Co oznacza napięcie wciągające i napięcie zwalniające przekaźnika?

Witamy w naszym kompletnym przewodniku na temat kluczowych parametrów elektrycznych przekaźników. Omówimy podstawowe koncepcje działania przekaźników, które mają znaczenie dla niezawodnego projektowania systemu.

Napięcie przyciągania-jest również nazywane napięciem niezbędnym do działania. Jest to minimalne napięcie cewki potrzebne do zasilenia przekaźnika. Spowoduje to przesunięcie jego styków z ich normalnego położenia do położenia uruchomionego.

Napięcie zwolnienia to napięcie, które musi zostać zwolnione. Jest to maksymalne napięcie, przy którym zasilany przekaźnik na pewno-odłączy się od zasilania. Dzięki temu jego kontakty mogą powrócić do normalnego, spoczynkowego stanu.

Aby projektować przewidywalne, solidne i odporne na awarie-obwody elektroniczne, należy rozumieć te dwa parametry. Ten przewodnik wykracza poza proste definicje. Zbadamy praktyczne implikacje, czynniki środowiskowe, które wpływają na te wartości i jak poprawnie je odczytać z arkuszy danych.

W tym przewodniku omówimy:

Podstawowe definicje i fizyka stojąca za napięciem-wciągającym i zwalniającym.

Krytyczna koncepcja histerezy i powód, dla którego zapewnia ona stabilne przełączanie.

Czynniki-rzeczywiste, takie jak zmiany temperatury i zasilania, które wpływają na działanie przekaźnika.

Jak czytać i interpretować specyfikacje arkuszy danych w celu zapewnienia niezawodnego projektowania obwodów.

Praktyczne zasady projektowania i praktyczne studium przypadku.

Podstawy

Co to jest napięcie-wciągające?

Napięcie przyciągania wyzwala mechaniczne działanie przekaźnika. Po przyłożeniu napięcia do cewki przekaźnika prąd przepływa i wytwarza pole elektromagnetyczne.

Napięcie przyciągania to specyficzny punkt, w którym siła magnetyczna staje się wystarczająco silna. Musi pokonać połączone przeciwne siły. Należą do nich napięcie sprężyny powrotnej twornika i ciśnienie statyczne normalnie zamkniętych styków.

Przy tym napięciu zwora jest ciągnięta w stronę rdzenia cewki. Powoduje to zmianę stanu ruchomych styków. Normalnie otwarte styki zostaną zamknięte, a normalnie zamknięte styki zostaną otwarte.

Wartość w arkuszu danych jest gwarantowanym maksimum. Rzeczywiste napięcie-wciągania dowolnego pojedynczego modułu przekaźnika może być niższe. Arkusz danych gwarantuje, że przekaźnik będzie działał przy lub poniżej tego określonego napięcia. Na przykład „musi działać napięcie mniejsze lub równe 9,6 V”.

W przypadku większości standardowych przekaźników prądu stałego napięcie przyciągania jest podawane jako procent nominalnego napięcia cewki. Zwykle jest to 70% lub 80%. W przypadku zwykłego przekaźnika 12 V prądu stałego gwarantowane napięcie-przyciągania byłoby określone jako mniejsze lub równe 9,6 V prądu stałego (80% z 12 V).

Co to jest napięcie zwolnienia?

Napięcie zwolnienia reprezentuje próg dezaktywacji-. W miarę zmniejszania się napięcia na cewce pod napięciem zmniejsza się przepływ prądu. Pole magnetyczne słabnie.

Napięcie zwolnienia to punkt, w którym siła magnetyczna staje się zbyt słaba. Nie może już utrzymać zwory przed siłą mechaniczną sprężyny powrotnej.

Przy tym napięciu siła przywracająca sprężyny pokonuje resztkowe przyciąganie magnetyczne. To odsuwa twornik od rdzenia. Ta czynność przywraca styki do normalnego,-stanu pozbawionego zasilania.

Podobnie jak napięcie przyciągania, napięcie zwolnienia w arkuszu danych jest gwarantowanym minimum. Gwarantuje się, że przekaźnik zostanie zwolniony, gdy napięcie cewki spadnie do tego poziomu lub poniżej. Typowa specyfikacja może brzmieć: „musi zwolnić napięcie większe lub równe 1,2 V”.

Wartość tę często wyraża się także jako procent napięcia nominalnego. W przypadku przekaźników prądu stałego napięcie zwolnienia jest zwykle określane jako 10% lub więcej wartości znamionowej. W przypadku przekaźnika 12 VDC gwarantowane napięcie zwolnienia będzie większe lub równe 1,2 VDC.

Pojęcie histerezy

Co oznacza napięcie wciągające i napięcie zwalniające przekaźnika dla stabilnej pracy? Napięcie przyciągania-przekaźnika jest zawsze znacznie wyższe niż napięcie zwolnienia. Ta różnica między dwoma progami nazywana jest histerezą.

Ta cecha nie jest wadą. Jest to podstawowa i niezbędna cecha dla stabilnej pracy przekaźnika. Histereza zapobiega „pracowaniu” przekaźnika,-szybkim włączaniu i wyłączaniu oscylacji,-gdy napięcie sterujące oscyluje w pobliżu pojedynczego punktu przełączania.

Wyobraź sobie, że napięcie-wciągania i zwalniania było identyczne. Jakikolwiek niewielki szum lub fluktuacja sygnału sterującego wokół tego pojedynczego progu spowoduje szybkie włączanie i wyłączanie przekaźnika. Prowadzi to do wyładowań łukowych na stykach, przedwczesnego zużycia i nieprzewidywalnego zachowania systemu.

Pętla histerezy zapewnia strefę nieczułości. Po wciągnięciu przekaźnika napięcie musi znacznie spaść, zanim zostanie zwolnione. Zapewnia to czyste i zdecydowane działanie przełączające.

Możemy to zwizualizować za pomocą prostego wykresu przedstawiającego stan przekaźnika w funkcji napięcia cewki.

Ten wykres wyraźnie pokazuje dwie oddzielne ścieżki włączania i wyłączania. Tworzą pętlę reprezentującą histerezę przekaźnika.

Rzeczywiste-czynniki wpływające na świat

Rola temperatury cewki

Pojedynczym, najbardziej wpływowym czynnikiem wpływającym na napięcie wciągania i zwalniania przekaźnika w-rzeczywistym obwodzie jest temperatura jego cewki.

Fizyka jest prosta. Cewka przekaźnika jest nawinięta drutem miedzianym, który ma dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji. W przypadku miedzi wartość ta wynosi około +0.4% na stopień Celsjusza.

Wraz ze wzrostem temperatury cewki wzrasta jej rezystancja DC. Dzieje się tak albo na skutek wysokiej temperatury otoczenia, albo na skutek-samonagrzewania się w wyniku ciągłej pracy. Zgodnie z prawem Ohma (V=IR), jeśli rezystancja (R) wzrasta, wymagane jest wyższe napięcie (V), aby wytworzyć ten sam poziom prądu (I) potrzebny do wytworzenia uruchamiającego pola magnetycznego.

W miarę nagrzewania się cewki zwiększa się-efektywne napięcie przyciągania. Przekaźnik, który niezawodnie pobiera napięcie 9 V w laboratorium w temperaturze 25 stopni, może wymagać do włączenia napięcia 11 V lub więcej, gdy pracuje wewnątrz gorącej obudowy w temperaturze 80 stopni.

Wpływ na napięcie zwolnienia jest podobny. Gorętsza cewka o wyższej rezystancji oznacza, że ​​napięcie musi spaść do niższego poziomu, aby zmniejszyć pole magnetyczne na tyle, aby zwora mogła zostać zwolniona. Dlatego efektywne napięcie wyzwalania również wzrasta wraz z temperaturą.

Kiedyś badaliśmy awarię w terenie, podczas której jednostka sterująca działała doskonale w laboratorium (25 stopni), ale nie uruchomiła krytycznego przekaźnika bezpieczeństwa w obudowie zewnętrznej w letnim słońcu (70 stopni). Konstrukcja zapewniała napięcie nieco wyższe od podanej w specyfikacji-odciągu zimnego. Nie uwzględniono znacznego wzrostu napięcia-przyciągającego w wysokich temperaturach. Rozwiązanie wymagało przeprojektowania obwodu sterownika, aby zapewnić wyższe gwarantowane napięcie wyjściowe we wszystkich warunkach termicznych.

Zmiany w zasilaniu

Zasilanie obwodu nigdy nie jest idealne. Jego zmiany bezpośrednio wpływają na działanie przekaźnika. Projektanci muszą uwzględniać te realia.

Po pierwsze, sama tolerancja podaży. Zasilacz o napięciu znamionowym „12 V” często wynosi 12 V ±5% lub nawet ±10%. Projektant musi pracować nad najgorszym-scenariuszem. Jeśli napięcie zasilania może spaść do 11,4 V (-5%), to minimalne napięcie musi nadal znajdować się znacznie powyżej maksymalnego możliwego napięcia włączenia przekaźnika, biorąc pod uwagę wpływ pełnej temperatury.

Drugi to spadek napięcia lub spadek I*R. Przewody i ścieżki PCB łączące źródło zasilania z cewką przekaźnika mają rezystancję. Nawet niewielki opór na długim odcinku przewodu może spowodować znaczny spadek napięcia, gdy cewka pobiera prąd. Napięcie na cewce przekaźnika będzie niższe niż napięcie na zaciskach zasilacza. Współczynnik ten należy obliczyć i skompensować w projekcie.

Wreszcie problemem są tętnienia napięcia, szczególnie w prostszych zasilaczach prądu przemiennego-stałego. Jeśli tętnienie napięcia stałego jest wystarczająco duże, dolna granica napięcia może spaść poniżej napięcia utrzymywania lub zwalniania przekaźnika. Powoduje to drgania przekaźnika lub nieoczekiwane zwolnienie. Jest to szczególnie problematyczne w przypadku obwodów pracujących blisko progu napięcia wyzwalającego.

Wpływ tłumienia cewki

Kiedy tranzystor wyłącza prąd do obciążenia indukcyjnego, takiego jak cewka przekaźnika, zanikające pole magnetyczne indukuje duży skok napięcia (V=-L * di/dt). Ten skok może łatwo zniszczyć tranzystor sterujący, jeśli nie zostanie stłumiony.

Najpopularniejszą metodą tłumienia jest prosta dioda typu flyback umieszczona równolegle z cewką. Gdy tranzystor się wyłączy, dioda zapewnia bezpieczną ścieżkę dla cyrkulacji i rozproszenia indukowanego prądu. Chroni to kierowcę.

Jednak ta metoda wiąże się ze znacznym kompromisem.- Prąd krążący przedłuża istnienie pola magnetycznego. Dzięki temu zwora przekaźnika pozostaje dłużej pod napięciem. To znacznie zwiększa czas zwolnienia przekaźnika.

Opóźnienie to może być niedopuszczalne w zastosowaniach wymagających szybkiego przełączania. Co więcej, powolny zanik pola magnetycznego może również skutecznie podnieść napięcie, przy którym przekaźnik ostatecznie zostaje zwolniony.

W zastosowaniach, w których czas zwolnienia ma krytyczne znaczenie, wymagane są lepsze metody tłumienia. Dioda Zenera połączona szeregowo ze standardową diodą lub sieć tłumików-rezystorów (RC) może zapewnić szybszą ścieżkę zaniku prądu cewki.

Oto porównanie popularnych technik tłumienia:

Wybór właściwej metody tłumienia zapewnia równowagę pomiędzy ochroną komponentu sterownika a osiągnięciem wymaganej wydajności wyzwalania przekaźnika.

Praktyczne zastosowanie i projektowanie

Czytanie arkusza danych

Przełożenie teorii na praktykę rozpoczyna się od prawidłowej interpretacji arkusza danych przekaźnika. Sekcja danych cewki zawiera krytyczne specyfikacje napięcia, które regulują projekt obwodu sterownika.

Rozłóżmy kluczowe parametry, które znajdziesz.

Nominalne napięcie cewki:Jest to standardowe, przeznaczone napięcie robocze do pracy ciągłej. Przekaźnik zaprojektowano z myślą o optymalnej wydajności i żywotności przy tym napięciu.

Musi działać (wciągać-) Napięcie:Jest to określone jako wartość maksymalna (np. mniejsza lub równa 9,6 V). Twój obwód musi dostarczać co najmniej takie napięcie w każdych warunkach (w najgorszym-przypadku niskie zasilanie, maksymalna temperatura), aby zagwarantować zadziałanie.

Musi zwolnić napięcie:Jest to określone jako wartość minimalna (np. większa lub równa 1,2 V). Aby zagwarantować, że przekaźnik-odłączy się od zasilania, napięcie w obwodzie w stanie „wyłączonym” musi być poniżej tego poziomu.

Maksymalne napięcie ciągłe:Jest to najwyższe napięcie, jakie cewka może wytrzymać przez czas nieokreślony bez przegrzania i uszkodzenia. Przekroczenie tej wartości może drastycznie skrócić żywotność przekaźnika.

Poniżej znajduje się przykład typowej tabeli danych cewki dla przekaźnika „kostka cukru” 12 V DC.

Uważne czytanie jest niezbędne. Należy pamiętać, że te podstawowe specyfikacje są często podawane w temperaturze odniesienia, zwykle 25 stopni. Jak już wspomnieliśmy, wartości te będą się zmieniać w różnych temperaturach roboczych.

Studium przypadku projektu: UVLO

Zastosujmy te koncepcje do praktycznego problemu projektowego: utworzenia obwodu blokady podnapięciowej akumulatora (UVLO).

Celem jest ochrona akumulatora kwasowo-ołowiowego 12 V przed głębokim rozładowaniem. Obwód musi automatycznie odłączać obciążenie, gdy napięcie akumulatora spadnie do poziomu krytycznego, na przykład 11,5 V. Powinien ponownie podłączyć obciążenie dopiero po naładowaniu akumulatora do zdrowszego napięcia, np. 12,5 V.

Wyzwaniem jest wybór odpowiedniego przekaźnika i zaprojektowanie logiki sterowania. Naturalna histereza przekaźnika wydaje się idealna do tego zadania.

Nasza analiza wymaga, aby przekaźnik wykonał dwie czynności w oparciu o progi napięcia:

Przekaźnik musiuwolnienie(odłączyć obciążenie) gdy napięcie w systemie spadnie do 11,5V.

Przekaźnik musiwciągnij-do środka(podłącz ponownie obciążenie), gdy napięcie w systemie wzrośnie do 12,5 V.

Proces selekcji rozpoczęlibyśmy od poszukiwania standardowego przekaźnika nominalnego 12 V DC. Naszym głównym przewodnikiem są specyfikacje arkusza danych. Napięcie zwalniające musi być znacznie poniżej naszego progu rozłączenia 11,5 V. Wymagane napięcie musi być poniżej progu ponownego podłączenia 12,5 V.

Jednakże profesjonalny inżynier wie, że nie należy projektować bezpośrednio według tak szerokich-specyfikacji tolerancji. W praktyce nigdy nie polegalibyśmy na nieprecyzyjnym napięciu wciągania i zwalniania przekaźnika w celu ustawienia krytycznych progów UVLO. Napięcie wciągania i napięcie zwalniania przekaźnika mają wrodzoną histerezę, która jest zbyt zmienna i silnie zależna od temperatury.

Zamiast tego używamy specyfikacji przekaźnika, aby stworzyć bezpieczne okno operacyjne dla znacznie bardziej precyzyjnego zewnętrznego obwodu wyzwalającego. Zaprojektowaliśmy obwód komparatora (wykorzystując-wzmacniacz operacyjny lub dedykowany układ scalony nadzorcy) z precyzyjnym dzielnikiem rezystancyjnym do ustawiania progów 11,5 V i 12,5 V. Ten komparator następnie steruje tranzystorem, który z kolei napędza cewkę przekaźnika.

W przypadku tego projektu przy wyborze przekaźnika kierujemy się upewnieniem się, że nie koliduje on z naszym precyzyjnym obwodem. Wybralibyśmy przekaźnik z obowiązkowym napięciem zwolnienia na przykład większym lub równym 1,2 V i niezbędnym napięciem roboczym mniejszym lub równym 9,6 V. To szerokie, gwarantowane okno (od 1,2 V do 9,6 V) daje nam wystarczająco dużo miejsca. Nasz precyzyjny obwód może wówczas działać niezawodnie przy napięciu 11,5 V i 12,5 V, całkowicie odporny na szerokie tolerancje przekaźnika i dryft termiczny.

To studium przypadku pokazuje, że właściwości przekaźnika są kluczową częścią projektu systemu. Są jednak zarządzane i kontrolowane przez zewnętrzną inteligencję, a nie polegają na samej precyzji.

Praktyczne zasady projektowania

Aby zapewnić niezawodne sterowanie przekaźnikiem, postępujemy zgodnie z zestawem podstawowych zasad podsumowanych na tej liście kontrolnej.

Zasada 1: Uważaj na luki.Zawsze upewnij się, że minimalne gwarantowane napięcie wyjściowe obwodu sterownika jest wyższe niż maksymalne określone napięcie przyciągania-przekaźnika. Uwzględnij najwyższą możliwą temperaturę roboczą.

Zasada 2: Niski poziom ma znaczenie.Upewnij się, że napięcie upływu sterownika w stanie-wyłączonym, w połączeniu z zakłóceniami systemu, jest zawsze niższe niż minimalne określone napięcie zwolnienia przekaźnika. Zapobiega to przerwaniu-zasilania przekaźnika.

Zasada 3: Temperatura nie jest Twoim przyjacielem.Zawsze obniżaj wartości obliczone w obliczeniach napięcia dla-najgorszego środowiska termicznego. Dobrą praktyką jest zaplanowanie budżetu na co najmniej 20-25% wzrost napięcia przyciągania w przypadku przejścia ze środowiska laboratoryjnego o temperaturze 25 stopni do zastosowań przemysłowych, w których panuje temperatura 85 stopni.

Zasada 4: Jedź z uprawnieniami.Nigdy nie steruj cewką przekaźnika bezpośrednio ze standardowego pinu we/wy mikrokontrolera. Piny te mają ograniczone możliwości pozyskiwania prądu i wysoką impedancję wyjściową. Użyj dedykowanego sterownika, takiego jak BJT lub MOSFET, który może zapewnić czyste zasilanie cewki o niskiej-impedancji.

Zasada 5: Tłumij mądrze.Minimalnym wymogiem zapewniającym ochronę sterownika jest dioda flyback umieszczona na cewce. Jeśli Twoja aplikacja jest wrażliwa na czas zwolnienia, zainwestuj dodatkowe komponenty w rozwiązanie z diodą Zenera lub tłumikiem RC.

Zaawansowane rozważania

Przekaźniki zatrzaskowe

Ważne jest, aby odróżnić standardowe przekaźniki-nie zatrzaskujące od przekaźników zatrzaskowych, które działają w oparciu o inny paradygmat.

W odróżnieniu od-przekaźnika bez zatrzasku, który wymaga ciągłego zasilania cewki do utrzymania swojego stanu, przekaźnik zatrzaskowy jest przekaźnikiem bistabilnym. Przełącza stan za pomocą krótkiego impulsu napięcia, a następnie pozostaje w nowym stanie przy zerowym zużyciu energii.

Przekaźniki te nie mają tradycyjnego napięcia-wciągającego ani zwalniającego. Zamiast tego w ich arkuszach danych określono impuls ustawiania napięcia, aby przesunąć styki do pozycji zasilonej napięciem, oraz impuls napięcia resetowania (często na osobnej cewce), aby przywrócić je do normalnego położenia.

Podstawową korzyścią jest ogromna oszczędność energii. Dzięki temu przekaźniki zatrzaskowe idealnie nadają się do zastosowań-zasilanych z baterii lub-wrażliwych na energię, gdzie stan musi być utrzymywany przez długi czas.

Cewki AC i DC

Zasady omówione w tym przewodniku dotyczą głównie przekaźników cewek-prądu stałego. Przekaźniki cewek-AC są zaprojektowane inaczej.

Działanie cewki prądu stałego zależy od jej rezystancji prądu stałego i wynikającego z tego prądu. Jednakże działanie cewki prądu przemiennego opiera się na jej impedancji przy określonej częstotliwości sieci (np. 50 Hz lub 60 Hz).

Cewki prądu przemiennego często zawierają pierścień zacieniający lub cewkę zacieniającą. Jest to pojedynczy, krótki zwój miedzi osadzony w powierzchni czołowej rdzenia. Tworzy opóźniony strumień magnetyczny, który utrzymuje zworę w miejscu podczas-przejścia przez zero fali sinusoidalnej prądu przemiennego. Zapobiega to słyszalnemu brzęczeniu i gadaniu kontaktów.

Ich specyfikacje dotyczące napięcia wciągania i zwalniania są zatem podawane w woltach prądu przemiennego (VAC) i należy je oceniać w kontekście stabilności źródła prądu przemiennego.

Wniosek: Podstawa niezawodnej kontroli

Napięcie wciągania i zwalniania to coś więcej niż liczby w arkuszu danych. Definiują podstawowe okno robocze przekaźnika elektromechanicznego. Histereza utworzona przez przerwę pomiędzy tymi dwoma progami jest kluczem do zapewnienia czystego, stabilnego i pozbawionego drgań przełączania.

Jednak udany projekt musi wykraczać poza te statyczne wartości temperatury-pokojowej. Głównym przesłaniem tego przewodnika jest to, że solidny obwód musi uwzględniać dynamiczne,-rzeczywiste czynniki, które bezpośrednio wpływają na działanie przekaźnika. Dotyczy to w szczególności znaczącego wpływu temperatury cewki i zmian zasilania.

Wychodząc poza arkusz danych komponentów i biorąc pod uwagę cały system,-od źródła zasilania i obwodu sterownika po środowisko termiczne otoczenia-, inżynierowie mogą właściwie zarządzać tymi krytycznymi parametrami. Takie podejście pozwala nam wykorzystać podstawowe właściwości przekaźników do budowy obwodów sterujących, które nie tylko działają na stole laboratoryjnym, ale są naprawdę niezawodne w terenie.

Zobacz także

Proces produkcji przekaźników i przebieg testowania

Zastosowanie przekaźników w systemach wytwarzania energii słonecznej

Jak rozróżnić normalnie otwarte i normalnie zamknięte styki przekaźnika

Jak wybrać odpowiednie przekaźniki samochodowe i skrzynki bezpiecznikowe