Применение варисторов в микродвигателях постоянного тока

Варистор — это нелинейный защитный компонент, ограничивающий напряжение, предназначенный для поглощения скачков перенапряжения в цепи и защиты точных последующих электронных компонентов. Широко применяемый в коллекторных микродвигателях, он эффективно решает распространенные проблемы эксплуатации двигателей, такие как скачки напряжения коммутации, электромагнитные помехи и износ щеток.

В этой статье систематически знакомится принцип работы варисторов, анализируются их основные защитные функции. микро мотор эксплуатации и предоставляет стандартизированные и практические рекомендации по выбору компонентов. Он служит профессиональным техническим справочником для инженеров аппаратного обеспечения, разработчиков дизайна и специалистов по закупкам.

Принцип работы варисторов

Резистор, зависящий от напряжения (варистор), очень чувствителен к изменению напряжения. Его сопротивление остается на уровне мегаом при нормальных условиях эксплуатации при низком напряжении и мгновенно резко падает до уровня миллиом при возникновении скачков перенапряжения, образуя путь с низким импедансом для быстрого разряда импульсного тока и реализации защиты от ограничения напряжения.

1.1 Три характерные рабочие зоны

Рабочее состояние варистора можно разделить на три отдельные области в зависимости от приложенного напряжения:

1) Область утечки

Когда приложенное напряжение находится в пределах нормального рабочего диапазона схемы, варистор оказывает чрезвычайно высокое сопротивление при прохождении лишь незначительного тока утечки. Это не влияет на нормальную работу схемы и остается в долговременном режиме защиты.

2) Область нелинейного зажима

При появлении в схеме переходных скачков или скачков напряжения варистор входит в нелинейную рабочую область. Ток резко возрастает, в то время как напряжение на клеммах стабильно фиксируется в безопасном узком диапазоне. Это основная рабочая область варистора, поглощающая скачки напряжения и подавляющая выбросы, и он выполняет основную работу по защите в цепях микродвигателей.

3) Область насыщения

Если перенапряжение продолжает выходить за пределы диапазона подшипников, варистор входит в область насыщения и ведет себя как низкоомный линейный компонент, что приводит к резкому увеличению тока контура. Длительная эксплуатация в этом регионе приведет к перегреву компонентов, перегоранию и даже растрескиванию керамики. Поэтому работа в области насыщения в практических приложениях строго запрещена.

1.2 Механизм проводимости материала

Обычные металлооксидные варисторы представляют собой спеченную поликристаллическую полупроводниковую керамику, в основном изготовленную из оксида цинка (ZnO) с небольшим количеством вспомогательных добавок оксидов металлов, таких как оксид висмута и оксид кобальта.

Каждое зерно оксида цинка покрыто зернограничным слоем с высоким сопротивлением. При номинальном рабочем напряжении граница зерна блокирует проводимость тока, обеспечивая нормальную работу схемы. Когда напряжение превышает пороговое значение, на границе зерна возникают эффекты стабилитронского пробоя и туннелирования, сопротивление компонента резко падает и образуется высокоскоростной канал разряда, мгновенно высвобождающий импульсную энергию.

Основные функции варисторов в микродвигателях

Большинство основных микродвигателей представляют собой коллекторные двигатели постоянного тока. Во время работы угольные щетки и коммутаторы непрерывно переключают направление тока обмоток якоря. Поскольку обмотка якоря имеет индуктивные характеристики, при включении она будет накапливать магнитную энергию. Мгновенное переключение тока во время коммутации высвобождает огромную магнитную энергию, образуя высоковольтные переходные всплески, а именно обратную электродвижущую силу (обратную ЭДС).

Без эффективной защиты скачки коммутации вызовут три основные проблемы:

1) Ускоренный износ двигателя

Скачки высокого напряжения вызывают коммутационные искры, вызывающие высокотемпературную эрозию сегментов коллектора и угольных щеток, усиливая механический износ и значительно сокращая общий срок службы микродвигателей.

2) Сильные электромагнитные помехи

Коммутационные искры излучают непрерывный электромагнитный шум, мешая нормальной работе окружающих прецизионных устройств, таких как датчики, модули Bluetooth и микросхемы управления, что приводит к несоответствию продукта ЭМС.

3) Повреждение компонентов цепи

Неподавленные пики перенапряжения будут передаваться на плату управления, легко выводя из строя микросхемы привода, конденсаторы и другие прецизионные компоненты, увеличивая частоту отказов продукта и стоимость послепродажного обслуживания.

При параллельном подключении варистора к клеммам микродвигателя компонент мгновенно войдет в область нелинейного ограничения при возникновении скачков напряжения коммутации. Он обеспечивает путь импульсного разряда с низким импедансом для ограничения перенапряжения в безопасном диапазоне, реализуя три эффекта защиты ядра:

1. Эффективно подавляет коммутационные искры и снижает износ коллекторов и угольных щеток;
2. Значительно снизить помехи электромагнитного излучения для соответствия промышленным стандартам сертификации EMI;
3. Поглощайте импульсную энергию переходных процессов для защиты прецизионных компонентов внутренней схемы.

Профессиональное руководство по выбору варисторов для микродвигателей

При выборе варисторов для микродвигателей основное внимание уделяется двум основным параметрам: напряжению варистора (В₁мА) и допустимому импульсному току.

Ключевой параметр 1: Напряжение варистора (В₁мА)

Напряжение варистора (В₁мА), также известное как пороговое напряжение пробоя, относится к напряжению на компоненте, когда через варистор проходит постоянный ток силой 1 мА. Это наиболее критичный параметр, влияющий на точность защиты и срок службы.

Формула выбора микродвигателя постоянного тока

В₁мА = (1,8 ~ 2,2) × номинальное напряжение питания постоянного тока двигателя (Вп)

Два основных ограничения выбора

1. Напряжение варистора должно быть выше максимального непрерывного рабочего напряжения системы во избежание ложного срабатывания и ненормального нагрева;
2. Напряжение варистора должно быть ниже максимального выдерживаемого напряжения защищаемых компонентов, чтобы обеспечить эффективное зажимание до того, как произойдет повреждение цепи.

Пример практического применения

Для микродвигателя постоянного тока с номинальным напряжением 12 В:

Минимальное значение выбора: 12 В × 1,8 = 21,6 В.

Максимальное значение выбора: 12 В × 2,2 = 26,4 В.

Рекомендуемые основные характеристики: варисторы 24 В/26 В.

Ключевой параметр 2: Допустимый импульсный ток

Под импульсным током понимается максимальный пиковый импульсный ток, который варистор может выдержать в стандартных условиях испытаний (температура окружающей среды 25 ℃, заданная форма импульсного сигнала и время воздействия), при этом изменение напряжения варистора контролируется в пределах ± 10%.

Принципы отбора

1. Более высокий номинальный импульсный ток обеспечивает более сильную защиту от помех и более стабильную защиту;
2. Фактический импульсный ток, генерируемый двигателем, должен быть ниже номинального максимального импульсного тока компонента, чтобы обеспечить длительную надежную работу;
3. Для сценариев, в которых импульсный ток невозможно точно рассчитать, выберите характеристики, основанные на мощности двигателя, частоте пуска и остановки и фактических условиях нагрузки.

Заключение

Являясь недорогим, высоконадежным и высокоэффективным компонентом защиты по напряжению, варисторы играют незаменимую роль в системах щеточных микродвигателей. Поглощая обратную ЭДС, возникающую во время коммутации двигателя, они эффективно подавляют искровой износ, уменьшают электромагнитные помехи, защищают прецизионные компоненты схемы и значительно улучшают общую стабильность и срок службы микромоторного оборудования.

Разумный выбор параметров является ключом к обеспечению полной эффективности работы варисторной защиты. Если у вас есть требования к двигателю постоянного тока, свяжитесь с нами для получения поддержки индивидуального решения.