Protección contra sobretensiones para contactos de relé al cerrar

La solución a esto es un termistor. Alternativamente, tenga otro relé para puentear su resistencia después de que haya pasado una cantidad de tiempo.

Por supuesto, también podría colocar los condensadores al otro lado del relé.

Ya que me pediste que ampliara mi comentario anterior: ...

En los viejos tiempos, utilizábamos mucho hierro pesado para manejar las corrientes de entrada: grandes inductores. A menudo se añadía una resistencia en paralelo al inductor pesado y el par se utilizaba en serie entre la fuente de alimentación y el banco de condensadores. Algo como esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La corriente máxima en la resistencia,$R_1$, sucederá cuando se descargue la capacitancia. Entonces$I_{R_{_\text{PEAK}}}=\frac{V_1}{R_1}$. Y eso significa que podemos seleccionar$R_1$basado en lo que queremos que sea la corriente máxima en la resistencia.

Calculemos eso ahora mismo. voy a elegir$I_{R_{_\text{PEAK}}}=4\:\text{A}$. Esto parece un margen seguro frente al límite actual de su relé.

Nota: Ahora, pausa. También habrá un aumento de la corriente del inductor. Y tal vez este límite no sea lo suficientemente bueno. Pero en la práctica lo será. La razón es que mientras la corriente del inductor está subiendo, también está disminuyendo la corriente del resistor de límite. Bien hecho, estos se cancelarán casi perfectamente entre sí, de modo que si diseñamos cada uno para el mismo límite de corriente, entonces la suma de sus corrientes también estará limitada de manera similar.

Así que resolvamos eso$R_1=\frac{24\:\text{V}}{4\:\text{A}}=6\:\Omega$y elige cualquiera$R_1=5.6\:\Omega$o$R_1=6.8\:\Omega$. Voy a inclinarme hacia el lado más seguro, así que seleccionaré$R_1=6.8\:\Omega$. Esto significa que mi nuevo límite actual será de aproximadamente$3.5\:\text{A}$al calcular la inductancia.

Lo que nos lleva al inductor. Para abordar la pregunta sobre la corriente máxima en el inductor, volveré a dibujar lo anterior en una forma ligeramente diferente, pero equivalente:

^{simular este circuito}

En lo anterior, he "notado" que$R_1$y$R_{_\text{LOAD}}$formar un divisor de voltaje con un voltaje de fuente equivalente de$V_{_\text{TH}}=V_1\cdot\frac{R_{_\text{LOAD}}}{R_1+R_{_\text{LOAD}}}$y$R_{_\text{TH}}=R_1\cdot\frac{R_{_\text{LOAD}}}{R_1+R_{_\text{LOAD}}}$.

Lo realmente bueno del nuevo arreglo es que es más fácil ver que es un circuito RLC. La idea general aquí es que la corriente máxima del inductor ocurre en el primer cuarto de un período de tiempo determinado por una combinación de estos tres elementos.

Aproximadamente, se puede calcular$L_1\approx \frac{16}{\pi^2}\cdot R_{_\text{TH}}^{\,^2}\cdot C_1$. Y desde$R_{_\text{TH}}=\frac{V_1}{I_{_\text{LOAD}}+I_{R_{_\text{PEAK}}}}$, esto funciona para:$L_1\approx \frac{16}{\pi^2}\cdot C_1\cdot \left[\frac{V_1}{I_{_\text{LOAD}}+I_{R_{_\text{PEAK}}}}\right]^{\,^2}$. Asumiendo$V_1=24\:\text{V}$,$I_{_\text{LOAD}}=2\:\text{A}$, y$I_{R_{_\text{PEAK}}}=3.5\:\text{A}$(el nuevo valor), entonces$L_1\approx 1.62\cdot 10\:\text{mF}\cdot \left[\frac{24\:\text{V}}{2\:\text{A}+3.5\:\text{A}}\right]^2=309\:\text{mH}$. yo elegiría$L_1=270\:\text{mH}$como un valor disponible muy cercano. (Por supuesto, también podría elegir$L_1=330\:\text{mH}$, también.)

No tengo ni idea de lo que va a pasar cuando inserte esto en LTspice. (Voy a hacer un poco de trampa para mantener el esquema simple, ya que haré que LTspice "encienda" la fuente de alimentación por sí solo marcando una casilla). Así que veamos:

(Haga clic en la imagen de arriba para ver más detalles).

Aquí puede ver el comportamiento resultante del enfoque anterior. Es casi exactamente como se esperaba. Puede ver que la suma (la curva roja) que se entrega a través del relé solo alcanza un pico ligeramente superior$4\:\text{A}$. Así que nos hemos mantenido en nuestro límite. Pero esto también le indica que habrá un poco más de corriente de la que desea en el diseño, debido al hecho de que tanto la resistencia como el inductor suministran corriente durante la fase inicial del cuarto de ciclo (amortiguada). (Si hubiera decidido redondear y usar$L_1=330\:\text{mH}$, entonces la corriente máxima a través del relé habría sido de aproximadamente$3.8\:\text{A}$.)

Y sí, el voltaje de salida sonó un poco. Alcanzó un voltaje ligeramente más alto que$24\:\text{V}$. En el pasado, eso estaba bien. Usábamos diodos del tamaño de un puño (rectificadores de selenio con montones, montones de aletas) y tubos de vacío. Un poco de voltaje extra nunca hace daño a nadie. ;) Hoy, tienes que pensar más en eso.

Si puede aceptar un voltaje pico más alto y una corriente de inductor pico más alta, puede reducir su magnitud. Digamos, a la mitad más o menos. Si el voltaje pico es crítico y no puede aceptar un valor alto, entonces necesita aumentar su magnitud. Sin embargo, hacer coincidir el límite de corriente del inductor con el límite de corriente de la resistencia generalmente brinda una mejor respuesta y es un buen equilibrio para el diseño.

De todos modos, esa es una forma de hacerlo. La forma en que una vez se hizo.

Ah, y un último pensamiento. El calentamiento máximo de la resistencia de límite de corriente tendrá lugar en la primera décima de segundo. Puede absorber varios julios durante ese período de encendido. Algunas resistencias son mejores que otras para manejar estas tensiones. Puede buscar "resistencias de sobretensión" o bobinado de alambre (que puede manejar bien este tipo de cosas). Y definitivamente lea las hojas de datos, cuando sea posible, para asegurarse. Si la hoja de datos clasifica la resistencia para una sobretensión o una cierta cantidad de julios en un período corto, entonces probablemente sea algo bueno. Finalmente, haz algunas pruebas también.

en el inductor

Dado mi estado de ignorancia de aficionado, el diseño de inductores por parte de los fabricantes puede parecer ciencia espacial . Creo que muchos detalles prácticos importantes intervienen en el diseño de un dispositivo comercialmente competitivo. Soy simplemente un aficionado, por lo que solo puedo dar un paso atrás y apreciar desde cierta distancia y con mi sincero respeto lo que aplica un fabricante en el diseño de productos.

Pero también hay algunos conceptos básicos. En el caso anterior, podemos calcular la energía que se almacena en el inductor una vez que se alcanza el equilibrio (un segundo después, a más tardar). La corriente del inductor es CC, no varía mucho. La energía en el inductor del estrangulador es$E_{_\text{L}}=\frac12\,I_{_\text{L}}^{\,2}\,L_1=\frac12\,I_{_\text{LOAD}}^{\,2}\,L_1$. En este caso, se trata de$540\:\text{mJ}$.

Webers son los julios por amperio, por lo que en este caso podemos calcularlo como$\Phi_1 = \frac{540\:\text{mJ}}{2\:\text{A}}=270\:\text{mWb}$. si conoces el$B_{_\text{MAX}}$del material del núcleo y el número de vueltas,$N$, enrollado en el núcleo, puede calcular el área de la sección transversal como$A\gt \frac{\Phi_1}{N\cdot B_{_\text{MAX}}}$. Si estamos usando un núcleo de hierro de buena calidad con$B_{_\text{MAX}}=1.1\:\text{T}$y si$N=1000$, por ejemplo, entonces:$A\gt \frac{270\:\text{mWb}}{1000\,\cdot\, 1.1\:\text{T}}$. Esto sugiere que el área de la sección transversal debe ser$A\approx 2.5\:\text{cm}^2$. Los 1000 devanados tomarán cierta longitud de camino magnético para lograr, por lo que el inductor resultante tendrá una masa significativa.

Puedo estar equivocado acerca de los detalles cuantitativos. El diseño de inductores es más una cuestión de análisis dimensional para mí como aficionado y es posible que me haya equivocado en un factor. Pero así es como me parece. Tomaré cualquier crítica que presenten los expertos, con aprecio.

Un NTC, limitadores de corriente de irrupción (ICL) clasificados para la energía que se está cambiando es una opción 1/CV^2 = E.[J]. Algunos OEM de ICL especificarán esto.

Especificaciones: batería de 24 V nominal (suponga 29 máx. en el cargador).
Tamaño de la tapa: digamos 5mF.
Corriente máxima: carga 2A

E=1/2CV^2= 5mF/2 24^2 = 1,44J nom. , 1.7J en el cargador

Solución sugerida: CL-21 a CL-150

El rango min-max de I Amp debe incluir la carga.
Rango E > 1.7J

R inicial @ 25'C debe cumplir con los límites del relé, por ejemplo, 4 ohmios mín.

La R final depende del %Imax, pero también cae el voltaje y calienta el ICL continuamente, por ejemplo, 120 °C, preferiblemente desviado por un relé de retardo de tiempo secundario después de cargar a >80%.

Conclusión : utilice un relé de 8 A, 5 ohmios, ICL y un segundo retardo de relé para derivar la caída de tensión.

Cap ESR determina las corrientes de sobretensión.

Le mostraré un limitador de corriente basado en MOSFET ingenuo, pero puede ser más una responsabilidad que una solución, dependiendo de qué tan grandes sean esos capacitores.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esto funciona usando un transistor bipolar Q1 para detectar corriente en R1. Cuando el voltaje a través de R1 aumenta a 0,7 V, Q1 comienza a conducir y "corta" la diferencia de potencial de fuente a puerta del MOSFET M1 (por lo tanto, lo apaga).

En la práctica, la corriente se sujeta en lugar de cortarse, porque el sistema encuentra un equilibrio, regulando la corriente en algún punto máximo. Ese máximo será la corriente requerida para desarrollar 0.7V a través de R1, que en mi ejemplo aquí es:

Aquí están las gráficas de corriente y voltaje de salida (tomadas en el drenaje de M1). El relé se cierra en el momento$t = 100ms$:

La corriente se fija a aproximadamente 8 A constantes, hasta que los capacitores estén completamente cargados, momento en el cual el único consumidor de energía que queda es la carga R3, y la corriente cae a 2 A. Con corriente constante a través de ellos, los condensadores deben cargarse naturalmente con constante$\frac{dV}{dt}$, razón por la cual el voltaje a través de ellos aumenta linealmente.

¿Cuáles son las advertencias? Me alegro de que hayas preguntado. Aquí está la gráfica de poder disipado en M1:

Impactante, ¿no? La potencia aumenta instantáneamente a casi 200 W, pero disminuye rápidamente a nada después de unos 40 ms. Eso podría estar bien, si elige el MOSFET correcto, pero es una patada en los dientes para el pobre. Esto le da una idea del abuso que han tenido que tolerar sus repetidores.

Realmente no hay mucho que puedas hacer con un sistema lineal para mitigar esto. Como dije en mi comentario a su pregunta, cualquier energía que logre almacenar en los capacitores, la misma cantidad (no una parte, esta es energía adicional ) también se disipará en el camino de la corriente utilizada para cargarlos. De hecho, puedes ver esta relación en el gráfico de poder anterior. El área debajo de él es la energía total disipada en M1. Algunos también se habrán perdido para R1, pero es pequeño en comparación, y lo ignoraré. Esa área es aproximadamente triangular:

La cantidad de energía almacenada en el capacitor C1 es:

Espero no haberte desanimado demasiado. Creo que la respuesta de Jonk promete mejores resultados, porque la energía no se "pierde" en la ruta de carga, sino que se almacena en el campo magnético del gran inductor. Lo que le suceda a esa energía a largo plazo es un tema diferente, pero posiblemente sea menos "violento" que una solución puramente resistiva como la que muestro aquí.

He usado un circuito limitador de corriente simple como el siguiente, que limita la corriente de carga a unos 8 amperios:

Luego de una mayor investigación, descubrí que esto no sería útil cuando el capacitor se carga a través de un puente de onda completa y tiene una carga. El circuito trata de limitar los pulsos de carga y, al hacerlo, disipa una cantidad destructiva de energía en el transistor en serie Q1. LT Spice muestra el problema.