Методы защиты выходов датчиков, приборов, контроллеров от ЭДС самоиндукции

1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция это явление, которое характеризуется возникновением электродвижущей силы ЭДС в индуктивности (как пример провод смотанный в катушку) при изменении во времени магнитного поля, которое через эту индуктивность проходит. Процесс возникновения ЭДС индукции в индуктивности при изменении протекающего через неё тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда направлено так, чтобы препятствовать изменению магнитного потока, при возрастании тока (например при включении катушки на внешнее питание) в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (то есть направлено против ЭДС источника питания), а при убывании тока — препятствует убыванию (то есть при отключении источника питания направлена так же, как и было подключено питание), это видно и по знаку минус в формуле ниже. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

E=-L*dI/dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Явление самоиндукции можно наблюдать при включении и последующем выключении катушек соленоидов, особенно когда ток большой например около 1А, при отключении возникает пробой и дуга между контактами промежуточных реле, так же это видно при отключении индуктивной нагрузки типа двигателей, вспышка из дугогасящих камер контакторов или автоматов свидетельствует об этом.

Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки, которая в свою очередь зависит как от количества витков, так и от наличия магнитного материала в качестве магнитопровода. При размыкании контактов реле коммутирующих ток катушки ток обрывается практически мгновенно, катушка же стремясь поддержать величину тока в цепи вызывает всплеск напряжения обратной полярности на концах катушки. Данный всплеск может достигать значений во много раз превышающих номинальное напряжение источника питания, что может вызвать как пробой газа между контактами, так и пробой полупроводника, в случае если коммутация происходит за счет транзистора или тиристора, если его напряжение ниже ЭДС самоиндукции, думаю кто работал с КТ315 часто сталкивались с его пробоем, когда коммутировали катушки реле без защиты от самоиндукции.

2. ЭДС самоиндукции на практике

А на практике все печально, на рисунке ниже изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. Всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В, что зачастую больше пробивного напряжения транзисторов, например в ПЛК это около 30В (ограничение по напряжению) по инструкции, и около 50-80В, если смотреть на реальные элементы. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления, а контакты реле будут гореть намного быстрее и раньше выйдут из строя.

3. Методы борьбы с ЭДС самоиндукции

По сути можно на корню решить проблему с ЭДС самоиндукции просто дав возможность току катушки замкнуться после отключения цепи питания катушки по альтернативному пути, например с помощью встречно направленного (обратного) диода, который подключен параллельно к катушке. Такой диод (смотри картинку ниже) будет закрыт, когда приложено напряжение источника питания, и открывается, когда закрыт транзистор коммутирующий катушку, именно диод замкнет через себя контур с ЭДС самоиндукции. Правда есть нюанс, во первых это вызовет задержку в отключении реле - ведь ток то не прервался, значит и магнитное поле осталось, значит якорь притянут, конечно со временем ток все равно снизится из-за потерь как в контуре тока, так и в магнитном контуре, а во-вторых даже установив в цепь диода последовательный резистор, чтобы увеличить потери, излишне ограничив ток мы все равно можем прийти к тому, что ЭДС самоиндукции может быть большим.

Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, можно параллельно катушке включить в схему варистор (имеет пробивное напряжение, очень подходит для переменного напряжения) или специальный элемент который некоторые называют транзорб, или другое название TVS-диод, который как раз предназначен для защиты от перенапряжений (пробивается по аналогии со стабилитроном в обратном направлении при превышении пробивного напряжения), и бывает как с выраженным катодом, так и двунаправленный (по сути это два диода, соединенные катодами друг к другу, тоже подходит для переменки). При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора и транзорба резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку.

ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами по напряжению пробоя, тем самым это даст с одной стороны более быстрый процесс исчезновения тока, а с другой стороны напряжение не превысит опасное. Обычно для цепей постоянного тока напряжение транзорбов в стабилизированных цепях 24В не превышает 32-36В, причем надо иметь ввиду разброс параметров самих транзорбов, тк их начальное напряжение пробоя часто ниже того, которое указано как основное напряжение пробоя. Для не стабилизированной переменки конечно надо иметь чуть больший запас по напряжению, чтобы тот же варистор не сработал ложно.

Можно придерживаться такой таблицы для подбора варисторов.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств, для катушек реле например можно ставить сразу готовый модуль, который продается как аксессуар. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для промежуточных реле (пусть будет как пример FINDER серия двухконтактных реле 99) есть модули:

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110...240

99.02.9.024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6...24В

Как вы видите, это либо защитный диод (не путать цепь светодиода на картинке, там светодиод направлен анодом от плюса к минусу, а защитный диод анодом от минуса к плюсу, такие модули тоже есть у Финдера, они не несут защитную функцию, только индикация) либо варистор.

Естественно для других реле такие модули тоже есть, но можно и просто прикрутить диод, главное чтобы по обратному напряжению он соответствовал и токи у него были побольше рабочих токов катушки.

Для защиты катушек соленоидов следует выбирать правильные фишки, наверняка есть вариант взять не только с индикацией, но и с защитным диодом, либо придется прикручивать диоды внутрь, но тогда надо иметь ввиду, что потребуется строго соблюдать полярность подключения таких катушек.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидов клапанов, гидро- и пневмораспределителей можно использовать клеммники Klemsan серии WG-EKI с электронными компонентами.

Варианты для заказа:

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5...2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110040N Клеммник 2-х ярусный с электронными компонентами (схема 4); WG-EKI-C-корпус MDB (0,5...2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Но будьте готовы, что сроки могут быть не быстрыми. Подобные клеммы есть как у WAGO, так и у Weidmuller и у Phoenix contact, да собственно и у Китайцев с их новыми пока не закрепившимися названиями тоже наверняка есть.

Вот такой схемы можно придерживаться в случае использования диода встроенного в клемму.

Ну и в заключение хочется сказать, что не стоит недооценивать ЭДС самоиндукции, хоть и сопутствующие устройства порой содержат все методы борьбы с перенапряжениями типа как называемые в народе кламперные диоды по питанию (картинка ниже) и всевозможные схемы с транзорбами, не стоит рассчитывать на то что перенапряжение где-то все-таки загасится и если сейчас схема работает, это не значит что она проработает долго, лучше гасить ЭДС в месте возникновения и учитывать его влияние.