Czy dioda Zenera, która chroni przełącznik przed indukcyjnością po otwarciu przełącznika, może wpłynąć na prędkość włączania zaworu po jego zamknięciu?

Jak zapewne wiesz, w zastosowaniach, w których szybkość wyłączania zaworów elektromagnetycznych ma kluczowe znaczenie, prosta dioda cofania nie działa. Niektórzy ludzie łączą rezystor z diodą flyback w celu złagodzenia problemu, ale w przypadku naprawdę szybkich aplikacji sugerowana jest dioda Zenera.

Możesz to zobaczyć na zdjęciu (trzeci od lewej).

Myślę (ale nie jestem pewien i popraw mnie, jeśli się mylę), że prąd przepływa przez pętlę tylko wtedy, gdy napięcie jest wyższe niż napięcie Zenera V_z.

Nie rozumiem tylko:

1. Co dzieje się z napięciem w cewce niższym niż V_z? Czy tam pozostanie? Mam na myśli, że w pewnym momencie napięcie spada pod V_z i kończy się noga zawierająca diodę! Ale w jaki sposób pozostałe napięcie może wpłynąć na wszystko w obwodzie? i następny włącz polecenie?

2. Najważniejsze pytanie: czy wpłynie to negatywnie na kolejną kolejkę? W mojej aplikacji muszę go włączać i wyłączać 10 razy na sekundę (około 5 cykli włączania / wyłączania)

3. A jaki jest kompromis między wyborem wyższej wartości V_z a niższą wartością ?! Załóżmy, że nigdy nie osiąga bezpiecznego napięcia przełącznika (MOSFET)? Czy niższe V_z oznacza wolniejsze wyłączanie? Jak V_z może wpłynąć na wszystko w pozytywny / negatywny sposób?

Do Twojej wiadomości chcę włączyć / wyłączyć Airtec 2P025-08 za pomocą Arduino. 12Vdc, 0,5 ampera, nie znam indukcyjności / rezystancji cewki!

Trochę wstępnej teorii.

Jak zapewne wiesz, bez żadnej diody powrotnej, czy to prostownika czy Zenera, będziesz mieć (teoretycznie nieskończone) napięcie odrzutu z cewki indukcyjnej (cewki zaworu, uzwojenia przekaźnika itp.) Za każdym razem, gdy spróbujesz gwałtownie przerwać jego prąd. W rzeczywistości odrzut nie będzie nieskończony, ponieważ skok wywoła wszelkiego rodzaju nieprzyjemne efekty w obwodzie, do którego jest podłączony: generuje łuki elektryczne, napędza półprzewodniki w niszczycielskim rozkładzie, będzie smażyć rezystory lub przebijać dielektryk kondensatorów, itp.

Wszystko po to, by pozbyć się energii zmagazynowanej w cewce indukcyjnej

$E_L = \frac 1 2\, L\, I_L^2$

gdzie jest chwilowym prądem w chwili bezpośrednio przed (próbą) wyłączeniem.$I_L$

Jak wiadomo, ustawienie prostownika równolegle do cewki jest standardowym środkiem zapobiegawczym przy niskiej prędkości. Zakładając, że dioda wytrzyma impuls prądu rozruchowego generowany przez odbijanie, spowoduje napięcie w cewce do bezpiecznego ~ 0,7 V. Dlaczego jest wolny? Ponieważ przy tym poziomie napięcia (spadek diody do przodu) i przy zwykłych wartościach rezystancji do przodu moc rozpraszana jest niska, więc przekształcenie w ciepło zajmuje więcej czasu .$E_L$

Korzystanie z Zenera jest zasadniczo szybsze, ponieważ pozwala na wzrost napięcia odrzutu przed jego zaciśnięciem. Oczywiście napięcie Zenera musi być wybrane tak, aby nie było niebezpieczne dla reszty obwodu. Ponieważ zacisk występuje przy wyższym napięciu, a rezystancja dynamiczna przebicia Zenera może być również niższa, rozproszona moc jest większa, a zatem przekształcenie w ciepło zajmuje mniej czasu .$E_L$

Jeśli zastanawiasz się, co się stanie, gdy ustanie działanie cęgów, ponieważ prąd nie wystarczy, aby utrzymać Zenera (lub diodę cęgową) w stanie awarii (przewodzenia), odpowiedź brzmi: prawdopodobnie będzie oscylować, ponieważ energia MUSI zostać przekształcona, ponieważ źródło zasilania cewki zostało odcięte, a zgromadzona energia zależy od prądu w cewce. Cewka nie „zatrzyma energii”, tak jak zrobiłby to kondensator, ponieważ aby było to możliwe, prąd powinien wpłynąć do samej cewki. Dlatego pozostała energia znajdzie inne sposoby na konwersję: pojemność błądzącą i prąd upływowy diod oraz pojemność pasożytniczą samej cewki (na przykład). Jest to rodzaj nie idealnego nieliniowego obwodu zbiornika, który będzie wykazywał tłumione oscylacje, dopóki energia nie zostanie całkowicie zamieniona w ciepło.

EDYTOWAĆ

(W odpowiedzi na komentarz od @supercat)

Oto niektóre wyniki pośpiesznie przeprowadzonej symulacji obwodu z użyciem LTspice pokazującej tłumioną oscylację, która może powstać w sytuacji podobnej do opisanej powyżej.

Analiza stanu nieustalonego tworzy następujące wykresy:

Jeśli powiększymy interesujące części, mamy:

Na poniższym wykresie z bardzo dużym przybliżeniem możesz zauważyć szacunkową częstotliwość oscylacji (poprawiłem obraz, aby pokazać, gdzie są umieszczone kursory LTspice).

Aaaah, elektronika, to zagmatwana i okrutna kochanka.

Sprawia to przyjemność.

Chodzi tutaj o szybkość reakcji różnych składników problemu i / lub rozwiązania.

Po pierwsze: napięcie i prąd przewodzenia diody są ze sobą powiązane. Im wyższe napięcie, które możesz na nim podać, tym łatwiejszy będzie przepływ prądu.

Po drugie: cewka, która płynie prądem, a następnie zostaje wyłączona, reaguje niezwykle szybko. Jeśli prąd nie może dotrzeć nigdzie w ułamkach ułamków mikrosekundy, może wzrosnąć do nieznośnych napięć (100, jeśli nie 1000).

Tak więc dodanie rezystora szeregowego jest fajną sztuczką, aby nieco poprawić reakcję, pozwala na dalsze zwiększenie napięcia cewki, zanim dioda zacznie odprowadzać moc. Ale potem rezystor znajduje się również na bieżącej ścieżce, utrudniając własną pomoc, więc naprawdę jest gorszym rozwiązaniem.

Jednak dioda Zenera, och, są magiczne. Gdy osiągniesz napięcie przebicia, to naprawdę ... cóż ... psuje się! Krzywa napięciowo-prądowa diody Zenera przy rozbiciu jest znacznie bardziej imponująca, ma to związek z kompresją pola blokującego, gdy prąd będzie w stanie przepłynąć, jeśli pozwolę bardzo źle sparafrazować 380-stronicową książkę.

Kiedy więc osiągniesz przewodność Zenera, prąd może naprawdę zniknąć w mgnieniu oka i, jak wspomniałem, cewka osiągająca przewodność Zenera jest bułką z masłem.

Jeśli chodzi o napięcie Zenera, różnica w tym zastosowaniu między 3 V a 6 V jest bardziej wyraźna niż różnica między 6 V a 12V itd. Zwykle zasada Vz> 2 * VCC jest wystarczająco dobra, aby zagwarantować szybkie wyłączenie. Ważniejsze jest to, że Twój Zener poradzi sobie z bieżącym skokiem.

Powodem, dla którego zenery nie są tak popularne jak zwykłe diody do ochrony, jest ich bieżąca zdolność obsługi, a zniszczenie twojego urządzenia ochronnego jest w pewnym sensie pokonaniem celu.

Zakończę teraz, ponieważ wciąż muszę robić zakupy przed wyruszeniem do Niemiec.

EDYCJA: PS: 10 razy na sekundę nie jest wymaganiem wysokiej prędkości. Szybkie wyłączenie przekaźnika jest rzędu jednej miliarda sekund lub mniej. Zapomniałem zaznaczyć ten punkt na górze przed opublikowaniem. Szybkie wyłączenie nie będzie zakłócać nowego włączenia.

Aby Twoje pytania:

1. Bardzo szybko rozpadnie się, co najwyżej milisekundy. W rzeczywistości napięcie nie dochodzi do zera natychmiast, ponieważ jest to obwód zbiornika LC, głównie z cewką o rozproszonej pojemności, ale także o pojemności błądzącej i tranzystorowej, więc będzie „dzwonił” z wysoką częstotliwością. Cewka ma znaczny opór, więc Q jest niskie, a dzwonienie szybko tłumi się.

2. Jeśli poczekasz dłużej niż powiedzmy 10 ms, nie wpłynie to w żaden sposób na następną operację.

3. Wyższe Vz jest trudniejsze na tranzystorze, ale szybsze wyłączenie. Nie ma to wpływu na włączenie (istnieją inne sztuczki poprawiające szybkość uruchamiania). Jeśli spadniesz poniżej Vz niż maksymalne możliwe napięcie zasilania (najgorszy przypadek) plus spadek diody, dioda Zenera będzie przewodzić, gdy cewka będzie „włączona”, prawdopodobnie niszcząc Zenera i tranzystor. W obwodzie po prawej stronie nie ma tego problemu (ale długotrwałe przepięcie może spowodować przegrzanie diody Zenera).