Protección de relé cuando no se puede implementar TVS adecuado en carga

Actualmente estoy desarrollando un producto que tiene un relé SPDT simple que puede ser controlado por un operador. Para el usuario final, solo están disponibles los contactos comunes, normalmente abiertos y normalmente cerrados. El relé es impulsado por un circuito en nuestro dispositivo, que tiene un diodo flyback adecuado.

Recientemente tuvimos un problema con una de nuestras unidades prototipo donde un técnico conectó el relé directamente a una carga inductiva, sin ningún tipo de supresión de voltaje transitorio, lo que provocó que nuestras comunicaciones inalámbricas se interrumpieran debido a EMI, y probablemente también resultó en contacto arqueo.

Después de asegurarse de que el problema se debía a picos inductivos, se resolvió rápidamente conectando un diodo de retorno adecuado a la carga.

Si bien en esta situación teníamos control sobre las cargas que estábamos conectando, esto me hizo darme cuenta de que no puedo confiar en que nuestros usuarios finales realmente instalarán dispositivos de supresión de voltaje transitorio adecuados cuando usen nuestro producto con cargas inductivas, sin importar la cantidad de advertencias y esquemas de aplicaciones típicas que podemos ofrecer.

Ahora, obviamente, hay muchas soluciones para los picos inductivos, pero el conjunto particular de situaciones en las que este dispositivo debe funcionar hace que sea muy complicado implementar TVS:

1) El relé es un relé SPDT de uso general clasificado para 250 V CA/120 V CA a 10 A o 30 V CC 8 A. Esto significa que el circuito del TVS debe ser capaz de manejar CA (red o no) y CC, y corrientes de hasta 10 A. Esto hace que sea imposible encontrar un fusible PTC, ya que la mayoría no manejará el voltaje de la red, especialmente no a 10A.

2) El dispositivo se instalará en lugares donde será imposible reemplazar nada, y la seguridad es una preocupación importante para nosotros. Si el cliente no instala un fusible y el relé falla en cortocircuito (lo cual es raro, pero puede suceder), lo más probable es que nos culpen a nosotros. Esto también significa que no puedo usar MOV, tubos de descarga de gas ni ningún otro dispositivo TVS con una vida útil limitada.

3) Cualquier dispositivo TVS nunca debe fallar en cortocircuito, y si lo hacen, debo asegurarme de proteger la carga contra un cortocircuito como ese.

Probé una simulación de una red de amortiguador RC, pero estos solos no harán nada con cargas inductivas lo suficientemente grandes. Además, el uso de capacitores más grandes significa más pérdidas cuando se trabaja con CA. Idealmente, 1nF daría suficiente impedancia (por encima de 1Mohm @ 50/60Hz) para que las pérdidas sean insignificantes.ingrese la descripción de la imagen aquí

Estos son los resultados de una simulación con una gran carga inductiva. Cambiar los valores de la resistencia y el capacitor solo afecta el tiempo que tardan las oscilaciones en estabilizarse y no el voltaje máximo, lo que seguramente matará cualquier resistencia o capacitor, o provocará un arco en los contactos.

Los zeners consecutivos junto con una red de amortiguación RC limitan efectivamente el pico de voltaje, pero dado que tienen que bloquear el voltaje de la red, tendrían que bloquear más de aprox. 350 V (voltaje máximo de la red) hasta que comiencen a conducir, y me temo que todavía es un pico lo suficientemente alto como para eliminar cualquier comunicación inalámbrica cercana con EMI.

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Entonces, ¿estoy completamente desesperado en esta situación?

¿Hay otros dispositivos/técnicas de TVS que pueda usar en tal situación? Si es así, ¿puedo garantizar que no fallarán en cortocircuito, o al menos que podré protegerme contra un dispositivo TVS en cortocircuito?

¿O es solo un amortiguador RC una buena solución para este problema? Si es así, ¿por qué? ¿Y cómo puedo seleccionar las piezas apropiadas para esto?

Recuerde que no tengo acceso a la carga real y no puedo hacer suposiciones sobre cómo un usuario podría conectar la carga.

Parece que ya tienes la solución. Conecte las lengüetas terminales de "un diodo de retorno adecuado a la carga". Seleccione un diodo de "uso razonable" y colóquelo a través de las lengüetas del terminal de carga.

Respuestas (2)

Pasé los últimos 15 años en la industria de TVSS. Siga lo que exigen las normas UL e ISO y agregue etiquetas para advertir al cliente que la negligencia o el abuso pueden dar lugar a la anulación de la garantía.

Habiendo dicho todo eso, para las clasificaciones que proporcionó, lo enviaría con un MOV de 40 mm que tiene al menos una clasificación de 10 kA o 20 kA 275 VCA, en conexiones NA y NC (2 MOV en total). Se sujetará con fuerza a 420 VCA/CC más o menos. Una solución muy costosa es usar sidacs gigantes, y tienen una caída brusca en el voltaje máximo permitido. 275 VAC/DC significa exactamente eso, pero pueden costar $40 USD cada uno.

También consideraría la protección contra el 'retroceso' de la bobina del relé, pero un diodo o un MOV de 20 mm funcionarán bien.

Existen MOV con protección térmica (TPMOV), pero no para ventas OTC. Conseguir un proveedor externo para la supresión de sobretensiones sería muy costoso, ya que estos productos tienen un alto costo de mano de obra.

Primero probaría los MOV de 40 mm y 275 V CA/CC. Pueden recibir 15 'hits' de 20 kA (más de 2 horas) y aun así pasar la prueba de 1 mA.

AMORTIGUADORES: Los amortiguadores RC en los circuitos de CA no son una buena idea, ya que permiten que una pequeña cantidad de corriente CA pase por alto el relé incluso si está APAGADO. No saber si el usuario final va a usar CA o CC significa ir a lo seguro y evitarlos. No pueden hacer lo que hace un MOV o Sidac.

NOTAS: Los MOV y Sidac solo ven el contragolpe o la sobretensión, que es un pico breve de 20 uS más o menos. No ven la corriente de funcionamiento normal ya que están en un modo de resistencia muy alta. Solo los contactos del relé ven la corriente de 'ejecución'.

Si la corriente de 'irrupción' está soldando los contactos, entonces necesita un relé con una clasificación de corriente de contacto más alta. Agregue un margen de seguridad del 50% para una larga vida útil. Utilice un relé hermético a la humedad si es posible.

Las plantas que procesan productos cítricos como el jugo de naranja tienen una atmósfera ácida que corroe el acero y el cobre rápidamente.

Fusible: debo agregar que el fusible adecuado para un MOV de 40 mm o un Sidac grande es un fusible de 30 amperios, 600 voltios, 200 kA. Vienen en una caja de diez por alrededor de $50 USD. no son fusibles baratos, ya que están hechos con una tira de platino perforada, específicos para quemar sobretensiones severas rápidamente, pero toleran las corrientes de arranque del motor. Puede utilizar portafusibles de bloqueo en línea. Estos cumplen con las especificaciones de las ediciones 3 y 4 de UL1449 para fusionar MOV de 40 mm. Un enlace a los fusibles correctos:

http://www.cooperindustries.com/content/dam/public/bussmann/Electrical/Resources/product-datasheets-b/Bus_Ele_DS_1023_LP-CC.pdf

Buen punto sobre la garantía. ¿Existe algún tipo de "estándar" para que las etiquetas adviertan al cliente que implemente TVS? ¿O quiso decir eso en un sentido más amplio (es decir, la garantía quedará anulada si no sigue este procedimiento)?
@Chi. La garantía es emitida por el constructor del producto, por lo que la violación de sus reglas es motivo de anulación de la garantía. UL e ISO se mantienen al margen excepto para validar que la empresa 'A' está siguiendo sus propios procedimientos de etiquetado.
Sobre el uso de MOV, el problema es que será imposible para el usuario reemplazarlos cuando inevitablemente fallan, ya que el dispositivo se instalará de tal manera que será literalmente imposible acceder a él (si lo hace, destruir el dispositivo). Por supuesto, podría colocar los MOV en el exterior del dispositivo (colgando de los cables... ¡la gente de marketing intentará matarme!) o proporcionarlos junto con el producto para fomentar su uso... pero sería mejor si el dispositivo en sí pudiera proporcionar TVS adecuados sin requerir una acción adicional por parte del cliente.
El uso de SIDAC, DIAC y otros dispositivos como esos (por ejemplo, Trisil de ST) tienen el problema de fallar en cortocircuito, ¿verdad? Dado que, como dijiste, el dispositivo solo ve el breve pico de corriente, ¿significa esto que puedo poner un PTC en serie con ellos, en caso de que fallen? Si es así, ¿cómo hago para seleccionar un PTC adecuado para este caso?
@Chi. No entiendes lo duradero que es un MOV de 40 mm. Teníamos 2 laboratorios de prueba certificados por UL y yo ejecuté el laboratorio 2, que podía alcanzar una sobretensión de 32 kV CC a 150 kA. UL y luego ISO exigieron que todos los MOV de 40 mm pudieran sobrevivir a 5000 impactos a 10 kA (más de 100 horas), o sobrevivir a 15 impactos a 20 kA durante 2 horas. Solo un rayo directo puede dañar un MOV de 40 mm, en cuyo caso el cliente tendría muchos otros problemas de los que preocuparse. Los estándares son estrictos porque el producto TVSS puede ir a un panel de energía del hospital, que no se puede apagar una vez que está en uso.
@ Sparky256, Gran respuesta y comentarios interesantes, muy informativos. Parece que has tenido un trabajo interesante en ese laboratorio.
@Casi termino. Sí, lo hice. Un trabajo que echo mucho de menos. Monstruos como Square D, Siemens y APC prácticamente nos cerraron. El pez grande se come al pez pequeño. Suspiro...
Muy informativo por cierto. Desafortunadamente, los MOV y los fusibles son demasiado caros para incluirlos en este producto, especialmente porque algunos usuarios no van a usar cargas inductivas, así que creo que el mejor curso de acción, como dijiste, es dejar en claro que los usuarios necesitan implementar fusibles adecuados y dispositivos TVS adecuados, y emitir etiquetas de advertencia sobre la anulación de la garantía en caso de incumplimiento.

Recientemente tuvimos un problema con una de nuestras unidades prototipo donde un técnico conectó el relé directamente a una carga inductiva, sin ningún tipo de supresión de voltaje transitorio...

Puede proteger el relé con un varistor de óxido de metal (MOV), pero aparte de eso, no hay mucho que pueda hacer que no elimine las ventajas de que sea un relé.

Le sugiero que cambie su especificación indicando explícitamente que es un relé de control, no un relé de potencia. Sería muy conservador con las cargas nominales máximas.

Un relé de 'potencia' a menudo se denomina 'contactor', que interrumpe la corriente en ambos lados usando un solenoide para mover los contactos. He visto y usado contactores monstruosos con 750 VCA, 350 amperios, 3 polos. Tienes razón sobre la situación del OP.
@Sparky256 Sí. Pero hay una diferencia entre las versiones 10A DIN Rail y 2A PCB.
Es la lección del OP para aprender ...
Protección de relé cuando no se puede implementar TVS adecuado en carga
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