Zabezpieczenie przed przepięciami wynikającymi z czynności łączeniowych
Wytwarzanie impulsów wysokiego napięcia związane jest z obecnością w przekaźniku cewki (indukcyjności). Podczas przepływu prądu, w indukcyjności cewki magazynowana jest energia, podobnie jak w pojemności kondensatora. Po dołączeniu źródła napięcia do cewki zaczyna przez nią płynąć prąd, jak pokazują czerwone strzałki i w cewce gromadzi się energia. Gdy styki przekaźnika zostaną rozwarte, przepływ prądu zostaje gwałtownie przerwany, a zgromadzona w cewce porcja energii zostaje przekazana do diod LED, powodując ich błysk [1]. To wytwarzane w cewce napięcie samoindukcji ma biegunowość odwrotną niż wcześniej dołączone tam napięcie baterii i może być duże [1]. Napięcie to jest ujemne względem masy. Napięcie to jest nazywane napięciem samoindukcji i nie zależy od napięcia zasilania! Cewka jest elementem, który nie akceptuje zmian prądu i wytwarza takie napięcie, aby podtrzymać (lub powstrzymać) zmianę prądu. Przy natychmiastowym przerwaniu prądu, napięcie samoindukcji będzie bardzo duże (teoretycznie nieskończenie wielkie) [1]. Poniższy wykres obrazuje zachowanie się przekaźnika podczas jego wyłączania.
W praktyce napięcie to jest napięciem szkodliwym, mogącym np. zniszczyć elementy tranzystorowe (np. wyjścia sterownika PLC) i stosuje się elementy zabezpieczające przed napięciem samoindukcji. Rysunek poniżej przedstawia przykład użycia diody, jako elementu zabezpieczającego przed napięciem samoindukcji stosowanego szeroko w elektronice.
Do najczęściej stosowanych środków zabezpieczających przed przepięciami zalicza się:
- ograniczniki przepięć,
- warystory,
- układy RC,
- diody Zenera,
- rezystory,
- kondensatory.
Urządzenia te są technicznym środkiem ochrony przepięciowej i mają charakter:
- uniwersalny, tzn. działają skutecznie przy dowolnym przepięciu o określonej wartości,
- wybiórczy, tzn. mogą być przeznaczone do ochrony przed skutkami przepięć tylko o określonej wartości.
W przypadku tłumienia przepięcia styczników i cewek zaworów w maszynach, na rynku są spotykane:
- warystory
- układy RC,
- dioda,
- dioda połączona z diodą Zenera.
Warystor jest rezystorem o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej, którego rezystancja maleje wraz ze wzrostem napięcia. Warystory są stosowane jako elementy tłumiące dla elementów łączeniowych uruchamianych napięciem stałym i przemiennym. Warystor posiada niewielką rezystancję dla prądów o bardzo dużych wartościach oraz dużą rezystancję dla prądów o małych wartościach. Ta właściwość powoduje, że dużym zmianom wartości prądu przepływającego przez warystor odpowiadają bardzo niewielkie zmiany napięcia. Warystory pochłaniają energię zmagazynowaną w obwodzie w chwili ucięcia prądu, nie dopuszczając do znacznego wzrostu napięcia na zaciskach chronionych urządzeń. Nie zmieniają natomiast szybkości narastania przepięć. Warystor zaczyna przewodzić, gdy napięcie między jego końcówkami przekroczy pewną wartość graniczną. Maksymalna wartość przepięcia przy wyłączaniu zależy od napięcia ograniczenia warystora.
Układ RC jest środkiem ograniczania wartości przepięć jak i stromości ich narastania. Są stosowane jako elementy tłumiące dla elementów łączeniowych uruchamianych napięciem stałym i przemiennym. Włączanie w obwód dodatkowych pojemności sprawia, że energia gromadzona w elementach indukcyjnych podczas ich wyłączania jest przenoszona w wyniku oscylacji na powiększoną pojemność obwodu, przez co uzyskuje się zmniejszenie wartości przepięć w obwodzie. Prawidłowo dobrane układy RC wpływają nieznacznie na czasy wyłączania elementów łączeniowych sterowanych indukcyjnie. Przedłużenie czasu wyłączania wynosi poniżej 1 ms.
Dioda tłumi przepięcia tylko elementów łączeniowych uruchamianych napięciem stałym. Polaryzacja diody ma znaczenie podczas włączania jej pomiędzy zaciski chronionego urządzenia. W trakcie przepływu prądu przez cewkę dioda jest spolaryzowana zaporowo. W momencie wyłączenia napięcia na cewce elementu łączeniowego, dioda zaczyna przewodzić, ograniczając przepięcia do wartości 0,7V. Zastosowanie diody powoduje zwłokę przebiegu wyłączania urządzenia. Czas wyłączania jest dłuższy 6 ÷ 9-ciokrotnie. Dioda ma zastosowanie do obwodów o mocy do 5,5 kW.
