Redukcja zakłóceń wprowadzanych przez przekaźniki

Redukcja zakłóceń wprowadzanych przez przekaźniki

Elektromagnetyczne przekaźniki sygnałowe są kojarzone z niezawodnym i niemal bezstratnym przewodzeniem sygnałów o niskich amplitudach. Jednak ich załączanie może wprowadzać do sygnału zakłócenia. Jaki mechanizm za to odpowiada i w jaki sposób można ten niepożądany efekt ograniczyć? Oto moje rozwiązanie tego problemu.

Od wielu lat jestem związany z branżą audio. Selektory wejść i pasywne regulatory głośności to obszary, w których przekaźniki sygnałowe są stosowane masowo – w jednym układzie potrafi ich być nawet kilkaset. Pierwsze prototypy moich urządzeń często wracały do mnie po testach z adnotacją „stuka” albo „wprowadza trzaski do sygnału”. Zachodziłem w głowę: jak to możliwe, skoro prowadzenie masy, ekranowanie i układ ścieżek były stale przeze mnie udoskonalane, a problem nie ustępował?

Bardzo często stosuję przekaźniki firmy Omron z serii G6K, ale elementy innych producentów wykazywały podobne zachowanie: w momencie załączenia cewki w tor sygnału audio był wprowadzany pojedynczy trzask. Im większa była rezystancja obciążająca styki danego przekaźnika, tym bardziej dokuczliwy był jego wpływ. Skokowa (co 1 dB albo co 0,5 dB) pasywna regulacja głośności była uciążliwa (dla uszu) do szybkiej zmiany w szerokim zakresie, ponieważ w relatywnie cichym tle muzyki pojawiały się irytujące stuki i inne odgłosy. Wyłączanie przekaźników nie wprowadza tych zakłóceń.

Rysunek 1. Schemat układu testowego

Odpowiedzi nie trzeba było daleko szukać, bowiem źródłem moich problemów okazały się... same przekaźniki, a rozwiązanie problemu – trywialnie proste, bowiem leżące wprost w teorii obwodów. Na potrzeby niniejszego artykułu zmontowałem bardzo prosty układ testowy zgodnie z rysunkiem 1. Cewka przekaźnika sygnałowego G6K-2F-Y o nominalnym napięciu pracy 4,5 V jest załączana przez driver ULN2003. W szereg pomiędzy nimi jest włączony rezystor R o rezystancji 33 Ω, który mogę zewrzeć. Napięcie VCC wynosiło u mnie 5,3 V. Dlaczego taka wartość? O tym dalej.

Najpierw dwukanałowym oscyloskopem badałem spadek napięcia na rezystorze R. Stosowny oscylogram znajduje się na rysunku 2. Moment załączenia przekaźnika wiąże się ze spadkiem obu tych potencjałów, więc przy użyciu wbudowanego w oscyloskop narzędzia odejmującego od siebie sygnały, obserwowałem ich różnicę przy wystąpieniu zbocza opadającego na jednym z nich. Spodziewałem się zobaczyć różnicę (przebieg fioletowy) na poziomie 0 V, a potem nieco podniesioną, z racji spadku napięcia na rezystorze 33 Ω. I tu ciekawostka: cewka przekaźnika, w chwili załączenia, pobiera prąd o wartości zdecydowanie większej niż późniejsza, nominalna.

Rysunek 2. Oscylogram spadku napięcia na rezystorze R w momencie załączania cewki przekaźnika

Tymczasem, analizując tę sprawę na gruncie teorii obwodów, powinniśmy zobaczyć łagodne, wykładnicze narastanie prądu od wartości zerowej do nominalnej – tak zachowywałaby się „czysta” indukcyjność z włączoną szeregowo rezystancją R, załączona przez źródło napięciowe. Tymczasem prąd gwałtownie narasta, by za chwilę spaść.

Tutaj trzeba przypomnieć sobie, jak jest zbudowana cewka przekaźnika elektromagnetycznego: to karkas z nawiniętym uzwojeniem, wykonanym z bardzo cienkiego drutu w jeszcze cieńszej izolacji. Pojemność pasożytnicza takiego tworu musi być znaczna. Nie wiem, ile wynosi, producenci go nie podają, ale idealnie tłumaczyłaby skokowy wzrost prądu daleko ponad wartość nominalną: „pusta” pojemność, po podłączeniu do źródła napięciowego, zachowuje się jak zwarcie, pobierając w czasie ładowania prąd o znacznym natężeniu. W miarę ładowania natężenie prądu maleje.

Tymczasem problem wcale nie jest błahy, gdyż takie impulsy prądu w ścieżkach oraz w samej cewce potrafią porządnie zepsuć przewodzony sygnał, o czym świadczy oscylogram z rysunku 3. Tutaj badany był spadek napięcia na rezystorze 51 kΩ, którego zaciski mogły być zwierane przez przekaźnik. Rezystor R był zwarty, ULN2003 wprost sterował cewką przekaźnika. W czysto teoretycznej sytuacji na oscyloskopie powinna być widoczna ciągła, pozioma linia, ponieważ w tym obwodzie nie ma żadnego źródła energii. No właśnie, czy aby na pewno? Przecież na rysunku 3 widać wyraźne oscylacje i to o niebanalnej wartości szczytowej aż 184 mV!

Rysunek 3. Oscylogram spadku napięcia na rezystorze 51 kΩ przy zwartym rezystorze R

Przecież zaledwie kilka milimetrów dzieli styki przewodzące wrażliwy sygnał od cewki, która w momencie załączania wykazuje zdecydowanie pojemnościowy charakter. Wysokie natężenie prądu płynące przez nią w tej chwili powoduje emitowanie proporcjonalnie silnego pola magnetycznego. Stąd już tylko krok do przeniesienia się zakłóceń na pozostałe fragmenty obwodu. Kształt oscylacyjny gasnący przywodzi na myśl odpowiedź obwodu RLC na pobudzenie skokowe, co potwierdzałoby tezę o indukcyjno-pojemnościowym charakterze uzwojenia.

W jaki sposób można to poprawić? Przede wszystkim warto zmniejszyć stromość narastania prądu uzwojenia cewki, gdyż wysoka pochodna prądu po czasie odpowiada za szerokie widmo emitowanych zakłóceń. Jeżeli udałoby się to narastanie wystarczająco „spłaszczyć”, wówczas wprowadzane do sygnału zakłócenia byłyby mniej dokuczliwe. Taką sytuację ilustruje oscylogram na rysunku 4, który pokazuje to samo, co rysunek 3, ale z rozwartą rezystancją r. Wartość szczytowa zakłóceń jest blisko trzykrotnie mniejsza. W budowanych przeze mnie układach audio to wystarcza.

Rysunek 4. Oscylogram spadku napięcia na rezystorze 51 kΩ przy rozwartym rezystorze R

Ideałem byłoby wydłużenie czasu załączania cewki na tyle, aby wpływ jej pojemności był możliwy do zaniedbania. Są na to dwie recepty. Pierwszą jest zwiększenie wartości rezystancji R, co wiąże się z większymi stratami napięcia – stąd napięcie zasilające układ jest nieco większe od 5 V, aby skompensować obecność rezystora R i klucza w układzie ULN2003. Druga, pewniejsza w działaniu – choć bardziej złożona układowo – wymagałaby zasilania cewek przekaźników źródłami prądowymi. Ustalając prąd tych źródeł na wartość równą nominalnej dla danego modelu przekaźnika, mamy pewność, że nie wystąpi wzrost natężenia prądu ponad ustaloną wartość, a samo ładowanie pojemności uzwojenia będzie miało charakter mniej więcej liniowy.

Jednak wymaga to większej liczby elementów, jest trudniejsze do zminiaturyzowania i również wiąże się ze stratami napięcia. Dlatego w swoich urządzeniach ograniczam się do dodania rezystora 33 Ω i nieznacznego podniesienia napięcia zasilania, ale w granicach bezpiecznych dla układów z serii HC, HCT i mikrokontrolerów ATmega oraz ATtiny. Rezystor o takiej samej wartości dodaję przy sterowaniu przekaźnikami przez inne elementy, na przykład unipolarne tranzystory BSS123. Muszę wtedy pamiętać o dodaniu diody zabezpieczającej tranzystor w chwili wyłączenia cewki przekaźnika.

Michał Kurzela, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów