Защищаем реле с помощью диодов обратной цепи
Индуктивные нагрузки, такие как соленоиды и контакторы, могут вызвать искрение и сбои в электромеханических коммутационных устройствах, вызывая дорогостоящие простои. Впрочем, на это есть решение, и оно дешевле, чем вы думаете.
Представьте себе сценарий, в котором плата релейных выходов ПЛК используется для управления соленоидами постоянного тока для больших гидравлических цилиндров. Каждые несколько месяцев карта выходит из строя, что приводит к простоям и ненужным затратам на замену релейных карт. С этим что-то нужно делать.
Что такое обратное напряжение
Устройства, которые перемещают переключатель или плунжер с помощью электричества, используют концепцию электромагнетизма, когда катушка провода, потребляя ток, создает магнитное поле. Этот магнит достаточно силен, чтобы сдвинуть створку металла или даже подпружиненный поршень. Большие нагрузки требуют большего тока. Когда этот электромагнит генерируется, магнитное поле сохраняется внутри нагрузки. Другими словами, вы использовали ток для создания магнитного поля, и теперь магнитное поле хранится внутри этого поршня. Когда ток катушки «выключается», магнитное поле, хранящееся внутри плунжера, все еще существует, и на короткое время оно пытается генерировать обратное напряжение на катушке.
В некоторых случаях это генерируемое обратное напряжение является очень полезной функцией. Свеча зажигания в автомобиле работает от 12 вольт аккумулятора, который в определенный момент запитывает катушку (либо от распределителя, либо от электронного блока катушек, либо даже по катушке на каждой свече). Когда напряжение батареи снимается, катушка пытается провести электричество обратно по цепи – здесь предусмотренный путь проходит прямо через зазор свечи зажигания. Но этих 12 вольт недостаточно, чтобы генерировать искру в несколько миллиметров. К счастью, напряжение, генерируемое катушкой, во много раз превышает исходное напряжение заряда, а ток длится лишь мгновение, пока магнитное поле не разрушится.
В промышленных условиях этот факт, что обратное напряжение во много раз превышает исходное, вызывает беспокойство. Если цепь управления на 24 вольта, обратное обратноходовое напряжение может быть намного больше 100 вольт. Этого, безусловно, достаточно для создания значительных искр, если в цепи есть небольшой разрыв. Свеча зажигания может быть полезна для воспламенения топлива, но опасна в системе управления. Зазоры существуют в виде электромеханических устройств управления, а именно переключателей и механических реле. Когда контакты реле или переключателя размыкаются, зазор увеличивается с нуля до нескольких миллиметров в течение нескольких миллисекунд, обеспечивая достаточно времени для идеального искрового промежутка для создания видимой дуги. Если реле маленькое, как на выходной плате реле ПЛК, искры быстро выведут реле из строя, что приведет к частым отказам.
Если вам кажется, что в модуле постоянно выходит из строя одна точка ввода/вывода, а ток находится в пределах номинальных значений, возможно, виновником является катушка с питанием от постоянного тока, создающая искры при отключении питания.
Как справиться с обратным напряжением
Существует несколько методов предотвращения этого проблемного явления. Некоторые из них являются простыми и дешевыми решениями, которые устраняют симптомы, но другие решения могут полностью предотвратить проблему.
Снабберные диоды и схемы
Эти небольшие недорогие устройства имеют несколько названий: демпфирующие, обратноходовые, безынерционные, импульсные, защитные и другие. Их можно заказать оптом у дистрибьютора электронных компонентов за сущие копейки, где название «выпрямительный диод» указывает на требуемый идеальный надежный компонент.
Многие производители, зная об этой проблеме, проектируют комплексные решения, когда диод устанавливается непосредственно в проводку клеммной колодки или прямо в само устройство на основе катушки. Просто найдите диод и обязательно установите его с правильной полярностью. Диоды – это твердотельные устройства с двумя проводами, а электричество может течь только в одном направлении. Они устанавливаются параллельно индуктивной нагрузке, так что при питании нагрузки от контроллера диод смещен в обратном направлении и не позволяет пропускать ток через себя.
Однако в тот момент, когда управляющее напряжение снимается, магнитное поле пытается генерировать напряжение на катушке, и теперь катушка становится почти похожей на высоковольтную батарею. Мгновенно это прямое смещение диода позволяет току проходить по короткой петле от катушки к диоду. Диод способен выдерживать большие токи в течение очень короткого времени, поэтому магнитное поле (и ток) благополучно истощаются в мгновение ока. Поскольку диод удерживает напряжение менее одного вольта, напряжение никогда не увеличится до уровня генерации искры, поэтому страх перед опасностью устранен. Разновидностью диода является последовательная схема резистор-конденсатор (RC), позволяющая разряжать поле с предсказуемой скоростью. Эта цепь также может быть установлена параллельно с устройством управления, что позволяет безвредно стекать току вокруг контакта переключателя или реле.
Твердотельные ключи
Модули вывода ПЛК можно приобрести с выходами постоянного тока, а не с релейными выходами. Это может быть эффективным решением для некоторых сценариев, но преимуществом релейных выходов является высокий номинальный ток, необходимый для больших соленоидов. Многие карты с выходом постоянного тока просто не могут справиться с такой силой тока. Выходные модули постоянного тока подают ток через транзисторы, которые ограничивают опасность возникновения дуги при обратном напряжении. При высокой степени сопротивления в выключенном состоянии и устойчивости к высокому напряжению в течение очень короткого промежутка времени только чрезвычайно высокий устойчивый всплеск напряжения будет терминальным случаем. Но высокий ток, необходимый для управления нагрузкой, ни в коем случае не кратковременный и создает проблемы для нормального транзисторного выхода.
Нагрузки с питанием от сети переменного тока
Хотя 24 В постоянного тока является обычным управляющим напряжением, явление обратного напряжения исчезает при напряжении переменного тока, поскольку катушка индуктивности не заряжается до постоянного значения, а затем внезапно разряжается при отключении питания. Многие соленоиды можно найти с напряжением 220 и 24 переменного тока, методы установки и устранения неполадок остаются в основном неизменными, и по-прежнему можно использовать релейные карты. Очевидно, что изменение источника напряжения и замена устройств могут привести к нежелательному простою, но в долгосрочной перспективе это может окупиться.
Итоги
Движение объектов почти всегда осуществляется с помощью «магии» магнитных полей. Хотя они могут выполнять невероятные задачи, они, безусловно, могут изменить наши обычные процессы некоторым неожиданным поведением. Не оставляйте проблему нерешенной, когда решение может быть проще и дешевле, чем вы ожидали.
© digitrode.ru