کنتاکتورها و رله ها از جمله تجهیزات مورد استفاده برای کلیدزنی و کنترل جریان در مدار الکتریکی هستند. مکانیزم عملکرد ین کلیدها برپایه یک سیم پیچ و ایجاد میدان الکترومغناطیسی بنا نهاده شده است. یکی از چالش هایی که در مورد استفاده از مدارات الکترومغناطیسی وجود دارد، مقابله با نیروی محرکه معکوس یا back EMF است. دیود هرزگرد کنتاکتور به منظور حفظ مدار از آسیب های نیرو محرکه معکوس مورد استفاده قرار می گیرد. در این مقاله به بررسی فرآیند ایجاد و نحوه غلبه بر این نیرو خواهیم پرداخت.
کنتاکتور چگونه کار می کند؟
عملکرد اصلی کنتاکتور، قطع و وصل جریان بار است. کنتاکتور این کار را با دریافت یک سیگنال فرمان انجام می دهد. با رسیدن سیگنال فرمان (فعالساز) به سیم پیچ، آهنربای الکتریکی تحریک می شود. آهنربای الکتریکی برانگیخته شده یک میدان مغناطیسی تولید می کند که هسته متحرک آرمیچر را به حرکت در می آورد. حرکت هسته سیم پیچ منجر به حرکت کنتاکت متحرک شده واین حرکت تا رسیدن به کنتاکت ثابت ادامه پیدا می کند.
با اتصال کنتاکت ها به یکدیگر مسیر جریان بسته شده و بار روشن می شود. با قطع شدن ولتاژ فرمان از دو سر بوبین، خاصیت آهنربایی سیم پیچ از بین رفته و کنتاکت متحرک با نیروی فنر به مکان اولیه خود بر می گردد. دیود هرزگرد کنتاکتور در زمان قطع شدن مسیر جریان وارد مدار شده و از مدار حفاظت می کند. لازم به ذکر است مادامی که بار روشن است، سیگنال فرمان سیم پیچ برقرار است.
جزئیات بیشتر در مورد ساختار داخلی و عملکرد کنتاکتور را می توانید در مقاله
“کنتاکتور چیست و چه کاربردهایی دارد؟“
ببینید.
القای الکترومغناطیسی و قانون لنز
بخش الکترومغناطیسی کنتاکتور با ایجاد آهنربای الکتریکی شرایط وصل کنتاکت ها را فراهم می کند. بنابراین کلیه قوانین حاکم بر مدارات الکترومغناطیسی، در مورد مکانیزم فرمان کنتاکتور صادق است. یکی از قوانینی مهم الکترومغناطیس، قانون لنز است که به اصل بقای انرژی می پردازد.
قانون لنز اظهار می دارد که: میدان مغناطیسیِ در حال کاهش، جریانی را در جهت معکوس به مدار القا می‌کند. در نتیجه، یک پتانسیل منفی روی سلف ایجاد می‌شود. این اتفاق نیروی ضد محرکه الکتریکی (Back EMF) یا ولتاژ بازگشتی (Flyback Voltage) نامیده می‌شود.”
بنابراین، هنگامی که جریان عبوری از سیم پیچ قطع یا کاهش می یابد، میدان مغناطیسی تغییر کرده و ولتاژی را در جهت مخالف جریان اصلی القا می کند.
پدیده EMF برگشتی زمانی در مدارهای القایی رخ می دهد، که جریان عبوری از یک سیم پیچ به طور ناگهانی قطع یا تغییر می کند. این پدیده در نتیجه فروپاشی میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان عبوری از سیم پیچ ایجاد می شود. دیود هرزگرد کنتاکتور برای مقابله با این پدیده مورد استفاده قرار می گیرد.
نیروی الکترومغناطیسی برگشتی واثر آن روی مدار
همانند خازن ها که در برابر تغییرات ولتاژ مدار مقاومت می کنند، سلف ها نیز با القای ولتاژی که متناسب با نرخ تغییر جریان است با تغییرات جریان عبوری از آنها مخالفت می کنند. باز شدن کلید در مدار شکل زیر باعث فروپاشی میدان مغناطیسی در سلف می شود.
از سوی دیگر تغییرات میدان مغناطیسی سبب تغییر جریان سلف می شود و بنابراین یک ولتاژ اقایی در دو سر سلف ایجاد می شود. ولتاژ القا شده در سلف طبق رابطه زیر محاسبه می شود:
براساس این رابطه در صورت صفر شدن جریان سلف، تغییرات جریان نسبت به زمان به سمت بینهایت میل می کند و ولتاژ سلف به شدت افزایش پیدا می کند. این ولتاژ به ولتاژ فلایبک مشهور است. در اینجا لازم است به یک نکته مهم توجه کنید، طبق قانون لنز پلاریته ولتاژ القا شده در سلف در زمان قطع جریان، عکس پلاریته منبع ولتاژ است.
از لحظه ای که مدار باز می شود، سلف شکاف کلید باز را به عنوان یک مقاومت بسیار بزرگ (~MΩ) می بیند و تلاش می کند انرژی خود را از طریق این مقاومت تخلیه کند.
با در نظر گرفتن قانون اهم، ضرب کردن کوچکترین جریان در مقاومت بزرگ مدار باز منجر به ایجاد ولتاژ بسیار بزرگی می شود. سلف تلاش می کند تا تغییرات جریان را مطابق با منحنی مشخصه خود به مدار تحمیل کند.
همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، در مجموع حدود 5 ثابت زمانی طول می کشد تا جریان به طور کامل پس از باز شدن سوئیچ متوقف شود. ثابت زمانی به شرایط مدار وابسته است و از رابطه زیر محاسبه می شود که در آن L اندازه سلف بر حسب هانری و R مقاومت مدار بر حسب اهم است.
اثر EMF معکوس روی مدار
نیرو الکترومغناطیسی معکوس ایجاد شده در اثر تغییر وضعیت مدار، یک ولتاژ بزرگ با پلاریته معکوس در دو سر سیم پیچ القا می کند. این ولتاژ القایی سبب ذخیره شدن انرژی یا به عبارتی شارژ شدن سلف می شود. با توجه به روابط الکترومغناطیسی حاکم بر مدار، سیم پیچ تلاش می کند انرژی ذخیره شده را تخلیه کند. از آنجا که در دو سر مدار مقاومت الکتریکی وجود ندارد عملا شاهد یک اتصال باز هستیم، انرژی سلف به صورت یک جرقه بزرگ تخلیه می شود. این پدیده به سرج موسوم است.
در صورت وقوع چنین حالتی، تمام انرژی قوس معمولاً به شکل گرما در تیغه های سوئیچ تخلیه می شود. این وضعیت می تواند به تیغه ها آسیب برساند یا طول عمر آن ها را به شدت کاهش دهد. وقوع سرج برای تجهیزاتی مانند کلیدهای الکترومکانیکی (کنتاکتورها) یا قطعات نیمه هادی مانند ترانزیستورها آسیب های جدی به همراه دارد. به زبان ساده، ولتاژ فلایبک می تواند باعث ایجاد نویز الکتریکی و آسیب به سایر اجزای مدار شود.
برای غلبه بر اثرات ناشی از ولتاژ معکوس القا شده در سیم پیچ کنتاکتور، راهکارهای مختلفی ارائه شده است. در مقاله ” سرج پروتکتور کنتاکتور ” به معرفی روش های مختلف کنترل این ولتاژ پرداخته شده است. استفاده از دیود هرزگرد کنتاکتور یکی از روش های تعدیل اثرات منفی ولتاژ فلایبک است.
دیود هرزگرد کنتاکتور
برای محافظت از مدار در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ، از یک دیود در مدار استفاده می شود. دیود هرزگرد کنتاکتور که به دیود فلای بک نیز معروف است، به صورت موازی با سیم پیچ و با پلاریته عکس منبع ولتاژ نصب می شود. هنگامی که منبع تغذیه وصل می شود، دیود در بایاس معکوس خواهد بود و حکم مدار باز را دارد.
هنگامی که منبع تغذیه قطع می شود، قطبیت ولتاژ سلف معکوس می شود و یک حلقه جریان بین سلف و دیود تشکیل می شود. در این حالت دیود در بایاس مستقیم است و قادر است ولتاژ را از خود عبور دهد. به دلیل مقاومت کم دیود در این حالت، مسیر جریان از طریق دیود بسته شده و از ایجاد ولتاژ برگشتی جلوگیری می کند.
چه زمانی از دیود هرزگرد استفاده کنیم؟
اگر به عنوان مقاله دقت کرده باشید، استفاده از دیود هرزگرد ضروری است اما نه در همه مدارات! تغییر پلاریته در مدار AC بی معناست. چرا که پلاریته ولتاژ و جریان متناسب با فرکانس چندین بار در دقیقه تغییر می کند. بنابراین تولید ولتاژی با پلاریته عکس ولتاژ منبع، صرفا در مدار DC مفهوم پیدا می کند. بنابراین کنتاکتورهایی که ولتاژ فرمان DC دارند ممکن است به دیود هرزگرد نیاز داشته باشند.
نکته مهم دیگر اینکه برخی از کنتاکتورها از دیود هرزگرد داخلی بهره می برند و نیازی به افزودن دیود هرزگرد ندارند. به عنوان مثال برخی از انواع کنتاکتور زیمنس از این دسته اند. بهتر است قبل از استفاده از این کنتاکتورها، کاتالوگ آن ها را بررسی کنید.
جمع بندی
فرآیند قطع جریان توسط کنتاکتور، می تواند به نیمه هادی ها و سایر دستگاه های متصل به مدار آسیب برساند. این آسیب از القای ولتاژ معکوس توسط سیم پیچ کنتاکتور به مدار ناشی می شود. استفاده از دیود هرزگرد کنتاکتور، مدار را در برابر این آسیب ایمن می کند. انتخاب دیود فلای بک مناسب باعث افزایش طول عمر سیستم و بهبود قابلیت اطمینان کلی آن می شود. لازم به ذکر است دیود هرزگرد برای برخی از کنتاکتورهایی که ولتاژ فرمان DC دارند مورد استفاده قرار می گیرد.