Иногда приходится сталкиваться со странным поведением приборов автоматики — глюки, подвисания, ошибки датчиков, и прочие необъяснимые вещи. И дело тут как правило не в самих приборах, а в помехах, возникающих при коммутации различных индуктивных нагрузок. Откуда они берутся и как с ними бороться — расскажем ниже.
Индуктивность — причина возникновения помех и износа контактов реле
Нагрузочная способность реле, применяемых в большинстве приборов автоматики — 10 Ампер на активную нагрузку. На практике бывает не всегда достаточно этого тока, и приходится ставить промежуточные более мощные реле, или контакторы, или пускатели. Также бывает необходимость коммутировать различные электромагнитные (соленоидные) клапаны. Все эти приборы объединяет то, что в их конструкции присутствует электромагнит, а элементом электромагнита всегда является индуктивность (катушка). И это вызывает две проблемы. Во-первых, наличие индуктивности в электрических цепях, коммутируемых сухим контактом, приводит к значительному снижению нагрузочной способности и рабочему ресурсу этого контакта. Во-вторых, при коммутации нагрузки с относительно большой индуктивностью (это как раз про перечисленные приборы) возникают мощные импульсные электрические и радиопомехи. Всему виной является природное явление под названием самоиндукция.
ε = — L * ΔI / Δt (Величина ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности катушки и пропорциональна скорости изменения электрического тока, проходящего через катушки. Иными словами, чем больший ток начинает или прекращает идти через катушку, тем сильнее самоиндукция)
В момент разрыва цепи, а также при замыкании (от дребезга контактов) на концах катушки возникает ЭДС самоиндукции, зависящая от величины индуктивности этой катушки, которая может достигать десятков тысяч вольт. В перечисленных выше приборах при питании их от сети 220 Вольт ЭДС достигает до 5000 Вольт. Этого достаточно для возникновения сильной искры или электрической дуги между коммутируемыми контактами, что приводит их к постепенному повышенному износу и возможному залипанию, а также к возникновению мощной кратковременной электрической и радиопомехи. Электрические попадают непосредственно в электросеть, а мощные радиопомехи излучаются в окружающее пространство, и потом могут улавливаться приборами и проводами, как антеннами (особенно проводами датчиков). И те, и другие помехи является большим злом для электроники, если она используется в техпроцессе, могут вызывать разного рода сбои в ее работе с нежелательными последствиями. Это может выражаться в ошибках срабатывания реле, в «подвисаниях» и «перезапусках» приборов (секундных выключениях-включениях), в «плавании» температуры, в «потере» датчиков терморегулятором. Последнее особенно касается электронных датчиков DS18B20 с длинным неэкранированным проводом (и это обстоятельство стало одной из причин, почему в модернизированном ИРТ-4К-м мы отказались от цифровых датчиков DS18B20 в пользу своих аналоговых ДТ-3Д). Проявлений может быть много, часто их описывают как «автоматика сходит с ума», и причина тут — не брак приборов, а помехи извне.
Борьба с помехами
С этим явлением можно бороться разными способами. Часто достаточно просто отодвинуть провода датчиков подальше от катушки клапана или реле. Иногда можно немного по-другому организовать коммутацию в боксе с автоматикой, разнести провода питания и отодвинуть реле. Если для коммутации сигнальных схем используются мощные силовые контакторы с высокоиндуктивной катушкой, то их замена на слаботочные реле также может помочь. Но часто все эти способы скорее больше похожи на танцы с бубном, которые могут и не сработать.
Наиболее эффективный способ борьбы с самоиндукцией — это снабберная цепочка, или RC-цепочка (устройство состоящее из последовательно соединенных резистора и конденсатора) подключенная параллельно к катушке коммутируемого устройства. Эффективность снабберной цепочки показана на представленных ниже рисунках. То есть правильно подобранные значения емкости конденсатора и сопротивления резистора полностью подавляют высоковольтный импульс самоиндукции. В идеальном случае значения конденсатора и резистора подбираются с помощью осциллографа визуально наблюдая осциллограммы. На практике, если ток через катушку не превышает 100 мА (а в эти значения входят практически любые клапаны, контакторы, применяемые на практике), то значения емкости конденсатора от 0,1 до 0,47 микрофарада и сопротивления от 10 до 100 Ом в любом сочетании дают превосходный результат. Конденсатор следует применять только с пленочным или бумажным диэлектриком с рабочим напряжением не меньше 630 Вольт, а сопротивления проволочные, металлопленочные или углеродистые, мощностью 1-2 Ватта.
Оптимальное сочетание в RC-цепочке — это резистор 51 Ом и конденсатор 0,22 мкФ х 400-630 В. Желательно устанавливать RC-цепочку как можно ближе к источнику помех (к катушке), тем самым не давая вырваться радиопомехе с части провода, который по сути является антенной.
Если ток через катушку больше 100 мА, значения емкости и сопротивления можно выбрать с помощью номограммы или сделать расчет с помощью соответствующих формул. Эту методику можно найти здесь (полный справочник Мощные реле).
Если электрические и радиопомехи мешают работоспособности прибора и их источник недоступен, то необходимо применить более мощный сетевой фильтр чем тот, который находится внутри прибора. Это если помеха приходит из питающей сети. Если же мощная радиопомеха, то кроме этого можно применить ферритовые фильтры, надетые на провода датчиков температуры, которые являются в данном случае антеннами.
