- Jeżeli w sieci energetycznej występują zakłócenia to za uzwojeniem wtórnym transformatora można umieścić kondensator 100nF, tak jak jest to na schemacie. Celowo umieściłem ten kondensator za bezpiecznikiem (tu polimerowym).
- Przekaźniki celowo zasilam ze stabilizatora liniowego, ponieważ ma szybszy czas odpowiedzi. Przed stabilizatorem trzeba umieścić kondensatory o stosunkowo dużej pojemności. Na schemacie umieściłem dwa elektrolityczne (i jeden ceramiczny), ale można jeden low ESR (plus ewentualnie ceramiczny). Za stabilizatorem łączna pojemności kondensatorów powinna być stosunkowo niewielka, ale ponownie: albo jeden kondensator low ESR, albo kilka zwykłych (plus kondensator ceramiczny. Kondensatory ceramiczne umieszczamy jak najbliżej stabilizatora liniowego.
- Opornik R32 o dużej rezystancji ma za zadanie nie dopuścić do wzrostu napięcia, gdy nie pobieramy zasilania ze stabilizatora. Dioda D9 służy zabezpieczeniu stabilizatora, by nie rozładowały się przez niego kondensatory znajdujące się za stabilizatorem.
- Zasilanie przekaźników może mieć różne napięcia: 5V, 12V, 24V, 48V Przy sterowaniu ich za pomocą open drain nie ma to większego znaczenia, a pozwala używać standardy napięć stosowane w automatyce.
- Jeżeli przekaźników jest dużo, np kilkadziesiąt sztuk, to można podzielić ja na sekcje i zasilać z osobnych stabilizatorów. Każda sekcja składała by się z z kilku przekaźników. Konkretne rozwiązanie zależy od układu, np.: jak wiele przekaźników może zmieniać swój stan jednocześnie, bo wtedy generują zakłócenia; mogą pobierać prąd. Przy wielu jednocześnie zmieniających stan przekaźnikach, lub segmentach wyświetlaczy LED, zakłócenia się skumulują. Oprócz zabezpieczenia fizycznego, można dodać zabezpieczenie programowe, tak by zmiany stanów przekaźników (jeżeli jest to dopuszczalne w danym zastosowaniu) następowały nie jednocześnie, tylko sekwencyjnie z pewnym opóźnieniem. Niestety, przekaźniki są elementami wykonawczymi działającymi stosunkowo wolno, dlatego odstęp pomiędzy zmianami stanów przekaźników powinien być liczony w dziesiątkach ms. Zabezpieczenie w programie polegające na zmianie stanu w danej chwili tylko jednego przekaźnika jest bardzo skuteczną metodą poprawy jakości zasilania układu, a w dodatku nie wymaga podziału dużej liczby przekaźników na sekcja, ogranicza ilość kondensatorów.
- Jeżeli kilka przekaźników musi zmienić swój stan jednocześnie, a w układzie mamy dużo przekaźników i podzieliliśmy ich zasilanie na kilka sekcji, to te przekaźniki, które muszą zadziałać jednocześnie możemy rozdzielić pomiędzy sekcjami zasilania.
- Przy stosowaniu wielu elementów wykonawczych, tu przekaźników, warto co jakiś czas na linii zasilania dodać mały kondensator elektrolityczny (na schemacie C42).
- Warto zmniejszyć iskrzenie styków przekaźnika instalując tam gasiki, jak kondensatory (na schemacie: C27, C33, C34, C38). Oczywiście zastosowany gazik zależy od tego czym sterujemy. Dla przekaźników sterujących urządzeniami na 230V stosuję gazik RC.
- Jeżeli przekaźniki rozłączają duże obciążenie indukcyjne koniecznie trzeba dodać gasik.
- Prąd zwrotny z cewki przekaźnika ma zniwelować dioda D7, D8 i kondensator C22, C32. Zaleca się stosowanie diody szybkiej, ale ja montuję diody prostownicze, uważając, że są bardziej niezawodne. Tranzystor NPN również stanowi zabezpieczenie portów.
- Zasilanie mikrokontrolera zrealizowałem na przetwornicy, by zmniejszyć straty wynikłe z zastosowania jednego transformatora o dużym napięciu uzwojenia pierwotnego (o jednym doczepie). Jakość zasilania mikrokontrolera z przetwornicy będzie odpowiednia, a uniknie się montowania dużego radiatora dla stabilizatora liniowego.
- Celowo przy nóżkach VDD stosuję po dwa kondensatory 100nF.
- Na schemacie, by zobrazować różne możliwości, umieściłem dwa przekaźniki. Jeden podłączony do mikrokontrolera, a drugi do ekspandera portów (komunikującego się za pomocą I2C).
- Ponieważ w tym układzie nie planuję stosowania układów zwyczajowo zasilanych z "zasilania analogowego" ("masy analogowej") to wykorzystałem taki obwód do zasilania ekspanderów portów. To dobrze ilustruje, że rozwiązań może być wiele i będą zależne od konkretnego przeznaczenia układu. Jeżeli wykorzystywał bym przetworniki ADC/DAC to ekspandery zasilał bym tak samo jak mikrokontroler.
- Układ "zasilania analogowego" jest standardowy: zasilanie jest filtrowane przez filtr LC.
- Nie pokazałem zasilania VREF, gdyż nie to jest celem tego postu.
- Zasilanie każdego z ekspanderów musi mieć zainstalowane kondensatory jak najbliżej nóżek VDD. Jeżeli spodziewamy sie dużych wahań zasilania, zakłóceń, to ja zainstalował bym np.: dwa kondensatory ceramiczne i jeden elektrolityczny o jakieś małej pojemności. Oczywiście zawsze należy stosować minimum jeden kondensator 100nF. Dopiero przy układach, gdzie występują zakłócenia, wahania zasilania, można dodać jeszcze kondensatory ceramiczne, kondensator elektrolityczny lub kondensator elektrolityczny low ESR.
- Ekspandery portów umieściłem tu przykładowo. Zasady umieszczania kondensatorów przy układach dotyczą wszystkich układów.
- O prowadzeniu masy nie ma co sie rozpisywać. pełno jest opisów w sieci. Przypomnę tylko, że zasada jest banalna: ścieżki masy (i inne) łączą się tylko w jednym punkcie. Żadna ścieżka przypadkowo nie ma prawa zrobić pętli, która w tym przypadku była by jednym zwojem cewki. Prawidłowe prowadzenie masy utrudnia jedynie przetwornica. Błędy przy przetwornicy będą powodowały zakłócenia. Warto trzymać się noty aplikacyjnej danej przetwornicy.
- Warto zadbać o odpowiednią separację magistrali sygnałowych (SPI, I2C) od linii przenoszących znaczne prądy (zasilanie przekaźników, wyjścia przekaźników). Warto stosować przerwy powietrzne w płytce drukowanej, by odseparować od siebie układy zasilane małymi napięciami od tych zasilanych np.: 230V.
- Rezystor R32 ma za zadanie poinformowanie EAGLE by połączyć "masę cyfrową" z "masą analogową". Dzięki takiemu układowi na schemacie EAGLE nie generuje informacji o błędach. Przy montażu SMD jako zwory stosuje się rezystory 0R.
- Układ na schemacie w kilku miejscach jest przerysowany, dostosowany do wystąpienia dużych zakłóceń, ale jeśli ktoś trafił na ten zbiór wskazówek, to zapewne właśnie z tym ma problem.
- Na schemacie nie ma wartości elementów. To ma być zestaw wskazówek, a nie gotowiec. Zresztą dobór wartości jest trywialny.
Testy rozwiązań:
Użyte przyrządy pomiarowe i elementy:- Zasilacz laboratoryjny
- Oscyloskop TDO2102B
- Kondensatory ceramiczne 100nF
- Przekaźnik Matsushita JW1FH; cewka 12V, 356mH; prąd max. 10A
- Dioda Schottkiego MBR745, max. napięcie wsteczne 45V
- Dioda Schottkiego 1N5819, max. napięcie wsteczne 40V
- Dioda 1N4007, max. napięcie wsteczne 1000V
- Przełącznik przyciskany SPST-NO 3A
Pierwszy impuls na oscylogramie pokazuje wzrost napięcia po bardzo krótkim naciśnięciu przycisku przełącznika. Natychmiast napięcie wzrasta do 12V, po czym wolno, przez 170ms, opada. Następnie pojawia się bardzo stromy impuls o odwróconej polaryzacji, który przy 20V/działkę wyszedł poza skalę - czyli przekroczył 80V.
Kolejny oscylogram, tym razem ustawione 50V/działkę. Impuls przekroczył 200V... i też wyszedł poza skalę. Tak więc napięcie pojawiające się jako reakcja cewki na przerwanie zasilania stanowi poważny problem. Ja natomiast potrzebuję sondę do oscyloskopu 1:100..
Tym razem dodałem równolegle do przekaźnika diodę 1N4007. Napięcie wsteczne nie przekroczyło 12V.
Dlaczego napięcie nie pozostało na poziomie napięcia przewodzenia diody? Przecież oscylogram po dodaniu diody powinien wyglądać tak:
Odpowiedź jest prosta. By uzyskać odpowiednie oscylogramy, by były bardziej poglądowe, wykonałem odpowiednio obwód i pomiar. Przepięcie w postaci 0,7V piku ciężko jest zauważyć! Na kolejnych oscylogramach porównujących np.: różne diody nie było by nic widać.
Wystarczy operować tylko kilkucentymetrowymi długościami przewodów. Zwrócę uwagę, że to nie jest "manipulacja", tylko rzeczywiste wyniki testów. Łatwo jest to powtórzyć, jeżeli nie zamontuje sie diody jak najbliżej wyprowadzeń cewki przekaźnika!
Zaznaczam ten teks innym kolorem, by zwrócić uwagę przy projektowaniu obwodów na odpowiednie rozmieszczenie elementów. Jak łatwo osiągnąć sytuację: jeden schemat, dwie płytki i zmontowany układ działa inaczej niż zakładano.
Wystarczy operować tylko kilkucentymetrowymi długościami przewodów. Zwrócę uwagę, że to nie jest "manipulacja", tylko rzeczywiste wyniki testów. Łatwo jest to powtórzyć, jeżeli nie zamontuje sie diody jak najbliżej wyprowadzeń cewki przekaźnika!
Zaznaczam ten teks innym kolorem, by zwrócić uwagę przy projektowaniu obwodów na odpowiednie rozmieszczenie elementów. Jak łatwo osiągnąć sytuację: jeden schemat, dwie płytki i zmontowany układ działa inaczej niż zakładano.
***
Dygresja: warto zwrócić uwagę, że po dodaniu diody przekaźnik "trzyma dużej" - zwiększa się czas powrotu przekaźnika. Niebieska linia na poniższym oscylogramie pokazuje zbocze opadające po zwolnieniu przycisku przekaźnika. Żółta linia przedstawia przebieg napięcia przyłożonego do elementów wykonawczych przekaźnika. Bez diody testowany przekaźnik rozłączył prąd po około 2 milisekundach.
Z diodą przekaźnik rozłączył się po ponad 8 milisekundach.
***
Nadal układ z diodą 1N4007, ale oscylogram bardziej szczegółowy poprzez ustawienie 5V/działkę.
Poniższy oscylogram pokazuje działanie diody Schottkiego MBR745.
Teraz w układzie jest dioda 1N4007 i kondensator ceramiczny 100nF włączony równolegle do przełącznika. Przy tych ustawieniach oscyloskopu nie widać poprawy wynikającej z dodania kondensatora.
Gdy jednak ustawię inną podstawę czasu widać zakłócenia w układzie z samą diodą.
Dodanie kondensatora (włączonego równolegle do przełącznika) natychmiast wygładza oscylogram, zakłócenia są mniejsze (proszę porównać do oscylogramu z godziny 21.19 ponieważ są takie same podstawy czasu):
***
Kolejny test: w szeregu zasilania można umieścić diodę, tak by przewodziła przy zasilaniu cewki przekaźnika i by była spolaryzowana zaporowo, gdy cewka oddaje zgromadzoną energię. Diodę taką można umieścić pomiędzy np.: tranzystorem, a przekaźnikiem. Układ nie jest zabezpieczony diodą włączoną równolegle ani kondensatorem.
Na pierwszym użyta jest dioda 1N4007.
Na poniższym, drugim, zdjęciu użyłem diody Schottkiego 1N5819:
***
Niebieska linia pokazuje stan przełącznika. Włączenie zasilania cewki. Żółta linia pokazuje jak stabilizuje się napięcie.
Przy zwolnieniu przycisku widać wahniecie napięcia, wynikłe zapewne z odłączenie odbiornika prądu, a następnie na końcu zbocza widać jak żółta linia odwzorowująca stan napięcia na linii zasilającej o około jedną podziałkę (200mV) zwiększa swoją amplitudę, co zakładam, ze jest wynikiem indukcji pomiędzy obwodami..
Powyższe dwa oscylogramy pokazują co stanowi realne zagrożenie wynikające z przepięcia powstającego przy rozłączeniu zasilania cewki. W układzie z przełącznikiem przepięcia nie przedostają się do obwodu zasilania. Pomijając możliwość indukowania się zakłóceń, iskrzenia, trwałości styków, konieczności doboru przełącznika i okablowania do napięć pojawiających się w układzie, nie ma większych problemów dla projektanta układu.
Dopiero zastosowanie elementów półprzewodnikowych do sterowania przekaźnikiem powoduje, że przepięcie może zniszczyć element wykonawczy. Gdy będzie to tranzystor, to on może ulec uszkodzeniu. Może zdarzyć się tak, że przepięcie zniszczy tranzystor i port mikrokontrolera. Lub przepięcia powstające przy sterowaniu przekaźnikiem będą powodowały niestabilną pracę innych układów (mikrokontrolerów, ekspanderów, itp.)
***
Dygresja: jak wygląda oscylogram linii zasilającej w momencie włączenia zasilania cewki przekaźnika bez kondensatorów odkłócających i z nimi?
Bez kondensatorów odkłócających:
Z kondensatorem elektrolitycznym 1uF.
Z kondensatorem ceramicznym 100nF.
Z dwoma kondensatorami: elektrolitycznym 1uF i ceramicznym 100nF:
Tu oprócz wielu stacji Wi-Fi, GSM jest też nadajnik TV o mocy 0,5MW :-) Duża staranność powinna być zachowana gdy projektowany obwód ma być zastosowany w pojeździe, który ma własny generator. Samochód jest tu podstawowym przykładem, ale np.: zasilanie na statku, mimo że stabilniejsze niż w samochodzie, ma dużo zakłóceń od sprężarek, wentylatorów, pomp, grzałek, klimatyzacji, chłodni, różnych silników, oświetlenia jarzeniowego i obwodów, które przełączają po kilkanaście tysięcy woltów. Do tego trzeba pamiętać że najczęściej jest tam 60Hz. W samolotach możemy się znowu spotkać zarówno z instalacjami 12V, 24V, 115V 400Hz - więc testy w konkretnym środowisku są niezbędne.
Oczywiście stabilizowane napięcie, a co za tym idzie oscylogramy, zmienią się w zależności od obciążenia i użytego stabilizatora, co miało korzystny wpływ.W powyższych przykładach obciążenie było niewielkie w stosunku do możliwości stabilizatora.
Warto dokładnie zapoznać się też z tym postem:
Przepięcia w sieci energetycznej 230V - czy elementy wykonawcze sterujące grzałką należy zabezpieczyć?
Pokrewne posty:
Jak zmierzyć prąd upływu (Leakage Current Test)
Pokrewne posty:
Jak zmierzyć prąd upływu (Leakage Current Test)
Update: 2014.09.22
Create: 2014.05.25
