Questo articolo descrive il fenomeno delle interferenze causate dall'uso dei relè per controllare i carichi di potenza nei circuiti elettronici, analizza il meccanismo delle interferenze e propone delle soluzioni. Lo studio ha rilevato che l'interferenza deriva dall'accoppiamento spaziale e che la fonte dell'interferenza è la scintilla generata dai contatti del relè durante le operazioni di apertura e chiusura. L'uso dell'isolamento dell'accoppiamento ottico può far funzionare il relè in modo stabile ed evitare che si verifichino malfunzionamenti. La correttezza dei risultati della ricerca è stata dimostrata nelle applicazioni pratiche.
1 Introduzione
Negli attuali sistemi di controllo automatico, i computer devono spesso controllare alcuni carichi ad alta potenza. In molti casi, i relè sono ampiamente utilizzati perché richiedono una piccola potenza di controllo, una bassa tensione e sono facili da interfacciare con i computer. Ad esempio, un relè controlla la chiusura di un contattore, controllando così il funzionamento di apparecchiature come i motori CA. Il circuito applicativo del relè è illustrato nella Figura 1.
Il carico nella Figura 1 è la bobina del relè intermedio che controlla il carico induttivo. Quando il microcontrollore comanda la conduzione del transistor, la bobina del relè viene eccitata e il contatto normalmente aperto viene chiuso, in modo che la bobina del relè intermedio sia eccitata e il motore CA funzioni.
Per risolvere il problema della stabilità del sistema di controllo, il presente documento studia le variazioni della tensione di alimentazione del circuito elettronico durante il funzionamento del relè e ne individua la causa in considerazione dei malfunzionamenti che spesso si verificano nel funzionamento del circuito illustrato nella Figura 1.
2 Ricerca sui fenomeni di interferenza nelle applicazioni a relè
Dall'analisi del circuito, l'interferenza deriva dall'accoppiamento spaziale e la fonte dell'interferenza dovrebbe essere la scintilla generata dal contatto del relè quando si collega e si interrompe la bobina del relè intermedio. Poiché la bobina del relè intermedio è un carico induttivo, quando il circuito viene scollegato, l'energia immagazzinata nell'induttore renderà difficile scollegare il circuito. Le violente variazioni della scintilla generata irradieranno onde elettromagnetiche nello spazio, che potrebbero modificare il livello della porta di I/O del microcontrollore, causando variazioni anomale del livello di uscita del microcontrollore. Per questo motivo, un circuito di assorbimento della resistenza-capacità è collegato in parallelo al contatto normalmente aperto del relè sulla scheda di circuito per ridurre l'energia della scintilla tra i contatti e ridurre la probabilità di malfunzionamento. Tuttavia, poiché il microcontrollore continua a non funzionare, dopo l'analisi deve esserci un'altra ragione. È probabile che il livello di alimentazione del microcontrollore sia cambiato. Pertanto, viene studiata la forma d'onda della tensione di alimentazione nei due momenti in cui il contatto normalmente aperto del relè viene aperto e chiuso.
Le Figure 2 (a), (b) e (c) mostrano rispettivamente le forme d'onda della tensione di alimentazione nel momento in cui il contatto normalmente aperto del relè viene attivato. Si può notare che a volte si verificano picchi saltellanti sulla tensione di alimentazione. Tuttavia, l'ampiezza, la polarità, il numero e la presenza dei picchi sono casuali, il che è coerente con l'irregolarità dei malfunzionamenti del sistema.
Le Figure 3 (a), (b) e (c) mostrano rispettivamente la forma d'onda della tensione di alimentazione nel momento in cui il contatto normalmente aperto del relè viene interrotto. Si può notare la presenza di picchi sulla tensione di alimentazione. L'ampiezza, la polarità e il numero dei picchi sono casuali e compaiono ogni volta. A giudicare dall'effettivo processo di guasto del sistema, si verificano meno malfunzionamenti durante la connessione e molti più malfunzionamenti durante la disconnessione. Anche dopo il malfunzionamento, il sistema di controllo non si avvia più. L'ispezione ha rilevato che la superficie del microcontrollore 8255 vicino al chip interno era bruciata. In combinazione con l'aumento osservato della tensione di alimentazione, si può pensare che l'alta tensione abbia bruciato il chip. Dopo aver analizzato la struttura del relè, si ritiene che la ragione dell'alta tensione sia che i contatti normalmente aperti e la bobina di controllo del relè sono sigillati in uno spazio ridotto. Quando le scintille appaiono sui contatti, il cambiamento del campo elettromagnetico induce un'alta tensione nella bobina di controllo del relè. Questa alta tensione agisce sul sistema di alimentazione del microcontrollore, causando un picco della tensione di alimentazione del microcontrollore. I limiti superiore e inferiore della fluttuazione di tensione superano l'intervallo di alimentazione consentito del microcontrollore. All'interno del microcontrollore sono presenti diversi circuiti di gate integrati con la microelettronica. Le fluttuazioni di tensione causano un funzionamento anomalo del circuito di gate, con conseguenti risultati di uscita inattesi.
Il motivo per cui la scintilla del relè è piccola quando è acceso è che i contatti iniziano a generare scintille quando sono vicini, ma i contatti si chiudono rapidamente e le scintille scompaiono; quando i contatti del relè sono rotti, le scintille vengono generate subito dopo la loro separazione e la distanza tra i contatti aumenta. Pertanto, le scintille quando il relè è rotto sono molto più grandi, causando più picchi nella tensione di alimentazione quando il relè è rotto, e il microcontrollore funzionerà più di quando è acceso.
3 Misure anti-interferenza dei relè
Per evitare malfunzionamenti dovuti a interferenze durante il funzionamento del relè, la tensione di alimentazione del microcontrollore deve essere isolata dalla tensione di alimentazione della bobina del relè. Per isolare la tensione di alimentazione del relè dalla tensione di alimentazione del microcontrollore si utilizzano misure di isolamento fotoelettrico. Nel circuito attuale viene utilizzato un optoaccoppiatore TL P521. La fluttuazione della tensione di alimentazione secondaria agisce solo sul polo di uscita dell'optoaccoppiatore. La tensione di resistenza dell'optoaccoppiatore è di 55 V, in grado di soddisfare il range di variazione dei picchi di tensione.
Dopo l'isolamento dell'optoaccoppiatore, il relè funziona in modo stabile e non si verificano più malfunzionamenti. Anche se il contatto normalmente aperto non aggiunge un circuito di assorbimento della resistenza-capacitanza, non si verificano più malfunzionamenti. Ciò indica che i malfunzionamenti sono causati da fluttuazioni della tensione di alimentazione e da onde elettromagnetiche nello spazio Radiazioni, purché non si trovino nella linea di controllo del relè di apparecchi a bassa tensione (2002 №4).
Se la tensione indotta eccessivamente elevata generata nel circuito si sovrappone all'alimentazione del microcontrollore, non ne compromette il normale funzionamento. La conclusione di cui sopra è stata tratta nelle condizioni di un motore CA da 1 kW.
4. Suggerimenti per il controllo di motori CA ad alta potenza. Sebbene l'isolamento dell'optoaccoppiatore risolva il problema della stabilità di funzionamento del microcontrollore, le scintille provenienti dai contatti normalmente aperti del relè ne compromettono la durata. Inoltre, quando le correnti di interruzione e di lavoro sono elevate, l'energia irradiata aumenta e possono comparire nuove anomalie imprevedibili. Pertanto, si raccomanda di utilizzare un optoaccoppiatore a triac per l'isolamento elettrico forte e debole, come illustrato nella Figura 5.
Nella Figura 5, quando c'è un ingresso di corrente sul lato primario dell'optoaccoppiatore, il triac sul lato secondario dell'optoaccoppiatore viene attivato e quando la tensione di alimentazione del carico raggiunge un certo valore, il gate dell'optoaccoppiatore ad alta potenza viene iniettato attraverso il lato secondario dell'optoaccoppiatore.
Il triac ad alta potenza conduce la corrente e il carico passa la corrente. Non essendoci un interruttore meccanico, non ci sono scintille e non interferiscono con il lavoro del sistema di controllo a microcontrollore. In questo modo, si risolve contemporaneamente il problema dell'interferenza delle scintille generate dai contatti e il problema della durata elettrica dell'usura dei contatti. Va notato che quando la tensione dell'alimentazione di carico è bassa e la corrente di carico è piccola, la corrente del triac deve raggiungere la corrente di mantenimento prima di poter essere utilizzata normalmente.
5 Conclusione
Il malfunzionamento quando il relè controlla il motore a corrente alternata è causato dall'onda elettromagnetica proveniente dalla scintilla del contatto del relè che si accoppia dallo spazio alla bobina di controllo del relè, causando un potenziale indotto che provoca fluttuazioni nella tensione di alimentazione del microcontrollore, causando picchi di tensione. Isolando questo picco di tensione dall'alimentazione del microcontrollore è possibile eliminare il malfunzionamento del relè.Parole chiave: Controllo IO a 16 canali