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

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Wie Sie wahrscheinlich wissen, ist in Anwendungen, in denen die Ausschaltgeschwindigkeit der Magnetventile entscheidend ist, die einfache Rücklaufdiode nicht wirksam. Einige Leute schalten einen Widerstand in Reihe mit der Rücklaufdiode, um das Problem zu lindern, aber für wirklich schnelle Anwendungen wird die Zenerdiode empfohlen.

Sie können es auf dem Bild sehen (drittes von links). Zenerdiode zum Schutz eines Magnetventils

Ich denke (aber ich bin nicht sicher und bitte korrigiere mich, wenn ich mich irre), dass der Strom nur dann durch die Schleife fließt, wenn die Spannung höher als die Zenerspannung V_z ist.

Was ich nicht verstehe ist:

  1. Was passiert mit der Spannung in der Spule, die niedriger als V_z ist? Wird es dort bleiben? Ich meine, irgendwann fällt die Spannung unter V_z und der Zweig mit der Diode ist ausgefallen! Aber wie kann die verbleibende Spannung alles im Stromkreis beeinflussen? und der nächste Einschaltbefehl?

  2. Die wichtigste Frage: Wird sich dies negativ auf den nächsten Einschaltbefehl auswirken? Für meine Anwendung muss ich sie 10 Mal pro Sekunde ein- und ausschalten (ca. 5 Ein- / Ausschaltzyklen)

  3. Und was ist der Kompromiss zwischen der Wahl eines höheren Wertes von V_z und eines niedrigeren Wertes ?! Angenommen, es erreicht nie die sichere Spannung des Schalters (MOSFET)? Bedeutet niedrigeres V_z langsameres Ausschalten? Wie kann V_z alles positiv / negativ beeinflussen?

Zu Ihrer Information , ich möchte Airtec 2P025-08 mit einem Arduino ein- und ausschalten. 12 VDC, 0,5 Ampere, Induktivität / Widerstand der Spule nicht bekannt!

arudino.tyro
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Ich bin kein Experte für solche elektromechanischen Geräte, aber sind Sie sicher, dass das Ventil mit einer so hohen (für ein elektromechanisches Gerät) Rate geschaltet werden kann? Ich sehe aus dem Datenblatt, dass es eine minimale Aktivierungszeit von 0,05 s hat. Ich bin mir nicht sicher, was die genaue technische Bedeutung ist, aber es könnte nur bedeuten, dass das Ventil beim Einschalten der Spule 50 ms benötigt, um zu reagieren. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Sie es mit einer Zeitspanne von 50 ms ein- und ausschalten können. Mit anderen Worten, sind Sie sicher, dass das Ventil den Verschleiß so vieler Kommutierungen pro Sekunde toleriert?
Lorenzo Donati unterstützt Monica

Antworten:

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Nur ein bisschen vorläufige Theorie.

Wie Sie wahrscheinlich wissen, ohne jede Rücklaufdiode, wäre es einen Gleichrichter oder einen Zener, haben Sie eine (theoretisch unendlich) Rückschlag Spannung 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 der Spike in der Schaltung, an die er angeschlossen ist, irgendwelche unangenehmen Effekte auslöst: Er erzeugt elektrische Lichtbögen, treibt Halbleiter in einem zerstörerischen Durchschlag an, brät Widerstände an oder dringt durch das Dielektrikum von Kondensatoren. etc.

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

EL=12LichL2

ichL

EL

EL

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 sie wahrscheinlich schwingen wird, weil die Energie seitdem umgewandelt werden MUSS Die Stromquelle der Spule wurde abgeschaltet, und die gespeicherte Energie hängt vom Strom in der Spule ab. Die Spule wird die Energie nicht "halten", wie dies ein Kondensator tun würde, da dazu möglicherweise ein Strom in die Spule selbst fließen sollte. Daher wird die verbleibende Energie auf andere Weise umgewandelt: Streukapazität und Leckstrom der Dioden und parasitäre Kapazität der Spule selbst (zum Beispiel). Es ist eine Art nicht idealer nichtlinearer Tankkreis, der gedämpfte Schwingungen zeigt, 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 zeigt, die in einer ähnlichen Situation wie der oben beschriebenen auftreten kann.

Bildbeschreibung hier eingeben

Die transiente Analyse erzeugt die folgenden Diagramme:

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Wenn wir die interessanten Teile vergrößern, haben wir:

Bildbeschreibung hier eingeben Bildbeschreibung hier eingeben

In der folgenden extrem vergrößerten Darstellung sehen Sie möglicherweise die geschätzte Frequenz der Oszillationen (ich habe das Bild verbessert, um zu zeigen, wo LTspice-Cursor platziert sind).

Bildbeschreibung hier eingeben

Lorenzo Donati unterstützt Monica
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Vielen Dank für die hervorragende Erklärung. Denken Sie, einen Widerstand zur Zenerdiode und zur normalen Diode hinzuzufügen, um ihre Leistung zu verbessern? Und die letzte Frage: Wie wähle ich eine richtige Zener-Diode aus? eine Faustregel !?
arudino.tyro
@ arudino.tyro Der Transistor wird "kopfüber" vorgespannt, bis der Zener öffnet, damit die Spannung die maximal zulässige Spannung für den Transistor nicht überschreitet. Der Basis-Kollektor-Strom darf die maximal zulässige Spannung nicht überschreiten nicht durch den Puls usw. gestört werden
ilkhd
Warum sollte das System schwingen? Wenn der Zener genügend Leckströme vor dem Durchbruch aufweist, so dass nicht genügend Strom vorhanden ist, um die Spannung auf die Durchbruchspannung zu bringen, bedeutet dies, dass der Zener Strom mit einer niedrigeren Spannung durchlässt. Dadurch sinkt der Strom nicht so schnell wie bei einer höheren Spannung, aber wenn der Strom so niedrig ist, ist es meiner Meinung nach nicht wichtig, wie lange es dauert, bis der letzte Strom verbraucht ist.
Supercat
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@supercat Es kann schwingen oder auch nicht (ein schwer zu analysierendes Problem), es hängt alles davon ab, wie stark die "resistiven" Leckeffekte kapazitive Effekte und die effektive Güte des Tankkreises beeinflussen . Deshalb habe ich gesagt "... es wird wahrscheinlich oszillieren ...". Ich gebe zu, ich hätte wahrscheinlich sagen sollen "es könnte schwingen".
Lorenzo Donati unterstützt Monica
Vielen Dank für all die tollen Fragen und Antworten ... Wie kann das Zener-Spannungs-Tal die Oszillation beeinflussen ?! Und gibt es eine Möglichkeit, diese Oszillation früher zum Laufen zu bringen?
arudino.tyro
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Aaaah, Elektronik, es ist eine verwirrende und grausame Geliebte.

Macht es aber Spaß.

Hierbei geht es um die Reaktionsgeschwindigkeit verschiedener Komponenten des Problems und / oder der Lösung.

Erstens: Die Durchlassspannung und der Durchlassstrom einer Diode werden verknüpft. Je höher die Spannung ist, die Sie daran anlegen können, desto leichter fließt der Strom.

Zweitens: Eine Spule, in der Strom fließt und die dann ausgeschaltet wird, reagiert unglaublich schnell. Wenn der Strom nicht innerhalb von Bruchteilen von Bruchteilen einer Mikrosekunde fließen kann, kann er zu unerträglichen Spannungen ansteigen (100, wenn nicht 1000).

Das Hinzufügen eines Widerstandes in Reihe ist also ein netter kleiner Trick, um die Reaktion leicht zu optimieren. Dadurch kann die Spulenspannung ein wenig weiter ansteigen, bevor die Diode beginnt, die Leistung zu verlieren. Aber auch der Widerstand befindet sich im Strompfad und behindert seine eigene Hilfe, sodass es sich tatsächlich um eine minderwertige Lösung handelt.

Die Zenerdiode ist jedoch oh, sie ist magisch. Sobald Sie die Durchbruchspannung erreicht haben, bricht sie wirklich zusammen! Die Spannungs-Strom-Kurve einer Zenerdiode beim Durchbruch ist viel eindrucksvoller. Dies hat mit der Komprimierung des Sperrfeldes zu tun, wenn Strom fließen kann, wenn ich ein 380-Seiten-Buch sehr schlecht umschreiben darf.

Wenn Sie also die Zenerkonduktanz erreicht haben, kann der Strom in einem Moment wirklich weg sein, und wie ich bereits erwähnt habe, ist es ein Kinderspiel, wenn die Spule die Zenerkonduktanz erreicht.

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. In der Regel ist die Regel von Vz> 2 * VCC ausreichend, um ein schnelles Ausschalten zu gewährleisten. Wichtiger ist, dass Ihr Zener mit der aktuellen Spitze umgehen kann.

Der Grund, warum Zener nicht so beliebt sind wie normale Schutzdioden, ist ihre derzeitige Handhabbarkeit und die Zerstörung Ihres Schutzgeräts kann den Zweck ein wenig beeinträchtigen.

Ich werde jetzt abrunden, da ich noch einkaufen muss, bevor ich mich nach Deutschland wage.

EDIT: PS: 10 mal pro Sekunde ist keine Hochgeschwindigkeitsanforderung. Das Abschalten mit hoher Geschwindigkeit für ein Relais liegt in der Größenordnung von einer Millisekunde oder weniger. Ich habe vergessen, diesen Punkt oben zu vermerken, bevor ich etwas poste. Und ein schnelles Ausschalten beeinträchtigt ein erneutes Einschalten nicht.

Asmyldof
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Vielen Dank für ihre Antwort. Aber was passiert mit der verbleibenden Spannung, die niedriger als V_z ist?
arudino.tyro
Ich würde auch gerne wissen, wie sich höhere oder niedrigere V_z auf verschiedene Dinge in der Leistung auswirken können (sowohl in einer guten als auch in einer schlechten Weise).
arudino.tyro
@ arudino.tyro es gibt keine "verbleibende Spannung", sondern etwas "verbleibende Energie" (siehe meine Antwort).
Lorenzo Donati unterstützt Monica
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In Ordnung, Ihre Fragen:

  1. Es wird sehr schnell abklingen, höchstens Millisekunden. Tatsächlich geht die Spannung nicht sofort auf Null, da es sich um einen LC-Tank-Schaltkreis handelt, der hauptsächlich über eine verteilte Spulenkapazität verfügt, sondern auch über Streu- und Transistorkapazität, sodass er bei hohen Frequenzen „klingelt“. Die Spule hat einen hohen Widerstand, daher ist der Q-Wert niedrig und das Klingeln wird schnell gedämpft.

  2. Wenn Sie länger als 10 ms warten, hat dies keine Auswirkungen auf den nächsten Vorgang.

  3. Ein höherer Vz-Wert ist für den Transistor schwieriger, führt jedoch zu einem schnelleren Ausschalten. Das Einschalten ist davon nicht betroffen (es gibt andere Tricks zur Verbesserung der Einschaltgeschwindigkeit). Wenn Sie Vz unter die maximal mögliche Versorgungsspannung (ungünstigster Fall) plus einen Diodenabfall senken, leitet die Zenerdiode, wenn die Spule eingeschaltet ist, und zerstört möglicherweise den Zener und den Transistor. Die rechte Schaltung hat dieses Problem nicht (eine anhaltende Überspannung kann jedoch zu einer Überhitzung der Zenerdiode führen).

Spehro Pefhany
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Vielen Dank. Könnten Sie bitte auf Nummer 2 näher eingehen?
arudino.tyro
Nummer zwei ist wirklich eine Wiederholung von eins. Der Strom stirbt sehr schnell ab, so dass Sie mit einem Anfangszustand von Null Strom und Spannung zu tun haben. Die 10 ms sind eine Zahl, die auf der Erfahrung vieler Ventile und Spulen basiert. Wenn Sie natürlich eine Spule von der Größe eines Kühlschranks oder unter anderen ungewöhnlichen Bedingungen hatten, könnte dies ein anderes Verhalten haben.
Spehro Pefhany
Was ist mit der verbleibenden Energie in der Spule? Wegen der Spannung niedriger als V_z?
arudino.tyro
Wie gesagt, die Energie geht im Widerstand der Spule sehr schnell verloren, da sie bei vielen kHz klingelt. Es hängt nicht wie eine Spannung an einem aufgeladenen Kondensator. Ohne diese Kapazität wäre die Energie bei Strom = 0 vollständig verbraucht. Die in 100 pF bei 16 V (etwa) gespeicherte Energie beträgt nur 0,01 J, wodurch die Spule für etwa 0,002 Sekunden mit Strom versorgt wird. In einem Panzerkreis schwappt diese Energie ungefähr Q-mal hin und her, bis sie verbraucht ist.
Spehro Pefhany