ممکن است متوجه شده باشید که یک جزء کوچک-یک خازن-در کنار سیم پیچ رله قرار گرفته است. احتمالاً از خود پرسیده اید که چه کاری انجام می دهد. این یک تکنیک رایج و ضروری در طراحی الکترونیک است.
دلیل اصلی قرار دادن خازن روی سیم پیچ رله ساده است. این افزایش ولتاژ خطرناک را متوقف می کند. به این مشکل “back EMF” یا “Inductive Kickback” می گویند. لحظه ای که رله را خاموش می کنید این اتفاق می افتد.
این افزایش ولتاژ می تواند به صدها ولت برسد. این به راحتی برای از بین بردن اجزای حساسی که رله را کنترل می کنند کافی است. به میکروکنترلرها یا ترانزیستورهای محرک فکر کنید. خازن مانند یک شیر اطمینان عمل می کند. این انرژی مخرب را جذب می کند.
این راهنما به شما یک نگاه کامل به فیزیک پشت این مشکل می دهد. شما یاد خواهید گرفت که چگونه خازن آن را حل می کند. شما همچنین خواهید فهمید که چگونه یک مورد مناسب را برای مدارهای خود انتخاب و نصب کنید.
مشکل:رله ها هنگام خاموش شدن، ولتاژهای مخرب ایجاد می کنند.
راه حل:یک خازن قرار داده شده در سراسر سیم پیچ این انرژی مضر را جذب می کند.
فایده:مدار کنترل شما را از آسیب و خرابی محافظت می کند.
"چگونه-":شما یاد خواهید گرفت که خازن مناسب را انتخاب کرده و آن را برای حداکثر کارایی نصب کنید.
خطر پنهان: ضربه گیر القایی
برای درک راه حل، ابتدا باید مشکل را درک کنیم. این خطر ناشی از خواص الکتریکی اولیه خود سیم پیچ رله است.
کویل رله چیست؟
از نظر الکتریکی، یک سیم پیچ رله یک سلف است. یک سلف انرژی را در یک میدان مغناطیسی ذخیره می کند که جریان الکتریکی از آن عبور کند.
در اینجا نحوه کار یک رله آورده شده است. جریان از سیم پیچ عبور می کند. این یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که یک کلید مکانیکی را می کشد. سوئیچ یک مدار الکتریکی جداگانه را می بندد یا باز می کند.
اثر "بازگشت".
وقتی رله را روشن می کنید مشکلی پیش نمی آید. وقتی آن را خاموش می کنید این اتفاق می افتد. وقتی برق سیم پیچ را قطع می کنید، جریان قطع می شود.
میدان مغناطیسی ایجاد شده در اطراف سیم پیچ فقط ناپدید نمی شود. به سرعت فرو می ریزد. طبق قانون لنز، این تغییر سریع در میدان مغناطیسی باعث ایجاد ولتاژ در سراسر سیم پیچ می شود.
این ولتاژ دارای قطبیت مخالف ولتاژ تغذیه اصلی است. می تواند به طرز شگفت انگیزی بالا باشد. آن را مانند یک لوله{2}}آب با جریان سریع در نظر بگیرید که ناگهان آن را مسدود می کنید. حرکت آب باید جایی برود. این یک نوک فشار عظیم به نام "چکش آب" ایجاد می کند. میدان مغناطیسی در حال فروپاشی یک "چکش ولتاژ" مشابه ایجاد می کند.
یک رله 12 ولت DC ساده می تواند یک اسپایک منفی 100- تا 400 ولت یا حتی بیشتر ایجاد کند. این رویداد کوتاه اما قدرتمند، ضربه ی القایی است.
چرا این سنبله مخرب است
این افزایش{0}}ولتاژ بالا به دنبال مسیری برای تخلیه انرژی خود است. در مدار راه انداز رله معمولی، این مسیر اغلب از طریق قطعه ای که رله را کنترل می کرد، بازمی گردد.
نتایج می تواند شدید باشد. می تواند ترانزیستور یا ماسفت مورد استفاده برای تعویض رله را از بین ببرد. بیش از حد مجاز ولتاژ است و باعث از کار افتادن آن می شود.
اگر یک پایه ورودی/خروجی میکروکنترلر ترانزیستور را به حرکت درآورد، سنبله می تواند به عقب برگردد و به پین آسیب برساند. حتی ممکن است کل میکروکنترلر را از بین ببرد.
حتی اگر باعث خرابی فوری سخت افزار نشود، سنبله تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می کند. این می تواند باعث خطاهای منطقی، خرابی سیستم یا بازنشانی های مرموز در مدار دیجیتال شما شود.
نقش خازن
اکنون که ماهیت مخرب پس زدن القایی را درک کردیم، بیایید ببینیم که چگونه یک خازن ساده راه حلی ظریف ارائه می دهد.
رام کردن سنبله ولتاژ
خازن مستقیماً به موازات پایانه های سیم پیچ رله می رود. به عنوان یک مخزن کوچک انرژی محلی عمل می کند.
هنگامی که برق رله قطع می شود، میدان مغناطیسی سیم پیچ شروع به فروپاشی می کند. افزایش-ولتاژ بالا منحرف میشود. به جای بازگشت به مدار کنترل، انرژی به خازن جریان می یابد. این آن را شارژ می کند.
خازن انرژی حاصل از فروپاشی میدان مغناطیسی را جذب می کند. این به طور چشمگیری سرعت تغییر ولتاژ را کاهش می دهد.
این منحنی ولتاژ تیز-بالا و دامنه آن را به منحنی ولتاژ بسیار ملایمتر و آهستهتر-تبدیل میکند. این ولتاژ پایین تر و نرم تر به خوبی در محدوده عملکرد ایمن ترانزیستور محرک یا سایر اجزای کنترل باقی می ماند.
تجسم افکت
تأثیر افزودن خازن با نگاه کردن به ولتاژ در پایانه های سیم پیچ در اسیلوسکوپ به بهترین وجه قابل مشاهده است.
بدون خازن:
نموداری را تصور کنید که در آن ولتاژ در سطح منبع تغذیه (مانند 12 ولت) پایدار است. هنگامی که رله خاموش می شود، نمودار یک افت فوری و تقریباً عمودی را به یک ولتاژ منفی بسیار بزرگ (مثل -200 ولت) نشان می دهد. به دنبال آن برخی نوسانات زنگ قبل از رسیدن به صفر انجام می شود. این سنبله مخرب است.
با خازن:
اکنون همان سناریو را با یک خازن در جای خود تصور کنید. وقتی رله خاموش می شود، ولتاژ بالا نمی رود. در عوض، به آرامی از ولتاژ تغذیه تجزیه می شود. قبل از ته نشین شدن در اطراف صفر با دامنه بسیار کمتری نوسان می کند. رویداد خطرناک و ولتاژ بالا-به طور کامل حذف شده است.
انتخاب سلاح شما: دیگر اسناببرها
قرار دادن خازن روی سیم پیچ رله یکی از روش های سرکوب است. اما مهم است بدانید که این تنها مورد نیست. درک گزینه های جایگزین، که اغلب به آنها "مدارهای snubber" گفته می شود، به شما کمک می کند تا بهترین راه حل را برای کاربرد خاص خود انتخاب کنید.
دیود فلای بک کلاسیک
برای مدارهای رله DC، رایج ترین و اغلب موثرترین راه حل، دیود فلایبک است. به آن دیود چرخ آزاد نیز می گویند.
یک دیود به موازات سیم پیچ، اما در بایاس معکوس می رود. این به این معنی است که در طول عملکرد عادی، دیود جریان را مسدود می کند و هیچ کاری انجام نمی دهد. وقتی سیمپیچ خاموش میشود، ولتاژ برگشت (که قطبیت مخالف دارد) به سمت جلو-دیود را بایاس میکند.
این یک حلقه بسته ایجاد می کند تا جریان سیم پیچ از طریق دیود و خود سیم پیچ به گردش درآید. به طور ایمن انرژی را به عنوان گرما در مقاومت سیم پیچ دفع می کند. بسیار موثر، ساده و ارزان است.
RC Snubber
یک اسنابر RC دارای یک مقاومت و خازن به صورت سری است. جفت به موازات سیم پیچ رله می رود.
این تنظیم نسبت به یک دیود ساده تطبیق پذیرتر است. این نه تنها جهش اولیه ولتاژ را سرکوب می کند، بلکه "زنگ" (نوسانات) را که ممکن است رخ دهد را نیز کاهش می دهد. مقاومت به اتلاف انرژی به عنوان گرما کمک می کند. خازن موج اولیه را جذب می کند. اسنابرهای RC برای هر دو مدار رله DC و AC کار می کنند.
مقایسه: چه زمانی از What استفاده کنیم
یک خازن به تنهایی ساده است، اما یک اشکال قابل توجه دارد. این یک مدار رزونانس LC با اندوکتانس سیم پیچ تشکیل می دهد. این می تواند باعث نوسان شود. مهمتر از آن، می تواند زمان خاموش کردن رله را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. همانطور که خازن شارژ و تخلیه می شود، می تواند سیم پیچ را برای کسری از ثانیه بیشتر انرژی نگه دارد.
برای برنامههای سوئیچینگ سریع-، این تأخیر غیرقابل قبول است. یک دیود فلایبک نیز خاموش شدن را کاهش میدهد- اما اغلب قابل پیشبینیتر است.
بیایید این روش ها را در یک جدول با هم مقایسه کنیم.
|
روش |
جوانب مثبت |
منفی |
بهترین برای |
|
فقط خازن |
خیلی ساده؛ برای AC یا DC کار می کند. |
می تواند به میزان قابل توجهی خاموش شود-رله. یک مدار LC تشدید کننده تشکیل می دهد که باعث زنگ زدن می شود. |
برنامههای زمانبندی کم-هزینه و غیر بحرانی که در آنها سادگی امری کلیدی است. |
|
فلایبکدیود |
بسیار موثر؛ هزینه کم؛ ساده |
فقط مدارهای DC؛ زمان خاموش شدن{0}}رله را کاهش میدهد (میتواند طرفدار یا مخالف باشد). |
استاندارد، به سراغ راه حلی برای محافظت از مدارهای درایور رله DC بروید. |
|
RCاسناببر |
برای AC و DC کار می کند. به طور موثر زنگ را مرطوب می کند. از مخاطبین سوئیچ محافظت می کند. |
پیچیده تر (دو جزء)؛ برای عملکرد بهینه نیاز به محاسبه دارد. |
مدارهای AC (مانند موتورهای محرک TRIAC) یا مدارهای DC که در آنها زنگ مشکل اصلی است. |
دیود فلای بک معمولاً روش ترجیحی برای رله های DC است. با این حال، درک چگونگی عملکرد یک خازن در این نقش اساسی است. در شرایط خاص، به ویژه در مدارهای AC یا زمانی که دیود مناسب نیست، گزینه ای مناسب باقی می ماند.
راهنمای عملی: انتخاب خازن
اگر تصمیم گرفته اید که قرار دادن یک خازن روی سیم پیچ رله رویکرد مناسبی برای پروژه شما است، انتخاب جزء صحیح بسیار مهم است. شما نمی توانید فقط از هیچ خازن استفاده کنید. دو پارامتر بسیار مهم هستند.
پارامترهای کلیدی خازن
رتبه بندی ولتاژ
این مهم ترین پارامتر است. درجه ولتاژ خازن باید به اندازه کافی بالا باشد تا بتواند با خیال راحت ولتاژ تغذیه رله و هرگونه جهش احتمالی را کنترل کند.
یک اشتباه رایج این است که یک خازن فقط برای ولتاژ تغذیه مدار انتخاب کنید. به عنوان مثال، یک خازن 16 ولت برای یک رله 12 ولت. این کافی نیست.
یک قانون سرانگشتی خوب این است که یک خازن با درجه ولتاژ حداقل 2 تا 4 برابر ولتاژ تغذیه اسمی سیم پیچ رله انتخاب کنید. برای یک رله 12 ولت، یک خازن نامی 50 ولت حاشیه ایمن را فراهم می کند. برای رله 24 ولت، خازن 63 ولت یا 100 ولت انتخاب عاقلانه ای است. هرگز در رتبه بندی ولتاژ مصالحه نکنید.
ظرفیت(فرادس)
مقدار دقیق ظرفیت خازن اغلب کمتر از درجه بندی ولتاژ مهم است. اما هنوز هم مهم است. هدف این است که مقداری را انتخاب کنید که به اندازه کافی بزرگ باشد تا انرژی ذخیره شده سیم پیچ را بدون افزایش بیش از حد ولتاژ خود جذب کند.
انرژی ذخیره شده در یک سلف با E=½ * L * I² داده می شود. انرژی یک خازن می تواند ذخیره کند E=½ * C * V² است. با معادل سازی اینها، می توانید رابطه بین اندوکتانس (L)، جریان (I)، ظرفیت (C) و ولتاژ پیک حاصل (V) را مشاهده کنید.
برای اکثر رلههای سیگنال و قدرت با اندازه کوچک تا متوسط، مقداری در محدوده 0.1µF (میکروفاراد) تا 1µF یک نقطه شروع بسیار رایج و مؤثر است. این محدوده معمولاً بدون کاهش بیش از حد زمان خاموش کردن رله، جذب انرژی کافی را فراهم می کند.
انواع خازن
نوع خازن انتخابی شما نیز بر عملکرد و نصب تاثیر می گذارد.
خازن های سرامیکی
اینها رایج ترین انتخاب برای این برنامه هستند. این به ویژه برای مقادیر حدود 0.1μF (اغلب با کد "104" مشخص می شود) صادق است.
مزایا: آنها -قطبی نیستند، به این معنی که می توانید آنها را در هر جهت نصب کنید. آنها طول عمر طولانی و مقاومت داخلی پایین (ESR) دارند. آنها در فرکانس های بالا عملکرد خوبی دارند و برای سرکوب میخ های تیز عالی هستند.
معایب: آنها معمولاً در مقادیر ظرفیت خازنی کمتر در دسترس هستند.
خازن های الکترولیتی
زمانی که به مقدار ظرفیت خازنی بالاتر (مثل 1μF یا بیشتر) نیاز است از این موارد استفاده می شود.
مزایا: آنها ظرفیت بسیار بالایی را در یک بسته فیزیکی کوچک ارائه می دهند. این باعث می شود آنها برای جذب مقادیر بیشتری انرژی ایده آل باشند.
معایب: آنها قطبی هستند. این یک نقطه بحرانی است. آنها باید به درستی نصب شوند و سرب منفی به طرف منفی منبع سیم پیچ و سرب مثبت به سمت مثبت متصل شود. نصب خازن الکترولیتی به عقب آن را از بین می برد. حتی ممکن است تخلیه شود یا منفجر شود. همچنین طول عمر کمتر و ESR بالاتری نسبت به خازن های سرامیکی دارند.
برای سرکوب سیم پیچ رله همه منظوره، یک خازن سرامیکی چند لایه 0.1μF و 50 ولت (MLCC) یک انتخاب پیش فرض عالی و مطمئن است.
بهترین روش های نصب
نحوه نصب خازن به همان اندازه مهم است که کدام خازن را انتخاب می کنید. نصب ضعیف می تواند باعث بی اثر شدن قطعه شود. حتی می تواند مشکلات جدیدی را ایجاد کند.
قانون طلایی
خازن باید از نظر فیزیکی تا حد امکان نزدیک به پایانه های سیم پیچ رله قرار گیرد. این تنها مهمترین قانون نصب است.
از تجربه ما، سیم های بلند بین سیم پیچ و خازن سرکوب کننده یک مشکل مهم هستند. این سیم ها اندوکتانس خاص خود را دارند. این می تواند کارایی خازن را کاهش دهد. مهمتر از آن، حلقه تشکیل شده توسط سیم پیچ و این سیم های بلند به عنوان یک آنتن عالی عمل می کند. این تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را که شما میخواهید سرکوب کنید، ساطع میکند.
هدف ما همیشه این است که سرنخ های خازن مستقیماً روی پین های سیم پیچ روی برد مدار چاپی (PCB) لحیم شوند. هدف این است که حلقه جاری برای انرژی بازگشت تا حد ممکن کوچک و محکم شود.
نصب مرحله به مرحله--
برای نصب حرفه ای و موثر مراحل زیر را دنبال کنید.
مرحله 1: پایانه های کویل را شناسایی کنید
ابتدا باید دو ترمینال سیم پیچ رله را به درستی شناسایی کنید. در یک رله نصب استاندارد PCB-، این رلهها جدا از پینهای تماس سوئیچ هستند (معمول، معمولاً باز، معمولاً بسته). برای تایید پینآوت با دیتاشیت رله مشورت کنید. پین های سیم پیچ اغلب روی محفظه رله مشخص می شوند.
مرحله 2: قطبیت را بررسی کنید (در صورت وجود)
اگر از خازن سرامیکی غیر پولاریزه-استفاده میکنید، میتوانید از این مرحله صرفنظر کنید.
با این حال، اگر از خازن الکترولیتی پلاریزه استفاده می کنید، این یک بررسی ایمنی حیاتی است. به دنبال نوار روی بدنه خازن باشید. این تقریبا همیشه نشان دهنده سرب منفی است. این سرب منفی باید به سمت سیم پیچی که به منبع منفی (زمین) می رود وصل شود. سرب دیگر (مثبت) به طرف تغذیه مثبت سیم پیچ وصل می شود. قبل از اعمال پاور این را-دوبار بررسی کنید.
مرحله 3: خازن را در جای خود لحیم کنید
سرهای خازن را برش دهید تا تا حد امکان کوتاه باشند و در عین حال بتوانید دو پایانه سیم پیچ را پل بزنید.
خازن را مستقیماً روی پایانه های سیم پیچ لحیم کنید. اطمینان حاصل کنید که اتصالات لحیم کاری شما تمیز و محکم هستند. نتیجه نهایی باید خازن کوچکی باشد که به خوبی در کنار بدنه رله قرار دارد. باید مستقیماً به پین های کویل آن وصل شود.
ملاحظات چیدمان PCB
اگر PCB خود را طراحی می کنید، می توانید طرح را برای سرکوب بهینه سازی کنید. ردپای خازن را بلافاصله در کنار ردپای پین سیم پیچ رله قرار دهید. مسیرهای اتصال آنها را کوتاه و عریض کنید. این کوچکترین منطقه حلقه ممکن را ایجاد می کند. این عمل هم اندوکتانس انگلی و هم تشعشعات EMI را به حداقل می رساند. این منجر به یک مدار قوی تر و حرفه ای طراحی شده می شود.
مطالعه موردی: حفاظت از یک میکروکنترلر
بیایید در یک سناریوی{0}}جهانی واقعی قدم بزنیم تا ببینیم چگونه همه این مفاهیم با هم ترکیب میشوند. این مثال عواقب ملموس نادیده گرفتن ضربه استقرایی و راه حل ساده و موثر را نشان می دهد.
سناریو
یک سرگرمی معمولی یا پروژه نمونه سازی را تصور کنید. یک برد آردوینو برای کنترل یک رله 12 ولتی-خودرویی استفاده میشود. سیگنال منطقی 5 ولت آردوینو از یک پین ورودی/خروجی دیجیتال یک ترانزیستور کوچک NPN BJT (مانند 2N2222) یا یک ماسفت سطح منطقی را سوئیچ می کند. این ترانزیستور به عنوان سوئیچ پایین-برای سیم پیچ رله 12 ولت عمل می کند.
مشکل در عمل
مدار بر روی تخته نان ساخته شده است. در ابتدا، به نظر می رسد که کار می کند. رله همانطور که انتظار می رود روشن و خاموش می شود.
با این حال، پس از چند چرخه سوئیچینگ، مشکلات عجیبی ظاهر می شود. هر زمان که رله خاموش شود، ممکن است آردوینو به طور مرموزی ریست شود. یا بعد از یک روز استفاده، ترانزیستور BJT ناگهان از کار می افتد و دیگر رله را تغییر نمی دهد.
این نشانه کلاسیک آسیب پس زدن القایی است. اسپایک -100 ولت یا بالاتر که توسط سیم پیچ رله 12 ولت ایجاد می شود یا راه خود را به ترانزیستور باز می یابد، آن را از بین می برد یا به اندازه کافی EMI تابش می کند که عملکرد آردوینو را مختل کند و باعث ریست شود.
پیاده سازی راه حل
راه حل ساده است و فقط چند سنت هزینه دارد. ما یک خازن را مستقیماً روی پایانه های سیم پیچ 12 ولتی رله قرار می دهیم.
ما یک خازن سرامیکی 0.1μF و 50 ولت انتخاب می کنیم. بیایید دلیل آن را تفکیک کنیم:
0.1µF:این یک مقدار استاندارد و ثابت شده برای سرکوب اسپیک ها از این نوع رله است. به اندازه کافی بزرگ است که انرژی را به طور موثر جذب کند.
50V:این رتبه بندی ولتاژ یک حاشیه ایمنی کافی را فراهم می کند. بیش از چهار برابر ولتاژ تغذیه 12 ولت است. به راحتی با هر ولتاژ گذرا مقابله می کند.
سرامیک:ما یک نوع سرامیکی را انتخاب میکنیم زیرا-قطبی نیست (که نصب به عقب را غیرممکن میکند) و دارای ویژگیهای فرکانس بالا{1} عالی برای بستن میخهای تیز است.
خازن با سیم های کوتاه مستقیماً در دو پایه سیم پیچ روی خود رله لحیم می شود.
نتیجه
با نصب خازن، رفتار مدار تغییر می کند. رله هزاران بار با اطمینان روشن و خاموش می شود. ترانزیستور دیگر تحت فشار نیست و از کار نمی افتد. آردوینو بدون هیچ گونه بازنشانی یا اشکال تصادفی کار می کند.
مدار اکنون پایدار، قوی و قابل اعتماد است. همه به لطف یک جزء کوچک و استراتژیک قرار گرفته است. این مطالعه موردی کاملاً نشان میدهد که چگونه یک خازن روی سیمپیچ رله یک پروژه را از یک نمونه اولیه شکننده به یک طراحی قابل اعتماد منتقل میکند.
نتیجه گیری: تأثیر بزرگ مؤلفه کوچک
دیدهایم که عمل بهظاهر ساده تعویض سیمپیچ رله، یک پدیده الکتریکی قدرتمند و بالقوه مخرب را آزاد میکند: ضربهگیری القایی.
قرار دادن خازن روی سیم پیچ رله یک اقدام متقابل مستقیم و موثر است. به عنوان یک ضربه گیر موضعی عمل می کند. قبل از اینکه بتواند به مدار شما آسیب برساند، با خیال راحت انرژی مضر میدان مغناطیسی در حال فروپاشی را جذب می کند.
در حالی که روش های دیگری مانند دیودهای فلایبک وجود دارد و اغلب برای مدارهای DC ترجیح داده می شود، درک نقش خازن دانش اساسی الکترونیک است.
با استفاده از این تکنیک، مزایای قابل توجهی به دست می آورید:
محافظت می کنداجزای محرک حساس شما مانند ترانزیستورها و میکروکنترلرها در اثر آسیب اضافه ولتاژ.
بهبود می بخشدپایداری و قابلیت اطمینان کلی مدار با جلوگیری از تنظیم مجدد و اشکالات تصادفی.
کاهش می دهدتداخل الکترومغناطیسی (EMI) که می تواند سایر قسمت های سیستم شما را مختل کند.
تمدید می شودطول عمر قطعات الکترونیکی شما، که منجر به پروژههای قویتر و طولانیتر-میشود.
دفعه بعد که مداری را با رله طراحی کردید، خطر پنهان سیم پیچ را به خاطر بسپارید. با افزودن این یک جزء کوچک اما حیاتی، شما یک گام ساده برداشته اید که تأثیر زیادی بر حرفه ای بودن و استحکام کار شما می گذارد.
مواد تماس رله: چه هستند و چرا مهم هستند
چگونه می توانید نویز رله را در مدارهای خود شناسایی و کاهش دهید
چرا معمولا از رله برای راه اندازی و حفاظت موتور استفاده می شود؟
کدام بهتر است-رله یا رله PCB را برای پروژه شما وصل کنید