Un diodo Zener che protegge un interruttore dall'induttanza quando l'interruttore si apre, può influire sulla velocità di accensione della valvola quando la si richiude?

Come probabilmente saprai, nelle applicazioni che la velocità di spegnimento delle elettrovalvole sono cruciali, il semplice diodo flyback non è efficace. Alcune persone mettono un resistore in serie con il diodo flyback per alleviare il problema, ma per applicazioni molto veloci viene suggerito il diodo Zener.

Lo puoi vedere nella foto (terzo da sinistra).

Penso (ma non sono sicuro e per favore correggimi se sbaglio) che la corrente fluisce attraverso il circuito solo quando la tensione è superiore alla tensione Zener V_z.

Quello che non capisco è:

1. Cosa succede alla tensione nella bobina che è inferiore a V_z? Rimarrà lì? Voglio dire ad un certo punto, la tensione scende sotto V_z e la gamba che contiene il diodo è fuori! Ma come può la tensione residua influenzare tutto nel circuito? e il prossimo turno di comando?

2. La domanda più importante: influenzerà negativamente il prossimo comando di accensione? Per la mia applicazione ho bisogno di accenderlo e spegnerlo 10 volte al secondo (circa 5 cicli di accensione / spegnimento)

3. E qual è il compromesso tra la scelta di un valore più alto di V_z rispetto a un valore inferiore ?! Supponiamo che non raggiunga mai la tensione di sicurezza dell'interruttore (MOSFET)? Abbassare V_z significa spegnere più lentamente? In che modo V_z può influenzare tutto in modo positivo / negativo?

Cordiali saluti, voglio accendere / spegnere Airtec 2P025-08 con un Arduino. 12Vcc, 0,5 Ampere, Non si conosce l'induttanza / resistenza della bobina!

Solo un po 'di teoria preliminare.

Come probabilmente saprai, senza alcun diodo flyback, sia esso un raddrizzatore o uno Zener, avrai una tensione di contraccolpo (teoricamente infinita) dall'induttore (bobina della valvola, avvolgimento del relè o altro) ogni volta che provi a interrompere bruscamente la sua corrente. In realtà il contraccolpo non sarà infinito perché lo spike innescherà qualsiasi tipo di brutto effetto nel circuito a cui è collegato: genererà archi elettrici, guiderà semiconduttori in avaria distruttiva, friggerà resistori o punterà attraverso dielettrici condensatori, eccetera.

Tutto questo nel tentativo di sbarazzarsi dell'energia immagazzinata nell'induttore, che è

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

dove è la corrente istantanea nel momento immediatamente precedente allo (tentato) spegnimento.$I_L$

Mettere un raddrizzatore in parallelo con la bobina è la contromisura standard a bassa velocità, come sapete. Supponendo che il diodo possa sopportare l'impulso di corrente di spunto generato dal contraccolpo, bloccherà la tensione attraverso la bobina a una sicurezza di ~ 0,7 V. Perché è lento? Perché a quel livello di tensione (una caduta in avanti del diodo) e con i soliti valori di resistenza in avanti la potenza dissipata è bassa, quindi ci vuole più tempo per convertire in calore.$E_L$

L'uso di uno Zener è essenzialmente più veloce perché consente alla tensione di contraccolpo di aumentare di più prima di bloccarlo. Naturalmente la tensione di Zener deve essere scelta per non essere pericolosa per il resto del circuito. Poiché il morsetto si verifica a una tensione più elevata e anche la resistenza dinamica di rottura di uno Zener può essere inferiore, la potenza dissipata è maggiore, quindi ci vuole meno tempo per convertire in calore.$E_L$

Se ti chiedi cosa succede quando l'azione del morsetto cessa perché la corrente non è sufficiente per mantenere lo Zener (o il diodo del morsetto) in avaria (conduzione), la risposta è che probabilmente oscillerà, perché l'energia DEVE essere convertita, poiché la fonte di alimentazione della bobina è stata interrotta e l'energia immagazzinata dipende dalla corrente nella bobina. La bobina non "trattiene l'energia" come farebbe un condensatore, perché per questo, una corrente dovrebbe fluire nella bobina stessa. Pertanto l'energia rimanente troverà altri modi per convertirsi: capacità parassita e corrente di dispersione dei diodi e capacità parassita della bobina stessa (ad esempio). È una sorta di circuito serbatoio non lineare non ideale, che mostrerà oscillazioni smorzate fino a quando l'energia non sarà completamente convertita in calore.

MODIFICARE

(In risposta a un commento di @supercat)

Ecco alcuni risultati di una simulazione di circuito concepita in fretta usando LTspice che mostra l'oscillazione smorzata che può presentarsi in una situazione simile a quella sopra descritta.

L'analisi transitoria produce i seguenti grafici:

Se ingrandiamo le parti interessanti abbiamo:

Nel seguente diagramma estremamente ingrandito potresti notare la frequenza stimata delle oscillazioni (ho migliorato l'immagine per mostrare dove sono posizionati i cursori LTspice).

Aaaah, elettronica, è un'amante confusa e crudele.

Lo rende divertente però.

La cosa qui è la velocità di reazione di diversi componenti del problema e / o della soluzione.

Primo: la tensione diretta e la corrente diretta di un diodo sono collegate. Maggiore è la tensione che è possibile fornire attraverso di essa, più facile sarà il flusso di corrente.

Secondo: una bobina che ha una corrente che scorre e quindi è spenta reagisce incredibilmente velocemente. Se la corrente non può andare da nessuna parte entro le frazioni di un microsecondo, può aumentare fino a tensioni insopportabili (100, se non 1000).

Quindi aggiungere un resistore in serie è un piccolo trucco, per modificare leggermente la risposta, consente alla tensione della bobina di aumentare un po 'di più prima che il diodo inizi a perdere energia. Ma poi, anche il resistore si trova nel percorso attuale, impedendo il proprio aiuto, quindi è davvero una soluzione inferiore.

I diodi zener, tuttavia, oh sono magici. Una volta raggiunta la tensione di rottura, davvero ... beh ... si rompe! La curva corrente-tensione di un diodo zener al momento del guasto è molto più impressionante, questo ha a che fare con la compressione del campo di blocco quando la corrente è in grado di fluire, se mi è permesso di parafrasare molto male un libro di 380 pagine.

Quindi, una volta raggiunta la conduttanza di Zener, la corrente può davvero andare in un istante e, come ho già detto, poiché la bobina che raggiunge la conduttanza di Zener è un gioco da ragazzi.

Per quanto riguarda la tensione di zener, la differenza in questa applicazione tra 3 V e 6 V è più pronunciata della differenza tra 6 V e 12V e così via. Di solito la regola di Vz> 2 * VCC è abbastanza buona da garantire uno spegnimento rapido. Ancora più importante è che il tuo zener sia in grado di gestire l'attuale picco.

Il motivo per cui gli zener non sono così popolari come i normali diodi per la protezione è la loro attuale capacità di gestione e distruggere il dispositivo di protezione è in qualche modo sconfiggere un po 'lo scopo.

Concluderò ora, dato che devo ancora fare shopping prima di avventurarmi in Germania.

EDIT: PS: 10 volte al secondo non è un requisito ad alta velocità. Lo spegnimento ad alta velocità per un relè è nell'ordine di singoli mili secondi o meno. Hai dimenticato di evidenziare questo punto in alto prima di pubblicare. E lo spegnimento ad alta velocità non interferirà con un nuovo accensione.

In ordine, le tue domande:

1. Si decomporrà molto rapidamente, al massimo millisecondi. In effetti la tensione non si azzera all'istante perché è un circuito del serbatoio LC principalmente con capacità distribuita a bobina ma anche capacità parassita e transistor quindi "squilla" ad alta frequenza. La bobina ha una resistenza significativa, quindi la Q è bassa e lo squillo si smorza rapidamente.

2. Se aspetti più di 10 secondi, ciò non influirà in alcun modo sulla prossima operazione.

3. Un Vz più alto è più difficile sul transistor ma uno spegnimento più rapido. L'accensione non è influenzata in modo appropriato (ci sono altri trucchi per migliorare la velocità di accensione). Se si scende al di sotto di Vz della massima tensione di alimentazione possibile (nel peggiore dei casi) più una caduta di diodo, il diodo zener si comporta quando la bobina è "accesa", probabilmente distruggendo lo zener e il transistor. Il circuito di destra non presenta questo problema (ma una sovratensione prolungata potrebbe causare il surriscaldamento del diodo Zener).