Защита динамиков в акустической системе первостепенная задача любого конструктора аудио. Статья описывает принцип работы MOSFET-реле, использующее миниатюрный изолированный драйвер MOSFET Si8752. Это отличное решение, но, к сожалению, Si8751/2 тяжело найти в продаже, а точной даты поставки нет.
Эффективная защита динамиков на гибридном реле
С любым усилителем с напряжением питания более 35 В риск дугового разряда стандартного электромагнитного реле (ЭМР) на контактах очень высок, и хотя проект защита динамиков показывает, как правильно подключить реле, высокое напряжение по прежнему остается большой проблемой. Я представил здесь гибридные реле, но описания носят обобщенный характер.
Концепция реле MOSFET всегда была немного эзотерической, но (относительно) недавнее появление ИС, разработанной специально для реле MOSFET, изменило все. До появления изолированных КМОП драйверов МОП-транзисторов Si8751 и Si8752 выбор был не оптимальным.
Для этой цели предлагались доступные фотогальванические оптопары, но время их включения настолько велико, что они практически бесполезны для любого серьезного приложения. Подробное описание, что такое защита динамиков акустических колонок с использованием гибридного реле, разработанного специально для использования в этом проекте, смотрите дальше.
Во первых, что надо отметить, это то, что схема защита динамиков требует отдельный источник питания 12 В. Есть несколько способов получить питание 12 В, и они описаны ниже. Важно свести к минимуму время, в течение которого динамики подвергаются воздействию постоянного тока от вышедшего из строя усилителя.
Гибридное реле для защиты динамиков
Показанная здесь конструкция специально нацелена на время отпускания реле, и вместо использования полевых МОП-транзисторов для обработки полного тока используемого динамика, эта задача выполняется с помощью EMR. Электрическая дуга предотвращается за счет того, что релейная секция MOSFET остается включенной в течение заданного времени после отключения постоянного тока от EMR.
В качестве изолирующего устройства для этого проекта выбран «PVI» — фотогальванический изолятор. Существует несколько устройств на выбор, но рекомендуется только несколько. Эти приборы выпускаются несколькими производителями, но чтобы быть эффективными, а схема защита динамиков обеспечивать надежную работу, они должны иметь внутреннюю схему «выключения».
Без этого необходимого дополнения они становятся неудобными, поскольку приходится добавлять дополнительные схемы. По своей природе оптопары PVI имеют очень ограниченный выходной ток (менее 20 мкА) и ограниченное напряжение «включения». Большинство из них могут поддерживать напряжение около 9 В (в разомкнутом состоянии), что достаточно для управления затворами MOSFET.
Примечание: этот проект предназначен для опытных конструкторов. Вам нужно уметь пользоваться осциллографом и быть полностью осведомленным о статической чувствительности затворов MOSFET. Если вы используете звуковую карту ПК вместо осциллографа (для проверки времени срабатывания реле), вам нужно будет сделать аттенюаторы (или адаптер), чтобы звуковая карта не была повреждена.
ESP не несет ответственности за возможные ошибки, которые могут привести к повреждению любого оборудования. Продолжая читать эту статью, вы принимаете на себя всю ответственность за ущерб, каким бы он ни был.
Описанную схему нетрудно понять, но вы должны провести надлежащие испытания готовой схемы, чтобы убедиться, что полевые МОП-транзисторы сохраняют проводимость до тех пор, пока контакты реле не разомкнутся. Описана процедура тестирования, требует использования осциллографа для проверки работы. Я не рекомендую этот проект тем, у кого нет осциллографа и/или кто не знает, как правильно им пользоваться.
Описание проекта защита динамиков в колонках
Задачу обнаружения неисправности в цепи постоянного тока выполняет печатная плата (обозначим ее как P33), а схема гибридного реле предотвращает искрение контактов. Поскольку МОП-транзисторы не предназначены для обработки программного материала.
Следовательно, нет необходимости использовать что-либо «экзотическое», поскольку они должны обрабатывать либо звук, либо постоянный ток короткого замыкания в течение нескольких миллисекунд. Поскольку контакты реле размыкаются при небольшом напряжении на них, дуговой разряд исключен.
Защита динамиков, в отличие от специального реле, предназначенного только для MOSFET, нет необходимости выбирать МОП-транзисторы с очень малым рассеиванием, так как они будут полностью активны только в течение короткого периода времени. Даже если они рассеивают пиковую мощность 1-200 Вт при токе короткого замыкания, это не имеет значения, поскольку период очень короткий.
Определить, как долго должны работать полевые МОП-транзисторы довольно сложно. Если реле MOSFET выключится одновременно (или раньше), чем разомкнуться контакты EMR, весь смысл действия будет потерян, на контактах реле образуется электрическая дуга, а динамики скорее всего выйдут из строя. Я протестировал реле в схеме защиты динамиков для колонок, которое рекомендую для P39, с модификацией «быстрого выключения» и обнаружил, что контакты размыкаются менее чем за 4 мс.
Я многократно проверял защиту динамиков, и конкретно этот параметр, и он никогда не менялся. Исходя из этого, я полагаю, что для реле MOSFET нужно увеличить время переключения примерно на 10 мс. К тому же, настоятельно рекомендую вам провести тест для реле, которое вы собираетесь использовать (см. Тестирование реле ниже).
EMR будет типа 1-Form-C — однополюсный на два направления (также известный как переключатель). Он должен быть в состоянии обрабатывать нормальный ток звукового сигнала. Предполагая, что усилитель не будет подвергаться жесткому ограничению в течение длительного времени, номинальный ток можно оценить по напряжению питания (положительному или отрицательному) и импедансу динамика. В худшем случае будет…
IRMS=VS/(Z×√2)
В действительности он будет меньше (часто намного меньше), но можно с уверенностью предположить, что непрерывный ток вдвое меньше расчетного. Это обеспечивает хороший запас прочности для нормального программного материала и защиты динамиков в частности.
При использовании усилителя с питанием ±56 В и нагрузкой 4 Ом реле должно быть рассчитано не менее чем на 5 А, но в целом реле на 10 А — это минимум, который я бы рекомендовал. Ток короткого замыкания по постоянному напряжению равен VS/ZDC, но он будет присутствовать только в течение очень короткого времени.
МОП-транзисторы должны выдерживать максимальный ток короткого замыкания (около 16 А для приведенного примера). Способность полевых МОП-транзисторов выдерживать пиковые значения напряжения и тока имеет решающее значение, поскольку сбой лишает полной защиты (хотя, контактная цепь ЭМИ обеспечивает некоторую «резервную» защиту). При этом, если ток контактов реле значительно превышает номинал, указанный в технических характеристиках, существует риск приваривания контактов.
Рис. 1. Напряжение катушки реле и время размыкания
Я протестировал предлагаемое реле как для P33, так и для P39 (плавный пуск от сети), но вместо того, чтобы использовать диод параллельно с катушкой 12 В, диод был включен последовательно с резистором 820 Ом. Это вызывает большой отрицательный пик, наблюдаемый в момент отключения питания.
Однако это также позволяет реле срабатывать намного быстрее, чем если бы диод был подключен непосредственно параллельно катушке. Как показано на рис.1, контакты размыкаются за 3,8 мс, что увеличивается примерно до 7 мс при использовании только диода.
Время замыкания контактов составляет около 6 мс после подачи питания (испытано на рабочем столе). Скачок напряжения происходит из-за резистора, поскольку он поглощает обратную ЭДС катушки. Сопротивление катушки составляет 260 Ом, поэтому пиковое напряжение составляет -37 В. Это можно легко вычислить, если вы хотите…
VP=Rpar/Rcoil×Vcoil
VP=820/260×12=37,8 В
Я уже описывал этот маленький «трюк», и он очень эффективен. Диод последовательно с резистором (D1 на рис. 2) не является строго обязательным, но он предотвращает рассеивание мощности резистора, при срабатывании реле. Без диода резистор будет пропускать 14,6 мА и рассеивать ~ 176 мВт. Это немного, но все таки такое значение больше тока, который должен обеспечивать источник питания, тем более он удваивается при использовании двух реле.
Из-за того, как подключена выходная цепь, реле получает полные 12 В, когда на вход подается высокий уровень. Я убедился, что контакты замыкаются в течение примерно 4 мс, и большинство реле с одинаковыми параметрами будут работать аналогично.
Гибридная схема реле — защита динамиков от КЗ
Схема представляет собой модифицированную версию гибридного реле MOSFET, предназначенную для защиты динамиков в акустических системах и представленную в статье «Гибридные реле». МОП-транзисторы IRF540N рассчитаны на напряжение 100 В, имеют RDS-on 44 мОм и максимальный ток 33 А (непрерывный). Данный прибор имеет мощность 130 Вт, и он стабильно работает в пределах своей безопасной рабочей зоны (SOA) при напряжении питания до 80 В и нагрузке 4 Ом.
Фотодиодная выходные оптопара показана как APV1122 (DIP), но вы также можете использовать PVI5080NP (DIP), TLP3906 или VOM1271 (последние два только SMD). Эти микросхемы не особенно дорого стоят, так, что многие могут себе позволить использовать именно их.
Существует еще несколько других, но у них нет внутренней схемы выключения. Если такая схема не встроена в чип, то придется добавлять снаружи необходимые детали, что доставляет неудобства. Ниже показана схема выключения с использованием дешевого JFET и резистора.
Схема синхронизации может быть изменена путем замены значения резистора R6. Если ваше реле открывается медленнее, чем те, которые я тестировал, увеличьте значение R6. Если сопротивление увеличится вдвое, то и задержка по времени увеличится. Сомнительно, что вам может понадобится 150 кОм, но смотрите раздел «Тестирование реле», чтобы определить время отключения используемого вами реле.
Транзисторы на входе необходимы для получения правильной полярности для платы P33, а также для того, чтобы убедиться, что схема «быстродействующего» реле (RL1, D1 и R6) работает так как задумано. Первый транзистор меняет полярность управляющего сигнала, чтобы соответствовать таймеру 555. Время для U1 определяется (приблизительно) …
t=R6×C1
t=120k×100n=12мс
Эта формула не является «стандартной» для интегрального таймера 555, потому что она используется иначе, чем традиционная схема 555. Входной преобразователь уровня и транзисторы управления реле немного изменяют поведение, а также изменяют период синхронизации.
При этом погрешность небольшая и не стоит о ней беспокоиться. Значения компонентов были выбраны таким образом, чтобы использовать минимальное количество различных значений, таким образом гарантируя наличие достаточного тока там, где это необходимо.
Рис. 2. Принципиальная схема гибридного реле
Стабилитрон (D3) показан как «необязательный» он защищает затворы MOSFET. Я же считаю его необходимым, так он как предотвращает статическое повреждение. Во время тестов нагрузка «типового» мультиметра немного снизит измеряемое напряжение, но это не проблема. Вы должны получить не менее 7 В между общими соединениями истока и затвора полевых МОП-транзисторов (положительное напряжение на затворе).
Нормально замкнутые (NC) контакты на EMR не используются. Время включения MOSFET медленное, но это не имеет значения, потому что EMR передает звук, когда реле активировано. Поскольку секция реле MOSFET закорочена контактами EMR, нам не нужно беспокоиться о рассеянии MOSFET при нормальном использовании. Реле MOSFET активно (в течение ~10 мс, как показано на рисунке) только тогда, когда гибридная схема отключена путем отключения общего питания.
Вы можете рассчитать время, необходимое для достижения заданного напряжения на выходе PVI, зная емкость и выходной ток. Например, если вам нужно получить 7 В на затворах пары МОП-транзисторов IRF540N (входная емкость [Ciss] 1,960pF каждый), а PVI обеспечивает 10 мкА ….
t=C/I×V
t=3920pF/10µA×7V=2,74ms
Это не так быстро, но все же быстрее, чем реле. Я протестировал PVI с емкостной нагрузкой 8,2nF и получил 7,5V в течение 2,5 мс, так что «реальная жизнь» может быть немного лучше, чем заявлено в спецификациях. Одна вещь, влияющая на время включения, — это нелинейное поведение напряжения на затворе, когда оно обеспечивается источником с высоким импедансом.
Когда МОП-транзистор(ы) начинают включаться, возникает обратная связь, обеспечиваемая внутренним зарядом (эффект Миллера) дренажного затвора (Qgd). Это создает «излом» на кривой напряжения с плато при начальном напряжении проводимости. Ширина плато зависит от значения Qgd, которое для IRF540N составляет 21 нКл (нанокулон). К счастью, в данном приложении это не является важным фактором.
Приведенная ниже последовательность активации не показывает включение. При управлении цепью P33, если при включении питания возникает неисправность постоянного тока, реле вообще не сработает. Секция управления MOSFET используется только для предотвращения искрения контактов EMR, когда/если реле размыкается при наличии неисправности постоянного тока.
Контакты реле должны быть рассчитаны на полный среднеквадратичный ток, который может обеспечить например: усилитель. В большинстве случаев подойдут релейные контакты на 10 А, но при более высоком выходном токе (например, питание >56 В с нагрузкой 4 Ом) вам может понадобиться использовать контакты на 16 А или 20 А. В худшем случае постоянный ток короткого замыкания настолько велик, что частично сваривает контакты реле. Хотя такое возможно, на практике это маловероятно.
Рис. 3. Последовательность активации реле (симуляция)
Питание отключается от катушки реле через 1,01 секунды, а моделирование допускает время отключения для ЭМИ 4,6 мс. В этот момент полевые МОП-транзисторы пропускают полный ток в течение 7,9 мс, что достаточно для того, чтобы контакты полностью разомкнулись, а затем они отключаются.
Электрической дуги быть не может, потому что напряжение на контактах реле практически отсутствует. Однако полевые МОП-транзисторы по-прежнему являются важной частью схемы, поскольку их выход из строя означает отсутствие защиты динамика. Полупроводники по своей структуре не допускают короткого замыкания, поэтому если MOSFET выходят из строя, он может пропустить постоянный ток на динамик.
Такая ситуация возникает в зависимости от того, какой из них вышел из строя, и от полярности постоянного тока, но разумно использовать полевые МОП-транзисторы с некоторым запасом по току, который может выдержать в случае непредвиденных обстоятельств, плюс еще немного на удачу.
Номинальная мощность полевого МОП-транзистора не обязательно должна быть особенно высокой, поскольку рассеяние обычно составляет менее 5 Вт, и данный цикл длится менее 10 мс. Такой момент означает, что радиатор не потребуется даже для мощного усилителя. При выключении полевых МОП-транзисторов будет наблюдаться очень высокий (но довольно короткий) всплеск рассеяния.
Размах мощности при этом может превышать 200 Вт, но длительность его не должна превышать 100 мкс. Такое состояние вполне соответствует кривой SOA IRF540N, составляющей 1 мс. Номинальное напряжение МОП-транзистора должно быть больше, чем напряжение питания, а 100-вольтовые МОП-транзисторы допускают питание до ±80 В — 400 Вт на 8 Ом или 800 Вт на 4 Ом.
Если напряжение питания больше, то, естественно, MOSFETы также должны иметь более высокий номинал напряжения. Максимальный ток для MOSFET IRF540N составляет 20A (4Ω, 80V), поэтому MOSFET, рассчитанный на 30A или более, будет в самый раз.
PVI был выбран в качестве предпочтительного решения, поскольку он устраняет необходимость в плавающем источнике питания. Конечно, можно использовать либо микросхему MOSFET-реле, либо стандартную оптопару, но любой из них требует плавающего источника питания, который неудобно включать.
Еще хуже то, что их нужно два — по одному на каждую цепь MOSFET-реле. Я рассматривал такую возможность, но решил отказаться от нее, так как это только все усложнит. В ближайшее время будет выпущен отдельный проект, который покажет, как это можно сделать, но он менее чем идеален.
Устройства PVI (как и все полупроводники) чувствительны к нагреву. При высоких температурах фотодиоды становятся негерметичными, а выходное напряжение и ток снижаются. В идеале светодиод должен работать при наименьшем токе, который обеспечивает хорошее переключение полевых МОП-транзисторов (я стремился к ~ 10 мА), а микросхему следует держать подальше от всего, что греется или нагревается.
Рис. 4. Защита динамиков — схема таймера и гибридного реле
Есть несколько незначительных изменений значений, которые важны, если вы планируете использовать одну схему драйвера реле для двух каналов. Выход 555 может быть подключен к другому резистору 1k и микросхеме PVI, а Q2 должен быть транзистор BC640, если вы хотите управлять двумя реле параллельно.
Стоимость сэкономленных деталей невелика, но требуется меньше места, если 555 и связанные детали не дублируются. Значение R5 должно быть уменьшено при параллельном включении двух катушек реле. Я предлагаю около 470 Ом, что обеспечит такое же время отключения реле при параллельном подключении пары реле.
На рисунке показано, как использовать один таймер с двумя отдельными гибридными реле, чтобы защита динамиков работала надежнее. Это то же самое, что показано на рис.2 (за исключением двух изменений, упомянутых выше), и две части были разделены для ясности.
Теоретически возможно управлять более чем двумя гибридными релейными цепями, но у таймера 555 начнет снижаться ток, а для защиты громкоговорителей маловероятно, что кто-то захочет использовать больше двух. В многоканальных системах каждая стереопара обычно имеет свою собственную схему защиты.
Цепь выключения
Чтобы нормально работала защита динамиков, и если вы используете PVI, который не имеет внутренней схемы выключения, ее необходимо добавить. Без него емкость затвора МОП-транзисторов будет удерживать их во включенном состоянии слишком долго, а выключение будет очень медленным.
При этом защита динамика не сможет выполнять свои функции, что приведет к повреждению динамического излучателя и вероятному разрушению МОП-транзисторов из-за чрезмерного рассеяния мощности.
ИМХО, гораздо лучше заплатить немного больше за PVI, чем возиться со следующей схемой (или чем-то подобным). Обратите внимание, что вся конструкция имеет очень высокий импеданс, и вам почти наверняка придется выбирать JFET для минимального напряжения отсечки затвор-исток (VGS-off). Для J113 оно может быть от 0,5 В (хорошо) до 3 В. Если VGS-off больше ~ 1,2 В, он бесполезен в этой роли.
Рис. 5. Схема выключения с использованием полевого транзистора JFET
В техническом описании VOM1271 показана схема защита динамиков и выключения с использованием P-канального JFET. Применение такого полевого транзистора с P-переходом менее удобно, потому что, все «полевики» в настоящее время имеют некоторые ограничения, к тому же, P-канальные типы не очень распространены, чем N-канальные.
Внешняя схема выключения, также снижает напряжение на затворе МОП-транзисторов, а доступное напряжение от PVIs уже довольно низкое (обычно около 9 В). Можно (но это добавляет еще больше деталей) использовать стандартный оптоизолятор (например, 4N25, LTV817 и т. д.) для создания цепи выключения, но дополнительная сложность схемы вряд ли будет более привлекательной.
Источник питания
Следующей частью этой схемы защита динамиков, является блок питания. Вы можете использовать небольшой понижающий преобразователь, чтобы уменьшить напряжение положительной шины усилителя до 12 В, но те, которые вы можете купить по дешевке, допускают максимум около 40 В или около того.
Преобразователи такого типа удобны и обычно многие конструкторы используют именно их. Тем более, исходя из экономических соображений, вероятно, дешевле купить его, чем собирать такую конструкцию самому. Конечно, самостоятельная сборка несколько удручает, но если вы соберете его, вы будете знать гораздо больше о том, как он работает, чем если бы вы купили готовый.
Рис. 6. Понижающий преобразователь (типовой)
Если вы используете преобразователь постоянного тока, что бы обеспечить защиту динамиков, то типичным является тот, что изображен на рисунке. Они не дорого стоят и могут работать непосредственно от источника напряжения +35 В, используемого, например, для P3A. Если напряжение больше 35В, то его можно уменьшить, включив стабилитрон последовательно с входящим питанием.
Поскольку это импульсный регулятор, входной ток будет меньше выходного тока. Для максимального выходного тока (скажем) 150 мА входной ток будет около 70 мА от источника питания 35 В. Если более высокое напряжение снижается с помощью стабилитронов, ориентируетесь на входное напряжение в пределах 30-35 В и подбирайте стабилитроны в соответствии с этим.
Три последовательно соединенных стабилитрона на 6,8 В прекрасно работают при напряжении питания 56 В и рассеивают около 450 мВт каждый. В качестве альтернативы можно использовать простой предварительный регулятор (1 транзистор, 1 резистор и 1 стабилитрон). Допускается подача до 100 мА на преобразователь постоянного тока.
Другой альтернативой схемы защита динамиков является импульсный источник питания, такой как показанный ниже. Это был коммерческий штепсельный блок (также известный как «настенная бородавка»), который был разобран, а контакты от сети отрезаны. В торце просверлены два отверстия для входных сетевых проводов, и когда провода постоянного тока подключены и блок питания установлен, крышка снова защелкивается.
В корпусе достаточно места (и электрического зазора) для крепежных винтов в основании. Источник питания рассчитан на 12 В при 1 А, поэтому он может питать гибридные реле и при этом иметь достаточный резерв для питания сетевого плавного пуска/ограничителя бросков тока.
Рис. 7. Источник питания переменного/постоянного тока от штекерного блока
Общая схема подключения (с P33)
Когда вы определились с выбором блока питания, вы можете посмотреть на общую схему подключения. Как отмечалось ранее, для защиты динамиков вы будите использовать P33, все соединения показаны ниже.
Хотя в конструкции защита динамиков можно применить реле DPDT (двухполюсное, двухпозиционное), его трудно рекомендовать, поскольку это приведет к путанице в проводке и легко можно допустить ошибку. Однако схема управления не должна дублироваться.
Рис. 8. Плата P33, подключенная к двум гибридным реле P227
Релейная плата P33 по-прежнему является сердцем схемы защита динамиков, и она также обеспечивает отключение звука при включении устройства, обнаружение постоянного тока и отключение питания. Кроме непосредственного управления реле, плата P33 еще питает EMR и схему MOSFET, причем каждый релейный модуль является отдельным элементом.
Со стандартным входным фильтром плата P33, использующая сопротивления 100 кОм и емкость 10 мкФ, неисправность цепи 35V постоянного тока обнаруживается примерно за 27 мс для положительного тракта и 34 мс для отрицательного. Более высокое напряжение приводит к гораздо короткому времени обнаружения, 20 мс и 25 мс соответственно. Схема зарекомендовала себя во многих случаях, а также подвергалась тщательным испытаниям.
Если P33 будет использоваться с гибридными реле, описанными здесь, есть несколько незначительных изменений. R12 (10 Ом) следует заменить перемычкой, а C4 (10 мкФ) увеличить до 22 мкФ. Q4 — это BD140, но вы можете использовать BC556 (обратите внимание, что распиновка совсем другая). D9 не нужен и может быть удален из BoM. Остальная часть схемы остается без изменений.
Тестирование реле
Если вы используете неизвестное реле, его следует протестировать, чтобы измерить время, необходимое для размыкания. Это нетрудно сделать, но для этого требуется двухканальный осциллограф, способный выполнять однократную развертку с запуском. Один канал осциллографа подключен к контактам реле, а другой к катушке (показана схема защиты от обратной ЭДС).
Кроме этого вам потребуется переключатель, чтобы отключить реле и запустить на отрицательном выводе катушки. Если вы хотите продублировать измерение, показанное на рис.1, то настройки канала (и цвета) такие же, как и у моего осциллографа, и такие же, как показано на рис.1 выше.
Рисунок 9 – Измерение времени отпускания реле
При срабатывании прибора вы должны получить две трассировки — один от падения напряжения на катушке, а другой от напряжения на нормально разомкнутом контакте. Скорость развертки должна быть около 1 мс/деление, а напряжение канала должно быть установлено, как показано на рис.8.
Разница во времени между изменением напряжения на катушке и выходного напряжения на контакте показывает время отпускания (t-release). Запустите тест несколько раз, чтобы убедиться в его согласованности. Возможно, вам потребуется отрегулировать время таймера, показанного на рис.2, чтобы оно как минимум на 5 мс превышало время отпускания реле.
К сожалению, нет другого способа выполнить тест, так как мультиметры слишком медленные, и даже светодиоды нельзя использовать, потому что вы не можете увидеть разницу в ~ 4 мс с какой-либо надежностью (если вообще сможете). Время срабатывания обычно составляет от 4 мс до 10 мс, но вам следует проверить техническое описание устройства, которое вы собираетесь использовать.
Использование резистора 820 Ом увеличивает время восстановления до 50%, в зависимости от механической конструкции якоря и сопротивления катушки. Вы можете использовать другие значения, но по мере увеличения значения увеличивается и отрицательное напряжение. Оно должно быть ниже, чем VCEO для транзистора (BC556 -65V). Общее напряжение равно напряжению питания плюс отрицательный пик (49 В для показанного примера).
Можно еще больше сократить время срабатывания реле, используя схему «эффективности» (резистор параллельно конденсатору, последовательно с катушкой). Я протестировал такой вариант и смог сократить время восстановления до 3 мс.
Но это академический результат, когда мы знаем, что плата P33 имеет встроенную задержку, и может занять 30 мс для работы. Экономия одной миллисекунды за счет ускорения реле совершенно не помогает, и оно использует больше деталей.
Тестирование
Я построил свой образец на макетной плате, но в данном случае у меня не было цели сделать его компактным, как обычно делается. Реле (EMR и MOSFET) находятся справа, вход 12 В вверху по центру, а земля внизу по центру.
Входная цепь расположена слева, а сразу за двумя полевыми МОП-транзисторами находится перемычка, которая позволяет мне разделить два «реле», чтобы была возможность запустить тест, показанный на рис.11. В схеме включен стабилитрон, а его утечка по напряжению не вызвала проблемы, даже с ограниченным током, поступающим от PVI.
Рис. 10. Опытный образец на макетной плате
Опытный образец был построен по схеме, показанной на рис.2, с той лишь разницей, что я использовал резистор 2k для R7, чтобы уменьшить ток светодиода PVI. Единственные перемычки под платой находятся между контактами 2 и 6 таймера 555 и вокруг контактов EMR (расстояние между контактами не соответствуют размеру 2,54 мм.
Обычно (и как предлагалось ранее) реле не устанавливают на плату, так как оно занимает много места и тем самым ограничивает возможности платы. Для тестового блока было удобнее расположить все вместе, чтобы сэкономить на внешней разводке.
Эту схему легко проверить, хотя в ней используются две разные системы переключения — реле EMR и MOSFET. Вам не нужно тестировать его высокими напряжениями или токами, но вам нужно уметь различать контакты ЭМИ и проводимость полевого МОП-транзистора. Это делается с помощью отдельного резистора для каждой секции.
Напряжение питания для тестирования может быть 12 В, используемым для схемы гибридного реле, или внешним блоком питания, способным выдавать около 30 В при 1 А либо больше. Я показал внешний источник питания 15 В, но вы можете использовать все, что у вас есть под рукой.
Однако испытательное напряжение должно быть менее 30 В, в противном случае контакт EMR может вызвать искрение без подключения реле MOSFET. Ток должен быть «разумным» — 150 мА вполне безопасно. Суммарный ток составляет 300 мА, когда обе секции включены.
Рис. 11. Схема тестирования (требуется осциллограф)
С помощью отдельного резистора от контактов реле и MOSFET-реле можно увидеть точное время включения и выключения каждого из них. Без осциллографа этого не сделать, потому что вам нужно иметь возможность наблюдать наличие (или отсутствие) напряжения на нагрузочных резисторах.
Поскольку реле EMR и MOSFET изолированы друг от друга, вы просто размыкаете цепь между COM (общим) контактом EMR и стоком Q4. Для каждого из них используется отдельная нагрузка, в идеале около 100 Ом. Убедитесь, что нагрузка выдерживает мощность (P=V²/R).
Когда переключатель включен, обе нагрузки должны показывать напряжение, почти точно такое же, как и от тестового источника. Когда переключатель выключен, напряжение на «Нагрузке 1» должно упасть до нуля через несколько миллисекунд, а напряжение на «Нагрузке 2» примерно через 7-10 мс.
Если вы получите такой результат, значит все работает как надо. Чтобы быть на 100% уверенным, что оба полевых МОП-транзистора работают, поменяйте полярность тестового блока питания и убедитесь, что вы получаете одинаковый ответ.
Не забудьте снова соединить цепь между контактом EMR ‘COM’ со стоком Q4, когда вы закончите тестирование.
Рисунок 12 – Тестовые измерения для опытного образца
Я провел измерения на своей макетной схеме, используя метод, показанный на рис.11, при этом объединив два снимка в одно изображение. Секция MOSFET включается (немного) быстрее, чем EMR, поэтому все дребезги контактов (искажения на верхней фиолетовой дорожке) будут закорочены.
Задержка между срабатыванием реле EMR и MOSFET вполне очевидна и составляет около 10 мс, что немного больше расчетного значения. Измерение показывает разницу между EMR и MOSFET-реле, а не полную задержку MOSFET-реле. R6 (рис.2) можно было уменьшить до 100k или даже до 82k, и все равно защита будет работать.
Для теста я использовал более низкий ток для PVI, около 5 мА. Это было сделано для того, чтобы создать тестовую схему для критического случая. В остальном схема работает точно так, как ожидалось.
Реле, которое было задействовано, тестировалось на сопротивлении контактов при токе 1 А и 4-проводном измерении. Контакты NO показывали сопротивление 6,5 мОм, а NC контакты — 10,5 мОм. Размыкающие контакты не используются, но провести тест было достаточно просто.
Разница нормальная, так как контакты NC удерживаются пружиной, которая должна быть слабее, чем магнитное притяжение катушки и якоря. Для справки, я также протестировал реле аналогичного размера на 12 А и измерил 1,9 мОм (NО) и 2,2 мОм (NC). При обычном программном материале проводимость MOSFET минимальна (~74 мА/А при общем включении МОП-транзисторов 88 мОм).
Окончательный тест был выполнен с источником постоянного тока 78 В (под нагрузкой, 90 В без нагрузки), нагрузка 16 Ом, что составляет 4,875 А постоянного тока. Из других тестов я знаю, что это напряжение и ток создадут разрушительную дугу даже при расстоянии между контактами 1 мм, а реле, которое я использовал, имеет зазор между контактами всего 0,4 мм.
Цепь каждый раз размыкалась чисто, и даже после многократных испытаний полевые МОП-транзисторы никогда не превышали температуры окружающей среды более чем на пару градусов. Я считаю это успехом.
Выводы
Наряду со статьей о гибридных реле, предоставленная мной информация, является наиболее полной из всех, что вы где-либо найдете. Больше почти ничего не описывает конструкцию и работу чего-либо, кроме гибридов EMR + TRIAC, а то немногое, что доступно, имеет минимальные технические детали. Хотя дополнительные схемы могут показаться немного сложными, на самом деле все довольно просто.
Можно сделать так, чтобы схема определяла размыкание реле, контролируя отрицательное напряжение. Я решил этого не делать, так как схема обнаружения довольно сложная, и она должна быть регулируемой. Вам все равно придется проводить тесты, но результаты, скорее всего, будут более неоднозначными, чем при использовании простого таймера. Схема, предназначенная для обеспечения защиты, должна быть надежной.