Wie lange dauert es, bis ein Schalter von Ein auf Aus wechselt?

Die Gleichung für die Spannung an einer Induktivität lautet v = L di / dt. Wenn ein Schalter den Stromkreis von geschlossen auf offen ändert, ändert sich der Strom sehr schnell. Meine Frage ist, woher man genau weiß, wie lange dies dauert, da man eine genaue Antwort benötigt, um die induzierte Spannung zu berechnen.

Das ist eine sehr gute Frage.

Wenn ein Schalter den Stromkreis von geschlossen auf offen umschaltet, ändert sich der Strom sehr schnell.

Nicht genau. Wenn der Schalter geöffnet wird, steigt die Spannung am Schalter an. Diese Spannung verringert den Induktivitätsstrom gemäß di / dt = V / L.

Je nach Schalter und wie er auf eine ansteigende Spannung reagiert, bestimmt die im Induktor gespeicherte Energie in gewissem Maße, wie der Schalter öffnet.

Jeder echte Schalter hat eine Streukapazität zwischen den Kontakten. Bei einigen Schaltern (Kfz-Zündunterbrechungspunkten) wird die Kapazität durch einen physischen Kondensator erhöht, der über den Kontakten angeordnet ist. FETs und Transistoren haben Zwischenelektrodenkapazitäten in den 10er bis 1000er pFs, abhängig von der Gerätegröße.

Der weiterhin fließende Induktivitätsstrom lädt diese Kapazität auf. Der Öffnungsschalter ist daher einer schnell ansteigenden, jedoch nicht augenblicklichen Spannung ausgesetzt.

Wenn die ursprünglich in der Induktivität enthaltene Energie in der Schalterkapazität bei einer Spannung gespeichert werden kann, die niedrig genug ist, dass der Schalter nicht durchbricht, bricht der Schalter nicht durch. Dies ist, was der große Kondensator in der Zündungsunterbrechungsanlage des Autos tut. Die Lücke zwischen den Kontakten öffnet sich schnell genug und die Spannung steigt langsam genug an, damit die Kontakte der ansteigenden Spannung "voraus" bleiben.

Wenn die Schaltspannung über eine Durchbruchspannung ansteigt, bricht sie zusammen. Bei physischen Schaltern führt dies zu einem Lichtbogen zwischen den Anschlüssen. Dieser Lichtbogen kann schmelzen und Metall bewegen, so dass mechanische Kontakte häufig zerstört werden. Dies kann durch Verwendung von Materialien mit hohem Schmelzpunkt, sehr schweren Kontakten oder durch Verwendung von (wie bei Hochspannungsschaltanlagen) Luftstrahlen zum Kühlen und Verlängern und damit zum Löschen des Lichtbogens gemildert werden. Während der Schalter einen Lichtbogen bildet, können Sie ihn als "geschlossen" oder zumindest nicht "offen" betrachten. Die Dauer der Lichtbogenbildung durch die Induktionsenergie bestimmt also, wie schnell er geöffnet wird.

MOSFETs haben häufig ein kontrolliertes zerstörungsfreies Lawinenverhalten, das spezifiziert ist, um eine bestimmte Energiemenge wiederholt aufnehmen zu können. Es ist ganz normal, einen Schaltkreis so zu gestalten, dass die in der Schaltkreisinduktivität gespeicherte Energie im Schalt-FET abgeführt wird.

Wenn ein Halbleiterschalter die gespeicherte induktive Energie nicht verarbeiten kann, wird üblicherweise eine Überspannungsschutzschaltung verwendet, die aus einem Widerstand und einem Kondensator in Reihe besteht. Dadurch wird der Switch im System weniger effizient, sodass er gerade groß genug ist, um den Switch zu schützen, und nicht größer.