当开关打开时保护开关免受电感影响的齐纳二极管会影响再次关闭阀门时的开启速度吗?

电器工程 齐纳 飞回来 电磁阀
2022-01-18 05:45:27

您可能知道,在对电磁阀关断速度至关重要的应用中,简单的反激二极管是无效的。有些人将电阻与反激二极管串联以缓解问题,但对于真正的快速应用,建议使用齐纳二极管。

您可以在图片中看到它(左起第三个)。 保护电磁阀的齐纳二极管

我认为(但我不确定,如果我错了请纠正我)只有当电压高于齐纳电压 V_z 时,电流才会流过环路。

我不明白的是:

  1. 线圈中的电压低于 V_z 会怎样?它会留在那里吗?我的意思是在某些时候,电压会下降到 V_z 之下,并且包含二极管的支路已经熄灭!但是剩余的电压怎么会影响电路中的一切呢?和下一个打开命令?

  2. 最重要的问题:它是否会对下一次开启命令产生负面影响?对于我的应用程序,我需要每秒打开和关闭 10 次(大约 5 个开/关周期)

  3. 选择较高的 V_z 值与较低的值之间的权衡是什么?!假设它永远不会达到开关 (MOSFET) 的安全电压?较低的 V_z 是否意味着较慢的关闭?V_z 如何以积极/消极的方式影响一切?

仅供参考,我想 用 Arduino 打开/关闭Airtec 2P025-0812Vdc,0.5 安培,不知道线圈的电感/电阻!

3个回答

只是一点初步的理论。

您可能知道,如果没有任何反激二极管,无论是整流器还是齐纳二极管,当您尝试突然中断其电流时,您都会从电感器(阀线圈、继电器绕组或其他任何东西)获得(理论上无限的)反冲电压。实际上,回扣不会是无限的,因为尖峰会在它所连接的电路中触发任何类型的不良影响:它会产生电弧,它会驱动半导体破坏性击穿,它会烧毁电阻器或击穿电容器电介质,等等。

所有这些都是为了摆脱存储在电感器中的能量,即

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

其中 \$I_L\$ 是(尝试)关闭之前的瞬时电流。

如您所知,将整流器与线圈并联是标准的低速对策。假设二极管可以承受反冲产生的浪涌电流脉冲,它将把线圈两端的电压钳制在安全的~0.7V。为什么慢?因为在该电压水平(二极管正向压降)和通常的正向电阻值下,耗散的功率很低,因此将 \$E_L\$ 转换为热量需要更多时间。

使用齐纳二极管本质上更快,因为它允许反冲电压在钳位之前上升更多。当然,必须选择齐纳电压,以免对电路的其余部分造成危险。由于钳位发生在较高的电压下,齐纳二极管的击穿动态电阻也可能较低,因此耗散功率较大,因此将 \$E_L\$ 转换为热量所需的时间更短。

如果您想知道当钳位动作停止时会发生什么,因为电流不足以使齐纳二极管(或钳位二极管)保持击穿(导通),那么答案是它可能会振荡,因为必须转换能量,因为线圈的电源已被切断,储存的能量取决于线圈中的电流。线圈不会像电容器那样“保持能量”,因为要做到这一点,电流应该流入线圈本身。因此,剩余的能量将找到其他方式进行转换:二极管的杂散电容和漏电流以及线圈本身的寄生电容(例如)。它是一种非理想的非线性储能电路,在能量完全转化为热量之前会表现出阻尼振荡。

编辑

(回应@supercat 的评论)

这是使用 LTspice 仓促构思的电路仿真的一些结果,显示了在类似于上述情况的情况下可能出现的阻尼振荡。

在此处输入图像描述

瞬态分析产生以下图:

在此处输入图像描述

如果我们放大我们拥有的有趣部分:

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

在以下极度放大的图中,您可能会注意到估计的振荡频率(我已经增强了图像以显示 LTspice 光标的放置位置)。

在此处输入图像描述

啊,电子产品,这是一个令人困惑和残忍的情妇。

不过让它很有趣。

这里的问题是问题和/或解决方案的不同组成部分的反应速度。

第一:二极管的正向电压和正向电流是相关联的。您可以提供的电压越高,电流就越容易流动。

第二:有电流流动然后关闭的线圈反应非常快。如果电流在几分之一微秒内无处可去,则它可能会飙升至无法承受的电压(如果不是 1000 秒,也可以是 100 秒)。

因此,串联一个电阻器是一个不错的小技巧,可以稍微调整响应,它允许线圈电压在二极管开始消耗功率之前进一步增加一点。但是,电阻器也在电流路径中,阻碍了它自己的帮助,所以它确实是一个劣质的解决方案。

然而,齐纳二极管,哦,它们很神奇。一旦你达到击穿电压,它真的......好吧..击穿!齐纳二极管击穿时的电压-电流曲线更令人印象深刻,这与一旦电流能够流动时阻断场的压缩有关,如果我被允许非常糟糕地解释一本 380 页的书的话。

因此,一旦达到齐纳电导,电流就可以立即消失,正如我所提到的,因为线圈达到齐纳电导是小菜一碟。

关于齐纳电压,本应用中 3V 和 6V 之间的差异比 6V 和 12V 之间的差异等更明显。通常 Vz > 2*VCC 的规则足以保证快速关闭。更重要的是您的齐纳二极管可以处理电流尖峰。

齐纳二极管不像普通二极管那样受欢迎的原因是它们的电流处理能力,破坏你的保护装置有点违背目的。

我现在要结束了,因为在去德国之前我还得去购物。

编辑: PS:每秒 10 次不是高速要求。继电器的高速关闭大约为一毫秒或更短。在发布之前忘记在顶部说明这一点。并且高速关闭不会干扰新的开启。

按顺序,您的问题:

  1. 它会很快衰减,最多几毫秒。事实上,电压不会立即变为零,因为它是一个 LC 谐振电路,主要具有线圈分布电容,但也有杂散电容和晶体管电容,因此它会在高频下“振铃”。线圈具有很大的电阻,因此 Q 值很低,振铃很快就会减弱。

  2. 如果您等待超过 10 毫秒,则不会以任何实际方式影响下一次操作。

  3. 较高的 Vz 对晶体管来说更难,但关断速度更快。开机没有明显影响(还有其他提高开机速度的技巧)。如果 Vz 低于最大可能的电源电压(最坏情况)加上二极管压降,则齐纳二极管将在线圈“导通”时导通,可能会破坏齐纳二极管和晶体管。右侧电路没有这个问题(但持续的过压可能导致齐纳二极管过热)。