Zaloguj
Polskie tłumaczenia słowa „snubber” – obwód gaszący lub obwód tłumiący, czasem również gasik – moim zdaniem zbytnio upraszczają całą sprawę, będę jednak konsekwentnie stosował określenie „obwód gaszący”, jako że jest to czasopismo wydawane w języku polskim.
Topologie obwodów gaszących są rozmaite, mniej lub bardziej złożone, lecz jako punkt startowy do dalszych rozważań chcę przyjąć układ najprostszy, czyli RC – jak na rysunku 1. Rezystor i kondensator połączone są szeregowo, zaś taki układ jest włączony równolegle do elementu przełączającego zasilanie dla jakiegoś obciążenia o bliżej nieznanych parametrach.
Rolą tego obwodu RC jest podtrzymanie drogi przepływu prądu przez indukcyjność znajdującą się w odbiorniku (lub wynikającą z jego budowy, na przykład w przypadku grzałki z bardzo długimi przewodami) po rozłączeniu jego zasilania.
To powoduje, że prąd w owej indukcyjności nie zanika zbyt szybko (dzięki zmniejszeniu dI/dt), co z kolei redukuje amplitudę napięcia impulsu samoindukcji (dV/dt). W ten sposób można skutecznie ograniczyć zjawisko iskrzenia styków i ryzyko powodowane przez impulsy wysokiego napięcia na elementach półprzewodnikowych. Snubbery często można znaleźć przy triakach, właśnie w celu ograniczenia szybkości narastania prądu, który mógłby spowodować ich samoczynne wyzwolenie [2].
Literatura podaje całkiem użyteczne metody obliczenia prawidłowych wartości elementów obwodu gaszącego, polegające np. na pomiarze częstotliwości rezonansowej przełączanego obwodu [3]. To podejście ma mocne naukowe podstawy i daje bardzo dobre wyniki, lecz ma pewną wadę: musimy doskonale wiedzieć, co jest docelowym obciążeniem. Dlatego można posiłkować się takimi metodami w sytuacjach, kiedy dany element wykonawczy (przekaźnik, triak, tranzystor itd.) załącza dobrze znane obciążenie, na przykład uzwojenie konkretnego silnika BLDC.
Przysłowiowe schody zaczynają się w sytuacji, gdy nie wiemy, co będzie przełączane – grzałka, odkurzacz, przetwornica impulsowa, lampa jarzeniowa ze statecznikiem indukcyjnym, transformator, zawór elektromagnetyczny, silnik prądu przemiennego, czy coś jeszcze innego. Możemy więc tylko domniemywać, że to obciążenie będzie miało charakter mniej lub bardziej indukcyjny, lecz jego parametry, typu pojemność lub indukcyjność, są nam nieznane.
Taka sytuacja ma miejsce w rozmaitych układach sterowania, które tworzę na co dzień. Tak naprawdę rzadko mam do czynienia z sytuacją, w której mogę o obciążeniu powiedzieć wszystko ze stuprocentową pewnością.
Na przykład regulatory temperatury: w teorii załączają grzałki, więc obciążenia czysto rezystancyjne, ale długość połączeń jest już mi nieznana. A te z kolei potrafią ujawnić się za sprawą impulsu samoindukcji przy rozłączaniu w szczycie prądu, który w tym wypadku pokrywa się na osi czasu z wartością szczytową napięcia. Z kolei przy układach mających pracować z dowolnymi rodzajami obciążenia nie wiem już zupełnie nic poza napięciem oraz maksymalnym prądem. Jak w takiej sytuacji dobieram obwód gaszący?
Poza szczególnym przypadkiem, który pokażę na końcu, korzystam z obwodu RC. Zakładam też, że przełączenia odbywają się (jak na elektronikę) stosunkowo rzadko, zatem moc tracona w rezystorze nie jest szczególnie istotna – interesuje mnie jedynie jego odporność na impulsy prądu.
Skoro więc rezystor ma podtrzymać przepływ prądu przez obciążenie po rozłączeniu styków, to jego rezystancja nie może być zbyt wysoka. Z kolei zbyt niska spowoduje, że zwieranie styków przy naładowanym w pełni kondensatorze spowoduje niepotrzebnie wypalanie ich impulsami prądu o wysokim natężeniu, co również zwiększy poziom emitowanych zakłóceń elektromagnetycznych przez układ – zatem uzyskany efekt będzie odwrotny do zamierzonego.
W najprostszym ujęciu, które często się sprawdza, maksymalną wartość rezystancji szacuję ze wzoru [4]:
gdzie:
- Usupply – napięcie zasilające obciążenie;
- Imax – maksymalny prąd, jaki może pobierać obciążenie podczas pracy ciągłej.
W obwodach prądu przemiennego (sinusoidalnie zmiennego) można obie wartości podstawiać jako skuteczne lub szczytowe, stosowny współczynnik ulegnie wówczas skróceniu podczas dzielenia.
Dla przykładu, przy zasilaniu przetwornicy pobierającej 500 W w stanie ustalonym, która jest zasilana z sieci 230 V (zatem jej Imax ≈ 2,17 A), oszacowana w ten sposób maksymalna wartość rezystora obwodu gaszącego wynosi 106 Ω.
Jeżeli uzyskany wynik jest większy niż 47 Ω, a tak jest w tym wypadku, to ograniczam go arbitralnie właśnie do owych 47 Ω – taką wartość stosuję bardzo często z powodzeniem w systemach przełączających napięcie sieciowe. Pamiętajmy, że mniejsza wartość rezystancji wpływa pozytywnie na przewodzenie prądu po rozwarciu styków, tj. ogranicza napięcie impulsu samoindukcji. Z drugiej strony staram się nie stosować rezystorów o wartościach mniejszych niż 10 Ω, aby niepotrzebnie nie przełączać stykami prądu o bardzo dużym natężeniu podczas załączania obciążenia.
Z kolei w obwodach prądu stałego o niskim napięciu, na przykład 12 V czy 24 V, często używam rezystorów 3,3 Ω. Z reguły staram się, by ich moc wynosiła 2 W lub więcej, co jest szczególnie istotne dla wytrzymałości napięciowej.
Sporadycznie używam gotowych modułów zawierających w swej strukturze rezystor i kondensator, zalane w obudowie przypominającej do złudzenia kondensator – jak na fotografii 1. Nie polecam jednak stosowania ich bezrefleksyjnie, ponieważ moc wewnętrznego rezystora jest niewielka, ponadto jest on zalany żywicą i jego chłodzenie jest utrudnione. Tymczasem każde przełączenie powoduje wydzielenie ciepła w owej rezystancji.
Jeżeli chodzi o kondensator, to tutaj przyznaję, że bardzo często wystarcza klasyczne 100 nF. Taka pojemność wystarcza, aby podtrzymać przepływ prądu w ewentualnej indukcyjności obciążenia, aż do płynnego zaniku energii w niej zgromadzonej. Jednak nie może to być byle jaki kondensator, głównie z powodu wytrzymałości dielektryka. Do zastosowań przeciwzakłóceniowych przeznaczone są polipropylenowe kondensatory o oznaczeniu X2.
Na szczęście można je bez problemu kupić w wielu hurtowniach, zaś rozpiętość cenowa pozwala na ich stosowanie nawet w budżetowych aplikacjach. Wada? Elementy te są dostępne tylko w obudowach do montażu przewlekanego (THT), z wersją SMD jeszcze się nie spotkałem.
Taka pojemność umożliwia jednak przepływ prądu przez obwód gaszący po rozwarciu styków w obwodzie napięcia zmiennego. W przypadku owych 100 nF, zastosowanych w obwodzie sieci owym 230 V 50 Hz, będzie to prąd o natężeniu około 7 mA.
Niby niewiele, ale – przede wszystkim – taki prąd może porazić użytkownika, który dotknie wyprowadzeń odłączonego obwodu myśląc, że „on przecież jest odłączony” (choć w istocie każdy obwód gaszący RC będzie się cechował tym ryzykiem).
Po drugie, niektóre urządzenia mogą działać nieprawidłowo. Miałem taki przypadek z zaworami elektromagnetycznymi, które pobierają bardzo mały prąd, rzędu kilkunastu miliamperów. Wtedy te 7 mA prądu upływu powodowało, że zawory nie mogły się zamknąć po otwarciu obwodu. W tej sytuacji pomogło zredukowanie pojemności do 4,7 nF, co było o tyle możliwe, że prąd obciążenia był naprawdę niski. Podobny temat przerabiałem ze stycznikami 230 V, a dokładniej z załączaniem ich cewek przez zwykłe przekaźniki elektromagnetyczne, montowane na PCB.
Jeżeli prąd upływu jest istotnym parametrem, wówczas nie redukuję pojemności kondensatora w nieskończoność, tylko zmieniam topologię układu. Dzieje się tak w układach prądu przemiennego, ponieważ w obwodach prądu stałego jedynym źródłem upływności jest rezystancja izolacji kondensatora, która sięga gigaomów.
Natomiast w obwodach zasilanych z sieci mamy reaktancję kondensatora, która bywa niemożliwa do pominięcia – co pokazał przykład opisany w poprzednim akapicie. Obwód gaszący z rysunku 2 stosuję wówczas, gdy mam do wysterowania odbiorniki o bardzo małej mocy, na przykład cewki niewielkich przekaźników elektromagnetycznych lub małe przetwornice impulsowe.
Wtedy na płytce przewiduję miejsce na dwukierunkową diodę transil o napięciu przebicia 400 V, rezystor i kondensator 100 nF z dielektrykiem X2. Montuję jeden z dwóch zestawów elementów:
- rezystor 47 Ω i kondensator dla obciążeń większej mocy;
- rezystor 47 kΩ, diodę i kondensator dla obciążeń małej mocy.
Rezystor 47 kΩ umożliwia przeładowanie kondensatora, jednak nie pełni on istotnej funkcji w samym procesie przełączania obciążenia. To zadanie bierze na siebie dioda, która zaczyna przewodzić w chwili, gdy zaindukowane napięcie staje się zbyt wysokie – wtedy impuls prądu przepływa przez nią oraz przez kondensator. Sprawdziłem doświadczalnie, że taki układ lepiej tłumi zakłócenia elektromagnetyczne, niż sama tylko dioda transil, włączona równolegle do zacisków obciążenia. Przypuszczalnie ma to związek z większą impedancją zwierającą impuls generowany przez obciążenie – oprócz samej rezystancji dynamicznej diody do głosu dochodzi również reaktancja kondensatora.
Michał Kurzela, EP
Źródła:
[1] http://www.bpesolutions.com/bpemanuals/Snubber.pdf
[2] https://www.st.com/resource/en/application_note/an437-rc-snubber-circuit-design-for-triacs-stmicroelectronics.pdf
[3] https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/SSZTBC7
[4] https://shop.richardsonrfpd.com/docs/rfpd/CDE_Snubber_Capacitors_Application%20Notes.pdf
[5] https://botland.com.pl/shelly-automatyka-domowa/23097-shelly-rc-snubber-uklad-pochlaniajacy-energie-skoku-napiecia-3800235266144.html
