Przekaźniki dla początkujących cz. 2
W poprzedniej części opisałem jak czym jest i jak działają przekaźniki elektromagnetyczne. Dzisiaj chciałbym opowiedzieć Ci trochę o bardzo ważnym (i dość paskudnym) zjawisku jakiema są przepięcia pojawiające się przy wyłączaniu przekaźników. Jeżeli gwałtownie przerwie się przepływ prądu przez cewkę (elektromagnes) to indukuje się na niej bardzo wysokie napięcie. Jest to przykład tzw. indukcji Faradaya – kluczowego zjawiska w wielu działach elektrotechniki. Po przeczytaniu tego tekstu będziesz wiedzieć czym jest to zjawisko i z czego wynika. Do tego pokażę Ci jak oszacować wartość indukowanego napięcia i jak można je ograniczać.
Na czym polegają przepięcia?
Tak jak poprzednio, zachęcam Cię do obejrzenia filmu, na którym pokazuję zjawisko przepięcia na rzeczywistym przekaźniku i tłumaczę skąd się bierze oraz jak z nim walczyć.
W skrócie problem można opisać następująco: Kiedy prąd płynący przez cewkę przekaźnika jest odłączany stopniowo, to nie obserwujemy żadnych negatywnych efektów. Kiedy jednak gwałtownie przerwiemy możliwość przepływu prądu to na cewce pojawia się bardzo duże napięcie. To napięcie jest ujemne, to znaczy skierowane przeciwnie niż napięcia zasilające cewkę.
Nasza demonstracja pokazuje przykład łatwy do spotkania w praktyce, ale przez to mało spektakularny. Jeżeli chcesz zobaczyć bardziej widowiskowy efekt gwałtownego odłączania prądu od cewki indukcyjnego to zerknij na poniższy film:
Skąd biorą się przepięcia na cewce przekaźnika?
Elementy inercyjne
Elementy elektroniczne można podzielić na trzy rodzaje:
- źródła: mogą one dostarczać energii do obwodów elektrycznych,
- odbiorniki: pobierają one energię elektryczną i praktycznie nieodwracalnie ją zużywają np. rezystory, diody, żarówki itd.
- elementy inercyjne: mogą zgromadzić otrzymaną energię w jakiejś formie, a następnie oddać ją do obwodu.
Główne elementy inercyjne to kondensatory, które gromadzą energię w postaci pola elektrycznego i właśnie cewki indukcyjne, które gromadzą ją w polu magnetycznym.
Ciekawym rodzajem elementów inercyjnych są też silniki elektryczne, które gromadzą energię w postaci energii kinetycznej. Energię tę mogą potem oddać do obwodu. Dzieje się tak np. w samochodach z napędem hybrydowym , gdy podczas hamowania silnik może doładowywać akumulatory.
Na będą oczywiście interesowały tutaj cewki indukcyjne, zwłaszcza te występujące w przekaźnikach.
Energia zgromadzona w cewce
Energia pola magnetycznego zgromadzonego w cewce indukcyjnej jest równa:
$E = \frac{1}{2} L I^2,$
gdzie $E$ to energia, $I$ – natężenie prądu płynącego przez cewkę, a $L$ – parametr cewki zwany jej indukcyjnością.
Kluczowe dla zjawiska indukcji Faraday jest to, że energia zależy od prądu. Jeżeli przez cewkę płynie prąd to ma ona w swoim polu magnetycznym zgromadzoną energię, a jeżeli prąd to nie płynie – tej energii nie ma.
Wynika z tego prosty fakt – w momencie wyłączania przekaźnika cewka musi zachować się jak źródło i oddać do obwodu zgromadzoną wcześniej energię. Dlaczego powoduje to pojawienie się napięcia? Za chwilę do tego dojdziemy.
Moc w obwodach elektrycznych
Będą nam potrzebne jeszcze dwa wzory. Pierwszy z nich to definicja mocy. Jak mam nadzieję wiesz, jeżeli jakieś ciało fizyczne dostarczy w czasie $t$ energii równej $E$ to wymaga to mocy równej:
$P = \frac{E}{t}.$
Drugi wzór mówi o tym, że elementy elektroniczne dostarczają albo pobierają moc równą iloczynowi napięcia na tym elemencie i natężenia płynącego przez niego prądu:
$P = U \cdot I,$
gdzie $U$ to napięcie, a $I$ – natężenie prądu.
Co się dzieje podczas odłączania cewki przekaźnika?
Wyobraź sobie, że przez cewkę płynie prąd o natężeniu $I$ i nagle przerywamy możliwość przepływu tego prądu. Możemy to zrobić np. przełączając klucz jak na układzie z rys. 1 albo wyciągając wtyczkę z zasilacza jak na filmie.
Spójrz np. na wykres na rys. 2. Widać w nim, że przez cewkę płynie prąd o wartości bliskiej $250 \text {mA}$, który w czasie równym $t=0,1 \text{ ms}$ spada do zera.
Przed odłączeniem prądu w cewce jest zgromadzona energia $E=\frac 1 2 LI^2$. Po odłączeniu ta energia spada do zera. Oznacza to, że cewka musiała ją oddać do obwodu. Ponieważ stało się to w czasie $t=0,1 \text{ ms}$ to średnia moc dostarczana przez cewkę musiała być równa:
$P = \frac {E}{t} = \frac {1}{2} {LI^2}{t}.$
Pamiętasz nasz wzór na moc elementów elektronicznych? Była ona równa iloczynowi prądu i napięcia. Skoro cewka ma dostarczyć mocy to musi się na niej pojawić odpowiednie napięcie. Moc dostarczana do obwodu podczas przerywania przepływu prądu jest równa:
$P = U_{śr} \cdot I_{śr},$
gdzie $U_{śr}$ to średnie indukowane na cewce napięcie, a $I_{śr}$ to średni prąd podczas wyłączania obwodu.
Ten średni prąd jest równy połowie prądu płynącego przez cewkę przed jej rozłączeniem (bo zakładamy, że prąd opada liniowo do zera):
$I_{śr} = \frac{1}{2} I.$
Jeżeli połączymy te wszystkie równania (zostawię Ci to jako ćwiczenie) to otrzymamy wzór na indukowane napięcie:
$U_{śr} = L \frac{I}{t}.$
Widać to na poniższym wykresie, gdzie założyłem, że indukcyjność cewki jest równa $0,1 \text{H}$. Jak widać pojawi się skok napięcia o wartości prawie $250 \text{V}$.
Czemu napięcie jest ujemne?
Napięcie indukowane na cewce przekaźnika jest ujemne, czyli skierowane odwrotnie niż napięcie zasilające cewkę. Z czego to wynika?
Otóż, kiedy elementy elektroniczne pobierają moc (działają jak odbiorniki) to prąd płynie w nich od niższego do wyższego potencjału. Kolokwialnie powiedzielibyśmy, że od „plusa” do „minusa”. Tak jest np. w przypadku rezystorów.
W przypadku źródeł prąd płynie w przeciwnym kierunku – od „minusa” do „plusa”. Tak zachowuje się np. zasilacz czy bateria.
Z kolei w przypadku elementów inercyjnych mogą zachodzić obie sytuacje w zależności od tego czy akurat gromadzą one czy oddają energię. Kiedy natężenie prądu cewki spada, to oddaje ona energię do układu (bo maleje energia pola magnetycznego). W związku z tym napięcie musi być skierowane przeciwnie niż podczas normalnego przepływu prądu (spróbuj to przeanalizować na schemacie).
Co dalej?
Przepięcia na cewce przekaźnika to efekt niepożądany. Mogą one zniszczyć inne elementy w obwodzie i wprowadzać zakłócenia, które przeniosą się nawet do innych układów elektronicznych w pobliżu. Dlatego trzeba z nimi walczyć. Jak to zrobić pokazywałem na filmie. Ponieważ jednak ten wpis jest i tak już dość długi to zajmiemy się tym tematem następnym razem.
