Um diodo Zener que protege uma chave contra indutância quando a chave é aberta afeta a velocidade de ativação da válvula quando você a fecha novamente?

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Como você provavelmente sabe, nas aplicações em que a velocidade de desligamento das válvulas solenóides é crucial, o diodo flyback simples não é eficaz. Algumas pessoas colocam um resistor em série com o diodo flyback para aliviar o problema, mas para aplicações muito rápidas, o diodo Zener é sugerido.

Você pode vê-lo na imagem (terceiro da esquerda). Diodo Zener protegendo uma válvula solenóide

Penso (mas não tenho certeza e, por favor, corrija-me se estiver errado) que a corrente flui através do circuito somente quando a tensão é maior que a tensão Zener V_z.

O que eu não entendo é:

  1. O que acontece com a tensão na bobina menor que o V_z? Vai ficar lá? Em algum momento, a tensão cai sob V_z e a perna que contém o diodo está fora! Mas como a tensão restante pode afetar tudo no circuito? e a próxima vez que ligar o comando?

  2. A pergunta mais importante: isso afetará o próximo turno de comando de maneira negativa? Para o meu aplicativo, preciso ativá-lo e desativá-lo 10 vezes por segundo (cerca de 5 ciclos de ativação / desativação)

  3. E qual a diferença entre escolher um valor mais alto de V_z contra um valor mais baixo ?! Suponha que ele nunca atinja a voltagem segura do switch (MOSFET)? V_z mais baixo significa desligar mais devagar? Como V_z pode afetar tudo de maneira positiva / negativa?

Para sua informação, quero ativar / desativar o Airtec 2P025-08 com um Arduino. 12Vdc, 0,5 Ampères, Não conhece a indutância / resistência da bobina!

arudino.tyro
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Não sou especialista em tais dispositivos eletromecânicos, mas você tem certeza de que a válvula pode ser comutada a uma taxa tão alta (para um dispositivo eletromecânico)? Vejo na folha de dados que ele tem um tempo mínimo de ativação de 0,05s. Não tenho certeza do significado técnico exato, mas isso só pode significar que quando você energiza a bobina, a válvula leva 50ms para responder, mas isso não significa que você pode ligar / desligar com um período de 50ms. Em outras palavras, você tem certeza de que a válvula pode tolerar o desgaste de tantas comutações por segundo?
Lorenzo Donati apoia Monica no

Respostas:

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Apenas um pouco de teoria preliminar.

Como você provavelmente sabe, sem nenhum diodo de retorno, seja um retificador ou um Zener, você terá uma tensão de retorno (teoricamente infinita) do indutor (bobina da válvula, enrolamento do relé ou o que for) sempre que tentar interromper sua corrente abruptamente. Na realidade, o recuo não será infinito porque o pico provocará qualquer tipo de efeito desagradável no circuito em que está conectado: gerará arcos elétricos, acionará semicondutores em avarias destrutivas, fritará resistores ou perfurará capacitores dielétricos, etc.

Tudo isso na tentativa de se livrar da energia armazenada no indutor, que é

Eeu=12euEueu2

onde é a corrente instantânea no momento imediatamente antes do (tentado) desligamento.Eueu

Colocar um retificador em paralelo com a bobina é a contramedida padrão de baixa velocidade, como você sabe. Supondo que o diodo possa suportar o pulso de corrente de irrupção gerado pelo contragolpe, ele prenderá a tensão através da bobina a um ~ 0,7V seguro. Por que é lento? Como nesse nível de tensão (uma queda direta do diodo) e com os valores usuais de resistência direta, a energia dissipada é baixa, portanto, leva mais tempo para converter em calor.Eeu

O uso de um Zener é mais rápido, essencialmente porque permite que a tensão de retorno suba mais antes de prendê-la. Obviamente, a tensão do Zener deve ser escolhida para não ser perigosa para o resto do circuito. Como o grampo ocorre em uma tensão mais alta, e a resistência dinâmica de quebra de um Zener também pode ser menor, a potência dissipada é maior, portanto, leva menos tempo para converter em calor.Eeu

Se você se pergunta o que acontece quando a ação do grampo cessa, porque a corrente não é suficiente para manter o Zener (ou o diodo do grampo) em avaria (condução), bem a resposta é que provavelmente oscilará, porque a energia DEVE ser convertida, pois a fonte de energia da bobina foi cortada e a energia armazenada depende da corrente na bobina. A bobina não "retém a energia" como um capacitor faria, porque, para isso, é possível que uma corrente flua para a própria bobina. Portanto, a energia restante encontrará outras maneiras de se converter: capacitância dispersa e corrente de fuga dos diodos e capacitância parasita da própria bobina (por exemplo). É uma espécie de circuito de tanque não linear não ideal, que exibirá oscilações amortecidas até que a energia seja completamente convertida em calor.

EDITAR

(Em resposta a um comentário de @supercat)

Aqui estão alguns resultados de uma simulação de circuito concebida às pressas usando LTspice mostrando a oscilação amortecida que pode surgir em uma situação semelhante à descrita acima.

insira a descrição da imagem aqui

A análise transitória produz os seguintes gráficos:

insira a descrição da imagem aqui

Se ampliarmos as partes interessantes, temos:

insira a descrição da imagem aqui insira a descrição da imagem aqui

No gráfico a seguir extremamente ampliado, você pode observar a frequência estimada das oscilações (aprimorei a imagem para mostrar onde os cursores LTspice estão localizados).

insira a descrição da imagem aqui

Lorenzo Donati apoia Monica
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Muito obrigado pela excelente explicação. Você acha que adicionar um resistor ao diodo Zener e ao diodo normal vai melhorar seu desempenho? E última pergunta: como escolho um diodo Zener adequado? qualquer regra de ouro !?
Arudino.tyro 23/05
@ arudino.tyro O transistor será inclinado "de cabeça para baixo" até que o Zener seja aberto, portanto a tensão não deve exceder o Vce.reverse máximo para o transistor, a corrente do coletor de base não deve exceder o máximo permitido etc. O circuito da fonte de alimentação deve ser forte o suficiente para não ser perturbado pelo pulso etc.
ilkhd
Por que o sistema oscilaria? Se o Zener tiver vazamento pré-interrupção suficiente para que não haja corrente suficiente para elevar a tensão até a tensão de ruptura, isso significa que o Zener está deixando a corrente passar a uma tensão mais baixa. Isso não fará com que a corrente caia tão rápido quanto em uma tensão mais alta, mas se a corrente for tão baixa, não acho que realmente importará quanto tempo leva para dissipar o último.
Supercat 23/05
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@supercat Pode oscilar ou não (um problema difícil de analisar), tudo depende de quanto os efeitos de fuga "resistivos" prevalecem nos efeitos capacitivos e no Q efetivo do circuito do tanque. Por isso eu disse "... provavelmente oscilará". Eu admito que provavelmente deveria ter dito "isso pode oscilar".
Lorenzo Donati apoia Monica no
Obrigado por todas as ótimas perguntas e respostas ... Como o vale da tensão Zener pode afetar a oscilação ?! E existe alguma maneira de fazer essa oscilação durar mais cedo?
Arudino.tyro 24/05
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Aaaah, eletrônica, é uma amante confusa e cruel.

Torna divertido embora.

A questão aqui é a velocidade de reação de diferentes componentes do problema e / ou solução.

Primeiro: a tensão direta e a corrente direta de um diodo estão ligadas. Quanto maior a tensão que você puder fornecer, mais fácil a corrente fluirá.

Segundo: Uma bobina que tem uma corrente fluindo e depois é desligada reage incrivelmente rápido. Se a corrente não puder chegar a lugar algum dentro de frações de frações de microssegundo, ela poderá atingir tensões insuportáveis ​​(100, se não 1000).

Portanto, adicionar um resistor em série é um pequeno truque, para ajustar levemente a resposta, permitindo que a tensão da bobina aumente um pouco mais antes que o diodo comece a driblar a energia. Mas então, o resistor também está no caminho atual, impedindo sua própria ajuda, portanto é realmente uma solução inferior.

O diodo zener, no entanto, eles são mágicos. Quando você atinge a tensão de ruptura, ela realmente ... bem ... quebra! A curva tensão-corrente de um diodo zener na ruptura é muito mais impressionante, isso é relacionado à compressão do campo de bloqueio quando a corrente puder fluir, se eu puder parafrasear muito mal um livro de 380 páginas.

Assim, quando você alcança a condutância zener, a corrente pode realmente desaparecer em um instante e, como mencionei, a bobina que atinge a condutância zener é um pedaço de bolo.

No que diz respeito à tensão do zener, a diferença nesta aplicação entre 3V e 6V é mais acentuada do que a diferença entre 6V e 12V e assim por diante. Geralmente, a regra de Vz> 2 * VCC é boa o suficiente para garantir um desligamento rápido. Mais importante é que seu zener possa lidar com o pico atual.

A razão pela qual os zeners não são tão populares quanto os diodos normais de proteção é sua capacidade de manuseio atual e destruir seu dispositivo de proteção é meio que derrotar um pouco a finalidade.

Vou terminar agora, já que ainda tenho que fazer compras antes de me aventurar na Alemanha.

EDIT: PS: 10 vezes por segundo não é um requisito de alta velocidade. O desligamento de alta velocidade de um relé é da ordem de mili segundos ou menos. Esqueceu-se de fazer esse ponto no topo antes de postar. E o desligamento em alta velocidade não interfere com o novo acionamento.

Asmyldof
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Muito obrigado pela sua resposta. Mas o que acontecerá com a tensão restante menor que V_z?
Arudino.tyro 23/05
Também gostaria de saber como o V_z superior ou inferior pode afetar coisas diferentes no desempenho (tanto de uma maneira boa / ruim)?
Arudino.tyro 23/05
@ arudino.tyro não há "tensão restante", mas alguma "energia restante" (veja minha resposta).
Lorenzo Donati apoia Monica no
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Em ordem, suas perguntas:

  1. Decairá muito rapidamente, no máximo em milissegundos. De fato, a tensão não chega a zero instantaneamente, porque é um circuito de tanque LC, principalmente com capacitância distribuída por bobina, mas também capacitância dispersa e de transistor, para que 'toque' em alta frequência. A bobina possui resistência significativa, portanto o Q é baixo e o toque rapidamente diminui.

  2. Se você esperar mais do que 10ms, isso não afetará a próxima operação de maneira prática.

  3. Um Vz mais alto é mais difícil no transistor, mas é mais rápido. A ativação não é afetada de maneira aceitável (existem outros truques para melhorar a velocidade de ativação). Se você diminuir o valor de Vz da tensão máxima de fornecimento de energia possível (na pior das hipóteses), mais uma queda de diodo, o diodo zener será conduzido quando a bobina estiver ligada, provavelmente destruindo o zener e o transistor. O circuito do lado direito não tem esse problema (mas uma sobretensão sustentada pode causar o superaquecimento do diodo Zener).

Spehro Pefhany
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Muito obrigado, você poderia elaborar o número 2!?
Arudino.tyro 23/05
O número dois é realmente uma repetição de um. A corrente diminui muito rapidamente, então você está lidando com um estado inicial de zero corrente e tensão. O 10ms é um número baseado na experiência de muitas válvulas e bobinas. Se você tiver uma bobina do tamanho de uma geladeira ou outras condições incomuns, é claro que isso pode ter um comportamento diferente.
Spehro Pefhany
E a energia restante dentro da bobina? Por causa da tensão mais baixa que V_z?
Arudino.tyro 23/05
Como eu disse, a energia é dissipada muito rapidamente na resistência da bobina, pois ela toca em muitos kHz. Ele não fica pendurado como a tensão de um capacitor carregado. A energia acabaria completamente quando a corrente = 0 se não fosse essa capacitância. A energia armazenada em 100pF a 16V (digamos) é de apenas 0,01J, que alimentará a bobina por cerca de 0,002 segundos. Em um circuito de tanques, a energia desliza para frente e para trás cerca de Q vezes até que se esgote.
Spehro Pefhany