Evite la formación de arcos del relé mediante circuitos de amortiguación RC

Evite la formación de arcos del relé mediante circuitos de amortiguación RC

En este artículo discutimos la fórmula y las técnicas de configuración de redes de circuitos RC para controlar el arco a través de contactos de relé mientras se conmutan cargas inductivas pesadas.

Supresión de arco

Se produce un arco a través de los contactos cuando se abre un interruptor o un relé. Con el tiempo, esta condición puede desgastar los contactos.

Para superar este problema, se despliega un circuito de resistencia / condensador o RC a través de los contactos y los protege. Una vez que los contactos están abiertos, el voltaje aplicado pasa por el condensador y no por los contactos.



Durante el proceso, el capacitor se carga más rápido que el tiempo de apertura de los contactos, lo que eventualmente evita que se forme un arco a través de los contactos.

Supresión de corriente de irrupción

Cuando los contactos se cierran, la corriente de irrupción del condensador cargado y el voltaje de suministro pueden ser significativamente más altos que los valores nominales de los contactos, lo que los empeora.

Para evitar esto, se introduce una resistencia en serie con el condensador. Funciona como un limitador de corriente al absorber la corriente de irrupción de manera significativa, reduciendo así el arco producido y extendiendo la vida útil de los contactos.

C.C Bates desarrolló una fórmula para calcular el valor de resistencia y capacitancia que se requiere para la red RC: C = I2 / 10 y Rc = Vo / [10I {1+ (50 / Vo)}]

El voltaje inducido en la apertura del contacto se puede determinar mediante

V = IRc = ( Rc / RL ) Vo

  • Donde VO= Fuente de voltaje
  • I = Corriente de carga en la apertura del contacto
  • RC= Resistencia del amortiguador RC
  • C = Capacitancia del amortiguador RC
  • RL= Resistencia de carga

En nuestros siguientes ejemplos hablamos de la relé de lengüeta problemas de arco y trate de evaluar los cálculos necesarios para diseñar redes RC en sus contactos.

Dado que el principio de formación de arco también puede ser el mismo en relés más grandes, las fórmulas utilizadas en el relé Reed también podrían aplicarse para dimensionar las redes RC para los relés más grandes.

Cómo ocurre el arco eléctrico en la conmutación de relés de láminas

Se puede usar un interruptor de láminas o un sensor de láminas para controlar un dispositivo inductivo como una bobina de relé, solenoide, transformador, motor pequeño, etc.

Cuando se abre el interruptor de láminas, la carga almacenada en la inductancia en el dispositivo forzará los contactos del interruptor a un voltaje alto. Una vez que se abre el interruptor, la brecha de contacto es pequeña al principio.

Por lo tanto, la formación de arco entre el espacio de contacto puede ocurrir casi inmediatamente mientras el interruptor se abre.

El fenómeno puede ocurrir tanto en cargas resistivas como inductivas, pero dado que estas últimas producen un voltaje más alto, se observa una mayor actividad de arco, lo que reduce la vida útil del interruptor.

Normalmente, los circuitos inductivos de CC utilizan un diodo para evitar el alto voltaje. Este tipo de diodo se llama diodo de retorno, rueda libre o de captura.

Desafortunadamente, la aplicación de este diodo no es posible en circuitos de CA.

Entonces, debemos usar un varistor de óxido de metal (MOV), un diodo supresor de voltaje transitorio bidireccional (TVS) o una red de supresión RC, también conocida como amortiguador.

Estos diversos enfoques de supresión de arco tienen muchos pros y contras. No utilizar la supresión también es una opción si la vida útil del contacto del relé no se ve afectada sin ella.

Los muchos factores que determinan qué enfoque se debe realizar incluyen el costo, la vida útil de los contactos, el empaque, etc.

La razón fundamental de los diseños de circuitos de supresión de chispas es minimizar la formación de arcos eléctricos y el ruido generado al activar relés e interruptores.

Consideraciones de diseño de RC

Uso de suministro de CC con diodo supresor TVS :

Los diodos MOV y TVS conducen corriente cuando se sobrepasa un voltaje umbral.

Normalmente, estos diodos están conectados en paralelo al contacto del interruptor. Incluso con voltajes bajos como 24 VCA, estos dispositivos pueden funcionar de manera eficiente.

Además, también pueden funcionar bien con cargas de 120 VCA de inductancia más alta. En comparación con los diodos TVS, los dispositivos MOV tienen capacitancia adicional.

Por lo tanto, cuando se utiliza un dispositivo MOV, debe considerar la capacitancia que se utilizará. La nota de la aplicación Hamlin describe mejor este escenario.

Uso de diodo TVS bidireccional

La supresión de RC tuvo la ventaja debido a que limita el voltaje de contacto del interruptor exactamente durante la apertura del interruptor cuando el espacio de contacto es pequeño.

Además, la supresión de RC se puede implementar para disminuir el arco y mejorar la vida útil en cargas resistivas.

En un circuito de supresión RC, una red de condensadores y resistencias conectadas en serie se monta a través del contacto del interruptor en una conexión en paralelo.

Otra opción es colocar el condensador y la resistencia a través de la carga.

Si bien es ideal colocar el amortiguador RC a través del contacto del interruptor, existe una gran desventaja porque esto crea una ruta de corriente hacia la carga cuando el interruptor está abierto.

Si el amortiguador está instalado a través de la carga, elimina la corriente. Sin embargo, los cambios en las conexiones y la impedancia de la fuente pueden afectar la eficiencia de la supresión del arco.

Aplicación del amortiguador RC en paralelo con el contacto del interruptor

En el amortiguador, los valores de la resistencia y el condensador dependen del requisito.

La resistencia elegida debe tener un valor lo suficientemente alto como para restringir la corriente de descarga capacitiva cuando los contactos del interruptor se cierran. Al mismo tiempo, debe ser lo suficientemente pequeño como para restringir el voltaje cuando se abren los contactos del interruptor.

Si elige un valor de condensador grande, seguramente disminuirá el impacto del voltaje mientras se abren los contactos del interruptor.

Pero un capacitor más grande puede ser costoso y puede causar una mayor energía de descarga capacitiva durante el tiempo que se cierran los contactos del interruptor. Este tipo se aplica a los circuitos de CC y CA.

Uso de la supresión de RC (amortiguador) en paralelo con la carga

Se aplica la ley de Ohm para elegir el valor de resistencia más apropiado para la supresión del arco.

En la ley de Ohm R = V / I , aplicamos la fórmula R = 0,5 (Vpaquete/ Isudoeste) y R = 0,3 (Vpaquete/ Isudoeste) , dónde Vpaquete es el voltaje pico de CA ( 1.414 Vrms ) y Isudoeste es la corriente de conmutación nominal del contacto de relé).

Para disminuir la degradación del contacto debido al arco, debemos asegurarnos de que el valor R sea mínimo. Por otro lado, el valor R debe aumentarse para disminuir el arco del contacto del relé debido a la corriente de entrada.

Determinar el valor de R entre estos escenarios es el desafío.

Puedes empezar con C = 0,1 μF o 100 nF, al seleccionar el condensador porque es un valor estándar y, por tanto, económico. Dependiendo del examen de rendimiento de este capacitor, puede aumentarlo hasta que la capacitancia sea suficiente.

Existen varios métodos para evaluar el rendimiento de los valores de amortiguación elegidos. Algunos se pueden realizar simplemente mediante cálculo o simulación. Sin embargo, las características resistivas e inductivas de la carga pueden parecer indefinidas.

Esto se debe en gran parte a la inductancia de las cargas electromecánicas que fluctúan cuando los componentes cambian de posición.

Es una buena práctica examinar la forma de onda de voltaje a través de los contactos del interruptor mediante un osciloscopio, especialmente durante la apertura de los contactos. El sistema amortiguador debe aliviar o al menos minimizar el arco que ocurre cuando los contactos se abren y cierran.

El aumento de voltaje no debe reiniciar el arco de contacto. Además, el voltaje máximo a través del capacitor en el amortiguador no debe ser mayor que su voltaje nominal.

Otra forma más de averiguar si el amortiguador está funcionando correctamente para un interruptor de lengüeta es mirar el espacio de contacto del interruptor e inspeccionar el resplandor de la luz producida por el arco.

Si hay menos luz, eso significa que la energía que genera el arco es pequeña y, por lo tanto, garantiza una vida más larga.

El método final y más preciso de examinar el desempeño del amortiguador es realizar una prueba de vida.

La vida útil de los contactos es directamente proporcional al número de ciclos de conmutación y no al número de horas con y sin alimentación.

Se recomienda mantener el número máximo de operaciones por segundo para las pruebas de vida útil de las cargas de arco entre 5 y 50 operaciones por segundo.

Esto es alrededor de 5 a 50 Hz de frecuencia máxima. El número de pruebas que puede realizar depende de la carga eléctrica y de la diferencia entre comodidad y precisión.

Cuando necesite averiguar las especificaciones de los componentes del amortiguador, debe considerar algunas otras cosas además de la inspección descrita de la evaluación del arco, el voltaje más alto del capacitor y la vida útil.

Es fundamental que cuando se abre un contacto de interruptor, la corriente fluya a través del circuito amortiguador.

Debe asegurarse de que esta corriente no cause problemas a la aplicación del amortiguador. Además, es fundamental confirmar que la disipación de potencia en la resistencia del amortiguador no supera su potencia nominal.

Un pensamiento más es que se puede utilizar un circuito amortiguador RC en combinación con un diodo TVS bidireccional de MOV.

Un amortiguador RC puede ser un circuito altamente eficiente para limitar el voltaje inicial a través de los contactos del relé de apertura, mientras que el TVS o MOV pueden ser una alternativa más eficiente para restringir los picos de voltaje.

Referencias:

https://www.elprocus.com/wp-content/uploads/2020/10/RC-snubber.pdf

https://www.elprocus.com/wp-content/uploads/2020/10/spark_suppression_compressed.pdf

https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/application_notes/reed_switches/littelfuse_magnetic_sensors_and_reed_switches_inductive_load_arc_suppression_application_note.pdf.pdf




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