Подавление переходных процессов при индуктивных нагрузках

Чтобы защитить контакты, переключающие индуктивные нагрузки и минимизировать излучаемые и наведенные помехи, необходимо параллельно индуктивности или (и) контактам включать цепи защиты. В некоторых случаях они одинаково эффективны при подключении как к нагрузке, так и к контактам. В больших системах нагрузку может переключать не одна пара контактов, а несколько, и в этом случае более экономично подключение цепей защиты к нагрузке, а не к каждой контактной группе.

В раде случаев цепи защиты следует ставить как на индуктивную нагрузку, так и на контакты, чтобы в достаточной мере устранить помехи и защитить контакты. В других случаях степень применяемой защиты ограничивается функциональными требованиями. Например, цепи защиты, подключаемые к катушке реле, увеличивают время отпускания. В этом случае цепь защиты должна отвечать компромиссу между выполнением функциональных требований и обеспечением должной защиты контактов, переключающих реле.

С точки зрения уменьшения помех желательно обеспечить как можно большее подавление переходных процессов в источнике помех (в данном случае – в катушке индуктивности). В большинстве случаев это обеспечивает достаточную защиту и для контактов. Если же это не так, может понадобиться дополнительная защита контактов.

Точное определение параметров элементов цепи защиты контактов затруднительно. Для такого расчета требуются данные, которых разработчик схемы обычно не знает Это, например, индуктивность и емкость соединительных проводов и скорость размыкания контактов. Приводимые ниже выражения для упрощенного расчета являются отправными, и во многих случаях они позволяют получить цепи, обеспечивающие приемлемую защиту контактов. Следует, однако, провести опытные проверки, чтобы убедиться в эффективности защитной цепи для предполагаемого применения.

На рис.15 показаны схемы с шестью видами цепей, которые обычно ставят параллельно обмотке реле или другой индуктивности для минимизации напряжения переходного процесса, возникающего при разрыве токовой цепи. На рис.15, а параллельно индуктивности включен резистор. При размыкании ключа индуктивность возбуждает ток, который после размыкания контактов проходит через резистор. Таким образом, амплитуда переходного напряжения с увеличением сопротивления возрастает, однако она ограничена произведением тока в установившемся режиме на сопротивление. Если R сделать равным сопротивлению нагрузки, переходное напряжение будет ограничено величиной, равной напряжению питания. В этом случае между контактами будет приложено напряжение питания плюс наведенное в катушке напряжение, т. е. удвоенное напряжение питания.

Эта схема очень расточительна по мощности, так как всякий раз, когда в нагрузку проходит ток, он ответвляется и в резистор. Если R равно сопротивлению нагрузки, на этом резисторе в установившемся режиме будет рассеиваться такая же мощность, как и на нагрузке.

Другая конфигурация защитной цепи показана на рис.15,б, где параллельно индуктивности включен варистор (резистор, управляемый напряжением). Когда напряжение на варисторе мало, его сопротивление велико, а когда напряжение на нем велико, сопротивление мало. Этот прибор работает так же, как и резистор на рис.15, а, за исключением того, что мощность, рассеиваемая на варисторе, при прохождении в цепи тока уменьшается.

На рис.15, в показана более совершенная схема, в которой параллельно индуктивности подключены последовательно соединенные резистор и конденсатор. Эта цепь не потребляет мощности при прохождении постоянного тока через катушку индуктивности. Когда контакты размыкаются, конденсатор в начальный момент действует как короткозамкнутая цепь, отводя через резистор ток, возникающий в индуктивности.

На рис.15, г параллельно индуктивности включен полупроводниковый диод. Полярность его включения такова, что, когда в схеме проходит ток, диод закрыт. Однако при размыкании контактов напряжение на индуктивности имеет полярность, обратную той, которая создается батареей. Это напряжение смещает диод в прямом направлении, и он ограничивает переходное напряжение на индуктивности до очень малой величины (прямого падения напряжения на диоде плюс падение напряжения на сопротивлении в цепи диода). Поэтому напряжение на размыкающихся контактах приблизительно равно напряжению питания Данная схема очень эффективно подавляет напряжение переходного процесса. Однако время, необходимое для уменьшения тока в индуктивности до нуля, здесь больше, чем в любой из предыдущих схем, что может нарушить правильное функционирование схемы.

Например, если индуктивность представляет собой реле, его время отпускания увеличивается. Чтобы уменьшить время отпускания, последовательно с диодом (фиг.15, г) можно включить небольшое сопротивление, но при этом возрастет напряжение переходного процесса. Диод должен выдерживать напряжение, превышающее максимальное напряжение питания, а максимально допустимый ток диода должен быть больше, чем максимальный ток нагрузки. Если контакты срабатывают редко, в качестве токового параметра можно взять максимально допустимый импульсный ток через диод. Если же контакты срабатывают не реже нескольких раз в минуту, следует выбирать диод по максимально допустимому постоянному току. Включение последовательно с диодом стабилитрона (фиг.15, д) дает возможность току в индуктивности спадать быстрее. Такая защита, однако, не столь хороша, как приведенная выше диодная, и в ней я а один элемент больше. В этом случае напряжение на размыкающихся контактах равно напряжению питания плюс напряжение пробоя стабилитрона.

Ни одна из диодных схем (фиг.15, г или д) не может работать в цепях переменного тока. Схемы, работающие от источников переменного тока, или те, которые должны работать при обеих полярностях постоянного напряжения, можно защищать при помощи цепей, показанных на фиг.15, а–в, или двумя встречно включенными стабилитронами (фиг.15, е). Каждый стабилитрон должен иметь напряжение пробоя выше пикового значения переменного напряжения питания, а максимальный ток стабилизации (стабилитрона) выбирается равным максимальному току нагрузки.