протестированы. Вверху слева находится переключатель A, а B справа, работающий на E (красный), затем на F под A и т. Д.

Результаты были интересными.

Так как долго переключатели дергаются? Короткий ответ: иногда много, иногда совсем нет.

Только два переключателя показали скачки более 6200 мкс.Переключатель E, который казался красивой красной кнопкой, имел наихудший дребезг, когда он открывался на 157 мсек – почти 1/6 секунды! Юк. Тем не менее, в закрытом состоянии он никогда не превышал скачок в 20 мкс. Иди разберись.

Другой переключатель за один раз полностью замкнулся за 11,3 мс; все остальные срабатывания были менее 10 мсек.

Выбросьте эти две выборки, и остальные 16 переключателей показали в среднем 1557 мкс подпрыгивания, при этом, как я уже сказал, максимум 6200 мкс. Совсем неплохо.

Семь переключателей стабильно дергались намного дольше при включении, чем при открытии.Я был удивлен, обнаружив, что для большинства переключателей многие отскоки при открытии длились менее 1 мкс – верно, менее одной миллионной секунды. Тем не менее, уже следующий эксперимент с тем же переключателем может дать результат в сотни микросекунд.

Идентичные переключатели особо не идентичны. Были протестированы две совпадающие пары; каждый близнец отличался от своего брата в два раза.

Несколько лет назад мы с приятелем установили систему для секретной службы, в которой были тысячи очень дорогих переключателей на панелях в диспетчерской.Мы боролись с уникальным набором проблем с отскоком, потому что офицеры в форме были слишком ленивы, чтобы встать и нажать кнопку. Они бросили линейки на панели через всю комнату. Различные удары создавали (а иногда и уничтожали, но в конце концов, это всего лишь деньги налогоплательщиков) довольно много отскоков. Итак, в этих экспериментах я пытался задействовать каждое устройство с помощью различных приемов. Сильное или мягкое нажатие, быстрое или медленное, мягкое или резкое отпускание, поиск различных ответов. Ползунковый переключатель F действительно был очень чувствителен к скорости срабатывания.Тумблер G показал разницу во времени отскока 3: 1 в зависимости от того, как быстро я нажимал на его рычаг. Несколько других показали аналогичные результаты, но мало различимых закономерностей.


Меня очаровало аналоговое поведение переключателей. Некоторые работали, как ожидалось, давая твердый ноль или 5 вольт. Но большинство дало гораздо более сложные ответы.

MSO ответил на цифровые входы, предполагая уровни сигнала TTL. Это означает от 0 до.8 вольт – это ноль, от 0,8 до 2,0 – неизвестно, а выше 2 – единица. Инструмент отображал как цифровые, так и аналоговые сигналы, чтобы увидеть, как логическое устройство интерпретирует грубость реального мира.

Switch A был типичным. В открытом состоянии сигнал перемещается немного над землей и колеблется в диапазоне сотен милливольт до 8 мсек. Затем он внезапно превратился в единицу. По мере того, как сигнал доходил до почти вольта, осциллограф интерпретировал его как единицу, но продолжающиеся беспокойные блуждания аналога забирали его на «одну» территорию и обратно.MSO засыпал экран хешем, пытаясь интерпретировать данные.

Это было, если бы контакты не отскакивали, а протирали, перетягивая друг друга на время, действуя как переменный резистор.


Изучив это более глубоко, я расширил кривые для переключателя C и с помощью закона Ома обнаружил, что сопротивление при открытии устройства ползет довольно равномерно в течение 150 мкс от нуля до 6 Ом, прежде чем внезапно достичь бесконечности.Как такового не было подпрыгивания; просто непростой скачок от 0 до 300 мВ, прежде чем он внезапно упал до твердого +5.


Еще одним артефактом этого стирания были беспорядочные аналоговые сигналы, протекающие в ужасной нейтральной зоне неопределенности TTL (от 0,8 до 2,0 вольт), вызывая колебания MSO, выбрасывая единицы или нули почти случайным образом, как если бы ваш микропроцессор был подключен. к тому же переключателю.


Два от игрового джойстика el cheapo были не чем иным, как позолоченными контактами, нанесенными на печатную плату; при нажатии на резиновую крышку на плату падает какой-то проводящий эластомер.Интересно, что аналоговый результат был медленным нарастанием от нуля до пяти вольт без шума, протирания или другой неопределенности. Ни следа отскока. И все еще.. . . логический канал показал несколько миллисекунд диких колебаний! Что происходит?

При использовании логики TTL сигналы в диапазоне от 0,8 до 2,0 вольт недопустимы. Все идет, и все делают. Привяжите этот, казалось бы, свободный от скачков входной сигнал к вашему процессору и приготовьтесь иметь дело с множеством колебаний – виртуальных отскоков.


Таким образом, моя оценка такова, что происходит гораздо меньше перехвата контактов, чем мы думаем.Большая часть кажущегося логического хеша происходит от аналоговых сигналов, попадающих в нелегальные логические области. Тем не менее, воздействие на нашу систему такое же, и лечение идентично. Но неустойчивый характер логики предупреждает нас, чтобы мы избегали простых алгоритмов выборки, таких как предположение, что два последовательных чтения одного означает один.

Итак, мы знаем, как долго контакты отскакивают, и что может появиться множество цифровых проблем, в частности ультракороткие импульсы.

Но что происходит при отскоке? Довольно много, и каждый прыжок каждого переключателя был разным.Многие производили только высокоскоростной хеш, пока не появлялся твердый единица или ноль. Другие генерировали серьезную серию импульсов различимых логических уровней, как и следовало ожидать. Я был особенно заинтересован в результатах, которые вызывали бы изжогу у типичных изжог.

Снова рассмотрим переключатель E, тот, с красивым личиком, скрывающим злобное бьющееся сердце со скоростью 157 мсек. Один тест показал, что переключатель переходит в устойчивое состояние на 81 мс, после чего он упал до идеального нуля на 42 мс, прежде чем, наконец, принял правильное высокое состояние.Подумайте, что это будет делать практически с любым кодом отладки!


Коммутатор

Switch G вел себя довольно хорошо, за исключением того, что пару раз он давал несколько микросекунд, прежде чем упал до нуля более чем на 2 мс. Затем он принял свой правильный окончательный вариант. Первоначальный узкий импульс может ускользнуть от вашего ввода-вывода по запросу, но обязательно вызовет прерывание, если вы осмелитесь подключить систему таким образом. Плохая ISR будет озадачена, поскольку она рассматривает 2 мс небытия. «Я? Почему он призвал меня? Нет ничего там!»


O – очень красивый, качественный микропереключатель, который никогда не показывал больше 1.18 мс подпрыгивания. Но копнув глубже, я обнаружил, что обычно он генерирует последовательность импульсов, которая гарантированно наносит ущерб с помощью простого кода фильтра. Нет высокоскоростного хеширования, есть только твердые единицы и нули, от которых трудно избавиться. Одно срабатывание давало 7 уровней чистых нулей с интервалом времени от 12 до 86 мкс и 7 логических уровней с интервалом от 6 до 95 мкс. Легко фильтровать? Конечно. Но не по коду, который просто ищет пару идентичных чтений.


Что произойдет, если мы будем нажимать кнопки очень, очень быстро? Значительно ли это меняет подпрыгивание? Этим стареющим пальцам ужасно трудно что-то делать особенно быстро, поэтому я поставил модифицированный эксперимент, подключив мою плату MSP430 к большому четырехполюсному реле на 3 А.Загрузка кода во флэш-память процессора позволила мне переключать реле с разной скоростью.

Время дребезга варьировалось от 410 до 2920 мкс, что очень похоже на время дребезга переключателей, что, по-видимому, подтверждает эксперимент. Реле не имело заметных аналоговых эффектов, четко выбивая между 0 и 5 вольт.

Хриплый щелканье контактов на несколько часов заглушил нашу обычную классическую плату за проезд, поскольку MSO накапливал время отказов в режиме хранения. Когда реле размыкается, максимальное время дребезга всегда равно 2.От 3 до 2,9 мс при скорости от 2,5 до 30 Гц. Больше вариаций появилось при замыкании контакта: при 2,5 Гц скачки никогда не превышали 410 мкс, а при 30 Гц они увеличивались до 1080 мкс. Почему? Я понятия не имею. Но ясно, что есть некоторая корреляция между быстрым срабатыванием и большим отскоком. Эти цифры предполагают приемлемое увеличение в два раза, но не на страшный порядок величины или больше.

В старые добрые времена мы использовали много листовых переключателей, которые обычно бесконечно дергались. Кажется, недели.Любопытно, что я разобрал ряд дешевых потребительских товаров, надеясь найти такие недорогие устройства. Ничего не найдено! Теперь, когда все установлено на печатной плате, поставщики используют переключатели на плате, которые являются чертовски хорошими маленькими устройствами.


Я признаю, что эти эксперименты не совсем научные. Несомненно, кто-то с лучшим образованием и большим количеством инициалов после его имени мог бы провести более авторитетное исследование для одного из тех журналов, которые никто не читает.Но насколько мне известно, нигде нет данных по этому поводу, и нам, работающим инженерам, нужна некоторая эмпирическая информация.

Играйте с этими числами с недоверием. Инженеры-строители на самом деле не знают точной прочности бетонной балки, налитой ленивыми рабочими, поэтому они немного прибавляют. Они добавляют маржу. Сделайте то же самое здесь. Предположим, что дела обстоят хуже, чем показано.

Перейдите на вторую страницу этого отчета, где описаны решения для устранения неполадок аппаратного и программного обеспечения.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *