Czy w swoich projektach dotychczasowo unikałeś stosowania wielokanałowych sterowników cewek przekaźników pracujących w układzie Darlingtona z powodu zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) jakie mogą one generować? Problem powstawania interferencji tego typu można rozwiązać poprzez zwiększenie czasu narastania i opadania impulsów prądowych, tak aby ścieżki na płytce drukowanej nie zachowywały się jak linie transmisyjne, generujące EMI. Redukując prędkość narastania napięcia (ang. slew rate - przyp. tłum.) na wyjściu z sterownika możemy osiągnąć właśnie zwiększenie czasu narastania i opadania sygnału. Prędkość narastania napięcia na wyjściu sterownika może zostać zredukowana poprzez dodanie prostego filtra RC na jego wyjściu, który składa się z opornika (Rin) oraz kondensatora (Cint) tworzących układ całkujący. I już, problem zasadniczo rozwiązany. Tak wygląda typowy rezultat takiego zabiegu w układzie:
Krok pierwszy Ocena prądu kondensatora na podstawie punktu pracy sterownika.
Napięcie wejściowe (Vop) oraz prąd wejściowy (Iop) w opisywanym układzie są niemalże stałe podczas narastania sygnału wyjściowego. Z praktycznego punktu widzenia wartości rezystancji wejściowej (Rin) i prądu Iop będą znacznie mniejsze niż prąd płynący przez opornik (Iin). Zatem można założyć iż prąd kondensatora (Ic) jest, w przybliżeniu, taki sam jak prąd wejściowy sterownika.
Krok drugi Szacowanie czasu narastania i opadania sygnału na wyjściu układu
Prędkość narastania napięcia (czyli w momencie gdy podany zostanie stan logiczny niski) wynosi (Vop-Vin)/(Rin*Cint) i wyrażona jest w V/s. Z kolei prędkość opadania napięcia (czyli gdy podany zostanie stan wysoki) wynosi (Vin-Vop)/(Rin*Cint) i jest także wyrażona w V/s. Podzielmy to przez 10^6 tak aby uzyskać najczęściej używane jednostki, jakimi są wolty na mikrosekundę (V/µs). Parametry Iop oraz Vop silnie zależą od obciążenia sterownika i jego temperatury. Różnią się one także mocno pomiędzy poszczególnymi układami. W związku z ich niestabilnym charakterem kontrola prędkości narastania i opadania jest niezła w sensie jakościowym, jednakże zupełnie nieprecyzyjna.
W naszym eksperymencie przyjmujemy Rin = 402 Ω, cewka zastosowanego przekaźnika zasilania jest napięciem 12 V i pobiera 122 mA. Vop = 1,7V, Iop = 90 µA, natomiast jako Cint stosujemy jeden z wymienionych kondensatorów: 0,1 nF, 1 nF, 10 nF lub 100 nF. Stan wysoki i niski determinowane są następującymi poziomami napięcia: VIH = 3,2V, VIL=0,1V. W takim układzie otrzymujemy następujące parametry:
Krok trzeci Sprawdź rezultaty analizując przebiegi napięcia.
Jeśli w powyższym przypadku zwiększymy Rin do 1 kΩ lub też dodamy 40 pF pojemności pasożytniczej do wejścia sterownika przekaźników pojawiają się oscylacje o częstotliwości pomiędzy 30 a 40 MHz podczas narastania napięcia. Z uwagi na to zachowanie elementy Rin oraz Cint muszą znajdować się bardzo blisko pinu sterującego pracą drivera cewki przekaźników tak aby zmniejszyć pojemności ścieżek. Ponadto Rin nie powinien wynosić więcej niż 402 Ω. W innym przypadku przebieg wyglądać będzie następująco:
Krok czwarty Oceń straty podczas przełączania napięcia
Zwiększone straty wynikające z przełączania napięcia wyjściowego wiążą się z zwiększeniem czasu narastania i opadania sygnału. To o ile zwiększą się straty ocenić można na podstawie prądu cewki, jej napięcia zasilania oraz zmodyfikowanej prędkości narastania napięcia. Dodatkowo załóżmy ilość cykli pracy przekaźnika jako jeden na sekundę (w rzeczywistości zazwyczaj liczba ta jest znacznie mniejsza. Zatem wyznaczyć możemy zużycie prądu jako:
W przypadku dodania układu całkującego złożonego z opornika 402 Ω oraz kondensatora o pojemności 10 nF otrzymujemy prędkość narastania wynoszącą 0,38 V/µs. Przy założonych powyżej parametrach cewki przekaźnika (V = 12 V, I = 122 mA) i jednym przełączeniu na sekundę wyliczyć możemy iż zużycie mocy przez badany układ wzrośnie o zaledwie 23 µW.
W przypadku jeśli stosujemy przebieg PWM (na przykład w celu zmniejszenia prądu płynącego przez cewkę w czasie podtrzymywania przełączonego stanu przekaźnika) zwiększone zużycie mocy na kanał wyniesie:
Dla przekaźnika z cewką zasilaną napięciem 12 V, pobierającą 70 mA i zastosowaniu układu całkującego złożonego z opornika 402 Ω i kondensatora 0,1 nF zużycie mocy wzrośnie o 17 mW (przy założeniu że Pslew = 26V/uS, Nslew = 33V/uS, a częstotliwość PWMa F = 25kHz)
Zatem, podsumowując - można relatywnie łatwo zmniejszyć generację zakłóceń EMI przez sterowniki uzwojeń przekaźników poprzez dodanie dwóch elementów pasywnych, formujących układ całkujący. Wszystko to odbywa się jedynie kosztem niewielkiego zwiększenia mocy pobieranej przez taki układ.
Źródła:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...-designing-with-darlington-relay-drivers.aspx
Krok pierwszy Ocena prądu kondensatora na podstawie punktu pracy sterownika.
Napięcie wejściowe (Vop) oraz prąd wejściowy (Iop) w opisywanym układzie są niemalże stałe podczas narastania sygnału wyjściowego. Z praktycznego punktu widzenia wartości rezystancji wejściowej (Rin) i prądu Iop będą znacznie mniejsze niż prąd płynący przez opornik (Iin). Zatem można założyć iż prąd kondensatora (Ic) jest, w przybliżeniu, taki sam jak prąd wejściowy sterownika.
Krok drugi Szacowanie czasu narastania i opadania sygnału na wyjściu układu
Prędkość narastania napięcia (czyli w momencie gdy podany zostanie stan logiczny niski) wynosi (Vop-Vin)/(Rin*Cint) i wyrażona jest w V/s. Z kolei prędkość opadania napięcia (czyli gdy podany zostanie stan wysoki) wynosi (Vin-Vop)/(Rin*Cint) i jest także wyrażona w V/s. Podzielmy to przez 10^6 tak aby uzyskać najczęściej używane jednostki, jakimi są wolty na mikrosekundę (V/µs). Parametry Iop oraz Vop silnie zależą od obciążenia sterownika i jego temperatury. Różnią się one także mocno pomiędzy poszczególnymi układami. W związku z ich niestabilnym charakterem kontrola prędkości narastania i opadania jest niezła w sensie jakościowym, jednakże zupełnie nieprecyzyjna.
W naszym eksperymencie przyjmujemy Rin = 402 Ω, cewka zastosowanego przekaźnika zasilania jest napięciem 12 V i pobiera 122 mA. Vop = 1,7V, Iop = 90 µA, natomiast jako Cint stosujemy jeden z wymienionych kondensatorów: 0,1 nF, 1 nF, 10 nF lub 100 nF. Stan wysoki i niski determinowane są następującymi poziomami napięcia: VIH = 3,2V, VIL=0,1V. W takim układzie otrzymujemy następujące parametry:
| Pojemność Cin | Czas narastania | Czas opadania |
| 0 nF | 170 V/µs | 900 V/µs |
| 0,1 nF | 25,9 V/µs | 33,4 V/µs |
| 1 nF | 3,82 V/µs | 3,71 V/µs |
| 10 nF | 0.376 V/µs | 0.379 V/µs |
| 100 nF | 0.031 V/µs | 0.030 V/µs |
Krok trzeci Sprawdź rezultaty analizując przebiegi napięcia.
Jeśli w powyższym przypadku zwiększymy Rin do 1 kΩ lub też dodamy 40 pF pojemności pasożytniczej do wejścia sterownika przekaźników pojawiają się oscylacje o częstotliwości pomiędzy 30 a 40 MHz podczas narastania napięcia. Z uwagi na to zachowanie elementy Rin oraz Cint muszą znajdować się bardzo blisko pinu sterującego pracą drivera cewki przekaźników tak aby zmniejszyć pojemności ścieżek. Ponadto Rin nie powinien wynosić więcej niż 402 Ω. W innym przypadku przebieg wyglądać będzie następująco:
Krok czwarty Oceń straty podczas przełączania napięcia
Zwiększone straty wynikające z przełączania napięcia wyjściowego wiążą się z zwiększeniem czasu narastania i opadania sygnału. To o ile zwiększą się straty ocenić można na podstawie prądu cewki, jej napięcia zasilania oraz zmodyfikowanej prędkości narastania napięcia. Dodatkowo załóżmy ilość cykli pracy przekaźnika jako jeden na sekundę (w rzeczywistości zazwyczaj liczba ta jest znacznie mniejsza. Zatem wyznaczyć możemy zużycie prądu jako:
P = ½ * F * V2 * I / Pslew
W przypadku dodania układu całkującego złożonego z opornika 402 Ω oraz kondensatora o pojemności 10 nF otrzymujemy prędkość narastania wynoszącą 0,38 V/µs. Przy założonych powyżej parametrach cewki przekaźnika (V = 12 V, I = 122 mA) i jednym przełączeniu na sekundę wyliczyć możemy iż zużycie mocy przez badany układ wzrośnie o zaledwie 23 µW.
W przypadku jeśli stosujemy przebieg PWM (na przykład w celu zmniejszenia prądu płynącego przez cewkę w czasie podtrzymywania przełączonego stanu przekaźnika) zwiększone zużycie mocy na kanał wyniesie:
P = ½ * F * V2 * I * (1/Pslew + 1/Nslew)
Dla przekaźnika z cewką zasilaną napięciem 12 V, pobierającą 70 mA i zastosowaniu układu całkującego złożonego z opornika 402 Ω i kondensatora 0,1 nF zużycie mocy wzrośnie o 17 mW (przy założeniu że Pslew = 26V/uS, Nslew = 33V/uS, a częstotliwość PWMa F = 25kHz)
Zatem, podsumowując - można relatywnie łatwo zmniejszyć generację zakłóceń EMI przez sterowniki uzwojeń przekaźników poprzez dodanie dwóch elementów pasywnych, formujących układ całkujący. Wszystko to odbywa się jedynie kosztem niewielkiego zwiększenia mocy pobieranej przez taki układ.
Źródła:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...-designing-with-darlington-relay-drivers.aspx
Fajne? Ranking DIY
