วิศวกรไฟฟ้าทุ่มเทความพยายามอย่างมากให้กับพลังงานที่สะสมอยู่ในตัวเหนี่ยวนำ เส้นทางการไหลอิสระ พิกัดการเกิดการถล่ม ตัวลดแรงดันกระชาก และตัวจำกัดแรงดัน เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในการออกแบบสวิตช์ใดๆ ก็ตาม เนื่องจากแรงดันที่เกิดจากการยุบตัวของสนามแม่เหล็กจะทำลายสารกึ่งตัวนำที่ไม่ได้รับการป้องกัน

พลังงานจำนวนเท่ากันจะไปถึงสวิตช์เชิงกลเมื่อใช้สวิตช์นั้นในการต่อและตัดโหลดแบบเหนี่ยวนำ และมันจะสร้างความเสียหายในลักษณะที่มองข้ามได้ง่าย สวิตช์ขนาดเล็กหรือหน้าสัมผัสรีเลย์ที่มีพิกัดกระแส 6 A 250 V AC นั้นมีค่าความต้านทาน หากนำไปต่ออนุกรมกับมอเตอร์ โซลินอยด์ หม้อแปลง หรือขดลวดคอนแทคเตอร์ อายุการใช้งานของมันอาจลดลงอย่างมาก

คำใบ้ก็อยู่ในเอกสารข้อมูลจำเพาะแล้ว สวิตช์ขนาดเล็กทั่วไปในระดับนี้ มีอายุการใช้งานทางกลประมาณ 100,000 ครั้ง แต่มีอายุการใช้งานทางไฟฟ้าเพียงประมาณ 10,000 ครั้งเท่านั้น เมื่อใช้งานเต็มกำลังที่ 6 A 250 V AC กลไกไม่ได้สึกหรอเร็วกว่าปกติสิบเท่า แต่หน้าสัมผัสถูกกัดกร่อนด้วยประกายไฟ และประกายไฟนั้นเกิดจากพลังงานสะสมของโหลดเอง

แรงดันฟลายแบ็กและอาร์ค

เมื่อหน้าสัมผัสแยกออกจากกันและขัดจังหวะกระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงตามสมการ V = L di/dt การแยกหน้าสัมผัสทำให้ di/dt มีค่ามากในเวลาอันสั้นมาก ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าคร่อมช่องว่างที่เปิดออกจึงสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายมาก ซึ่งมักจะสูงกว่าหลายเท่า

ช่องว่างระหว่างหน้าสัมผัสที่แยกออกจากกันนั้นเล็กมาก และความแข็งแรงในการทนต่อแรงดันไฟฟ้าก็ต่ำในขณะที่ช่องว่างนั้นเล็ก ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นจึงเกินขีดจำกัดอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนในอากาศ และเกิดประกายไฟขึ้น กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านประกายไฟนั้นอย่างต่อเนื่องในขณะที่หน้าสัมผัสเคลื่อนออกจากกัน จนกว่าพลังงานที่สะสมไว้จะหมดไป หรือช่องว่างจะขยายใหญ่ขึ้นจนสามารถดับประกายไฟได้

ประกายไฟจะไม่คงอยู่ได้ที่แรงดันไฟฟ้าใดๆ มันต้องการแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าขั้นต่ำ ซึ่งทั้งสองอย่างถูกกำหนดโดยโลหะที่สัมผัสกัน สำหรับเงิน ค่าโดยประมาณคือ 12 โวลต์และไม่กี่ร้อยมิลลิแอมป์ ต่ำกว่าค่าเหล่านี้ ประกายไฟจะไม่สามารถคงอยู่ได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสวิตช์ระดับลอจิกที่ต่อและตัดกระแสเพียงไม่กี่มิลลิแอมป์จึงไม่เกิดประกายไฟ และทำไมการกัดกร่อนจากประกายไฟจึงเป็นปัญหาของโหลดจริงมากกว่าสัญญาณ

เหนือสิ่งอื่นใด แหล่งจ่ายไฟจะเป็นตัวกำหนดว่าประกายไฟจะกัดกร่อนรุนแรงแค่ไหน ในกระแสสลับ (AC) กระแสจะผ่านจุดศูนย์สองครั้งต่อรอบ และประกายไฟมีโอกาสดับลงเองตามธรรมชาติที่จุดศูนย์แต่ละครั้ง ดังนั้นโหลดเหนี่ยวนำกระแสสลับจึงมีความยืดหยุ่นมากกว่า ในกระแสตรง (DC) ไม่มีจุดศูนย์ ประกายไฟจะดับได้ก็ต่อเมื่อยืดและระบายความร้อนออกไปขณะที่ช่องว่างเปิดออก ดังนั้นโหลดเหนี่ยวนำกระแสตรงจึงเกิดประกายไฟนานกว่า ส่งพลังงานไปยังหน้าสัมผัสมากกว่า และทำให้หน้าสัมผัสสึกหรอมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด

เส้นโค้งกัดกร่อนจุดสัมผัสได้อย่างไร

การสึกกร่อนเริ่มต้นก่อนที่ประกายไฟจะเกิดขึ้น เมื่อหน้าสัมผัสแยกออกจากกัน กระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าไปในจุดสัมผัสสุดท้ายที่กำลังหดตัว ซึ่งจะร้อนขึ้น หลอมละลาย และดึงโลหะออกมาเป็นสะพานโลหะหลอมเหลวบางๆ ที่จะแตกออกเมื่อหน้าสัมผัสแยกออกจากกัน สะพานโลหะหลอมเหลวนั้นเพียงอย่างเดียวก็ถ่ายโอนโลหะไปเล็กน้อยในทุกๆ การทำงาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการถ่ายโอนวัสดุจึงเกิดขึ้นแม้ในการสวิตช์กระแสตรงแรงดันต่ำที่ต่ำกว่าเกณฑ์การเกิดประกายไฟ เมื่อสูงกว่าเกณฑ์ดังกล่าว ประกายไฟจะเพิ่มความเสียหายเข้าไปอีก

ประกายไฟจากอาร์คคือพลาสมาที่มีอุณหภูมิหลายพันองศา และที่จุดกำเนิดของมัน มันจะหลอมละลายและระเหยโลหะที่สัมผัสกัน ทำให้พื้นผิวสูญเสียวัสดุและหน้าสัมผัสค่อยๆ สึกกร่อนไป ในกรณีของกระแสตรง การถ่ายโอนกระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในทิศทางที่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดส่วนที่ยื่นออกมาบนด้านหนึ่งและหลุมที่ตรงกันบนอีกด้านหนึ่ง หลุมและโพรงเหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกันหรือยึดติดกันและทำให้หน้าสัมผัสปิดสนิทได้ในที่สุด ความร้อนจากอาร์คยังทำให้เกิดการออกซิเดชันและการปนเปื้อนบนพื้นผิว ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานของหน้าสัมผัสและทำให้ความร้อนเฉพาะจุดสูงขึ้นไปอีก

อายุการใช้งานของหน้าสัมผัสสิ้นสุดลงด้วยสาเหตุหลายประการรวมกัน เช่น ความต้านทานสูงเกินข้อกำหนด การเชื่อมต่อที่ไม่ต่อเนื่อง หรือรอยเชื่อมที่ไม่สามารถถอดออกได้ นี่คือเหตุผลที่พิกัดทางไฟฟ้าต่ำกว่าพิกัดทางกลมาก ภายใต้ภาระ การเกิดประกายไฟจะเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานมากกว่าความล้าทางกล

ข้อมูลการติดต่อ

วัสดุที่ใช้ทำหน้าสัมผัสเป็นด่านป้องกันแรกที่ถูกเลือกก่อนการป้องกันภายนอกใดๆ เงินบริสุทธิ์มีความต้านทานต่ำที่สุด แต่จะสึกกร่อนและเชื่อมติดได้ง่ายภายใต้การเกิดประกายไฟ โลหะผสมเงินและวัสดุออกไซด์ของเงิน เช่น เงินนิกเกิลหรือเงินดีบุกออกไซด์ จะยอมเสียการนำไฟฟ้าไปบ้างเพื่อแลกกับความต้านทานต่อการถ่ายโอนวัสดุและการเชื่อมติดที่ดีขึ้นมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมหน้าสัมผัสที่ใช้กับโหลดจริงจึงมักทำจากวัสดุเหล่านี้มากกว่าเงินบริสุทธิ์

ไมโครสวิตช์ที่กล่าวถึงในที่นี้ใช้หน้าสัมผัสโลหะผสมเงินด้วยเหตุผลนี้ วัสดุเป็นตัวกำหนดพื้นฐาน แต่เพียงอย่างเดียวไม่สามารถขจัดประกายไฟได้ ดังนั้น การออกแบบจึงต้องสามารถรับมือกับพลังงานได้

มอบเส้นทางใหม่ให้แก่พลังงาน

การป้องกันหน้าสัมผัสที่สวิตช์โหลดแบบเหนี่ยวนำ หมายถึง การให้พลังงานสะสมของตัวเหนี่ยวนำ ½LI² มีเส้นทางอื่นที่ไม่ใช่ประกายไฟ หรือการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าในช่องว่างให้ต่ำกว่าระดับที่ทำให้เกิดประกายไฟ

เครือข่ายสามประเภทครอบคลุมกรณีส่วนใหญ่ และเป็นเครื่องมือเดียวกันกับที่ใช้ในการปกป้องเซมิคอนดักเตอร์

วงจรสนับเบอร์ RC ที่ต่อคร่อมหน้าสัมผัสหรือคร่อมโหลด จะช่วยชะลออัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในช่องว่างที่เปิดอยู่ ตัวเก็บประจุจะดูดซับพลังงานและจำกัด dV/dt เพื่อให้ช่องว่างสามารถขยายออกไปเกินระยะการเกิดประกายไฟก่อนที่แรงดันไฟฟ้าจะทำให้ช่องว่างนั้นขาด ขณะที่ตัวต้านทานอนุกรมจะจำกัดกระแสการคายประจุของตัวเก็บประจุเมื่อหน้าสัมผัสปิดลงอีกครั้ง

โดยหลักการแล้ว ตัวเก็บประจุจะมีค่าความต้านทานเพียงเศษเสี้ยวของไมโครฟารัดต่อแอมป์ของกระแสที่ถูกตัด และตัวต้านทานจะมีค่าความต้านทานประมาณหนึ่งโอห์มต่อโวลต์ของแหล่งจ่ายไฟ โดยเลือกค่าตัวต้านทานให้เหมาะสมที่สุดเพื่อให้การเชื่อมต่อและการคายประจุอยู่ภายในพิกัดของสวิตช์ ตัวลดแรงดันกระชาก (snubber) เหมาะสำหรับทั้งกระแสสลับและกระแสตรง

ไดโอดแบบฟรีวีลลิ่งที่ต่อคร่อมโหลดเหนี่ยวนำกระแสตรง จะช่วยให้กระแสไหลเวียนและลดลงหลังจากสวิตช์เปิด ทำให้แรงดันไฟคงที่อยู่ที่ประมาณแรงดันตกคร่อมของไดโอดเหนือแรงดันไฟเลี้ยง นี่คือวิธีการป้องกันที่ง่ายและมีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับขดลวดกระแสตรง เช่น รีเลย์และโซลินอยด์ ไม่สามารถใช้กับกระแสสลับได้ เนื่องจากจะนำกระแสทุกครึ่งรอบ

กระแสในขดลวดจะลดลงตามค่าคงที่เวลา L/R ของวงจร และเนื่องจากไดโอดธรรมดาแทบไม่มีความต้านทานเพิ่มเข้ามา การลดลงของกระแสและดังนั้นการคลายตัวของขดลวดจึงช้า การใช้ซีเนอร์ไดโอดหรือตัวต้านทานแบบอนุกรมจะเพิ่มความต้านทานที่มีประสิทธิภาพและทำให้การคลายตัวเร็วขึ้น แต่ต้องแลกมาด้วยแรงดันหนีบที่สูงขึ้น

อุปกรณ์จำกัดแรงดันไฟฟ้า เช่น วาริสเตอร์โลหะออกไซด์ หรือไดโอดป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ เมื่อต่อคร่อมหน้าสัมผัสหรือโหลด จะนำกระแสไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าระดับที่กำหนด และควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระชากให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย วาริสเตอร์เป็นแบบสองทิศทางและเหมาะสำหรับกระแสสลับ แต่จะดูดซับพลังงานทุกครั้งที่ใช้งานและเสื่อมสภาพลงตามอายุการใช้งาน ดังนั้นจึงต้องกำหนดพิกัดของวาริสเตอร์ให้เหมาะสมกับปริมาณการใช้งานสะสม

เลือกตามประเภทการโหลด

วงจรจะทำงานตามโหลด สำหรับโหลดเหนี่ยวนำกระแสสลับ มักจะใช้ตัวลดแรงดันกระชาก RC หรือวาริสเตอร์ต่อคร่อมโหลด สำหรับขดลวดกระแสตรง โดยทั่วไปจะใช้ไดโอดแบบฟรีวีลลิ่ง ร่วมกับซีเนอร์ไดโอดแบบอนุกรมในกรณีที่ต้องปลดแรงดันอย่างรวดเร็ว และตัวลดแรงดันกระชาก RC ก็เป็นอีกทางเลือกที่ดี

วงจรสามารถต่อคร่อมหน้าสัมผัสหรือต่อคร่อมโหลดได้: การต่อคร่อมโหลดจะช่วยรักษากระแสไฟชั่วขณะไว้ที่แหล่งกำเนิดและหลีกเลี่ยงการปล่อยประจุจากตัวเก็บประจุลงที่หน้าสัมผัสเมื่อหน้าสัมผัสปิด ในขณะที่การต่อคร่อมหน้าสัมผัสเป็นวิธีที่ง่ายและพบได้ทั่วไป และไม่ว่าจะต่อแบบใด ขนาดของวงจรก็ต้องทำให้การเชื่อมต่อและการคายประจุอยู่ภายในพิกัดของหน้าสัมผัส อย่างไรก็ตาม การเลือกสวิตช์ที่ดีก็เป็นสิ่งสำคัญ พิกัดที่สำคัญสำหรับโหลดแบบเหนี่ยวนำคือพิกัดทางไฟฟ้า ไม่ใช่ค่าความต้านทานที่ระบุไว้ และค่าอายุการใช้งานทางไฟฟ้าก็ยังต้องนำมาพิจารณาเทียบกับภาระการใช้งานจริงหลังจากเพิ่มการลดกระแสไฟกระชากแล้ว

บทสรุป

ค่าพิกัดสูงสุดของสวิตช์นั้นอธิบายถึงกรณีความต้านทาน ส่วนกรณีเหนี่ยวนำนั้นเกี่ยวข้องกับพลังงาน: สนามแม่เหล็กที่ยุบตัวลงเมื่อหน้าสัมผัสเปิดออกจะก่อให้เกิดประกายไฟ และประกายไฟนั้น พร้อมกับสะพานหลอมเหลวที่เกิดขึ้นก่อนหน้า จะกัดกร่อนหน้าสัมผัสและทำให้อายุการใช้งานทางไฟฟ้าต่ำกว่าอายุการใช้งานทางกลอย่างมาก หากจัดการกับพลังงานนั้นด้วยหน้าสัมผัสที่ทนต่อประกายไฟและวงจรป้องกันประกายไฟที่เลือกใช้สำหรับกระแสสลับหรือกระแสตรง และมีขนาดไม่เกิน ½LI² อายุการใช้งานทางไฟฟ้าก็จะไม่เป็นข้อจำกัดอย่างที่ปรากฏในตอนแรกอีกต่อไป