¿Puede un diodo Zener que protege un interruptor contra la inductancia cuando se abre el interruptor, afectar la velocidad de encendido de la válvula cuando la cierra de nuevo?

Como probablemente sepa, en las aplicaciones en las que la velocidad de cierre de las válvulas solenoides es crucial, el diodo de retorno simple no es efectivo. Algunas personas ponen una resistencia en serie con el diodo flyback para aliviar el problema, pero para aplicaciones realmente rápidas se sugiere el diodo Zener.

Puedes verlo en la imagen (el tercero desde la izquierda).

Creo (pero no estoy seguro y corríjame si me equivoco) que la corriente fluye a través del bucle solo cuando el voltaje es más alto que el voltaje Zener V_z.

Lo que no entiendo es:

1. ¿Qué le sucede al voltaje en la bobina que es más bajo que el V_z? ¿Se va a quedar allí? Quiero decir, en algún momento, ¡el voltaje cae por debajo de V_z y la pata que contiene el diodo está apagada! Pero, ¿cómo puede afectar el voltaje restante a todo en el circuito? y el siguiente turno de comando?

2. La pregunta más importante: ¿Va a afectar el siguiente comando de activación de forma negativa? Para mi aplicación, necesito encenderlo y apagarlo 10 veces por segundo (aproximadamente 5 ciclos de encendido / apagado)

3. ¿Y cuál es la compensación entre elegir un valor más alto de V_z contra un valor más bajo? Suponga que nunca alcanza el voltaje seguro del interruptor (MOSFET)? ¿V_z más bajo significa un apagado más lento? ¿Cómo puede V_z afectar todo de manera positiva / negativa?

FYI, quiero activar / desactivar Airtec 2P025-08 con un Arduino. 12Vdc, 0.5 Ampere, ¡No sé la inductancia / resistencia de la bobina!

Solo un poco de teoría preliminar.

Como probablemente sepa, sin ningún diodo de retorno, ya sea un rectificador o un Zener, tendrá un voltaje de retroceso (teóricamente infinito) del inductor (bobina de válvula, bobinado de relé o lo que sea) cada vez que intente interrumpir su corriente abruptamente. En realidad, el retroceso no será infinito porque el pico desencadenará cualquier tipo de efectos desagradables en el circuito al que está conectado: generará arcos eléctricos, conducirá semiconductores en descomposición destructiva, freirá resistencias o perforará condensadores dieléctricos, etc.

Todo esto en el intento de deshacerse de la energía almacenada en el inductor, que es

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

$I_L$

Como usted sabe, poner un rectificador en paralelo con la bobina es la contramedida estándar de baja velocidad. Suponiendo que el diodo puede soportar el impulso de corriente de entrada generado por el retroceso, sujetará el voltaje a través de la bobina a un valor seguro de ~ 0.7V. ¿Por qué es lento? Debido a que a ese nivel de voltaje (una caída directa de diodo) y con los valores habituales de resistencia directa, la potencia disipada es baja, por lo que lleva más tiempo convertir$E_L$

Usar un Zener es más rápido esencialmente porque permite que el voltaje de retroceso aumente más antes de sujetarlo. Por supuesto, el voltaje Zener debe elegirse para que no sea peligroso para el resto del circuito. Dado que la abrazadera ocurre a un voltaje más alto, y la resistencia dinámica de ruptura de un Zener también puede ser menor, la potencia disipada es mayor, por lo tanto, lleva menos tiempo convertir$E_L$

Si se pregunta qué sucede cuando la acción de la abrazadera cesa porque la corriente no es suficiente para mantener el Zener (o el diodo de la abrazadera) en descomposición (conducción), bueno, la respuesta es que probablemente oscilará, porque la energía DEBE convertirse, ya que La fuente de energía de la bobina se ha cortado y la energía almacenada depende de la corriente en la bobina. La bobina no "retendrá la energía" como lo haría un condensador, porque para que eso sea posible, una corriente debe fluir hacia la bobina misma. Por lo tanto, la energía restante encontrará otras formas de convertirse: capacitancia parásita y corriente de fuga de los diodos y capacitancia parásita de la propia bobina (por ejemplo). Es una especie de circuito de tanque no lineal no ideal, que exhibirá oscilaciones amortiguadas hasta que la energía se convierta por completo en calor.

EDITAR

(En respuesta a un comentario de @supercat)

Aquí hay algunos resultados de una simulación de circuito concebida apresuradamente usando LTspice que muestra la oscilación amortiguada que puede surgir en una situación similar a la descrita anteriormente.

El análisis transitorio produce los siguientes gráficos:

Si ampliamos las partes interesantes tenemos:

En la siguiente gráfica extremadamente ampliada, puede observar la frecuencia estimada de las oscilaciones (he mejorado la imagen para mostrar dónde se colocan los cursores LTspice).

Aaaah, electrónica, es una amante confusa y cruel.

Sin embargo, lo hace divertido.

La cuestión aquí es la velocidad de reacción de los diferentes componentes del problema y / o solución.

Primero: el voltaje directo de un diodo y la corriente directa están vinculados. Cuanto mayor sea el voltaje que puede suministrar a través de él, más fácil fluirá la corriente.

Segundo: una bobina que tiene una corriente que fluye y luego se apaga reacciona increíblemente rápido. Si la corriente no puede llegar a ninguna parte dentro de fracciones de fracciones de un microsegundo, puede aumentar hasta voltajes insoportables (100, si no 1000).

Entonces, agregar una resistencia en serie es un pequeño y agradable truco, para ajustar ligeramente la respuesta, permite que el voltaje de la bobina aumente un poco más antes de que el diodo comience a gotear la potencia. Pero entonces, la resistencia también está en el camino actual, impidiendo su propia ayuda, por lo que realmente es una solución inferior.

El diodo zener, sin embargo, oh, son mágicos. Una vez que alcanza el voltaje de ruptura, realmente ... bueno ... ¡se rompe! La curva de voltaje-corriente de un diodo zener en la ruptura es mucho más impresionante, esto tiene que ver con la compresión del campo de bloqueo una vez que la corriente es capaz de fluir, si se me permite parafrasear un libro de 380 páginas.

Entonces, una vez que alcanza la conductancia zener, la corriente realmente puede desaparecer en un instante y, como mencioné, para la bobina que alcanza la conductancia zener es pan comido.

Con respecto al voltaje zener, la diferencia en esta aplicación entre 3V y 6V es más pronunciada que la diferencia entre 6V y 12V y así sucesivamente. Por lo general, la regla de Vz> 2 * VCC es lo suficientemente buena como para garantizar un apagado rápido. Más importante es que tu zener pueda manejar el pico actual.

La razón por la cual los zeners no son tan populares como los diodos normales para protección es su capacidad de manejo actual y destruir su dispositivo de protección es un poco frustrante.

Terminaré ahora, ya que todavía tengo que hacer compras antes de aventurarme en Alemania.

EDITAR: PD: 10 veces por segundo no es un requisito de alta velocidad. El apagado de alta velocidad para un relé es del orden de milisegundos o menos. Se olvidó de hacer este punto en la parte superior antes de publicar. Y el apagado de alta velocidad no interferirá con un nuevo encendido.

En orden, sus preguntas:

1. Se descompondrá muy rápidamente, milisegundos como máximo. De hecho, el voltaje no llega a cero instantáneamente porque es un circuito de tanque LC, en su mayoría con capacitancia distribuida por bobina, pero también con capacitancia parásita y transistor, por lo que sonará a alta frecuencia. La bobina tiene una resistencia significativa, por lo que la Q es baja y el timbre se amortigua rápidamente.

2. Si espera más de 10 ms, no afectará la próxima operación de manera práctica.

3. Un Vz más alto es más difícil en el transistor pero un apagado más rápido. El encendido no se ve afectado notablemente (existen otros trucos para mejorar la velocidad de encendido). Si va más bajo Vz que el voltaje de suministro de energía máximo posible (el peor de los casos) más una caída de diodo, el diodo zener se conducirá cuando la bobina esté 'encendida', probablemente destruyendo el zener y el transistor. El circuito de la derecha no tiene ese problema (pero una sobretensión sostenida podría causar el sobrecalentamiento del diodo Zener).