Kann eine Zenerdiode, die einen Schalter vor Induktivität schützt, wenn der Schalter öffnet, die Einschaltgeschwindigkeit des Ventils beeinflussen, wenn Sie es wieder schließen?

Nur ein bisschen vorläufige Theorie.

Wie Sie wahrscheinlich wissen, haben Sie ohne Rücklaufdiode , sei es ein Gleichrichter oder ein Zener, eine (theoretisch unendliche) Rückschlagspannung von der Induktivität (Ventilspule, Relaiswicklung oder was auch immer), wenn Sie versuchen, ihren Strom abrupt zu unterbrechen. In Wirklichkeit wird der Rückschlag nicht unendlich sein, da die Spitze jede Art von unangenehmen Effekten in dem Schaltkreis auslösen wird, an den sie angeschlossen ist: Sie erzeugt elektrische Lichtbögen, sie treibt Halbleiter in einen zerstörerischen Zusammenbruch, sie brät Widerstände oder durchschlägt das Dielektrikum von Kondensatoren, usw.

All dies in dem Versuch, die in der Induktivität gespeicherte Energie loszuwerden, die ist

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

wo$I_L$ist der Momentanstrom zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem (versuchten) Abschalten.

Wie Sie wissen, ist das Parallelschalten eines Gleichrichters zur Spule die Standardgegenmaßnahme bei niedriger Geschwindigkeit. Unter der Annahme, dass die Diode dem durch den Rückschlag erzeugten Einschaltstromimpuls standhalten kann, wird die Spannung über der Spule auf sichere ~0,7 V geklemmt. Warum ist es langsam? Da bei diesem Spannungspegel (ein Dioden-Durchlassabfall) und bei üblichen Durchlasswiderstandswerten die Verlustleistung gering ist, dauert die Umwandlung länger$E_L$in Hitze.

Die Verwendung eines Zeners ist im Wesentlichen schneller, da die Rückschlagspannung stärker ansteigen kann, bevor sie geklemmt wird. Natürlich muss die Zenerspannung so gewählt werden, dass sie für den Rest der Schaltung ungefährlich ist. Da die Klemmung bei höherer Spannung erfolgt und der dynamische Durchbruchwiderstand eines Zeners auch niedriger sein kann, ist die Verlustleistung größer, daher dauert die Umwandlung weniger Zeit$E_L$in Hitze.

Wenn Sie sich fragen, was passiert, wenn die Klemmwirkung aufhört, weil der Strom nicht ausreicht, um den Zener (oder die Klemmdiode) im Durchbruch (Leitung) zu halten, lautet die Antwort, dass er wahrscheinlich oszillieren wird, da die Energie umgewandelt werden MUSS Die Stromquelle der Spule wurde abgeschaltet, und die gespeicherte Energie hängt vom Strom in der Spule ab. Die Spule "hält die Energie" nicht wie ein Kondensator, denn damit dies möglich ist, sollte ein Strom in die Spule selbst fließen. Daher findet die verbleibende Energie andere Wege, um umgewandelt zu werden: Streukapazität und Leckstrom der Dioden und parasitäre Kapazität der Spule selbst (zum Beispiel). Es ist eine Art nicht idealer nichtlinearer Tankkreis, der gedämpfte Schwingungen aufweist, bis die Energie vollständig in Wärme umgewandelt ist.

BEARBEITEN

(Als Antwort auf einen Kommentar von @supercat)

Hier sind einige Ergebnisse einer hastig konzipierten Schaltungssimulation mit LTspice, die die gedämpfte Schwingung zeigen, die in einer ähnlichen Situation wie der oben beschriebenen auftreten kann.

Die transiente Analyse erzeugt die folgenden Plots:

Wenn wir die interessanten Teile vergrößern, haben wir:

Im folgenden stark vergrößerten Diagramm sehen Sie möglicherweise die geschätzte Frequenz der Schwingungen (ich habe das Bild verbessert, um zu zeigen, wo LTspice-Cursor platziert sind).

Aaaah, Elektronik, es ist eine verwirrende und grausame Geliebte.

Macht aber Spaß.

Hier kommt es auf die Reaktionsgeschwindigkeit verschiedener Problem- bzw. Lösungskomponenten an.

Erstens: Die Durchlassspannung und der Durchlassstrom einer Diode sind verknüpft. Je höher die Spannung, die Sie darüber liefern können, desto leichter fließt der Strom.

Zweitens: Eine stromdurchflossene Spule, die dann abgeschaltet wird, reagiert unglaublich schnell. Wenn der Strom innerhalb von Bruchteilen von Bruchteilen einer Mikrosekunde nirgendwo hingehen kann, kann er auf unerträgliche Spannungen ansteigen (100er, wenn nicht 1000er).

Das Hinzufügen eines Widerstands in Reihe ist also ein netter kleiner Trick, um die Reaktion leicht zu optimieren. Dadurch kann die Spulenspannung etwas weiter ansteigen, bevor die Diode beginnt, die Leistung wegzudribbeln. Aber dann ist der Widerstand auch im Strompfad und behindert seine eigene Hilfe, also ist es wirklich eine minderwertige Lösung.

Die Zenerdiode jedoch, oh, sie sind magisch. Sobald Sie die Durchbruchspannung erreichen, bricht es wirklich ... na ja ... zusammen! Viel beeindruckender ist der Spannungs-Strom-Verlauf einer Zenerdiode beim Durchbruch, das hat mit der Kompression des Sperrfeldes zu tun, sobald Strom fließen kann, wenn ich ein 380-Seiten-Buch sehr schlecht umschreiben darf.

Sobald Sie also die Zenerleitfähigkeit erreicht haben, kann der Strom wirklich sofort weg sein, und wie ich bereits erwähnt habe, ist es für die Spule, die die Zenerleitfähigkeit erreicht, ein Kinderspiel.

In Bezug auf die Zenerspannung ist der Unterschied in dieser Anwendung zwischen 3 V und 6 V ausgeprägter als der Unterschied zwischen 6 V und 12 V und so weiter. Normalerweise ist die Regel Vz > 2*VCC gut genug, um ein schnelles Abschalten zu garantieren. Wichtiger ist, dass Ihr Zener mit der Stromspitze umgehen kann.

Der Grund, warum Zener zum Schutz nicht so beliebt sind wie normale Dioden, ist ihre Strombelastbarkeit, und die Zerstörung Ihres Schutzgeräts verfehlt den Zweck ein wenig.

Ich runde jetzt ab, da ich noch einkaufen muss, bevor ich mich nach Deutschland traue.

EDIT: PS: 10 Mal pro Sekunde ist keine Hochgeschwindigkeitsanforderung. Die Hochgeschwindigkeitsabschaltung für ein Relais liegt in der Größenordnung von einzelnen Millisekunden oder weniger. Ich habe vergessen, diesen Punkt oben vor dem Posten zu erwähnen. Und das Hochgeschwindigkeits-Ausschalten stört ein erneutes Einschalten nicht.

Der Reihe nach Ihre Fragen:

1. Es wird sehr schnell abklingen, höchstens Millisekunden. Tatsächlich geht die Spannung nicht sofort auf Null, da es sich um einen LC-Tankkreis handelt, der hauptsächlich mit verteilter Spulenkapazität, aber auch mit Streu- und Transistorkapazitäten ausgestattet ist, sodass er bei hoher Frequenz "klingelt". Die Spule hat einen erheblichen Widerstand, sodass das Q niedrig ist und das Klingeln schnell gedämpft wird.

2. Wenn Sie länger als beispielsweise 10 ms warten, hat dies keine praktischen Auswirkungen auf die nächste Operation.

3. Eine höhere Vz ist härter für den Transistor, schaltet aber schneller aus. Das Einschalten wird nicht merklich beeinträchtigt (es gibt andere Tricks zur Verbesserung der Einschaltgeschwindigkeit). Wenn Sie Vz unter die maximal mögliche Versorgungsspannung (im schlimmsten Fall) plus einen Diodenabfall senken, leitet die Zenerdiode, wenn die Spule eingeschaltet ist, und zerstört wahrscheinlich den Zener und den Transistor. Die rechte Schaltung hat dieses Problem nicht (aber eine andauernde Überspannung könnte zu einer Überhitzung der Zenerdiode führen).