Диод параллельно катушке реле для чего

Всем доброго времени суток!
Наслышан про защиту транзисторов в схемах управления реле от ЭДС самоиндукции. Ставят диод параллельно катушке реле, для защиты транзистора, который и управляет этим самым реле. А у меня немного иная ситуация.
Реле работает следующим образом: один конец катушки постоянно подключен к минусу, а на второй подаётся высокий сигнал (5вольт) от цифрового выхода Ардуино. Вот в чем вопрос. Нужен ли в моем случае этот защитный диод, и в каком направлении его подключить? Для наглядности прилагаю схему. Заранее спасибо за ответы.

Последний раз редактировалось Nikita.Dorovskikh Ср фев 14, 2018 15:10:40, всего редактировалось 4 раз(а).

_________________
ВНИМАНИЕ! Я часто редактирую свои сообщения, поэтому перед ответом мне советую обновить страницу.
За перенос модераторами в МЯВУ тем с моими сообщениями я ответственности не несу.
"Йухан, Тор! Вы — на бой!" (Reverse)

_________________
Z Мудрость(Опыт и выдержка) приходит с годами.
Все Ваши беды и проблемы, от недостатка знаний.
Умный и у дурака научится, а дураку и ..
Алберт Ейнштейн не поможет и ВВП не спасет.и МЧС опаздает

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Импульсные источники питания LM450/600-20Bxx производства компании MORNSUN представляют собой надежные ИП, подходящие для применения в суровых условиях эксплуатации. Особенностью источников питания этой серии является мощность, увеличенная до 450/600 Вт, что существенно расширяет спектр возможных применений. В ИП реализованы необходимые защитные функции, такие как защита от короткого замыкания выхода, перегрузки и превышения выходного напряжения. Изоляция «вход-выход» выдерживает напряжение до 4000 В и резкие перепады температур.

Обзор представленных в Компэл новых серий семейств DDRH и RSDH на DIN-рейку и на шасси для высоковольтных сетей постоянного тока с диапазоном входных напряжений от 150 до 1500 В. Могут применяться для станций зарядки электромобилей и электробусов, ж/д транспорта, систем хранения энергии, альтернативной энергетики, телекоммуникационных центров и центров обработки данных.

_________________
Z Мудрость(Опыт и выдержка) приходит с годами.
Все Ваши беды и проблемы, от недостатка знаний.
Умный и у дурака научится, а дураку и ..
Алберт Ейнштейн не поможет и ВВП не спасет.и МЧС опаздает

Цифровой выход ардуины, рассчитан на 40 ма максимум.

+ подключать без резюка, это гарантируемый "пипец выходу" при случайном коротком замыкании.

_________________
Семь бед, один Reset.

Только Serious Sam. только хардкор => https://yadi.sk/d/ZYXXvgybnGeKy (Классика, TFE)

Для своего проекта я использую сигнальное реле на 5v: https://www.chipdip.ru/product0/8178376 . st_product
Написано в даташите что оно очень чувствительное. Видимо поэтому сил Ардуинки хватает. Так что, все-таки ещё нужен резистор или нет?

Добавлено after 14 minutes 20 seconds:
Вот спецификация этого реле. Написано, что низкое напряжение катушки и возможность коммутировать низкоуровневые сигналы.

_________________
Z Мудрость(Опыт и выдержка) приходит с годами.
Все Ваши беды и проблемы, от недостатка знаний.
Умный и у дурака научится, а дураку и ..
Алберт Ейнштейн не поможет и ВВП не спасет.и МЧС опаздает

_________________
ВНИМАНИЕ! Я часто редактирую свои сообщения, поэтому перед ответом мне советую обновить страницу.
За перенос модераторами в МЯВУ тем с моими сообщениями я ответственности не несу.
"Йухан, Тор! Вы — на бой!" (Reverse)

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 13

Для чего паралельно реле подключают обратный диод?

Познавательное

Наверняка вы замечали, что в схемах, где установлено реле, паралельно катушке также установлен диод? Чаще всего, обратный диод ставят именно в тех схемах, в которых реле управляет транзистор. Я решил разобраться, зачем там нужен диод и что будет, если его убрать.

На фото ниже вы как раз можете наблюдать пример такой схемы, где диоды установлены паралельно реле.

Источник: Собственное фото

Как работает обратный диод, установленный паралельно реле?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, из чего состоит реле и как оно работает? Я взял реле в прозрачном корпусе, чтобы можно было наглядно увидеть содержимое. Поверьте, остальные реле имеют похожую конструкцию.

Источник: Собственное фото

В правой части реле (на фото) мы можем наблюдать катушку, а в левой три контакта, один из которых явно подвижный. При подаче тока на катушку, в ней возникает магнитное поле, которое перемещает подвижный контакт в противоположном от положения покоя направлении.

Источник: Создано самостоятельно в sPlan и Gimp

Таким образом, при подаче тока на катушку, ток протекает именно через неё, создавая ЭДС индукции, а через диод, установленный паралельно, ток не течет, так как диод подключен в обратном направлении. Вспомним, что данная схема чаще всего используется там, где реле управляет транзистор. Что произойдет когда транзистор закроется? Ток будет рассеиваться через диод, а подвижный контакт внутри реле перейдет в положение покоя.

Что произойдет, если исключить из схемы диод и оставить только реле и транзистор?

В реле, в момент закрытия транзистора возникают кратковременные импульсы, напряжением в несколько сотен вольт. Диод прекрасно справлялся с ними, но если его убрать, то такие импульсы неизбежно пройдут через управляющий реле транзистор. Да, конечно, транзистор зачастую выбирают с большим запасом по напряжению, но рано или поздно импульсы, возникающие в реле, сожгут его.

Есть чем дополнить? Пишите в комментарии, с удовольствием почитаю ваше мнение.

Электромагнитное реле. Что мы знаем о нём, кроме того, что слово произошло от французского «relais»?

Once upon a time… (где то около года несколько лет назад я кратко поспорил на Хабре:
olartamonov
… Диод, накоротко шунтирующий обмотку реле, сильно увеличивает время его размыкания — и, соответственно, искрение на контактах. …
VT100
… Это может показаться контринтуитивным, но увеличивает он не столько время размыкания, сколько время от снятия сигнала управления до начала размыкания. Это следует из энергии запасённой в обмотке реле и квадрата отношения напряжений питания и отпускания реле (при типичных напряжениях — не менее 90% энергии будет рассеяно на диоде). А собственно время размыкания — определяется, в основном, только механикой реле (усилие пружин и инерция подвижных частей).

Да, там есть ещё некоторый всплеск тока катушки, обусловленный изменением индуктивности при размыкании магнитопровода. Но начальный момент его размыкания — это ещё не момент начала размыкания контактов, КМК. …
olartamonov
Нет, это не так.

Конструкция типичного реле

Как многие помнят, типичное реле состоит из электромагнита (катушки с сердечником из магнито-мягкого материала), подвижной системы (якорь, притягиваемый электромагнитом, его возвратная пружина и пружины контактов) и контактов, замыкаемых и размыкаемых при перемещении якоря.

Из неотмеченных в этом ролике и, возможно, недостаточно очевидных особенностей реле — обратите внимание на тот факт, что замыкание нормально открытых контактов (т.е. разомкнутых при отсутствии тока в катушке) происходит ещё до момента замыкания якоря и сердечника реле. Это создаёт необходимое усилие смыкания контактов и обеспечивает их очистку за счёт сдвига друг относительно друга ([1], стр. 18, 23, 24). То же происходит и при их размыкании: сначала начинает двигаться якорь, потом — размыкаются контакты.

Но зачем вообще нужен диод (демпфер) параллельно катушке реле?

Электромагнит имеет некоторую индуктивность. При быстром прерывании тока через индуктивность на её зажимах генерируется значительная ЭДС, пытающаяся поддержать ток на прежнем уровне. Так, при прерывании тока транзисторным ключом, напряжение на его коллекторе может превысить 1000 В (по абсолютной величине) и вызвать пробой коллекторного перехода транзистора. В лучшем случае — обратимый, в худшем — с выходом транзистора из строя. Вот, что показывает SPICE симуляция в TINA-TI.

Напряжение на коллекторе ключевого транзистора и ток катушки реле при отсутствии демпфирования.

То же, напряжение на коллекторе в меньшем масштабе. Обратите внимание на прямое смещение коллекторного перехода. Мгновенное напряжение на коллекторе в выбранной точке достигает достигает 40 вольт.

Демпфирование диодом — ничего неожиданного. Ток спадает экспоненциально за счёт сопротивления катушки (>> сопротивления открытого диода).

И резистором — более быстрый экспоненциальный спад.

Демпфирование стабилитроном — быстрый спад, близкий к линейному (напряжение стабилизации делёное на сопротивление катушки). Но тут — снова происходит резкое прерывание ненулевого тока (при ЭДС самоиндукции меньше напряжения стабилизации) и мы видим затухающие колебания, сходные с колебаниями в обратноходовом (Flyback) источнике питания с RCD демпфером. Это — возможный источник помех в соседних цепях.

Вот эти колебания в меньшем масштабе. Опять появляется прямое смещение коллекторного перехода ключа, хотя — уже не такое жестокое. Но однократная помеха — проникает в цепь управления ключом.

Теоретическое опровержение предрассудка

Моя идея — базируется на известном соотношении между током катушки индуктивности (электромагнита) и энергией, запасённой в её магнитном поле: E = LI 2 /2 (L — индуктивность катушки, I — ток через неё). Заменяя ток на напряжение по известному сопротивлению катушки, из справочных данных на минимальное напряжение удержания, — получаем озвученные мною 90%. Тут я упустил из внимания, что напряжение удержания указывается минимальным и на практике — оно обычно несколько больше указанного в документации. Но «квадрат» («хорошо, что пополам») — работает в пользу моей гипотезы. Для рассеяния 90% энергии необходимо фактическое напряжение отпускания чуть меньше, чем треть от номинального. А это укладывается в datasheet большинства реле.

При выключении реле, до тех пор, пока ток через катушку реле не упадёт достаточно для отпускания якоря, — нормально открытые контакты всё еще остаются замкнутыми, их движения нет, поэтому — нет ни дуги, ни какого-либо их износа. См. [1], стр. 48 и 53, рис. 25 и 28, описание «электрической задержки» в работе реле, обусловленной индуктивностью и активным сопротивлением катушки.

Эксперименты

Пользуясь недавним избытком свободного времени (весенние «каникулы» 2020 года), я решил закрыть «технический долг» перед самим собой и исследовать, как и на сколько влияет тип применённого демпфера катушки реле на механическое движение его контактов в части времени перехода подвижного контакта между неподвижными (другими словами — скорости достижения зазора, достаточного для гашения дугового разряда) и числа импульсов дребезга (числа возможных дуговых разрядов при каждом переключении). А также — как меняется индуктивность катушки в зависимости от тока и положения якоря. Для опытов были привлечены силовые реле с номинальным напряжением катушки 24 В (промавтоматика ):

производства Omron, реле с одним переключающим контактом для монтажа на печатную плату; производства Relpol и HJQ-22F-4Z производства Tianbo, реле с четырьмя переключающими контактами для монтажа в колодку; производства Elesta, безопасное реле с четырьмя изолированными механически связанными контактами, 2 нормально закрытых (замкнутых, далее по тексту — НЗ, включая аналогичный контакт реле с переключающими контактами) и 2 нормально открытых (разомкнутых, далее — НО).

• TVS диод 1.5KE150A с напряжением ограничения 150 В ном. (итого — перенапряжение на ключевом транзисторе VT2 достигает 174 В ). Это я считаю как «практически полное отсутствие демпфирования» и использую полученные значения как базовые;
• noname стабилитрон на 24 В в корпусе DO-35 (BZX55C24? Итого — перенапряжение около 48 В);
• резистор, обеспечивающий перенапряжение примерно вдвое больше рабочего напряжения катушки (исходя из условия неразрывности тока катушки в момент запирания управляющего транзистора — сопротивление резистора получается в полтора-два раза больше её сопротивления, итого — перенапряжение около 70-80 В);
• диод 1N4148 в корпусе DO-35 (перенапряжение практически отсутствует).

Источник питания реле — на базе импульсного преобразователя 33063 (34063). На входе напряжение 12 В от ПК, на выходе — около 24 В (номинальное напряжение питания реле, падением 0.2-0.4 В на ключе управления и токоизмерительном резисторе — пренебрегаем). Питание управляющего микроконтроллера — от 3-х выводного линейного стабилизатора типа LM2931 на напряжение 5.0 В. Собственно измеритель — на микроконтроллере ATmega88A (что нашлось в запасах) с тактовой частотой 11.052 МГц.

Ток катушки реле измеряется по падению напряжения на R12, незначительно фильтруется C11 и R11, усиливается DA3 и подаётся на вход ADC5. Используется внутренний источник опорного напряжения (1.1 В ном.) зашунтированный внешним конденсатором (0,1 мкФ, на схеме не показан).

Синхронное управление катушкой реле (0.5 Гц) и запуском АЦП (10800 Гц) обеспечивает 16-и битный таймер № 1. Драйвер катушки в пояснениях не нуждается? Диод VD2 используется при испытаниях демпфирования TVS и стабилитроном, для исключения замыкания выхода ключа через демпфер.

Состояние контактов реле считывается по входам внешних прерываний PCINT21 и PCINT22. Учитываются изменения не короче 3.3 мкс (C6*R3), т.е. примерно на порядок меньше ожидаемого времени дребезга. В прерывании «pin change interrupt 2» ведётся накопительный счётчик дребезга контактов. В прерывании сравнения таймера 1 — считывается состояние контактов (замкнут/разомкнут) за прошедший период синхронно с запуском (выборкой значения тока) АЦП.

В прерывании по готовности данных АЦП инициируется передача данных на ПК (через USART на скорости 460800 Бод, по прерываниям, через FT232):

• 2 байта данных тока катушки с замешанными в старшие разряды (15 и 14) битами состояния контактов реле;
• 1 байт счётчика импульсов дребезга с его обнулением.

23,7 мс). Для набора статистики производится некоторое количество (в приложенных файлах — по 127 циклов) включений/выключений реле.
ПО [7] написано в WinAVR 2010. Теоретически, оно без изменений скомпилируется и для Arduino Nano на ATmega328.

Обработка полученных данных проводится в excel (давно ничего не программировал на ПК, так — проще), файл parse_long [7]. Оригиналы принятых данных (8-битные значения по 3 в строке — число импульсов дребезга, MSB тока катушки и состояние контактов, LSB тока катушки) сохраняются на листе «Исходные данные». Потом, по одному набору, они копируются в столбцы A:C листа «Расчёт». На листах «Ток (замык.)», «Ток (разм.)», «Изменения (замык.)», «Изменения (разм.)» и «Контакты (разм.)» они разбираются в 127 групп по 256 последовательных во времени значений и вычисляются средние значения (для тока на листах «Ток . ») или суммы (для числа импульсов дребезга на листах «Изменения . ») для каждых 127 значений, полученных в одно и то же время. Вычисленные значения возвращаются на лист «Расчёт» (в столбцы «Ток замыкания», «Число переключений при замыкании», «Ток размыкания» и «Число переключений при размыкании»). В столбцах O:S задаются начальные строки «окон» для определения матожидания и дисперсии времени замыкания и размыкания контактов. При подаче питания на катушку, «Т. 1 на замыкании» это момент размыкания НЗ контакта, а «Т. 2 на замыкании» это момент первого замыкания НО контакта. При снятии питания с катушки — наоборот, «Т. 1 на размыкании» это момент размыкания НО контакта, а «Т. 2 на размыкании» это момент первого замыкания НЗ контакта. Также — данные с листа «Расчёт» выводятся в графики тока катушки и импульсов на контактах на листе «График».

Поскольку интересуют только относительные данные во временной области — АЦП не калибруется и ток не переводится в реальные миллиамперы, а показывается в целочисленных данных с АЦП.

Данные о состоянии контактов с листа «Контакты» (1 — замкнут НО контакт, 2 — замкнут НЗ, 3 — разомкнуты оба) используются для справки.

Вот пример графиков включения и выключения реле R4 с демпфером 1N4148 (наиболее удобный для подписей, т.к. графики включения и выключения не накладываются друг на друга). Как видно, подписи к осциллограммам тока катушки в «3C9132. Proper Coil Drive is Critical to Good Relay and Contactor Performance» [6] — недостаточно верно описывают поведение подвижной системы ввиду отсутствия информации о состоянии контактов и вообще не рассматривают выключение реле. В «13C3264. Coil Suppression Can Reduce Relay Life» [6] — рассмотрено именно выключение, но также не рассматривается состояние контактов — только ток катушки. В отличие от 3C9132 — включение НО контакта происходит ещё до локального минимума тока в середине графика (завершение движения якоря), что достаточно очевидно ввиду того, что необходимо создать «натяг» в соединении НО и подвижного контактов, а это как раз и требует их замыкания ещё до завершения движения якоря. В отличие от 13C3264 — во всех случаях применения диодного демпфирования процесс переключения реле уже завершается (замыканием НЗ контакта) во время локального максимума тока катушки.

Таблица 1 [7]. Времена от изменения сигнала управления ключом до первого изменения состояния контактов (размыкания НЗ контакта при подаче тока в катушку или размыкания НО контакта при отключении подачи тока), числа импульсов дребезга при изменении состояния контактов и времена движения контактов между первым и вторым изменением состояния (перехода подвижного контакта от НЗ к НО и обратно).

При обмере SIM222 погиб на боевом посту единственный наличный MPSA92. Из приемлемых замен нашёлся только КТ814В, поэтому измерения с TVS 1.5KE150A в роли «почти отсутствующего» демпфера не проводились.

1 — смотрите далее по тексту об особенностях механики этого реле.
2 — дребезг продолжается, как минимум, до истечения времени захвата данных.

Выводы

• Что действительно сильно затягивается, так это время от снятия напряжения с катушки реле до размыкания НО контакта (именно это, не несущее информации о влиянии на ресурс, время drop-out time — мы видим в документе «13C3311. The application of relay coil suppression with DC relays» [6]). И любая схема демпфирования, в том числе и со стабилитроном, — увеличивает его. Для демпфера на 24 В стабилитроне увеличение относительно «почти отсутствующего» демпфера на 150 В TVS составляет около 80 %. Для простого диодного демпфера — ещё больше, 200-300 %. Но, ещё раз , — это время не влияет на ресурс контактов, т.к. они всё ещё остаются замкнутыми.
• Схемы демпфирования с полным поглощением энергии катушки (резистором или диодом) — имеют свои преимущества. Например, они снижают скорость удара подвижного контакта о НЗ и тем самым существенно снижают время его дребезга — от 14 до 30 % для диодного демпфера. У некоторых реле (R4) — снижается и длительность дребезга при размыкании НО контакта [5]. Облегчается режим работы ключевого транзистора и улучшается помеховая обстановка.
• При наиболее агрессивной схеме демпфирования (диодом) время перехода подвижного контакта от НО к НЗ контакту при снятии напряжения с катушки реле действительно увеличивается. По сравнению с демпфированием стабилитроном увеличение составило от 23 до 46 % (в зависимости от типа реле). Так что заявления о затягивании времени выключения реле в разы [интернет, 3, 6] — являются ложными.

• Механике реле R4 (может быть — многих реле данного габарита и конструкции?)— свойственен некий «прогрев», выражающийся в уменьшении времени срабатывания в течении первого десятка быстрых срабатываний после длительного простоя.
• Особняком выступило реле G2R с большим люфтом в подвижной системе. При подаче напряжения на катушку — якорь успевает набрать довольно большую скорость до тех пор, пока не наткнётся на подвижный контакт. Ударившись о подвижный контакт и отскакивая, якорь вызывает этим около десятка импульсов дребезга НЗ контакта, колебания всей подвижной системы (видны как колебания тока катушки, см. изображения ниже) и даже — новое замыкание НЗ контакта. Вот тут — во всей красе себя проявляет диодный демпфер, который единственный и полностью подавляет эту неприятность! Я, правда, так и не придумал объяснения этому факту, т.к. напряжение на катушке реле вряд ли меняет свой знак при этих колебаниях (будучи подключенным через низкое сопротивление насыщенного транзистора к низкому сопротивлению источника напряжения), а ёмкость обратно смещённого диода — мизерна по сравнению с собственной ёмкостью катушки… Возможно — надо рассмотреть катушку этого реле как элемент с распределёнными, а не сосредоточенными параметрами (индуктивность, сопротивление). А индуктивность — как переменную, модулируемую массой якоря и упругостью его пружины.

(TL;DR) 2

Также — я постарался измерить изменение индуктивности катушки при перемещении якоря, чтобы как-то подвязать и его в формулу энергии. Но изменения — достаточно малы (1,5-2 раза), чтобы не брать их в рассмотрение, ввиду малости по сравнению с квадратом изменения тока. Кроме того — в энергетических расчётах надо бы учесть и энергию возвратных пружин.

«13C3344. Determining Relay Coil Inductance» [6] — предлагает измерить индуктивность в одном положении якоря (включенном вручную уже при нулевом напряжении). Я решил собрать немного больше данных и с минимальным вмешательством в работу реле.

Источник питания — тот же, с несколько большим выходным напряжением (около 30 В при R2 = 13 кОм, R1 = 560 Ом).

Для измерения индуктивности использован типичный 3-точечный генератор с ёмкостной обратной связью (правая часть схемы). Ток коллектора (устанавливается R8) выбран минимально достаточным для возбуждения (с амплитудой не более 2 В

на катушке) при подаче на катушку реле номинального постоянного напряжения. Для снижения уровня высших гармоник связь контура с генератором выбрана небольшой (отношение ёмкости C2 к ёмкости последовательных C3 и C4) и используется последовательный резистор R7. Частота установлена небольшой, что-бы уменьшить влияние потерь в сердечнике. Сигнал с базы генератора через буферный ОУ и развязку по постоянному току (C5, R10) подаётся на звуковую карту ПК.

Чтобы не закорачивать контур по переменному напряжению, постоянное напряжение на катушку реле подаётся с помощью генератора тока (с относительно высоким выходным сопротивлением). Сопротивление R4 в эмиттерной цепи регулирующего транзистора задаёт нужный максимальный уровень тока и, через сопротивление катушки реле (640 Ом ном. для реле типа R4), максимальное напряжение на ней (2.5 В * 640 Ом / 68 Ом = 23.5 В=). Уменьшая (относительно положительного полюса источника питания) напряжение на неинвертируюшем входе ОУ можно задать произвольное напряжение на катушке реле. А подав сигнал через RC-цепочку — записать коротенький трек в стиле техно-индастриал [7].

Оказалось, что индуктивность относительно мало меняется в моменты замыкания и размыкания подвижной системы (всё равно остаются зазоры в шарнире якоря и неплотность прилегания якоря к сердечнику) и, при достижении током номинального значения, падает из-за насыщения якоря и сердечника.

Индуктивности катушки (Гн) в зависимости от напряжения на катушке (В) и состояния подвижной системы реле (замкнуты или разомкнуты контакты и есть ли немагнитный зазор между якорем и сердечником) приведены в следующей таблице. В конструктивно схожих реле R4 и HJQ-22F — у первого, визуально, якорь плотнее прилегает к сердечнику. У реле G2R и HJQ-22F — напротив, на якоре есть пуклёвка, обеспечивающая явную неплотность посадки якоря на сердечник. Вероятно, это и обусловило относительно меньшее изменение индуктивности у HJQ-22F.

Таблица 2 [7]. Индуктивности катушек реле и приложенное к ним напряжение в зависимости от состояния подвижной системы.