Inductor-commuterende circuits

Een populair gebruik van diodes is voor het verminderen van inductieve "terugslag":de pulsen van hoge spanning die worden geproduceerd wanneer gelijkstroom door een inductor wordt onderbroken.

Inductieve terugslag zonder bescherming

Neem bijvoorbeeld deze eenvoudige schakeling in de onderstaande afbeelding zonder bescherming tegen inductieve terugslag.

Inductieve terugslag:(a) Schakelaar open. (b) Schakelaar gesloten, stroom vloeit van batterij door spoel met batterij die overeenkomt met polariteit. Magnetisch veld slaat energie op. (c) Schakelaar open, stroom vloeit nog steeds in spoel vanwege instortend magnetisch veld. Let op polariteitsverandering op spoel. (d) Spoelspanning versus tijd.

Wanneer de drukknopschakelaar wordt bediend, gaat er stroom door de inductor, waardoor er een magnetisch veld omheen wordt geproduceerd. Wanneer de schakelaar wordt gedeactiveerd, gaan de contacten open, waardoor de stroom door de inductor wordt onderbroken en het magnetische veld snel instort. Omdat de spanning die in een draadspoel wordt geïnduceerd, recht evenredig is met de snelheid van verandering na verloop van tijd van magnetische flux (wet van Faraday:e =NdΦ/dt), produceert deze snelle ineenstorting van magnetisme rond de spoel een hoogspanningspiek.

Als de spoel in kwestie een elektromagneetspoel is, zoals in een solenoïde of relais (geconstrueerd met het doel een fysieke kracht te creëren via het magnetische veld wanneer deze wordt geactiveerd), heeft het effect van inductieve "terugslag" geen enkel nut. In feite is het behoorlijk schadelijk voor de schakelaar, omdat het overmatige boogvorming bij de contacten veroorzaakt, waardoor hun levensduur aanzienlijk wordt verkort.

Inductieve terugslag met bescherming

Van de praktische methoden voor het verminderen van de hoogspanningstransiënt die ontstaat wanneer de schakelaar wordt geopend, is er geen zo eenvoudig als de zogenaamde commuterende diode in onderstaande afbeelding.

Inductieve terugslag met beveiliging:(a) Schakelaar open. (b) Schakelaar gesloten, energie opslaand in magnetisch veld. (c) Schakelaar open, inductieve terugslag is kortgesloten door diode.

In dit circuit wordt de diode parallel aan de spoel geplaatst, zodat deze in sperrichting wordt voorgespannen wanneer via de schakelaar gelijkspanning op de spoel wordt aangelegd. Dus, wanneer de spoel wordt bekrachtigd, geleidt de diode geen stroom in de afbeelding hierboven (b).

Wanneer de schakelaar echter wordt geopend, reageert de inductantie van de spoel op de afname van de stroom door een spanning met omgekeerde polariteit te induceren, in een poging om de stroom op dezelfde grootte en in dezelfde richting te houden. Deze plotselinge omkering van de spanningspolariteit over de spoel zorgt voor een voorwaartse spanning van de diode en de diode zorgt voor een stroompad voor de stroom van de inductor, zodat de opgeslagen energie langzaam wordt gedissipeerd in plaats van plotseling in de bovenstaande afbeelding (c).

Als gevolg hiervan is de spanning die in de spoel wordt geïnduceerd door het instortende magnetische veld vrij laag:alleen de voorwaartse spanningsval van de diode, in plaats van honderden volt zoals voorheen. De schakelcontacten ervaren dus een spanningsval gelijk aan de batterijspanning plus ongeveer 0,7 volt (als de diode silicium is) tijdens deze ontladingstijd.

Commuterende diode

In elektronica-taal, commutatie verwijst naar de omkering van de spanningspolariteit of stroomrichting. Dus het doel van een commuterende diode moet optreden wanneer de spanning de polariteit omkeert, bijvoorbeeld op een inductorspoel wanneer de stroom erdoor wordt onderbroken. Een minder formele term voor een commuterende diode is snubber , omdat het de inductieve terugslag "afstompt" of "onderdrukt".

Nadelen van een woon-werkdiode

Een opmerkelijk nadeel van deze methode is de extra tijd die het geeft aan de ontlading van de spoel. Omdat de geïnduceerde spanning op een zeer lage waarde wordt vastgeklemd, is de snelheid van magnetische fluxverandering in de tijd relatief langzaam. Onthoud dat de wet van Faraday de veranderingssnelheid van de magnetische flux (dΦ/dt) beschrijft als evenredig met de geïnduceerde, momentane spanning (e of v ). Als de momentane spanning beperkt is tot een laag getal, zal de veranderingssnelheid van de magnetische flux in de loop van de tijd eveneens beperkt zijn tot een laag (langzaam) getal.

Als een elektromagneetspoel wordt "afgestoten" met een commuterende diode, zal het magnetische veld relatief langzaam verdwijnen in vergelijking met het oorspronkelijke scenario (geen diode) waar het veld vrijwel onmiddellijk verdween na het loslaten van de schakelaar. De hoeveelheid tijd in kwestie zal hoogstwaarschijnlijk minder dan een seconde zijn, maar het zal meetbaar langzamer zijn dan zonder een commuterende diode. Dit kan een onaanvaardbaar gevolg zijn als de spoel wordt gebruikt om een ​​elektromechanisch relais aan te sturen, omdat het relais een natuurlijke "tijdvertraging" zal hebben bij het uitschakelen van de spoel, en een ongewenste vertraging van zelfs maar een fractie van een seconde kan grote schade aanrichten in sommige circuits.

Ideale werking met een commuterende diode

Helaas kan men de hoogspanningstransiënt van inductieve terugslag niet elimineren en zorg voor een snelle demagnetisering van de spoel:de wet van Faraday wordt niet geschonden. Als langzame demagnetisatie echter onaanvaardbaar is, kan een compromis worden bereikt tussen tijdelijke spanning en tijd door de spanning van de spoel naar een hoger niveau te laten stijgen (maar niet zo hoog als zonder een commuterende diode). Het schema in onderstaande afbeelding laat zien hoe dit kan worden gedaan.

(a) Commuterende diode met serieweerstand. (b) Spanningsgolfvorm. (c) Niveau zonder diode. (d) Niveau met diode, geen weerstand. (e) Compromisniveau met diode en weerstand.

Een weerstand die in serie is geplaatst met de commuterende diode zorgt ervoor dat de geïnduceerde spanning van de spoel stijgt tot een niveau dat groter is dan de voorwaartse spanningsval van de diode, waardoor het proces van demagnetisatie wordt versneld. Dit zal natuurlijk de schakelcontacten onder grotere spanning plaatsen, en dus moet de weerstand worden gedimensioneerd om die tijdelijke spanning op een acceptabel maximumniveau te beperken

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad DC-motortheorie
• Werkblad Diversen Diode Toepassingen