По опыту эксплуатации ВАЗ (сначала классика 21011, потом 2111) давно замечено, что очень часто подгорают и приходят в негодность контакты замка зажигания (ЗЗ) которые управляют втягивающим реле стартера. Ток через эти контакты достигает 20А. Приходится заменять всю контактную группу. Вот и решил на новой машинке устранить эту проблему сразу, не дожидаясь ее появления.
Распространенный вариант — установка дополнительного реле в силовую цепь и управление им контактами ЗЗ. Все просто, но как оказалось, это совсем не обязательно, т.к можно задействовать уже имеющееся реле блокировки стартера, сохранив полностью его прежние функции.
Как показал анализ схемы, реле блокировки стартера запитано от +12В с главного реле ЭБУ, а минус подается с выв.50 ЭБУ (Январь 7.2), и управляется ключём «с открытым коллектором» в ЭБУ. При включении зажигания ЭБУ выставляет «низкий уровень» (замыкает на массу) на контакте 86 реле блокировки. Реле срабатывает, замыкая цепь между замком зажигания и втягивающим реле стартера. При повороте ключа ЗЗ с конт «50» 12В поступает на втягивающее реле стартера. Как только двигатель запустился, ЭБУ снимает сигнал с конт 88 реле, оно обесточивается, разрывая цепь, и тем самым блокируя стартер. Блокировка работает!
На Рис.1 изображен фрагмент схемы в базовом варианте, а на Рис.2 — после доработки.
Как видно, изменения минимальные:
1. Розово-черный провод отключен от выв. "85" и изолирован;
2. Силовой провод от замка зажигания подключен к выв . "85" реле
3. Добавлен силовой провод (30 см) от разъема, с которого запитывается ЗЗ (2х контактный разъем к жгуту переднему) – сечением не менее 4 мм2, подключен к выв. 87 реле.
Теперь силовая цепь управляется через реле, а ток через контакты ЗЗ не превышает 0,2А
Доработка выполнена в 2009 году.
Плюсы: минимальные переделки, не нужно еще одно реле, — экономия места в ЧЯ
Минусы: за 6 лет не обнаружены.
Ниже приведен фрагмент схемы.
Но и это еще не все! Следующее слабое место: силовые контакты втягивающего реле стартера. Из за больших токов им достается еще большая электрическая нагрузка, и как следствие — эрозия. Защитить их от искрения, особенно при размыкании, можно подключив по одному мощному диоду параллельно стартеру и управляющей обмотке втягивающего реле. Суть доработки — подавить "ЭДС самоиндукции" — основную причину обгорания контактов и источник паразитных бросков в бортсети
Диоды использовал достаточно распространенные, КД2998 – большой импульсный и прямой ток, да и были под рукой в достаточном количестве. Можно использовать выпрямительные диоды от компьютерных блоков питания, расчитанные на прямой ток не менее 30А.
Диоды помещены в 2 слоя термоусадки и на коротких проводах подключены прямо к стартеру.
Схема подключения приведена.
Причины возникновения искр и дуги
Прежде чем рассмотреть, почему искрят контакты, разберемся в основных понятиях. Коммутационный аппарат и его контактная система должны обеспечивать надежное соединение с возможностью его разрыва в любой момент. Контакты состоят из двух электрических пластин, которые в замкнутом положении должны быть надежно прижаты друг к другу.
Дуга возникает при коммутации индуктивных цепей. К таким относятся различные электродвигатели и соленоиды, но стоит помнить, что даже прямой отрезок провода имеет определенную индуктивность, и чем он длиннее — тем она больше. При этом, ток в индуктивности моментально прекратится не может — это описано в законах коммутации. Поэтому на выводах индуктивной нагрузки образуется ЭДС самоиндукции, её величина описывается формулой:
E=L*dI/dt
Интересно! В нашем случае важную роль играет скорость изменения тока. При отключении она крайне велика, соответственно ЭДС будет стремиться к большим значениям, вплоть до десятков киловольт (например система зажигания автомобиля).
В результате ЭДС возрастает до такой степени, что его величина пробивает промежуток между контактами — образуется электрическая дуга или искры. Качество любых соединений описывается их переходным сопротивлением: чем меньше — тем лучше соединение и тем меньше нагрев. При их размыкании оно резко возрастает и стремится к бесконечности. В этот же момент происходит разогрев площади их соприкосновения.
Кроме того, между разомкнутыми контактами на фоне возрастающего ЭДС самоиндукции и повышенной температуры воздуха из-за разогрева поверхностей при размыкании пластин происходит и ионизация воздуха. В результате присутствуют все условия для возникновения дуги и искрения.
Если говорить о том, почему искрят контакты при замыкании электрической цепи, то это происходит уже не при индуктивной, а при емкостной нагрузке. Вы наблюдаете это каждый раз, когда вставляете в розетку зарядное устройство от ноутбука или телефона. Дело в том, что разряженная емкость (конденсатор) на входе устройства в начальный момент времени представляет короткозамкнутый участок цепи, ток которого уменьшается по мере её заряда.
Если вы наблюдаете искрение в реле или выключателе в замкнутом положении — причиной этому служит плохое состояние контактных поверхностей и их высокое переходное сопротивление.
Последствия искрения
Из-за искрения с контактов испаряется метал, происходит их нагрев и повышения переходного сопротивления. Последнее вызывает еще большее их обгорание, после чего они еще сильнее искрят. Последствия этих процессов могут привести к частичному или полному отсутствию способности к коммутации у прибора, вплоть до его залипания или возгорания при определенных обстоятельствах. Нужно следить за состоянием всех соединений и подвижных переключающих элементов.
Способы устранения и предотвращения явления
Для устранения искрения контактов решения принимаются еще на стадии разработки коммутационных аппаратов. Например, расстояние между ними увеличивается, устанавливают камеры дугогашения для охлаждения дуги.
Также делают напайки из драгоценных неокисляющихся материалов, таких как серебро, например, на поверхности через которые проходит ток.
На быстродействующих реле искрение образуется при размыкании, в том числе потому, что их контакты в разомкнутом положении находятся близко друг к другу. Значит нужно снизить нагрузку, использовав промежуточные реле или использовать искрогасящие цепочки, их схемы мы рассмотрим дальше.
Разберемся что делать, если искрят контакты на имеющемся автомате или пускателе. В первую очередь качественное соединение обеспечивается сильным прижатием пластин, при искрении стоит проверить нормально ли соприкасаются контактные площадки. В автоматах типа АП они прижимаются пружинящим механизмом, для проверки нужно при отключенном напряжении, но замкнутых контактах отвести назад подвижную пластину и отпустить, он должен резко с характерным щелчком удариться о неподвижную пластину. То же самое можно провести на магнитном пускателе.
Если вы убедились в качественном нажиме, но контакты все равно искрят — проверьте нет ли нагара на их поверхности в точках соприкосновения. Если нагар есть, то его счищают максимально возможной мелкой наждачной бумагой, деревянной частью спички или ластиком, но ни в коем случае не надфилем — поверхности должны быть максимально гладкими, иначе возрастёт переходное сопротивление.
Еще одним методом решения проблемы, связанной с искрением, является установка искрогасительных цепей. Если искрят реле и пускатели в цепи постоянного тока, то параллельно нагрузке устанавливают диод, подключенный катодом к положительному, а анодом к отрицательному полюсу. Таким образом энергия, накопленная в индуктивности и её ЭДС самоиндукции рассеивается на активной части нагрузки, а диод замыкает контур для протекания тока.
А если искрят контакты в цепи переменного тока, можно установить искрогасительную RC цепь, её иногда называют шунтирующей, а в электронике – снабберной. Она выполняет роль защиты за счёт того, что энергия, накопленная в индуктивностях, стремится рассеяться не на коммутационном аппарате, а на активном сопротивлении этой цепи.
Ёмкость рассчитывают по формуле:
Сш=I 2 /10
Rш = Ео / (10 * I * (1 + 50 / Ео))
Но быстрее и проще пользоваться номограммой:
Более подробной данный вопрос также рассмотрен на видео:
Мы рассмотрели, как устранить одну из самых распространенных неисправностей электрической цепи — искрение контактов реле и выключателей. Кратко говоря, нужно проверить прижим контактов, почистить их поверхности от нагара, а также установить цепи для их защиты. Таким образом получится продлить жизнь выключателям и другим устройствам. Если у вас есть личный опыт — делитесь им в комментариях.
Материалы по теме:
Владельцы патента RU 2293392:
Изобретение относится к области электроавтоматики, телемеханики и предназначено для защиты контактов реле от дуговых разрядов при замыкании и размыкании цепи постоянного тока. Технический результат — повышение надежности и увеличение срока службы контактов реле. Это достигается за счет того, что последовательно с контактами реле включается IGBT транзистор, работающий в ключевом режиме, между коллектором и эмиттером которого включен защитный стабилитрон, а между затворов и эмиттером транзистора подключен выход драйвера транзистора, обеспечивающего управление им и гальваническую развязку. Обмотка реле и вход драйвера транзистора подключаются к программируемому микропроцессорному устройству, имеющему дискретные выходы, например, программируемому микроконтроллеру. 2 ил.
Изобретение относится к области электроавтоматики, телемеханики и предназначено для защиты контактов реле от дуговых разрядов при замыкании и размыкании цепи постоянного тока.
Для уменьшения повреждения контактов дуговыми разрядами применяются:
— специальные реле с большими контактными промежутками (до 10 мм и более) и высокой скоростью выключения, обеспечиваемой сильными контактными пружинами;
— магнитный обдув контактов, реализуемый установкой постоянного магнита или электромагнита в плоскости контактного промежутка. Магнитное поле препятствует появлению и развитию дуги и эффективно оберегает контакты от обгорания;
— искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.
Первые два способа гарантируют высокую надежность за счет конструктивных мер при разработке реле. Внешних элементов защиты контактов при этом обычно не требуется, но специальные реле и магнитный обдув контактов достаточно экзотичны, дороги и отличаются большими размерами и солидной мощностью катушки (у реле с большим расстоянием между контактами сильные контактные пружины).
Промышленная электротехника ориентируется на недорогие стандартные реле, поэтому применение искрогасящих цепей является наиболее распространенным способом гашения дуговых разрядов на контактах.
Эффективная защита существенно продлевает жизнь контактов
На практике находят применение следующие эффективные и экономичные схемы:
— комбинированные схемы, например варистор + RC-цепь.
Защитные цепи можно включать:
— параллельно индуктивной нагрузке;
— параллельно контактам реле;
— параллельно контактам и нагрузке одновременно.
Известна схема искрогашения в виде конденсатора, включенного параллельно защищаемому контакту (Дмитриев B.C., Серганов И.Г. Основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для техникумов ж.д. транспорта. — М.: Транспорт, 1988, с 81.) /1/
Схема устраняет дугу при размыкании контакта. Однако из-за большого тока разряда конденсатора через замыкающийся контакт существенно увеличивается эрозия контакта при замыкании цепи.
Известна схема искрогашения, содержащая искрогасящую цепочку из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенную параллельно к защищаемому контакту (Дмитриев B.C., Серганов И.Г. Основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для техникумов ж.д. транспорта. — М.: Транспорт, 1988, с.45) /1/.
В этой схеме при большой величине сопротивления резистора существенно уменьшается ток разряда конденсатора на замыкающийся контакт, однако снижается эффективность искрогашения при размыкании цепи. При малой же величине сопротивления резистора сохраняется разрушение контакта при замыкании из-за разрядного тока конденсатора.
Кроме того, данные схемы не обеспечивают размыкания цепи по переменной составляющей тока и беспрепятственно пропускают высокочастотные импульсы.
Известна схема искрогашения (DC circuit breaking spark suppressor device. Патент №US 5764459) /2/, содержащая две последовательные группы контактов. Параллельно первой группе контактов включена искрогасящая цепочка, состоящая из последовательно включенных конденсатора и схемы, состоящей из резистора и дросселя, включенной параллельно с диодом. При этом вторая пара контактов обеспечивает размыкание цепи как по постоянному току, так и по переменной составляющей. Сначала размыкается первая пара контактов, при этом разрядный ток замыкается через искрогасящую цепочку. Вторая группа контактов размыкает цепь нагрузки после того, как в цепи прекратятся все токи. Тем самым исключается искровой разряд между контактами. В то же самое время первая группа контактов замыкает конденсатор через резистор и дроссель, тем самым разряжая конденсатор.
В схемах с индуктивной нагрузкой требуется применение конденсатора большой емкости, рассчитанного на высокое напряжение, что, в свою очередь, приводит к большим габаритам устройства.
Наиболее близким к предлагаемой схеме по техническим признакам является "Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи", патент РФ №2192682 /3/.
Устройство содержит контакты и транзистор со статической индукцией, затвор которого через диод подключен к первой выходной клемме и одному из выводов контактов, а также через параллельно соединенные конденсатор и резистор к другому выводу контактов и истоку транзистора, сток которого соединен с второй выходной клеммой.
Недостатком данного решения является то, что полевой транзистор никак не защищен от бросков напряжения (это может стать причиной выхода его из строя), которые возникают при размыкании цепи с индуктивной нагрузкой и собственно являются причиной образования дуговых разрядов.
Данная схема не обеспечивает полного разрыва цепи. Транзистор при разомкнутом контакте до конца не закрыт, обеспечивая заряд конденсатора. Таким образом, по цепи: клемма, транзистор, резистор, диод, вторая клемма протекает ток в обход разомкнутым контактам. В случае выхода из строя (пробоя) транзистора ток потечет через диод в обход контактов, вызвав ложное включение нагрузки, что может привести к нежелательным последствиям (например, включение мотора, соленоида и т.д.)
Задача изобретения — повышение надежности и увеличение срока службы контактов реле.
Поставленная задача решена за счет того, что последовательно с контактами реле включается IGBT транзистор, работающий в ключевом режиме, между коллектором и эмиттером которого включен защитный стабилитрон, а затвору подключен выход драйвера транзистора, обеспечивающий управление им и гальваническую развязку. Обмотка реле и вход драйвера транзистора подключаются к программируемому микропроцессорному устройству, имеющему дискретные выходы, например, программируемому микроконтроллеру.
Драйвер представляет собой отдельное устройство, обеспечивающее управление высоковольтным мощным транзистором от слаботочного сигнала (Журнал "Компоненты и технологии", №5, 2003, "Современные драйверы IGBT и мощных полевых транзисторов") /4/; (Платан электронные компоненты. Каталог 2003 г. Стр.103) /5/.
Описание устройства поясняется рисунком, где на фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, на фиг.2 — показана временная диаграмма включения и выключения транзистора и обмотки реле.
На фигуре 1 обозначены:
К1 — обмотка реле,
К1.1 — контакты реле,
VT1 — IGBT транзистор,
D1 — Драйвер IGBT транзистора,
МК — программируемый микроконтроллер.
Последовательно со схемой включаются не показанные на чертеже последовательно соединенные источник питания и нагрузка, которая соединяется с устройством со стороны первой клеммы. Схема содержит реле К1 с контактами К1.1, один из которых подключен к клемме 1, а другой — к коллектору транзистора VT1. Эмиттер транзистора VT1 соединяется с клеммой 2. Между коллектором и эмиттером транзистора VT1 подключен стабилитрон VD1, между затвором и эмиттером транзистора VT1 подключен выход драйвера транзистора D1. Обмотка реле К1 и вход драйвера транзистора D1 подключаются к программируемому контроллеру МК. В качестве программируемого контроллера можно использовать любое программируемое микропроцессорное устройство, имеющее дискретные выходы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: в начальный момент контакты реле разомкнуты, транзистор закрыт, ток в цепи не течет, напряжение на контактах реле отсутствует. Для включения нагрузки программируемый контроллер сначала включает реле К1. Контакты реле замыкаются, и по причине того, что напряжение на контактах реле отсутствует, дуговой разряд на контактах не образуется. Затем, через определенный интервал времени контроллер, с помощью драйвера D1 открывает транзистор VT1, при этом замыкается цепь нагрузки.
Выключение производится в обратном порядке. Для включения нагрузки программируемый контроллер сначала с помощью драйвера D1 закрывает транзистор VT1 и цепь разрывается. В результате этого возникающая ЭДС самоиндукции нагрузки повышает напряжение на коллекторе транзистора. Для предотвращения выхода из строя транзистора применен стабилитрон, который открывается, пропуская через себя индукционный ток, тем самым ограничивая напряжение ЭДС самоиндукции. После прекращения индукционного тока напряжение на коллекторе транзистора уменьшается до нормального и стабилитрон закрывается. Ток через нагрузку и замкнутые контакты прекращается. После этого программируемый контроллер выключает реле К1 и цепь гальванически размыкается.
В конкретной реализации устройство было выполнено на плате в виде отдельного субмодуля. Драйвер IGBT транзистора включал оптрон, запитанный от отдельного источника питания типа DC/DC-преобразователя.
Субмодули сгруппированы по 16 шт. на модуле — носителе и управляются от одного микроконтроллера.
Устройство применяется в системах телемеханики для управления исполнительными механизмами постоянного тока и позволяет включать нагрузки с высоким током потребления и имеющие большую индуктивную составляющую (напр. электромагниты, пусковые устройства и др.).
1. Дмитриев B.C., Серганов И.Г. Основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для техникумов ж.д. транспорта. — М.: Транспорт, 1988, с.45 и 81.
2. DC circuit breaking spark suppressor device. Патент №US 5764459.
3. Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи патент №2192682.
4. Журнал "Компоненты и технологии", №5, 2003, "Современные драйверы IGBT и мощных полевых транзисторов".
5. Платан электронные компоненты. Каталог 2003 г. Стр.103
Устройство защиты контактов реле от дуговых разрядов, содержащее защищаемые контакты и искрогасящую цепь, отличающееся тем, что искрогасящая цепь включена последовательно защищаемым контактам и состоит из IGBT транзистора, между коллектором и эмиттером которого включен стабилитрон, а к затвору подключен выход драйвера транзистора, обеспечивающий управление им и гальваническую развязку, обмотка реле и вход драйвера транзистора подключаются к программируемому микропроцессорному устройству, имеющему дискретные выходы.