Защита от перенапряжения контактов реле при замыкании

Решением этой проблемы является термистор. В качестве альтернативы используйте другое реле, чтобы шунтировать резистор по истечении определенного времени.

Конечно, вы также можете поставить конденсаторы с другой стороны реле.

Поскольку вы попросили меня расширить мой предыдущий комментарий: ...

В прежние времена мы часто использовали тяжелое железо для обработки пусковых токов — большие катушки индуктивности. Резистор часто добавляли параллельно тяжелой катушке индуктивности, и пара использовалась последовательно между источником питания и батареей конденсаторов. Что-то вроде этого:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Максимальный ток в резисторе,$R_1$, произойдет, когда емкость разрядится. Так$I_{R_{_\text{PEAK}}}=\frac{V_1}{R_1}$. А это значит, что мы можем выбрать$R_1$на основе того, что мы хотим, чтобы пиковый ток в резисторе был.

Давайте вычислим это прямо сейчас. я собираюсь выбрать$I_{R_{_\text{PEAK}}}=4\:\text{A}$. Это кажется безопасным запасом по сравнению с ограничением тока вашего реле.

Примечание: Теперь сделайте паузу. Также будет увеличиваться ток катушки индуктивности. И, возможно, этого предела недостаточно. Но на практике так и будет. Причина в том, что пока ток катушки индуктивности растет, ток предельного резистора также уменьшается. Если все сделано правильно, они будут почти идеально компенсировать друг друга, так что если мы разработаем каждый для одного и того же ограничения тока, то сумма их токов также будет ограничена аналогичным образом.

Итак, давайте поработаем над этим$R_1=\frac{24\:\text{V}}{4\:\text{A}}=6\:\Omega$и выберите либо$R_1=5.6\:\Omega$или$R_1=6.8\:\Omega$. Я склоняюсь к более безопасной стороне, поэтому я выберу$R_1=6.8\:\Omega$. Это означает, что мой новый текущий лимит будет примерно$3.5\:\text{A}$при расчете индуктивности.

Что подводит нас к индуктору. Чтобы ответить на вопрос о пиковом токе в катушке индуктивности, я перерисую вышеприведенное в несколько иной, но эквивалентной форме:

^{смоделируйте эту схему}

В приведенном выше я "заметил", что$R_1$и$R_{_\text{LOAD}}$составить делитель напряжения с эквивалентным напряжением источника$V_{_\text{TH}}=V_1\cdot\frac{R_{_\text{LOAD}}}{R_1+R_{_\text{LOAD}}}$и$R_{_\text{TH}}=R_1\cdot\frac{R_{_\text{LOAD}}}{R_1+R_{_\text{LOAD}}}$.

Что действительно приятно в новом расположении, так это то, что легче увидеть, что это цепь RLC. Общая идея здесь заключается в том, что пиковый ток индуктора возникает в первой четверти периода времени, который определяется комбинацией этих трех элементов.

Грубо говоря, вы можете вычислить$L_1\approx \frac{16}{\pi^2}\cdot R_{_\text{TH}}^{\,^2}\cdot C_1$. И с тех пор$R_{_\text{TH}}=\frac{V_1}{I_{_\text{LOAD}}+I_{R_{_\text{PEAK}}}}$, это работает для:$L_1\approx \frac{16}{\pi^2}\cdot C_1\cdot \left[\frac{V_1}{I_{_\text{LOAD}}+I_{R_{_\text{PEAK}}}}\right]^{\,^2}$. Предполагая$V_1=24\:\text{V}$,$I_{_\text{LOAD}}=2\:\text{A}$, и$I_{R_{_\text{PEAK}}}=3.5\:\text{A}$(новое значение), затем$L_1\approx 1.62\cdot 10\:\text{mF}\cdot \left[\frac{24\:\text{V}}{2\:\text{A}+3.5\:\text{A}}\right]^2=309\:\text{mH}$. я бы выбрал$L_1=270\:\text{mH}$как очень близкое, доступное значение. (Конечно, вы могли бы также выбрать$L_1=330\:\text{mH}$, слишком.)

Я понятия не имею, что произойдет, когда я вставлю это в LTspice. (Я собираюсь немного схитрить, чтобы упростить схему, так как LTspice «включит» источник питания самостоятельно, установив флажок.) Итак, давайте посмотрим:

(Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть более подробную информацию.)

Здесь вы можете увидеть поведение, полученное в результате описанного выше подхода. Это почти так, как ожидалось. Вы можете видеть, что сумма (красная кривая), которая доставляется через реле, лишь слегка превышает пики.$4\:\text{A}$. Таким образом, мы придерживались нашего предела. Но это также говорит вам о том, что ток будет немного больше, чем вы планируете в проекте, из-за того, что и резистор, и катушка индуктивности подают ток в начале фазы четверти цикла (затухания). (Если бы я решил собрать и использовать$L_1=330\:\text{mH}$, то пиковый ток через реле был бы около$3.8\:\text{A}$.)

И да, выходное напряжение немного звенело. Он достиг немного более высокого напряжения, чем$24\:\text{V}$. В те времена это было нормально. Мы использовали диоды размером с кулак (селеновые выпрямители с большим количеством ребер) и электронные лампы. Небольшое лишнее напряжение еще никому не повредило. ;) Сегодня вы должны подумать об этом больше.

Если вы можете принять более высокое пиковое напряжение и более высокий пиковый ток индуктора, вы можете уменьшить его величину. Скажем, на половину или около того. Если пиковое напряжение критично и вы не можете принять высокое значение, то вам необходимо увеличить его величину. Согласование предела тока катушки индуктивности с пределом тока резистора обычно дает лучший отклик и является хорошим балансом для конструкции.

Во всяком случае, это способ сделать это. Как это когда-то было сделано.

О, и последняя мысль. Пиковый нагрев токоограничительного резистора будет происходить в первые десятые доли секунды. Он может поглотить несколько джоулей в течение этого периода включения. Некоторые резисторы лучше других справляются с этими нагрузками. Вы можете искать «резисторы перенапряжения» или проволочные (которые хорошо справляются с такими вещами). И обязательно прочитайте таблицы данных, где это возможно, чтобы убедиться. Если в таблице данных резистор рассчитан на скачок или определенное количество джоулей за короткий период, то это, вероятно, хорошо. Наконец, проведите некоторое тестирование.

На индукторе

Учитывая мое невежественное состояние любителя, разработка индукторов производителями может показаться сложной наукой . Я считаю, что многие важные практические детали учитываются при разработке коммерчески конкурентоспособного устройства. Я всего лишь любитель, поэтому могу только стоять в стороне и оценивать с некоторого расстояния и с искренним уважением то, что производитель применяет в разработке продуктов.

Но есть и некоторые основы. В приведенном выше случае мы можем вычислить энергию, хранящуюся в катушке индуктивности, как только будет достигнуто равновесие (не позднее, чем через секунду). Ток катушки индуктивности постоянный — он не сильно меняется. Энергия в дроссельном индукторе равна$E_{_\text{L}}=\frac12\,I_{_\text{L}}^{\,2}\,L_1=\frac12\,I_{_\text{LOAD}}^{\,2}\,L_1$. В данном случае речь идет о$540\:\text{mJ}$.

Webers — это джоули на ампер, так что в этом случае мы можем вычислить это как$\Phi_1 = \frac{540\:\text{mJ}}{2\:\text{A}}=270\:\text{mWb}$. Если вы знаете$B_{_\text{MAX}}$материала сердечника и количества витков,$N$, намотанной на сердечник, можно вычислить площадь поперечного сечения как$A\gt \frac{\Phi_1}{N\cdot B_{_\text{MAX}}}$. Если мы используем железный сердечник хорошего качества с$B_{_\text{MAX}}=1.1\:\text{T}$и если$N=1000$, например, тогда:$A\gt \frac{270\:\text{mWb}}{1000\,\cdot\, 1.1\:\text{T}}$. Это говорит о том, что площадь поперечного сечения должна быть$A\approx 2.5\:\text{cm}^2$. Для достижения 1000 обмоток потребуется некоторая длина магнитного пути, поэтому результирующая катушка индуктивности будет иметь значительную массу.

Я могу ошибаться в количественных показателях. Дизайн индуктора для меня как любителя больше зависит от анализа размеров, и, возможно, я ошибся в коэффициенте. Но так это выглядит для меня. Я с благодарностью приму любую критику экспертов.

NTC, ограничители пускового тока (ICL), рассчитанные на коммутируемую энергию, являются одним из вариантов 1/CV^2 = E.[J]. Некоторые OEM-производители ICL указывают это.

Характеристики: номинальное напряжение батареи 24 В (максимум 29 В на зарядном устройстве).
Размер крышки: скажем, 5 мФ.
Максимальный ток: нагрузка 2А

E=1/2CV^2= 5 мФ/2 24^2 = 1,44 Дж ном. , 1,7 Дж на зарядном устройстве

Предлагаемое решение: от CL-21 до CL-150.

Диапазон мин.-макс. I Ампер должен включать нагрузку.
Диапазон E > 1,7 Дж

Начальное значение R при 25°C должно соответствовать ограничениям реле, например, мин. 4 Ом.

Окончательное R зависит от %Imax, но также падает напряжение и непрерывно нагревает ICL, например, до 120°C, желательно шунтируя вторичное реле задержки времени после зарядки до >80% .

Вывод : используйте реле 8A 5 Ом ICL и 2-е реле задержки для шунтирования падения напряжения.

Cap ESR определяет импульсные токи.

Я покажу вам простой ограничитель тока на основе MOSFET, но он может быть скорее проблемой, чем решением, в зависимости от того, насколько велики эти конденсаторы.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Это работает за счет использования биполярного транзистора Q1 для измерения тока в резисторе R1. Когда напряжение на резисторе R1 возрастает до 0,7 В, Q1 начинает проводить ток и «пережимает» разность потенциалов между истоком и затвором MOSFET M1 (таким образом, отключая его).

На практике ток зажимается, а не отключается, потому что система находит равновесие, регулируя ток на каком-то максимуме. Этот максимум будет током, необходимым для создания 0,7 В на R1, что в моем примере здесь:

Вот графики выходного тока и напряжения (снятые на стоке M1). Реле замкнуто на время$t = 100ms$:

Ток фиксируется на постоянном уровне 8 А или около того, пока конденсаторы не будут полностью заряжены, после чего единственным оставшимся потребителем энергии является нагрузка R3, а ток падает до 2 А. При постоянном токе через них конденсаторы естественно должны заряжаться постоянным$\frac{dV}{dt}$, поэтому напряжение на них возрастает линейно.

Каковы предостережения? Рад, что вы спросили. Вот график мощности, рассеиваемой в M1:

Шокирует, не так ли? Мощность мгновенно возрастает почти до 200 Вт, но быстро уменьшается до нуля примерно через 40 мс. Это может быть нормально, если вы выберете правильный МОП-транзистор, но для бедняги это будет своего рода ударом по зубам. Это дает вам некоторое представление о злоупотреблениях, с которыми пришлось столкнуться вашим реле.

На самом деле вы мало что можете сделать с линейной системой, чтобы смягчить это. Как я уже сказал в своем комментарии к вашему вопросу, какую бы энергию вам ни удалось запасти в конденсаторах, такое же количество (не ее доля, это дополнительная энергия) также будет рассеиваться на пути тока, используемого для их заряда. На самом деле, вы можете увидеть эту зависимость на приведенном выше графике мощности. Площадь под ним — это полная энергия, рассеиваемая в M1. Некоторые из них также будут потеряны для R1, но это мало по сравнению с этим, и я проигнорирую это. Эта область имеет примерно треугольную форму:

Количество энергии, запасенной в конденсаторе С1, равно:

Надеюсь, я не слишком вас обескуражил. Я думаю, что ответ Йонка обещает лучшие результаты, потому что энергия не «теряется» на пути зарядки, а скорее сохраняется в магнитном поле большого индуктора. Что происходит с этой энергией в долгосрочной перспективе — это другой вопрос, но, возможно, это менее «жестокое», чем чисто резистивное решение, подобное тому, которое я показываю здесь.

Я использовал простую схему ограничения тока, такую ​​как следующая, которая ограничивает зарядный ток примерно до 8 ампер:

В ходе дальнейшего исследования я обнаружил, что это бесполезно, когда конденсатор заряжается через двухполупериодный мост и имеет нагрузку. Схема пытается ограничить зарядные импульсы и при этом рассеивает разрушительное количество энергии в последовательно включенном транзисторе Q1. LT Spice показывает проблему.