Сравнение цепей переменного и постоянного тока

Если мы хотим предохранить контакт от разрушения, то дугу, как только она возникнет, необходимо быстро прервать, чтобы свести к минимуму ущерб, наносимый ею контакту. Если разряд прервать недостаточно быстро, часть металла перейдет с одного контакта на другой. Вызываемые дугой разрушения пропорциональны ее энергии, т. е. произведению напряжения, тока и времени.

Чем выше напряжение, приложенное к контактам, тем труднее прервать дугу. В условиях дугообразования контактная группа должна выдерживать паспортное (номинальное) значение вольт-ампер при напряжении, равном или меньшем номинального.

Контактная группа обычно выдерживает намного большее переменное напряжение, чем постоянное. Причины этого заключаются в следующем:

1. Среднее значение переменного напряжения меньше его действующего значения.

2. В период, когда напряжение не превышает 10 – 15 В, возникновение дуги маловероятно.

3. Вследствие изменения полярности каждый контакт попеременно служит анодом и катодом.

4. При переходе напряжения через ноль дуга гаснет.

В результате, например, контакты, рассчитанные на 30 В постоянного напряжения, будут работать при переменном напряжении до 115 В. У цепей переключения переменного тока имеется, однако, один недостаток, заключающийся в том, что в них намного труднее обеспечить соответствующие цепи защиты контактов там, где они требуются.

Материал контактов

Ни один материал не может одинаково хорошо работать и при нулевых токах (обесточенная цепь), и при больших значениях тока. Палладий хорошо подходит для сильноточных цепей в условиях, вызывающих эрозию контактов. Серебро и кадмиевое серебро хорошо работают в сильноточных цепях, но в отсутствие дугового разряда могут работать плохо. Золото и сплавы золота рекомендуется использовать в условиях слаботочных или почти обесточенных (например, компенсационных) цепей, однако большие токи вызывают у них сильную эрозию.

Многие так называемые реле общего назначения, имеющиеся в продаже, рассчитаны на токи до 2 А. Их контакты изготавливаются обычно из таких материалов, как позолоченные серебро или палладий, которые хорошо работают при большой нагрузке. При использовании в слаботочной цепи сопротивление контактов остается малым, что обусловлено наличием позолоченного покрытия.

При пропускании сильного тока это покрытие за несколько первых переключений выжигается, и остается только материал контакта, выдерживающий большие токовые нагрузки. По этой причине реле общего назначения, которое было использовано в сильноточной цепи, уже не пригодно для работы с малыми токами.

Иногда при покрытии серебра золотом возникает следующая проблема: серебро мигрирует сквозь золото и образует на поверхности контакта высокоомную пленку (сульфид серебра). Это может привести к нарушению контакта вследствие высокого сопротивления поверхностной пленки.

Нагрузки, создающие большие всплески тока (лампы накаливания, электродвигатели и емкостные нагрузки) при замыкании контактов потребляют намного больший ток, чем в установившемся режиме. Например, как показано на рис.3, начальный ток в нити лампы накаливания может в 10 – 15 раз превышать номинальный ток. Обычно при использовании контактов с нагрузкой в виде ламп накаливания номинальным считается ток, составляющий всего лишь 20% тока, который они пропускают в резистивную нагрузку. Емкостные нагрузки также могут потреблять исключительно большие начальные токи. Зарядный ток конденсатора ограничен только последовательным сопротивлением внешней цепи.

Для двигателей типичным является потребление начального тока, в 5–10 раз превышающего ток при установившемся режиме. Кроме того, индуктивность двигателя в момент прерывания тока вызывает генерацию высокого напряжения (индуктивный бросок), а также дуговой разряд. Поэтому двигатели трудно коммутировать, так как в данном случае разрушение контактов происходит как при замыкании, так и при размыкании.

Чтобы предохранить контакт, используемый в цепи с большим начальным током, последний необходимо ограничить. Включение с этой целью последовательно с контактами резистора не всегда возможно, так как он ограничивает также и ток в установившемся режиме.

Если резистор не подходит, для ограничения начального тока можно применить катушку индуктивности с малым сопротивлением постоянному току. В некоторых случаях достаточное ограничение начального тока без воздействия на ток в установившемся режиме могут обеспечить ферритовые кольца, надетые на подводящие провода контактов.

Иногда может потребоваться переключаемый токоограничивающий резистор, включенный, как показано на рис.4. Здесь параллельно емкостной нагрузке включено реле с нормально-разомкнутыми контактами, шунтирующими токоограничивающий резистор. При замыкании переключателя зарядный ток конденсатора ограничивается резистором R. Когда напряжение на конденсаторе становится достаточным для срабатывания реле, нормально-разомкнутые контакты замыкаются, шунтируя токоограничивающий резистор.

Другой проблемой, связанной с замыкающимися контактами, является дребезг. После того, как контакты соприкоснутся, они могут опять разомкнуться и разорвать цепь У некоторых типов контактов это может повторяться до десяти и более раз, и каждый раз контакты замыкают и разрывают цепь с током. Возникающий при этом повторяющийся дуговой разряд может не только нарушать работоспособность схемы, но также вызывать значительно большие, чем обычно, повреждения контактов и высокочастотное излучение.

Индуктивные нагрузки

Напряжение на индуктивности L определяется уравнением .Это выражение объясняет, почему при резком выключении тока в катушке индуктивности возникает большое напряжение переходного процесса. Скорость изменения тока dI/dt становится при этом большой и отрицательной, давая в результате большой обратный «всплеск» переходного, или индуктивного, напряжения. Теоретически, если бы ток уменьшался от некоторого конечного значения до нуля мгновенно, наведенное напряжение равнялось бы бесконечности. Однако в действительности этого не происходит из-за наличия дугового разряда между контактами и из-за емкости цепи.

Тем не менее, наведенные напряжения бывают очень велики. Подавление больших индуктивных переходных напряжений состоит в минимизации величины dI/dt. При внезапном выключении тока генерация напряжений 500–5000 В индуктивной нагрузкой, работающей с питанием от источника постоянного напряжения 26 В, – совершенно обычное явление.

На рис.5 показана форма возникающего при этом на индуктивности напряжения. Если не осуществлена соответствующая защита контактов, то высокое напряжение, создаваемое при разрыве контактами цепи тока с индуктивной нагрузкой, вызывает их постепенное разрушение, а также является источником излучаемых и наведенных шумов. В этих условиях большая часть накопленной в индуктивности энергии рассеивается в дуге, приводя к сильному повреждению контактов.

Механизм возникновения повреждений в контактной группе с индуктивной нагрузкой можно показать на примере цепи на рис.6. Здесь батарея подключена к индуктивной нагрузке через контакты переключателя. Предполагается, что нагрузка имеет пренебрежимо малое активное сопротивление. На практике такая ситуация возникает при нагрузке, например, в виде низкоомного двигателя постоянного тока. Ток в установившемся режиме ограничивается э.д.с. самоиндукции двигателя, а не сопротивлением цепи.

Пусть переключатель размыкается в момент, когда через индуктивность протекает ток I ₀. Энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности, равна .Что произойдет с этой энергией при размыкании переключателя? Если пренебречь активным сопротивлением цепи, вся энергия должна рассеяться в образующейся между контактами дуге. Переключатель, применяемый в такой схеме, без схемотехнической защиты долго работать не может.

Принципы защиты контактов

На рис.7 в виде соотношений напряжение – расстояние представлены условия, необходимые для пробоя между контактами. Показана кривая напряжения, вызывающего возникновение тлеющего разряда, а также минимальное напряжение, требуемое для его поддержания. Показана также напряженность поля (0.5 МВ/см, прямая линия), которое необходимо для создания дугового разряда.

На этой же фигуре указано минимальное напряжение, которое требуется для поддержания дугового разряда. Жирная линия представляет собой, таким образом, результирующие условия возникновения пробоя между контактами. Ниже и правее этой кривой расположено поле условий, при которых пробой не возникает, в то время как выше и левее кривой выполняются условия, когда наблюдается пробой между контактами.

Наиболее наглядным представлением информации о пробое является график зависимости напряжения пробоя от времени, а не от расстояния. Это преобразование можно выполнить, используя скорость разделения (размыкания) контактов.

Типичная суммарная характеристика пробоя как функция времени представлена на рис.8. Для исключения пробоя между контактами необходимо выполнить два требования:

1. Для предотвращения тлеющего разряда напряжение между контактами не должно превышать 300 В.

2. Необходимо поддерживать начальную скорость увеличения напряжения между контактами ниже значения, необходимого для получения дугового разряда (для большинства контактов достаточна скорость 1 В/мкс).

Если в конкретной схеме исключить пробой между контактами не представляется возможным, следует не допускать его самоподдержания. Обычно для этого схему преобразуют таким образом, чтобы величина тока всегда была меньше значения тока, необходимого для поддержания пробоя.

Чтобы определить, может ли возникнуть пробой в данном конкретном случае, необходимо знать, какое напряжение выделяется на разомкнутых контактах. Затем это напряжение сравнивается с характеристиками пробоя рис.8: если напряжение между контактами выше кривой, между контактами имеет место пробой.

На рис.9 показана индуктивная нагрузка, подключенная к батарее через ключ.Напряжение, которое выделилось бы на контактах размыкающегося ключа в отсутствие пробоя называется «гипотетическим напряжением» цепи. Ход гипотетического напряжения для цепи, представленной на рис.9, показан на рис.10, где I ₀ ток, протекающий через индуктивность в момент размыкания ключа, а С – паразитная емкость монтажа.

На рис.11 гипотетическое напряжение цепи (рис.10) дается в сравнении с характеристикой контактного пробоя (рис.8). На временном промежутке от t ₁ до t ₂это напряжение лежит выше кривой пробоя, и поэтому в течение указанного отрезка времени будет наблюдаться пробой.

Зная, что пробой имеет место, рассмотрим более детально, что происходит, когда контакты на рис.9 размыкаются. При размыкании ключа магнитное поле индуктивности стремится поддержать ток I ₀. Поскольку этот ток не может проходить через ключ, он течет через паразитную емкость С. При этом конденсатор заряжается, и напряжение на нем, как показано на рис.12, возрастает с начальной скоростью I ₀/ С. Как только это напряжение пересечет кривую пробоя, между контактами возникнет дуга. Если при этом ток, который может протекать в цепи, будет меньше минимального тока дугового разряда I _д.мин, то дуга будет существовать только в течение времени, достаточного для того, чтобы емкость С разрядилась до напряжения, меньшего, чем I _д.мин.

После разряда конденсатора С ток вновь его заряжает, и процесс повторяется до тех пор, пока напряжение не превысит напряжения тлеющего разряда (точка А на рис.12). В этой точке возникает тлеющий разряд. Если при этом ток меньше необходимого для поддержания тлеющего разряда, последний будет длиться только до тех пор, пока напряжение не упадет ниже минимального напряжения его горения U _у. Этот процесс повторяется до момента t ₁, после чего напряжение становится недостаточным для создания пробоя.

Если в любой момент времени ток в цепи превысит минимальный дуговой ток I _д.мин, возникает устойчивая дуга, которая будет длиться до тех пор, пока напряжение или ток не станет меньше минимальных значений напряжения или тока тлеющего разряда. На рис.13 показана кривая напряжения для случая, когда ток получается достаточным для поддержания тлеющего разряда, но недостаточным для дугового.

Включив параллельно паразитной емкостидостаточно большой навесной конденсатор, можно уменьшить пиковое напряжение и начальную скорость нарастания напряжения между контактами до значений, при которых дуговой разряд не возникает. Кривая напряжения для этого случая показана на рис.14. Однако такое включение конденсатора разрушает контакты при их замыкании из-за большого зарядного тока конденсатора.

Электрические колебания, возникающие в резонансной цепи на рис.9 при размыкании контактов, могут стать источником высокочастотных помех для близко расположенного оборудования. Эти колебания можно исключить, если величины сопротивления и емкости в резонансной цепи достаточны для того, чтобы затухание было выше критического.