Obloukové výboje na kontaktech relé: příčiny a metody potlačení

K elektrickému oblouku na kontaktech relé dochází tehdy, když proud nadále přeskakuje přes malou mezeru, která vzniká při rozpojování kontaktů. Indukční zátěže, jako jsou elektromagnety a motory, mohou zvýšit napětí na této mezeře a způsobit větší namáhání kontaktních ploch elektrickým obloukem. Správným řešením není přidávat univerzální diodu ke každému relé. Nejprve zjistěte, zda se energie nachází v cívce relé, nebo ve spínané zátěži, a poté ověřte, zda se jedná o obvod AC nebo DC, jmenovité parametry relé pro danou aplikaci a způsob potlačení přepětí podle dokumentace zařízení. Tento průvodce vysvětluje uvedené rozdíly a poskytuje kontrolní seznam pro bezpečné posouzení. Nenahrazuje odborný návrh elektrického obvodu ani ověření pro konkrétní stroj.

Co se děje při rozpojování kontaktů

Proudová cesta se nemusí přerušit okamžitě v okamžiku, kdy se pohyblivý kontakt relé začne zvedat. I velmi malá mezera mezi kontakty může stále umožňovat elektrický výboj. Elektrický oblouk zahřívá a opotřebovává kontaktní materiál. Opakované spínání může způsobit zdrsnění povrchu kontaktů, přenos materiálu z jednoho kontaktu na druhý, zvýšení odporu nebo nakonec znemožnit spolehlivé rozpojení či sepnutí. Míra opotřebení závisí na obvodu a konkrétním relé. Životnost nelze předpovědět pouze na základě přítomnosti viditelné jiskry.

Pohyb kontaktů, proud a napětí zátěže, fáze spínání, zapínací proud, četnost spínání a konstrukce kontaktů relé – to vše hraje důležitou roli. Nelze předpokládat, že relé vybrané pro odporovou zátěž bude mít stejnou životnost při spínání motoru, skupiny svítidel, transformátoru nebo elektromagnetu. Společnost National Instruments vysvětluje vztah mezi indukčností obvodu, rozpojováním kontaktů a vznikem elektrického oblouku. Tyto informace používejte jako obecné vysvětlení, nikoli jako specifikaci jiného modelu relé. Přečtěte si technickou poznámku společnosti National Instruments o elektrickém oblouku.

Vznik elektrického oblouku a svaření kontaktů jsou také dva odlišné režimy poruchy. Elektrický oblouk je výboj přes vznikající mezeru při rozpojování kontaktů. Ke svaření může dojít při přehřátí nebo vzájemném natavení kontaktů, a to i během události s vysokým zapínacím proudem při jejich sepnutí. Obvod, který se normálně rozpojí při malém zkušebním proudu, může při skutečném zatížení přesto selhat. Proto je potlačení přepětí pouze jednou částí posouzení aplikace; výběr kontaktů, chování zátěže a provozní režim je nutné kontrolovat společně.

Rozlišení elektrického oblouku na kontaktech od zpětného elektromotorického napětí cívky

U relé je třeba vzít v úvahu alespoň dvě elektrické cesty: obvod cívky, který pohybuje kotvou, a kontaktní obvod, který spíná zátěž. Ochranný prvek připojený paralelně k cívce omezuje přechodový jev při jejím vypnutí. Chrání budič cívky nebo řídicí elektroniku, ale automaticky neomezuje napětí na kontaktech zátěže. V závislosti na schématu zapojení a konstrukci zařízení může být zapotřebí další ochranná součástka na straně zátěže nebo v kontaktním obvodu.

Častý je také opačný omyl. Odrušovací člen na straně kontaktů automaticky nechrání tranzistorový nebo PLC výstup, který ovládá cívku stejnosměrného relé. Před určením toho, co jednotlivé součástky chrání, ověřte, mezi kterými body jsou připojeny. Schéma zapojení a přesný technický list relé jsou spolehlivějšími zdroji informací než barva vodičů, fotografie výrobku nebo vzhled ochranné součástky.

Jednoduchá dioda zapojená paralelně ke stejnosměrné cívce není univerzálním řešením elektrického oblouku na kontaktech. Může omezit napěťovou špičku cívky, ale zároveň může změnit průběh jejího odpadu. Pokud časování odpadu ovlivňuje kontakty zátěže, musí konstruktér tento vliv posoudit. Nepřemisťujte diodu do kontaktního obvodu ani neměňte její polaritu podle obecného schématu. U cívek na střídavý proud není jediná usměrňovací dioda vhodnou náhradou za obousměrné řešení nebo řešení určené pro střídavý proud. Rozhodující je dokumentace výrobce relé a návrh řídicího obvodu.

Proč záleží na typu zátěže a proudu

Indukční zátěž ukládá energii do magnetického pole. Při přerušení proudu potřebuje obvod cestu nebo součástku, která dokáže zvládnout vzniklý přechodový jev. Průběh napětí a proudu závisí na zátěži, zapojení vodičů a spínacím zařízení. Stejnosměrný elektromagnet, cívka stykače na střídavý proud, transformátor a motor nevykazují totožné přechodové jevy. Dokonce i dva motory se mohou lišit podle napájení, mechanického zatížení, provozního bodu a uspořádání obvodu.

Kapacitní zátěže představují další problém. Nabité kondenzátory mohou při sepnutí kontaktů způsobit vysoký zapínací proud. Přidání RC obvodu nebo jiné ochranné součástky může omezit jeden přechodový jev, ale zároveň přinést další problémy související se spínacím proudem při sepnutí, svodovým proudem, zahříváním nebo dobou odpadu. Je nutné posoudit chování při sepnutí i rozepnutí.

Rozlišujte také elektrickou a mechanickou životnost relé. Technická specifikace výrobku může uvádět jmenovité zatížení kontaktů pro odporovou zátěž a samostatně hodnotu mechanické životnosti. Ani jedno z těchto čísel samo o sobě nezaručuje stejnou životnost při spínání indukční nebo kapacitní zátěže. Zamýšlené aplikaci musí odpovídat konkrétní kategorie použití, typ zátěže, četnost spínání, okolní podmínky a způsob zapojení ochranných prvků.

Porovnání způsobů potlačení přepětí

Níže uvedená tabulka slouží jako pomůcka pro předběžné posouzení, nikoli jako návod k zapojení. Pomáhá určit, co musí konstruktér prověřit před výběrem součástky. Pro konkrétní obvod je nutné ověřit proudovou cestu, běžné i přechodové napětí, jmenovité parametry součástek, uloženou energii, svodový proud a pokyny výrobce.

Společnost Texas Instruments ve svém pojednání o vypínání indukčních zátěží rozlišuje omezení přepětí na spínači, omezení přepětí na zátěži a volnoběžnou proudovou cestu. Jedná se o různá místa v obvodu, nikoli o vzájemně zaměnitelné názvy součástek. Dokument se zabývá výkonovými polovodičovými spínači; použijte jej k pochopení cesty toku energie, nikoli jako schválení zatížitelnosti kontaktů relé ORJ nebo dimenzování zhášecího obvodu. Přečtěte si aplikační dokument společnosti TI o vypínání indukčních zátěží.

Umístění součástky mění vlastnosti obvodu

RC síť zapojená paralelně k rozepínajícímu se kontaktu a RC síť zapojená paralelně k zátěži mohou být obě označovány jako zhášecí obvod, ale nevytvářejí totožné chování obvodu. Síť zapojená paralelně ke kontaktu může zajistit proudovou cestu, když je relé rozepnuté. Síť zapojená paralelně k zátěži se vyhýbá této proudové cestě přes rozepnutý kontakt, avšak účinnost potlačení přechodového jevu mohou ovlivnit zapojení vodičů a impedance zdroje. Jakýkoli zbytkový proud, který udržuje lampu, vstup nebo cívku částečně pod napětím, může způsobit funkční problém, i když se zdá, že relé pracuje správně.

Zohledněte požadavky zátěže ve vypnutém stavu, vstup řídicí jednotky, svodový proud kontaktů, spínací frekvenci a výkonové ztráty součástek. Při změně polohy zátěže se může změnit její indukčnost. Potlačovací obvod, který funguje při laboratorním testování, se může chovat odlišně při použití delší kabeláže, skutečného motoru nebo jiného provozního cyklu. Poznámky výrobců mohou doporučit vhodné metody, ale nemohou nahradit testování na zamýšlené sestavě.

Diodu, varistor MOV, TVS diodu nebo RC obvod by měla vybírat a instalovat pouze osoba, která rozumí danému obvodu a příslušným jmenovitým parametrům součástek. Nekopírujte hodnoty součástek z příspěvků na fórech, z obvodů s jiným napětím ani z nesouvisejících reléových desek. Pokud je nutné měřit průběh signálu, využijte kvalifikovaný personál, vhodně dimenzované měřicí vybavení a bezpečnostní postupy platné na pracovišti.

Kontrolní seznam před úpravou obvodu

1. Identifikujte model relé, typ cívky, schéma kontaktů a přesné schéma zapojení obvodu.
2. Zjistěte, zda se přechodový jev vyskytuje na cívce, spínané zátěži, nebo na obou místech.
3. Zaznamenejte, zda jde o střídavý nebo stejnosměrný proud, ustálený proud, náběhový proud nebo akumulovanou energii, četnost spínání a očekávané chování zátěže při odpojení.
4. Prostudujte dokumentaci výrobce relé a zátěže pro zamýšlenou kategorii zátěže. Nezaměňujte jmenovité parametry pro odporovou zátěž s parametry pro indukční zátěž.
5. Zvolte postup technického posouzení umístění potlačovacího obvodu, svodového proudu, zapínacího proudu, napětí součástek a tepelného rozptylu.
6. Ověřte výsledky přímo v dané aplikaci, včetně chování při rozepínání a spínání, místo předpokladu, že menší viditelná jiskra automaticky zaručuje delší životnost.
7. Zdokumentujte schválené zapojení a uchovávejte ověření specifické pro daný stroj v dokumentaci zařízení.

Bezpečnost je na prvním místě. Norma OSHA 29 CFR 1910.333 stanoví, že před zahájením práce by měly být odkryté živé části odpojeny od napájení, pokud se neuplatňuje výslovně stanovená výjimka. Dále uvádí, že ovládací prvky, jako jsou tlačítka a přepínače, nemohou být jediným prostředkem k odpojení zařízení od napájení. Kvalifikované osoby musí pomocí vhodného zkušebního zařízení ověřit stav bez napětí. Dodržujte příslušné místní předpisy a postupy zaměstnavatele; tento článek nepředstavuje postup uzamčení a označení zařízení (Lockout/Tagout). Přečtěte si normu OSHA 1910.333.

Pro širší výběr aplikací začněte průvodcem výběrem elektromechanických relé. Tento článek se zaměřuje konkrétně na elektrický oblouk na kontaktech a jeho potlačení, zatímco průvodce pokrývá kompletní specifikaci relé.

Co jmenovité parametry ORJ1SL říkají a co z nich nelze vyvodit

Produktová stránka relé ONPOW ORJ1SL uvádí jmenovité hodnoty pro odporovou zátěž podle konfigurace modelu, včetně 12 A při 250 VAC a 30 VDC pro variantu 1S a 8 A při 250 VAC a 30 VDC pro variantu 2S. Tyto hodnoty jsou na stránce označeny jako hodnoty pro odporovou zátěž. Nelze z nich automaticky odvozovat jmenovité hodnoty pro indukční zátěž. Stejná produktová stránka uvádí i další charakteristiky, avšak před použitím v návrhu je nutné ověřit přesnou dodávanou verzi a její datový list.

Toto rozlišení je důležité při posuzování elektrického oblouku na kontaktech relé. Jmenovitá hodnota kontaktu pouze udává, jaké zatížení podporuje uvedený model za stanovených zkušebních podmínek. Nedefinuje hodnoty potlačení oblouku, provozní podmínky pro motory ani životnost při spínání pro každou zátěž v reálném provozu. Pokud plánujete aplikaci s indukční zátěží, vyžádejte si schéma kontaktů a příslušné jmenovité hodnoty zátěže pro přesný objednací kód a následně ověřte celé sestavené zapojení. Nepoužívejte článek, obrázek ani jmenovitou hodnotu relé jiného produktu jako náhradu těchto údajů.

Schéma zapojení naleznete v průvodci schématy zapojení elektromechanických relé. Informace o kontrole odpojené součástky naleznete v článku jak bezpečně testovat elektromechanické relé.

Stránka normy IEC 61810-1 organizace IEC popisuje obecné a bezpečnostní požadavky na elektromechanická základní relé používaná v zařízeních nízkého napětí. Rozsah této normy však nezbavuje nutnosti posoudit podmínky zatížení specifické pro danou aplikaci. Stránka normy uvádí, že aplikace s dalšími požadavky by měly být posuzovány podle příslušných norem platných pro danou aplikaci.

Často kladené otázky

Proč při rozepnutí kontaktů relé vzniká elektrický oblouk?

Proud může nadále protékat i přes malou mezeru, která vzniká při oddělování kontaktů. Indukční energie, proud zátěže, fáze spínání, geometrie kontaktů a podmínky v obvodu ovlivňují, zda elektrický oblouk vznikne a jak dlouho přetrvává.

Chrání ochranná dioda proti zpětnému napětí kontakty relé?

Dioda zapojená paralelně k cívce stejnosměrného relé řeší napěťovou špičku při vypnutí cívky. Automaticky však nechrání spínané kontakty relé před přepětím způsobeným připojenou zátěží. Nejprve určete zdroj energie a místo v obvodu.

Lze použít diodu k potlačení oblouku na kontaktech při spínání střídavého proudu?

Jednosměrná dioda není univerzálním řešením pro střídavý proud. Obvody střídavého proudu vyžadují součástky a zapojení dimenzované pro daný průběh vlny a konkrétní aplikaci, například vhodný varistor MOV, obousměrný přepěťový ochranný prvek nebo RC člen, pokud to podporuje technické posouzení.

Měl by být RC snubber vždy instalován paralelně ke kontaktu relé?

Ne. Obvod může mít dostatečnou životnost i bez dodatečné ochrany a zhášecí člen může způsobovat svodový proud, spínací proud, výkonové ztráty nebo ovlivňovat dobu rozepnutí. Porovnejte skutečné podmínky použití s pokyny výrobce.

Může ochrana proti přepěťovým špičkám kompenzovat použití relé, které je pro danou zátěž příliš malé?

Ne. Potlačení napěťových špiček nemůže změnit nevhodnou jmenovitou zatížitelnost kontaktů na vhodnou. Před rozhodnutím o ochraně ověřte přesný typ relé, kategorii zátěže, zapínací proud, spínací režim a požadavky konkrétní aplikace.

Další video: Kondenzátory zabraňující poškození kontaktů stejnosměrných relé elektrickým obloukem od Andyho Reynoldse (TheInfoworks). Video se zabývá příkladem stejnosměrných kontaktů; berte jej jako doplňkový zdroj informací, nikoli jako univerzální návrhový návod.