inleiding
|
|
Vanwege de overstap van een 2-kanaals digitale oscilloscoop (Rigol DS-1102E) naar een 4-kanaals Rigol DS-1054Z zijn enkele functies getest en wat probeersels doorgemeten. Een test dat ik al een geruime tijd wil uitvoeren, is het bepalen van het effect van een diode over een relais. Deze DS-1054Z heeft in theorie alle kenmerken om de effecten van de diode over een relais te kunnen bepalen en daarmee een mooie introductie test.
|
|
diode
|
|
Vaak is er "over" de wikkeling van een relais een diode getekend als het relais gestuurd worde door een halfgeleider zoals een transistor. De diode beschermt de transistor tegen overspanning. Dit wordt ook wel een "snubber" [EN] of "flyback" [EN] diode genoemd.
|
|
gedrag van relais wikkeling
|
|
In een relais is om een metalen kern een draad gewikkeld. Dit wordt daarom ook wel de wikkeling genoemd. Door de fysieke eigenschappen gedraagt dit zich deels als een spoel. Het gemeenschappelijke gedrag van een spoel en een relais wikkeling is in dit vraagstuk relevant omdat dat voor problemen kan zorgen bij het aansturen van de wikkeling met een halfgeleider. Om dit verder te bevatten is het volgende natuurkundige verschijnsel een goede verklaring. Wanneer er een elektrische stroom door een draad loopt, ontstaat er een magnetisch veld om dit draad. Omgekeerd werkt dit verschijnsel ook. Wanneer er een magnetisch veld om de draad verandert, ontstaat er een elektrische stroom in dezelfde draad. Dit is ook het werkzame principte van ee ndynamo waarbij een magneet draait in een wikkeling om de rotatie van de magneet om te zetten in een elektrische stroom. Wanneer de elektrische stroom door de wikkeling van een relais weg valt doordat het relais wordt uitgeschakeld, valt het magnetische veld ook weg. Bij het wegvallen van dit magnetische veld ontstaat er een elektrische stroom in de draad van de wikkeling in dezelfde richting waarin de oorspronkelijke stroom liep voordat de stroom werd uitgeschakeld. Omdat in korte tijd het magnetisch veld om wordt gezet in een stroom, kan de spanning zeer hoog zijn. Denk hierbij aan een factor vijftig. Een BC517 darlington transistor is veel toegepast om relais te sturen. Een BC517 kan "maar" 30 Volt collector-emitter spanning verdragen. Bij sturen van een vijf Volt relais kan er al een piekspanning van 250 Volt ontstaan (5 * 50 = 250 V). Het mag duidelijk zijn dat 250 Volt veel te veel is voor een 30 Volt transistor. Het zal wellicht een paar keer goed gaan, maar op langere termijn zal de transistor zeker beschadigd raken en uiteindelijk kapot gaan.
|
|
test schakeling
|
Om voorgaande inzichtelijk te krijgen is de onderstaande test schakeling gebouwd. Er is een MPSA42 transistor gebruikt in plaats van een gebruikelijkere BC517 of BC547. Een MPSA42 kan namelijk 300 Volt collector-emitter spanning verdragen. Dus bij deze test wordt de transistor niet beschadigd.
De schakeling is betrekkelijk eenvoudig. Wanneer er een spanning op de basis van de transistor wordt geplaatst zal er een stroom van de basis naar de emitter lopen. Door deze stroom wordt er een stroom doorgelaten van de collector naar de emitter. Doordat er een stroom loopt van de collector naar de emitter zal er ook een stroom door het relais gaan lopen. Het relais wordt hierbij bekrachtigd. Bij het wegnemen van de spanning op de basis van de transistor valt de stoom van de basis naar de emitter en van de collector naar de emitter weg. Het relais schakelt nu uit. De 3K9 en 50 Ohm weerstand zijn geplaatst om de stroom door de basis te beperken. De weerstand van 20 Ohm is tussen de emitter en de massa geplaatst. Deze dient als shunt zodat er een spanning aan de emitter kan worden gemeten. Deze spanning representeert de stroom. In een "echte" praktische schakeling kan deze 20 Ohm weerstand dus weggelaten worden.
|
|
kanalen
|
Om het gedrag van de schakeling in beeld te brengen zijn er drie punten in het circuit gebruikt om aan te meten in de tijd door middel van een oscilloscoop. De meeptunten zijn aangeduid met de nummers 1, 2 en 3 dat in rondjes is geplaatst. Een beschrijving van de meetpunten staat hieronder uiteengezet.
kanaal 1
De eerste probe van de scoop wordt op de ingang van de transistor aangesloten. (Gele lijn.) Dit is voor deze test een puls van 200 ms van 5 VDC. Op dit signaal wordt "getriggerd" op de neergaande flank. Dat is het moment dat de hoge spanning wordt geďnduceerd.
kanaal 2
De tweede probe wordt aan de collector van de transistor aangesloten. (Blauwe lijn.) Als het relais nog niet bekrachtigd wordt, zal de voedingsspanning van vijf VDC zichtbaar zijn. Als het relais bekrachtigd is zal de spanning op dit meetpunt dalen omdat het (via een 20 Ohm weerstand) aan de massa wordt verbonden. Interessanter is natuurlijk wat er met deze spanning gebeurd als de transistor en relais worden uitgeschakeld.
kanaal 3
De derde probe is aangesloten op de emitter van de transistor. (Paarse lijn.) Als er een stroom door de weerstand loopt, zal er een kleine verhoging van de spanning zijn dat zichtbaar wordt. Met andere woorden, als er een spanning zichtbaar is op de scoop, loopt er een stroom.
|
|
resultaten
|
Er is een meting uitgevoerd en de resultaten zijn in beeld gebracht. De resultaten zijn hieronder weergegeven.
Bovenstaande meting is uitgevoerd zonder de snubber diode over de relais wikkeling. Op bovenstaande meting is het wegvallen van de spanning op de transistor ingang duidelijk zichbaar door het van 5 VDC dalen naar 0 VDC van de gele lijn. De transistor wordt hiermee "uitgezet". De stroom door de transistor neemt (getrapt) af zoals de blauwe lijn laat zien. Blijkbaar is er enige vertraging in de schakeling waardoor er voor korte tijd nog enige stroom loopt, maar dat is voor dit vraagstuk niet relevant. De piekspanning van de paarse lijn is wel relevant. De korte piek duurt ongeveer 75 microseconde en heeft een "lange staart" van waarin de spanning verder weg lekt. Houd er rekening mee sta de vertikale schaal 100 V per divisie is! Dus de spanningspiek is 524 V! Bij deze meting wordt er dus van 5 VDC meer dan 500 VDc gemaakt. (Dit is ook het verschijnsel waardoor de bobine van een benzone motor werkt, maar dat terzijde.) Het mag duidelijk zijn dat een spanningspiek van meer dan 500 VDC een transistor op kan blazen dat maar tot 30 VDC berekend is.
Bovenstaande meting is nog een keer uitgevoerd, maar dan mét de snubber diode aan de relais wikkeling. Het is duidelijk zichtbaar dat de spanningspiek nu zeer beperkt is. Deze meting is uitgevoerd bij gelijke schaalverdeling om het verschil goed zichtbaar te krijgen.
Bij het inzoomen op de tweede meting is de bovenstaande afbeelding verkregen. De schaal is nu 2,5 V per divisie in plaats van 100 V per divisie. De maximale spanning is nu volgens de meting 13,2 V. Het gevaar van opblazen van de hafgeleider is nu geweken. Bij schakelen met en zonder diode klinkt het relais ook anders. Met diode schakelt het relais duidelijk rustiger. Hiermee is aangetoond dat de toevoeging van een diode bij een relais dat door een transistor wordt geschakeld zeer belangrijk is. Dus als je met een microcontroller zoals een Arduino ene relais wilt schakelen via een transitor, altijd een snubber diode toepassen!
|
|