Повышение безопасности переключения реле с помощью драйвера нулевого перехода

Реле — это устройство, главным назначением которого является управлением электрическим коммутатором большой мощности (цепи управления) путем замыкания / размыкания контактов управление при этом обеспечивая гальваническую развязку цепи.

Их можно найти повсюду, от холодильников до лифтов, от усилителей до умных счетчиков. Поскольку в большинстве реле используется нагрузка переменного тока, возникновение дуги и дополнительные потери мощности при переключении могут быть проблемой, если реле размыкает и замыкает контакты, когда сигнал переменного тока находится на пике (амплитудное значение напряжения / тока). Этого можно избежать, переключаясь только тогда, когда сигнал переменного тока пересекает нулевое напряжение или при переходе через нуль.

Что представляет собой реле?

Реле состоит из двух изолированных цепей: управляющей «первичной» цепи и управляемой «вторичной» цепи. Первичная цепь обычно включает в себя транзистор, который управляет электромагнитной катушкой, чтобы тянуть или толкать механический якорь на вторичной цепи своим электромагнитным полем (рисунок ниже). Часто он питается от меньшего источника постоянного напряжения. Вторичная цепь имеет контактный вывод, который размыкается и замыкается якорем. Это часто связано с нагрузкой переменного тока, такой как вентилятор, освещение, схема усилителя или смарт счетчик.

Схема подчеркивает механическую природу реле

Переключение при нулевом напряжении

Переключение при нулевом напряжении (на английском Zero voltage switching или ZVS) направлено на изменение состояния реле или электронного переключателя в тот момент, когда на переключающем элементе нет значительного напряжения. На данном этапе не должно быть значительного наведенного тока (зависит от реактивной мощности цепи). Это помогает минимизировать износ механического контакта и снижает риск скачка напряжения при индуктивных нагрузках.

В этом приложении измеряется точка перехода напряжения через нуль в цепи питания переменного тока, и сигнал преобразуется в управляемую прямоугольную волну постоянного тока. Эта прямоугольная волна постоянного тока будет сигнализировать интегральной схеме (ИС) о начале изменения состояния якоря при переходе через нуль.

ZVS также можно использовать для измерения частоты или фазы сигнала переменного тока. Мы будем использовать этот аспект ZVS, чтобы включать катушку только тогда, когда переменный ток 50 Гц подается на вторичную цепь с частотным детектором.

Схема детектора перехода напряжения через нуль (ZCVD), которая обеспечивает переключение при нулевом напряжении, может быть реализована несколькими способами. Подробное объяснение использования GreenPAK IC для ZVS можно найти в AN-1210. В этой конструкции используется маломощный ZCVD, который состоит из однополупериодного выпрямителя, подключенного к оптрону 4N25 (рисунок ниже).

В схеме детектора перехода напряжения через нуль (ZCVD) используется оптоизолятор

В оптопаре выпрямленный сигнал переменного напряжения включает светодиод внутри, который излучает свет с интенсивностью, пропорциональной входному сигналу на фототранзистор, который также находится внутри. Когда свет достигает определенного порога, фототранзистор включается. Выход постоянного тока оптопары находится на уровне, управляемом для цифрового входа.

Реле на PIN7 подключено к клемме низкого уровня реле (рисунок ниже). Для этой статьи использовалось реле G5NB-1A-E DC12. При переходе тока через нуль детектор нулевого перехода даст команду на размыкание силового контакта, тем самым снизив практически до нуля вероятность возникновения электрической дуги. Между полюсами катушки добавлен диод свободного хода (или маховика на английском flywheel) 1N4148 для безопасного рассеивания обратной электродвижущей силы (ЭДС) катушки. Время срабатывания реле также должно компенсироваться GreenPAK, если оно должно быть замкнуто в истинный момент перехода через ноль. Максимальное время срабатывания реле указано в его техническом описании как 10 мс.

В этой конструкции используется маломощный ZCVD, состоящий из однополупериодного выпрямителя, подключенного к оптопаре 4N25

Для подачи напряжения в схему использовались два источника постоянного тока Agilent, но для подачи напряжения 12 В и 5 В для GreenPAK использовался стабилизированный источник напряжения (например, с использованием диодного кольца и стабилизатора ИС).

Цепь ZCVD добавляется извне между входом переменного тока и ZCVD в PIN3. Выход оптопары имеет небольшую задержку после истинного момента перехода через нуль и должен быть скомпенсирован внутри интегральной схемы (ИС). Измеренная задержка оптопары составила 740 мкс, что не учитывает входной гистерезис. Графики были получены в результате моделирования теста входного сигнала с частотой 50 Гц и выхода оптопары для оценки этой задержки (рисунки ниже). VIHmin = 0,5 × VDD и VILmax = 0,3 × VDD. При VDD 3 В значения равны VIHmin = 1,5 В и VILmax = 0,9 В.

График показывает обнаружение восходящего фронта переменного тока
График показывает обнаружение спадающего фронта переменного тока

Смещение, которое нас больше всего беспокоит, — это задержка между истинным переходом через ноль и VIHmin (1,5 В), которая составляет около 550 мкс (рисунок ниже).

Задержка между реальным пересечением нуля и спаданием напряжения до нуля VIHmin составляет около 550 мкс

Системный дизайн

Для этого приложения мы выбрали GreenPAK SLG47105. Это устройство имеет четыре высоковольтных выхода, которые могут достигать 13,2 В, что позволяет управлять катушкой 12 В. HV OUT CTRL0 установлен в режим HV OUT «Полумост», а скорость нарастания по умолчанию установлена на «медленную для драйвера двигателя». PIN7 установлен в положение «LOW side on», так что когда он активируется, он «замыкает» низкую сторону реле на землю, чем и включает реле (рисунок ниже).

Схема основана на GreenPAK SLG47105

4-битный LUT0 подключен к nRST DFF3 и OE HV OUT CTRL0. LUT (таблица поиска) настроен на ВЫСОКИЙ уровень, когда реле ARM (PIN2) находится в состоянии ВЫСОКИЙ, сигнал с частотой выше 55 Гц отправляется на ZCVD IN, перегрузка по току ACMP ниже порога, а минимальное напряжение ACMP выше порог. Когда 4-битный LUT0 имеет высокий уровень сигнала, он активирует работу драйвера реле, а ACTIVE (PIN17) помечает как HIGH.

Входы OCP и UVP могут быть подключены резистивным делителем к нагрузке, источнику питания или другой контролируемой ИС, при этом пороговые значения ACMP установлены на правильное значение. При тестировании OCP был подключен к земле (GND), а UVP — к VDD, чтобы убрать их функцию из схемы.

Открытие / закрытие (PIN14) подключено к D DFF3, а вход ZCVD IN с задержкой подключен к его CLK. Выход nQ DFF3 подключен к IN0 HV OUT CTRL0. Когда DFF активирован, он проверяет состояние открытия / закрытия. Если при открытии / закрытии установлено ВЫСОКОЕ значение, схема будет сигнализировать о закрытии реле при переходе через нуль линии переменного тока в будущем, а НИЗКИЙ уровень подаст сигнал на размыкание реле.

Передний фронт DLY0 после ZCVD IN был установлен примерно на 7,407 мс, чтобы скорректировать задержку ZCVD в 740 мкс, которая была измерена, и максимальное время срабатывания реле 10 мс для замыкания якоря при истинном переходе через нуль. Это было определено, потому что следующее пересечение нуля более 10 мс составляет 16,667 мс (период 60 Гц), а полное смещение до истинного перехода через нуль (время работы минус задержка ZCVD) составляет 9,26 мс. Используя формулу ниже, значение было рассчитано как 7,407 мс (эту задержку можно изменить, чтобы учесть другое время работы):

Общее смещение = Период до следующего перехода через ноль — (Время работы — Задержка ZCVD)

Тестирование

В распределении каналов для этих тестов канал 1 (желтый) подключен к ZCVD IN SLG47105, канал 2 (голубой) — к выходу драйвера RELAY ON, канал 3 (розовый) — к выходному сигналу и канал 4. (синий) к контакту реле.

Схема была протестирована на холостом ходу с задержкой 7,407 мс, но реле не переключалось при истинном переходе через ноль (когда сигнал равен нулю) (рисунок ниже).

Схема была протестирована без нагрузки с задержкой 7,407 мс, но, как показано здесь, реле не переключалось при истинном переходе через нуль, когда сигнал источника питания равен нулю

Чтобы исправить это, фактическое время работы реле было измерено путем наблюдения за расстоянием между РЕЛЕ ВКЛЮЧЕНО, переходящим в низкий уровень, и установкой контакта реле на то же значение, что и сигнал электрической сети. Было измерено, что оно составило 4,16 мс (рисунок ниже).

Фактическое время срабатывания реле было измерено и составило 4,16 мс

Используя приведенную выше формулу (общее смещение), скорректированная задержка была рассчитана как 4,793 мс. Следующим переходом через ноль после времени работы был полупериод выхода питания (8,333 мс). Значение задержки DLY0 было легко изменить, чтобы отразить это в GreenPAK Designer, изменив значение счетчика. Когда схема была повторно протестирована с этим новым значением задержки, реле переключилось при истинном переходе через ноль при размыкании и замыкании (рисунки ниже).

Рисунок показывает размыкание реле в истинной точке пересечения нуля с задержкой 4,793 мс
На этом графике экрана показано замыкание реле в точке истинного пересечения нуля с задержкой 4,793 мс.

Выводы

С некоторой внешней схемой и правильной задержкой микросхема смогла управлять реле 12 В при истинном переходе через ноль. Схема была протестирована на холостом ходу, поэтому могут быть внесены дальнейшие корректировки для соответствия ее функциональности с предполагаемой нагрузкой. Дополнительная доступная логика позволяет интегрировать дополнительные функции. Среди множества приложений, достижимых с помощью GreenPAK, он может предоставить настраиваемый драйвер реле, который переключается при истинном переходе через ноль для более безопасной и эффективной работы вашей электрической схемы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *