Гасящий конденсатор

Речь идет о выборе конденсаторов для рупорных пищалок. Именно так ставят вопрос все новички. Или перефразируя это грамотнее. Подбор пассивного фильтра высоких частот первого порядка для рупорных пищалок.

Сперва давайте вспомним, для чего они нужна и как работают?

Кроссоверы (фильтры) нам нужны для того, чтобы отрезать лишние диапазоны частот звука от динамика, отдав ему необходимую для его нормальной работы полосу.

С сабами в этом плане страшного ничего нет. Даже если дать сабу всю полосу, то с ним ничего не случится. Зато когда мы говорим о пищалках любой конструкции, то для них кроссовер определит их жизнь, звук и долговечность.

Второй момент, который важно понимать: любой кроссовер НЕ ОБРЕЗАЕТ частоты резко. Если ваш фильтр высоких частот настроен, допустим, на 3кГц это не значит, что динамик резко замолчит ниже трех. Динамик будет петь и 2 и 1 кГц и 500 Гц и даже 20!

Весь вопрос в том, какой мощности сигнал придет к динамику на этих частотах и насколько сильно и быстро будет падать уровень громкости за пределами настройки кроссовера.

Этот момент определяется порядком среза кроссовера. 1й порядок (6дб/окт), 2й (12дб/окт) и т. д. Что значат эти дБ/окт?

Ну с Дб ваопросов не возникает. Дб-децибелы определяют уровень громкости (точнее уровень звукового давления) а окт. – это октава. Октава это диапазон частот располагающийся либо до вдвое большей частоты от текущей либо вдвое меньшей.

Объясню на примере: допустим у нас есть фильтр высоких частот 1го порядка на 1 кГц (1000гц). Такой фильтр пропускает к пищалке высокие частоты и режет низы. Так вот фильтр первого порядка (6дб/окт) это значит, что ниже 1кГц звук не пропадет, но громкость звука станет падать.

Если допустим у нас динамик пел с громкостью 100 децибелл на 1 килогерце, то ниже настройки фильтра на одну октаву (1000гц/2=500гц) на 500 герцах динамик будет петь на 6 децибел тише. А еще на октаву ниже (500/2=250 гц) уже на 12 децибелл тише, на 125гц на 18 дб тише и на 63 Гц на 24 дб тише и так далее.

Если бы мы резали динамик на той же частоте но 2м порядком (12дб/окт) то на 500 Гц мы бы потеряли 12дб, на 250гц 24 дб, на 125 Гц 36дб а на 63 Гц 48дб. Таким способом можно просчитать любой порядок фильтра на разных частотах.

Пример, конечно, чрезвычайно упрощенный и грубый. Скорость и равномерность затухания будет зависеть еще от 100500 факторов, но в принципе пример нужную нам суть отражает. Именно потому, что пищалка всегда будет петь и ниже частоты среза, крайне не рекомендуется делать срез вблизи их резонансной частоты ниже которой им работать становится крайне трудно. Это в лучшем случае снизит ее громкость в разы (вы просто не сможете навалить громкость на всю без искажений). В худшем пищалка умрет.

Следующий важный аспект этого дела напрочь разровняли в умах новичков таблички вот такого рода в интернете:

Собственно таблички верные. Были бы… если б не один нюанс. Не бывает динамиков 4 ом, или 2 ом, или 8 ом. И не было никогда))

То что указано на динамике это не его сопротивление, это импеданс во первых, во вторых это МИНИМАЛЬНЫЙ импеданс который может иметь динамик при работе.

Этот критерий очень важен для стабильной работы усилителя без перегрузки. Но это вовсе не значит, что импеданс не может быть выше при работе динамика. Я больше скажу, он выше практически всегда, весь вопрос на сколько выше и когда (кстати можете померять мультиметром ваши 4х омные динамики. Там всегда будет меньше чуть 4х Ом. 3.7-3.8Ом именно потому что указан импеданс, а вы измеряете сопротивление)) ). Так вот импеданс динамика при воспроизведении звука зависит от кучи факторов, начиная от конструкции самого дина и заканчивая оформлением динамиков (а ведь рупорная пищалка это пищалка в офромлении РУПОР) и частоты. Вот последний фактор нам особенно интересен, когда мы говорим о ВЧ.

Если, допустим, взять две четырехомные пищалки и измерить их импеданс скажем на 5 килогерцах то запросто может получиться что у одной пищалки на этой частоте импеданс 5Ом а у другой 7. Потом согласно таблице выше, пытаемся их порезать на 5 килогерц кондером на 8 микрофарад. В итоге у нас первая порежется на 4 кГц, а вторая с этим же кондером порежется уже на 3кГц! Соответственно первая просто будет валить говнозвук, вторая начнет подгорать.

Для примера вот вам график зависимости импеданса системы от частоты (Z характеристика) для компонентной акустики:

И вот табличка экспериментальных замеров:

Какой вывод можно из этого сделать?

А вот такой: если читать все таблички подряд и не пользоваться головой то говнозвук и паленое железо это ваше уверенное будущее.

Реально узнать частоту среза конденсатором и грамотно осуществить его подбор можно только имея на руках график зависимости импеданса от частоты для ваших динамиков либо сделать его самому в ваших условиях методом измерения.

Другой вопрос, что никому это нафиг не надо и всем гораздо проще не думая вкрячить кондер чтоб долбило по громче. Подавляющее большинство сторонники именно такого подхода, по этому давайте разберемся как в этом случае не накосячить и не запороть все.

Во первых нам нужны НЕПОЛЯРНЫЕ конденсаторы. Обычно они имеют вот такой вид или похожий:

Вот такие электролитические кондеры использовать крайне не рекомендуется.

Их отличие от первых в том, что они имеют полярность и работают адекватно в постоянном токе. Те что выше работают одинаково хорошо как в переменном так и в постоянном (а мы имеем дело именно с переменным). Китайцы очень любят ставить электролиты в дешевых системах отрезая ими пищалку. Отсюда вам бесплатный совет: просто заменив в своей дешевой акустике электролит на неполярный конденсатор той же емкости, вы можете сделать звук приятнее и интереснее)).

Стоят неполярные кондеры копейки. И тут снова вам совет. Барыги щас часто предлагают купить у них вместе с рупорными пищалками кондеры «спецом для звука и для этих пищей». У некоторых продавцов они стоят также копейки, а у некоторых цена кондера подрастает в разы! Возможно есть смысл воспользоваться их советом и услугами если вы не заморачиваетесь на таких тонкостях.

Остальным очень рекомендую заглянуть в радиомагазины и закупиться конденсаторами там. За те деньги, что вы у некоторых барыг бы отдали за пару, сможете набрать несколько пар кондеров в магазине. Более того, скажу, что именно так и нужно поступать в любом случае при постройке системы.

Очень рекомендую вам выписать из таблички выше номиналы всех рекомендуемых кондеров и купить каждого по паре.

Когда дело дойдет до настройке пищалок, вы подбором сможете на слух добиться нужного звука и при этом пищалки не будут перегружаться на высокой громкости.

Их перегруз, кстати, хорошо слышен. Пищалки начинают сильно песочить в уши, похрипывать и делать голоса неестественными. Я думаю многие читатели уже слышали такое у чотких пацанчиков с района.

Начинать подбор нужно ОТ МЕНЬШЕГО НОМИНАЛА КОНДЕСАТОРОВ К БОЛЬШЕМУ. Чем больше емкость конденсатора тем ниже он порежет вашу пищалку.

Номинал емкости конденсатора указан всегда на его корпусе, но иногда это сделано мудреным алгоритмом. Описывать я его не буду, он вам нафиг не нужен. Просто порекомендую попросить продавца в магазине разложить кондеры по разным кулечкам и подписать каждый.

Касаемо допустимого напряжения работы конденсаторов, то тут можно не париться. У неполярных кондеров напряжение допустимое измеряется порядками сотен вольт, и в вашей пищалке он будет работать с конским запасом по напряжению.

Остается упомянуть, что конденсатор необходимо устанавливать как можно ближе к пищалке. В идеале прям к демме подпаивать. При этом абсолютно не важно на какой из клемм будет висеть кондер. Хотя если начали вешать кондер на плюсовую клемму то вешайте на плюсовые и на всех остальных пищах.

Во многих конструкциях радиолюбители применяют бестрансформаторные блоки питания с гасящим конденсатором. Они привлекательны своей простотой, им не опасны замыкания выхода. Эти блоки, по существу, представляют собой источники тока, значение которого зависит от ёмкости гасящего конденсатора.

Оно не может быть превышено даже при коротком замыкании в нагрузке. Но по той же причине такие блоки нельзя включать в сеть при недостаточной нагрузке или вовсе без неё. В этих случаях напряжение на выходе блока резко возрастает и способно достичь амплитуды сетевого напряжения, в результате чего может быть пробит сглаживающий конденсатор выпрямителя. По той же причине возможен выход из строя и деталей устройства, которое питается от такого блока.

Поэтому блок питания с гасящим конденсатором без соответствующих мер защиты недопустимо включать в сеть без нагрузки. Но самый опасный недостаток блока питания с гасящим конденсатором — тяжёлые условия работы этого конденсатора, вследствие чего велика вероятность его пробоя с тяжёлыми последствиями. Поэтому необходима защита блока не только от недостаточной нагрузки, но и от последствий пробоя гасящего конденсатора. Подробно об особенностях блоков питания с гасящим конденсатором можно прочитать в статье .

Вариант блока питания с защитой от описанных выше ситуаций предложен в этой статье. В типовую схему добавлено всего несколько деталей, которые практически всегда есть под рукой. Проведённые эксперименты показали, что защита эффективна и при пробое гасящего конденсатора, и при отключении нагрузки или уменьшении потребляемого ею тока. Порог срабатывания защиты может быть легко установлен на любом уровне.

На рисунке изображена схема блока, который обеспечивает выходной ток примерно 120 мА при выходном напряжении до 130 В. Он предназначен для питания светильника из соединённых в последовательные и параллельные группы мощных светодиодов. Мне удалось подобрать симметричные динисторы VS1—VS4 так, что защита срабатывает при превышении выходным напряжением значения около 135 В. Идея использовать цепочку последовательно соединённых динисторов взята из статьи .

Тринистор VS5, резистор R3, динисторы VS1—VS4 и диод VD5 — элементы собственно защиты. Резистор R2 и плавкая вставка FU1 тоже выполняют защитные функции, но они обычно имеются в любом блоке питания с гасящим конденсатором независимо от того, применяется ли там предлагаемая защита или нет. Допустим, нагрузка отключилась. Например, перегорели светодиоды, питаемые от блока. Напряжение на выходе выпрямительного моста VD1—VD4 начинает расти.

При некотором его значении динисторы VS1—VS4 открываются, и проходящий по ним ток открывает тринистор VS5, который замыкает выход выпрямителя. Это повторяется в каждом полупериоде сетевого напряжения, не давая напряжению на конденсаторе С2 превысить допустимое значение. Диод VD5 защищает управляющий электрод тринистора VS5 от разрядного тока конденсатора С2, который без этого диода может быть довольно значительным и вывести из строя тринистор.

Если ёмкость гасящего конденсатора С1 невелика, ни резистор R2, ни плавкая вставка FU1 после срабатывания защиты не перегорят, и в таком состоянии блок может находиться очень долго. После восстановления нагрузки он возвратится в обычный рабочий режим. Но при большой ёмкости гасящего конденсатора перегорание резистора R2 возможно. В моём случае при ёмкости конденсатора С1 3,6 мкФ этот резистор перегорал.

После пробоя гасящего конденсатора напряжение на выходе выпрямителя также начинает расти, а когда оно достигает порога срабатывания защиты, симметричные динисторы VS1—VS4 и тринистор VS5 открываются. Это закорачивает выход выпрямителя, предохраняя от перенапряжения нагрузку. Но ток, протекающий через плавкую вставку FU1, резистор R2, диодный мост VD1—VD4 и тринистор VS5, будет ограничен лишь сопротивлением резистора R2, прямым сопротивлением р-n переходов двух выпрямительных диодов и сопротивлением анод—катод открытого тринистора VS5.

Естественно, ток в этой цепи значительно возрастёт, что вызовет перегорание резистора R2 и плавкой вставки FU1 (именно в такой последовательности, причём чаще всего вставка FU1 остаётся целой). Как показали многочисленные эксперименты, выпрямительные диоды и тринистор указанных на схеме типов выдерживают аварийный ток без повреждений.

Подключённый же к выходу блока питания контрольный светодиод остался цел после всех экспериментов с имитацией пробоя конденсатора, что свидетельствует о надёжности защиты нагрузки. Имейте в виду, что далеко не все конденсаторы могут работать в качестве гасящего (С1). Теоретически конденсатор в цепи переменного тока мощности не рассеивает. Но реально в диэлектрике, находящемся в сильном переменном электрическом поле, и в тонких обкладках, по которым протекает значительный ток, выделяется некоторое количество тепла.

Можно заранее проверить пригодность конденсатора для использования в качестве гасящего, просто включив его напрямую в электросеть и через полчаса оценив температуру корпуса. При этом следует соблюдать крайнюю осторожность, поскольку некоторые конденсаторы, даже рассчитанные на высокое напряжение постоянного тока, в таком режиме могут взорваться. Лучше всего на время проверки поместить конденсатор в прочный контейнер.

Если конденсатор успевает заметно разогреться, он непригоден для использования в качестве гасящего. Практически не нагреваются специальные конденсаторы для промышленных электроустановок, рассчитанные на большую реактивную мощность. На таких конденсаторах обычно указано допустимое не постоянное, а переменное напряжение. Их используют, например, в люминесцентных светильниках и в пускорегулирующих устройствах асинхронных электродвигателей. Пригодны также плёночные помехоподавляющие конденсаторы класса защиты Х2 на переменное напряжение 250 В и более.

Из “обычных” конденсаторов можно применять металлоплёночные К73-17 с номинальным постоянным напряжением не менее 630 В. Они выдерживают переменную составляющую приложенного к ним напряжения амплитудой примерно до 350 В. Приблизительно такой она становится при повышении эффективного значения напряжения в сети 230В на 10 %, что согласно действующему стандарту вполне возможно.

Применять такие конденсаторы на меньшее постоянное напряжение недопустимо. Например, конденсаторы К73-17 на 400В надёжно работают лишь при амплитуде переменного напряжения не более 280 В. О методике расчёта ёмкости гасящего конденсатора можно прочитать в статьях и . В последней приведены и рекомендации по выбору гасящих конденсаторов из ассортимента тогда доступных.

Я применил в описываемом блоке питания полипропиленовый конденсатор К78-22 от люминесцентного светильника, в котором он использовался для улучшения коэффициента мощности и включался для этого непосредственно в сеть. Он выдерживает переменное напряжение до 450В частотой 50 Гц.

Диоды 1N4007 можно заменить другими выпрямительными диодами или готовыми выпрямительными мостами с допустимым обратным напряжением не менее 800В, выдерживающими средний выпрямленный ток не менее 1 А и кратковременные импульсы тока амплитудой не менее 30 А.

Симметричные динисторы DB3 и DB4 допустимо комбинировать между собой в любом сочетании, набирая нужное напряжение срабатывания защиты. Напряжение открывания динисторов DB3 находится в пределах 28…36 В, а динисторов DB4 — 35…40 В. Для них допустим импульсный ток до 2 А, что вполне достаточно для надёжного открывания тринистора любого типа. Эти динисторы, а также диоды 1N4007 можно выпаять из электронных балластов КЛЛ.

Заменять упомянутые динисторы приборами серии КН102 нельзя. Они не выдерживают ток, необходимый для открывания тринистора КУ221Г. Тринистор КУ221Г устойчив к значительным кратковременным перегрузкам, допустимый импульсный ток в открытом состоянии у него — 100 А. Но можно применять и другие тринисторы. Главное, чтобы допустимое напряжение в закрытом состоянии было не менее 300 В, допустимый ток — не менее 10 А (кратковременно не менее 30 А). Подойдут, например, КУ202Л—КЛ202Н.

О резисторе R2 необходимо сказать особо. Понятно, что чем меньше допустимая рассеиваемая им мощность, тем быстрее он перегорит. Но эта мощность должна быть не меньше той, что выделяется на этом резисторе при нормальной работе блока питания, когда он не должен перегреваться и уж тем более перегорать. Если это условие не выполняется, следует применить резистор меньшего сопротивления либо с большей номинальной мощностью. Возможно, при уменьшенном сопротивлении резистора R2 потребуется и более мощный тринистор, ток через который при пробое гасящего конденсатора увеличится.

Интересно, что более чем в десятке проведённых экспериментов с имитацией пробоя конденсатора резистор R2 мощностью 0,25 Вт сгорал первым. Плавкая вставка FU1 на 0,5А перегорела всего один раз. Причём резисторы МЛТ именно сгорают с шипением, искрами и пламенем. Более современные резисторы перегорают с громким хлопком, внешне никак не изменяясь. Но для обеспечения пожаробезопасности на резистор R2 в любом случае необходимо надеть трубку из негорючего материала, например из стекловолокна. Такие трубки можно найти в утюгах и других электронагревательных приборах.

Для обеспечения безопасности при установке порога срабатывания защиты необходимо питать блок через разделительный трансформатор. Прежде всего, оцените потребное число динисторов. Для этого измерьте и запишите напряжение открывания каждого имеющегося динистора. Затем выберите из числа проверенных те, сумма напряжений открывания которых наиболее близка к требуемому порогу срабатывания защиты. Если в наличии много динисторов, выбрать из них нужные будет несложно. Для точной подгонки порога можно один из динисторов заменить одним или несколькими стабилитронами. После этого останется установить подобранные детали на плату блока питания и проверить её в работе.

Для проверки подключите собранный блок без нагрузки к автотрансформатору, выходное напряжение которого предварительно установите равным нулю. К выходу блока подключите вольтметр. Затем медленно повышайте напряжение на выходе автотрансформатора. Поскольку блок питания работает без нагрузки, напряжение на его выходе будет близким к амплитуде входного и расти вместе с ним.

Когда оно сравняется с порогом защиты, она сработает, и показания вольтметра перестанут расти. Этот момент будет легко зафиксировать по увеличению громкости гудения автотрансформатора. Нужно убедиться, что резистор R2 не перегорит при этом состоянии блока питания даже при максимально возможном напряжении в сети.

Рекомендую несколько раз включить блок питания в сеть без нагрузки, а затем с закороченным гасящим конденсатором, чтобы удостовериться в надёжном срабатывании защиты в обоих случаях, а также в пожаробезопасном сгорании резистора R2 при пробое конденсатора. Несколькими сгоревшими резисторами ради безопасности стоит пожертвовать.

Искрогасящие цепи

Влияние дуговых разрядов на стабильность работы контактов реле столь велико, что для инженера знание основ расчета и применения защитных схем является просто обязательным условием.

Искрогасящие цепи

Для уменьшения повреждения контактов дуговыми разрядами применяются:

  1. специальные реле с большими контактными промежутками (до 10 мм и более) и высокой скоростью выключения, обеспечиваемой сильными контактными пружинами;
  2. магнитный обдув контактов, реализуемый установкой постоянного магнита или электромагнита в плоскости контактного промежутка. Магнитное поле препятствует появлению и развитию дуги и эффективно оберегает контакты от обгорания;
  3. искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.

Первые два способа гарантируют высокую надежность за счет конструктивных мер при разработке реле. Внешних элементов защиты контактов при этом обычно не требуется, но специальные реле и магнитный обдув контактов достаточно экзотичны, дороги и отличаются большими размерами и солидной мощностью катушки (у реле с большим расстоянием между контактами сильные контактные пружины).

Промышленная электротехника ориентируется на недорогие стандартные реле, поэтому применение искрогасящих цепей является наиболее распространенным способом гашения дуговых разрядов на контактах.

Рис. 1. Эффективная защита существенно продлевает жизнь контактов:

Теоретически для гашения дуги можно использовать многие физические принципы, но на практике находят применение следующие эффективные и экономичные схемы:

  1. RС-цепи;
  2. обратные диоды;
  3. варисторы;
  4. комбинированные схемы, например, варистор + RС-цепь.

Защитные цепи можно включать:

  1. параллельно индуктивной нагрузке;
  2. параллельно контактам реле;
  3. параллельно контактам и нагрузке одновременно.

На рис. 1 показано типовое включение защитных схем при работе на постоянном токе.

Диодная схема (только для цепей постоянного тока)

Самая дешевая и широко применяемая схема для подавления напряжения самоиндукции. Кремниевый диод включается параллельно индуктивной нагрузке, при замыкании контактов и в установившемся режиме не оказывает никакого воздействия на работу схемы. При отключении нагрузки возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку.

Не следует считать, что диод ограничивает обратное напряжение на уровне прямого падения напряжения, равного 0,7-1 В. Вследствие конечного внутреннего сопротивления падение напряжения на диоде зависит от тока через диод. Мощные индуктивные нагрузки способны развивать импульсные токи самоиндукции до десятков ампер, что для мощных кремниевых диодов соответствует падению напряжения около 10-20 В. Диоды исключительно эффективно устраняют дуговые разряды и предохраняют контакты реле от обгорания лучше, чем любые другие схемы искрогашения.

Правила выбора обратного диода:

  1. рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для нагрузок с рабочим напряжением до 250 ѴDС и рабочим током до 5 А вполне подходит распространенный кремниевый диод 1N4007 с обратным напряжением 1000 ѴDС и максимальным импульсным током до 20 А;
  2. выводы диода должны быть как можно короче;
  3. диод следует припаивать (привинчивать) непосредственно к индуктивной нагрузке, без длинных соединительных проводов – это улучшает ЭМС при процессах коммутации.

Достоинства диодной схемы:

  1. дешевизна и надежность;
  2. простой расчет;
  3. предельно достижимая эффективность.

Недостатки диодной схемы:

  1. диоды увеличивают время выключения индуктивных нагрузок в 5-10 раз, что очень нежелательно для нагрузок типа реле или контакторов (контакты размыкаются медленнее, что способствует их обгоранию), при этом диодная защита работает только в цепях постоянного тока.

Если последовательно с диодом включить ограничительное сопротивление, то влияние диодов на время выключения уменьшается, но дополнительные резисторы обуславливают более высокие обратные напряжения, чем только защитные диоды (на резисторе падает напряжение согласно закону Ома).

Стабилитроны (для цепей переменного и постоянного тока)

Вместо диода параллельно нагрузке устанавливается стабилитрон, а для цепей переменного тока два встречно-последовательно включенных стабилитрона. В такой схеме обратное напряжение ограничивается стабилитроном до напряжения стабилизации, что несколько снижает влияние искрозащитной цепи на время выключения нагрузки.

Учитывая внутреннее сопротивление стабилитрона, обратное напряжение на мощных индуктивных нагрузках будет больше напряжения стабилизации на величину падения напряжения на дифференциальном сопротивлении стабилитрона.

Выбор стабилитрона для схемы защиты:

  1. выбирается желаемое напряжение ограничения;
  2. выбирается необходимая мощность стабилитрона с учетом пикового тока, развиваемого нагрузкой при возникновении напряжения самоиндукции;
  3. проверяется истинное напряжение ограничения – для этого желателен эксперимент, а при измерении напряжения удобно пользоваться осциллографом.

Достоинства стабилитронов:

  1. меньше задержка выключения, чем в диодной схеме;
  2. стабилитроны можно применять в цепях любой полярности;
  3. стабилитроны для маломощных нагрузок дешевы;
  4. схема работает на переменном и постоянном токе.

Недостатки стабилитронов:

  1. меньше эффективность, чем в диодной схеме;
  2. для мощных нагрузок требуются дорогие стабилитроны;
  3. для очень мощных нагрузок схема со стабилитронами технически нереализуема.

Варисторная схема (для цепей переменного и постоянного тока)

Металл-оксидный варистор имеет вольт-амперную характеристику, похожую на биполярный стабилитрон. До момента приложения к выводам напряжения ограничения варистор практически отключен от схемы и характеризуется только микроамперными токами утечки и внутренней емкостью на уровне 150-1000 пФ. При увеличении напряжения варистор начинает плавно открываться, шунтируя своим внутренним сопротивлением индуктивную нагрузку.

При очень небольших размерах варисторы способны отводить большие импульсные токи: для варистора диаметром 7 мм разрядный ток может быть равен 500-1000 А (длительность импульса менее 100 мкс).

Расчет и монтаж варисторной защиты:

  1. задаются безопасным напряжением ограничения на индуктивной
    нагрузке;
  2. рассчитывается или измеряется ток, отдаваемый индуктивной нагрузкой при самоиндукции, для определения требуемого тока варистора;
  3. по каталогу подбирается варистор на требуемое напряжение ограничения, при необходимости варисторы можно устанавливать последовательно для подбора нужного напряжения;
  4. необходимо проверить: варистор должен быть закрыт во всем диапазоне рабочих напряжений на нагрузке (ток утечки менее 10-50 мкА);
  5. варистор необходимо монтировать на нагрузке по правилам, указанным для диодной защиты.

Достоинства варисторной защиты:

  1. варисторы работают в цепях переменного и постоянного тока;
  2. нормированное напряжение ограничения;
  3. незначительное влияние на задержку выключения;
  4. варисторы дешевы;
  5. варисторы идеально дополняют защитные RС-цепи при работе с высокими напряжениями на нагрузке.

Недостаток варисторной защиты:

  1. при применении только варисторов защита контактов реле от электрической дуги существенно хуже, чем в диодных цепях.

RС-цепи (для постоянного и переменного тока)

В отличие от диодных и варисторных схем RС-цепи можно устанавливать как параллельно нагрузке, так и параллельно контактам реле. В некоторых случаях нагрузка физически недоступна для монтажа на ней искрогасящих элементов, и тогда единственным способом защиты контактов остается шунтирование контактов RС-цепями.

В основе принципа действия RС-цепи лежит тот факт, что напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно. Напряжение самоиндукции носит импульсный характер, причем фронт импульса для типичных электротехнических устройств имеет длительность на уровне 1 мкс. При приложении такого импульса к RС-цепи напряжение на конденсаторе начинает возрастать не мгновенно, а с постоянной времени, определяемой значениями R и С.

Если считать внутреннее сопротивление источника питания равным нулю, то подключение RС-цепи параллельно нагрузке эквивалентно включению RС-цепи параллельно контактам реле. В этом смысле принципиального различия в установке элементов искрогасящей цепочки для разных схем включения нет.

RС-цепь параллельно контактам реле

Конденсатор (см. рис. 2) при размыкании контактов реле начинает заряжаться. Если время заряда конденсатора до напряжения зажигания дуги на контактах выбирается большим, чем время расхождения контактов на расстояние, при котором дуга не может возникнуть, то контакты полностью защищены от появления дуги. Этот случай идеален и на практике маловероятен. В реальных случаях RС-цепь помогает при размыкании цепи поддерживать на контактах реле низкое напряжение и тем самым ослаблять влияние дуги.

Рис. 2. защитные элементы можно включить как параллельно контактам, так и параллельно нагрузке:

При включении только одного конденсатора параллельно контактам реле схема защиты тоже в принципе работает, но разряд конденсатора через контакты реле при их замыкании приводит к броску тока через контакты, что нежелательно. RС-цепь в этом смысле оптимизирует все переходные процессы как при замыкании, так и при размыкании контактов.

Расчет RС-цепи

Проще всего пользоваться универсальной номограммой, показанной на рис. 3. По известным напряжению источника питания U и току нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RС-цепи.

Рис. 3. Самая удобная и точная номограмма для определения параметров защитной RС цепи (а этому графику уже более 50 лет!)

Выбор конденсатора и резистора RС-цепи

Конденсатор следует применять только с пленочным или бумажным диэлектриком, керамические конденсаторы для высоковольтных искрозащитных цепей непригодны. При выборе резистора необходимо помнить, что на нем при переходном процессе рассеивается большая мощность. Можно рекомендовать применять для RС-цепей резисторы мощностью 1-2 Вт, причем обязательно следует проверить, рассчитан ли резистор на высокое импульсное напряжение самоиндукции. Лучше всего применять проволочные резисторы, но хорошо работают и металлопленочные или углеродные с заливкой керамическими компаундами.

Достоинства RC-цепи:

  1. хорошее гашение дуги;
  2. отсутствие влияния на время выключения индуктивной нагрузки.

Особенности RC-цепи: необходимость применения высококачественных конденсатора и резистора. В целом же применение RC-цепей всегда экономически оправдано.

При установке искрогасящей цепи параллельно контактам на переменном токе при разомкнутых контактах реле через нагрузку будет протекать ток утечки, определяемый импедансом RС-цепи. Если нагрузка не допускает протекания тока утечки или это нежелательно по схемотехническим соображениям и в целях безопасности персонала, то необходимо устанавливать RС-цепь параллельно нагрузке.

Комбинация RС-цепи и диодной схемы

Такая схема (иногда называемая DRС-цепью) предельна по своей эффективности и позволяет свести к нулю все нежелательные эффекты от воздействия электрической дуги на контакты реле.

Достоинства DRC-цепи:

  1. электрический ресурс реле приближается к своему теоретическому пределу.

Недостатки DRC-цепи:

  1. диод вызывает значительную задержку выключения индуктивной нагрузки.

Комбинация RС-цепи и варистора

Если вместо диода установить варистор, то схема по параметрам будет идентична обычной RС-искрогасящей цепи, но ограничение варистором величины напряжения самоиндукции на нагрузке позволяет применять менее высоковольтные и более дешевые конденсатор и резистор.

RС-цепь параллельно нагрузке

Применяется там, где нежелательна или невозможна установка RС-цепи параллельно контактам реле. Для расчета предлагаются следующие ориентировочные значения элементов:

  1. С = 0,5-1 мкФ на 1 А тока нагрузки;
  2. R = 0,5-1 Ом на 1 В напряжения на нагрузке;
  3. R = 50-100% от сопротивления нагрузки.

После расчета номиналов R и С необходимо проверить возникающую при этом дополнительную нагрузку контактов реле при переходном процессе (заряде конденсатора), как это было описано выше.

Приведенные значения R и С не являются оптимальными. Если требуется максимально полная защита контактов и реализация максимального ресурса реле, то необходимо провести эксперимент и опытным путем подобрать резистор и конденсатор, наблюдая переходные процессы с помощью осциллографа.

Достоинства RC-цепи параллельно нагрузке:

  1. хорошее подавление дуги;
  2. нет токов утечки в нагрузку через разомкнутые контакты реле.

Недостатки:

  1. при токе нагрузки более 10 А большие значения емкости приводят к необходимости установки относительно дорогих и больших по габаритам конденсаторов;
  2. для оптимизации схемы желательна экспериментальная проверка и подбор элементов.

На фотографиях показаны осциллограммы напряжения на индуктивной нагрузке в момент размыкания питания без шунтирования (рис. 4) и с установленной RСЕ цепью (рис. 5). Обе осциллограммы имеют вертикальный масштаб 100 вольт/деление.

Рис. 4. Правильно подобранная защитная RСЕ цепочка полностью устраняет переходный процесс

Рис. 5. Отключение индуктивной нагрузки вызывает очень сложный переходный процесс

Специального комментария здесь не требуется, эффект от установки искрогасящей цепи виден сразу. Бросается в глаза процесс генерации высокочастотной высоковольтной помехи в момент размыкания контактов.

Фотографии взяты из университетского отчета по оптимизации RС-цепей, установленных параллельно контактам реле. Автор отчета провел сложный математический анализ поведения индуктивной нагрузки с шунтом в виде RС-цепи, но в итоге рекомендации по расчету элементов были сведены к двум формулам:

С = І2/10

где С – емкость RС-цепи, мкФ; I – рабочий ток нагрузки, А;

R = Ео/(10І(1 + 50/Ео))

где Ео – напряжение на нагрузке; В, I – рабочий ток нагрузки, А; R – сопротивление RС-цепи, Ом.

Проверим расчет: рассчитать RС-цепь для индуктивной нагрузки с рабочим током I = 1 А и напряжением источника питания Ео = 220 ѴAС.

Ответ: С = 0,1 мкФ, R = 20 Ом. Эти параметры отлично согласуются с номограммой, приведенной ранее.

В заключение познакомимся с таблицей из этого же отчета, где приведены практически измеренные напряжение и время задержки для различных искрогасящих цепей. В качестве индуктивной нагрузки служило электромагнитное реле с напряжением катушки 28 ѴDС/1 W, искрогасящая цепь устанавливалась параллельно катушке реле.

Индуктивные нагрузки и электромагнитная совместимость (ЭМС)

Требования ЭМС являются обязательным условием работы электротехнического оборудования и понимаются как:

  1. способность оборудования нормально работать в условиях воздействия мощных электромагнитных помех;
  2. свойство не создавать при работе электромагнитные помехи более предписанного стандартами уровня.

Реле малочувствительно к высокочастотным помехам, но присутствие мощных электромагнитных полей вблизи катушки реле влияет на напряжение включения и выключения реле. При установке реле рядом с трансформаторами, электромагнитами и электродвигателями обязательно требуется экспериментальная проверка правильности срабатывания и выключения реле. При установке большого количества реле вплотную на одной монтажной панели или на печатной плате также имеется взаимовлияние работы одного реле на напряжение включения и выключения остальных реле. В каталогах иногда даются указания на минимальное расстояние между однотипными реле, гарантирующие их нормальную работу. При отсутствии таких указаний можно пользоваться эмпирическим правилом, по которому расстояние между центрами катушек реле должно быть не менее 1,5 от величины их диаметра. При необходимости плотного монтажа реле на печатной плате требуется опытная проверка взаимовлияния реле.

Электромагнитное реле может создавать мощные помехи, особенно при работе с индуктивными нагрузками. Показанный на рис. 4 высокочастотный сигнал является мощной помехой, способной повлиять на нормальную работу чувствительного электронного оборудования, работающего рядом с реле частота помехи колеблется от 5 до 50 МГц, а мощность этой помехи составляет несколько сотен мВт, что совершенно недопустимо по современным нормам ЭМС. Искрогасящие цепи позволяют довести уровень помех от релейного оборудования до предписываемого стандартами безопасного уровня.

Применение реле в заземленных металлических корпусах положительно сказывается на ЭМС, но необходимо помнить, что при заземлении металлического корпуса у большинства реле снижается напряжение изоляции между контактами и катушкой.

Изоляция между контактами реле

Между разомкнутыми контактами реле имеется промежуток, зависящий от конструкции реле. Воздух в промежутке (или инертный газ для газонаполненных реле) выполняет роль изолятора. Предполагается, что изолирующие материалы корпуса и контактной группы реле характеризуются более высокими пробивными напряжениями, чем воздух. При отсутствии загрязнений между контактами рассмотрение изоляционных свойств контактных групп можно ограничить свойствами только воздушного зазора.

На рис. 6 (немного ниже в статье) показана зависимость пробивного напряжения от величины расстояния между контактами реле. В каталогах можно найти несколько вариантов значений предельного напряжения между контактами, а именно:

  1. предельное значение постоянно приложенного к двум контактам напряжения;
  2. импульсное значение напряжения изоляции (surge voltage);
  3. предельное значение напряжения между контактами в течение определенного времени (обычно 1 минута, за это время ток утечки не должен превысить 1 или 5 мА при указанной величине напряжения).

Если речь идет об импульсном напряжении изоляции, то импульс представляет собой стандартный тестовый сигнал ІЕС-255-5 с временем нарастания до пикового значения 1,2 мкс и временем спада до 50% амплитуды 50 мкс.

Рис. 6. Чем контакты реле дальше друг от друга, тем пробивное напряжение выше: но при этом выше и надежность реле

Если разработчику необходимо реле с особыми требованиями к изоляции контактов, то получить информацию о соответствии этим требованиям можно либо у фирмы-производителя, либо путем проведения самостоятельного тестирования. В последнем случае необходимо помнить, что производитель реле не будет нести ответственности за полученные таким способом результаты измерений.

Материалы для контактов реле

От материала контактов зависят такие параметры самих контактов и реле в целом, как:

  1. нагрузочная способность по току, то есть способность эффективного отвода тепла от точки контакта;
  2. возможность коммутации индуктивных нагрузок;
  3. переходное сопротивление контакта;
  4. предельная температура окружающей среды при эксплуатации;
  5. устойчивость материала контактов к миграции, особенно при коммутации индуктивных нагрузок на постоянном токе;
  6. устойчивость материала контактов к испарению. Испаряющийся металл поддерживает развитие электрической дуги и ухудшает изоляцию при осаждении металла на изоляторы контактов и корпус реле;
  7. устойчивость контактов к механическому износу;
  8. эластичность контактов для поглощения кинетической энергии и предотвращения чрезмерного дребезга;
  9. устойчивость металла контактов к воздействию корродирующих газов из окружающей среды.

Рис. 7. Каждый материал рассчитан на работу контактов в определенном диапазоне токов, но может с осторожностью применяться и для коммутации слабых сигналов

Некоторые полезные качества материалов не исключают друг друга, например, хорошие проводники тока всегда обладают высокой теплопроводностью. При этом хорошие проводники с низким удельным сопротивлением обычно слишком мягкие и легко поддаются износу.

Температура плавления выше у специальных контактных сплавов (например, AgNi или AgSnO), но такие материалы совсем не подходят для коммутации микротоков.

В итоге разработчик реле останавливается на определенном компромиссе между качеством, ценой и габаритами реле. Этот компромисс привел к стандартизации областей применения различных контактов реле, как показано на рис. 7. Области применения различных материалов для контактов достаточно условны, но разработчик должен понимать, что при работе контактов на границе «выделенного» для них диапазона токов и напряжений может потребоваться экспериментальная проверка надежности такого применения. Эксперимент очень прост и заключается в измерении переходного сопротивления контактов для партии однотипных реле, причем желательно тестировать не только что сошедшие с конвейера реле, а прошедшие транспортировку и полежавшие некоторое время на складе. Оптимальным сроком «вылеживания» на складе является 3-6 месяцев, за это время нормализуются процессы старения в пластиках и соединениях металлпластик.

Гасящий конденсатор

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *