Was verhindert, dass die Rückschlagspannung eine unendliche Spannung erreicht?

Wir wissen, dass die Spannung über einem Induktor durch die Formel definiert ist:

$V = L * \frac {di}{dt}$

In dem Fall, in dem der Stromfluss plötzlich unterbrochen wird (wie beim Öffnen eines mechanischen Kontakts), treten im wirklichen Leben Spannungsspitzen auf.

Dies ist jedoch nicht immer der Fall: Bei kleinen induktiven Lasten treten keine Lichtbögen auf. (Mit kleinen induktiven Lasten meine ich zum Beispiel einen Spielzeugautomotor.) Die Formel besagt jedoch, dass der Term beim Öffnen mechanischer Kontakte gegen unendlich gehen sollte, daher der Term (der klein sein sollte) bei kleinen induktiven Lasten) sollte keinen signifikanten Effekt haben. Wir sollten einfach jedes Mal Funken sehen können, wenn wir eine induktive Last öffnen - unabhängig von der Induktivität.$\frac{di}{dt}$$L$

Was sind die praktischen Faktoren, die verhindern, dass die Spannung unendlich wird? Verringert sich der Stromfluss tatsächlich langsamer oder reicht die Formel für eine solche "Diskontinuität" möglicherweise nicht aus?

Ein echter Induktor sieht so aus (unten gezeigt ist ein Induktor mit 4 Spulen). Zwischen jeder Spule befindet sich eine kleine Menge (normalerweise im pF-fF-Bereich) Kapazität. Mit jedem Drahtstück ist auch ein Widerstand verbunden.

Da jede Spule in einem Induktor einen Widerstand hat (oder jeder Drahtabschnitt, wenn Sie eine Spule betrachten), behindert dies den Strom und verringert die Spannung. Die geringe Kapazität speichert auch einen Teil der Spannung und verhindert eine sofortige Spannungsänderung.

Diese alle nehmen Energie auf, die verhindert, dass die um einen Induktor gespeicherte Electro Motive Force (EMF) eine unendliche Spannung erzeugt. Ein Induktor kann tatsächlich zu einer Schaltung wie der links unten vereinfacht werden.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Eine supraleitende Spule könnte aufgrund viel geringerer Verluste aufgrund von Parasiten viel massivere Spannungen erzeugen .

Jedes Energiespeichersystem (ein Induktor) hat eine Größe ungleich Null.

Alles, was nicht ungleich Null ist, hat elektrische Felder oder Kapazitäten ungleich Null. Geräteübergänge sind normalerweise eine große Quelle für parasitäre Kapazität. Flyback-Systeme verwenden eine Diode, um Energie in einen Lastkondensator zu übertragen.

Bei der Spitzenspannungsauslenkung wurde die gesamte induktive Energie (1) abgeführt, während Wärme (2) abgestrahlt wurde, während das EM-Feld (3) im elektrischen Feld der beabsichtigten und der parasitären Kapazität gespeichert wurde.

Der Serienwiderstand spielt bei der "Kickback" -Spannung aufgrund der Serienkapazität des "Schalters" beim Öffnen eine große Rolle. Dies bildet einen klassischen Serien-RLC-Resonanzkreis, der Eigenschaften der Spannungsverstärkung durch Impedanzverhältnis von aufweist

$Q=\dfrac{|X_C|}{R} = \dfrac{|X_L|}{R}=\dfrac{\omega _0 L}{R}$$\omega _0= \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$

$|V_p| = Q * V_{dc}$ für Qualitätsfaktor Q (oben) und Schleifenversorgungsspannung Vdc bei einer Resonanzfrequenz.

Wenn ein Stromkreis mit einem Kontaktschalter abgeschaltet wird, während t auf 0 geht, ist V / L = dI / dt, V aufgrund dieser parasitären Kapazität nicht ins Unendliche.

Beispiel

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Beispiel: Betrachten Sie eine Reihenschaltung, Vdc = 1 V, L = 1 uH, R = 1 Ohm, Idc = 1A . Was ist der Rückschlag der Schalterspannung, wenn gerade geöffnet, wenn Csw = 1pF ?

1 V, 100 V, 1 kV, 1e6 V oder unendlich?

Betrachten Sie nun dasselbe für einen FET-Schalter mit 1 nF Ausgangskapazität mit RdsOn << 1% von R = 1. Was ist dV?

ps Wenn du etwas gelernt hast, dann kommentiere deine Antwort.

Die intuitive Antwort ist, dass der Schalter von einem Leiter zu einem winzigen Streukondensator geht, der die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung begrenzt, und ebenso wie der Induktor die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms begrenzt und bei ihrer Resonanzfrequenz die Spannungsverstärkung Q bei ω0 umgekehrt ist proportional zu R, so dass eine größere Serie R die Spannung dämpft.

$V_p= I_{dc} \sqrt{\dfrac{L}{C}}$

Sonstiges

$Zo= \sqrt{\dfrac{L}{C}}$

$V_p = I_{dc}*Z_0$$I_{dc}$

Stellen Sie sich ein einfaches Beispiel für einen Strom von 100 uH und 1 Ampere vor. Wenn sich der Kontakt in Reihe mit dem Induktor öffnet, sind möglicherweise noch 5 pF parasitäre Kapazität über dem Induktor vorhanden, und dieser 1 Ampere erzeugt eine hohe Rückschlagspannung, aber wie viel?

Daher könnte die Spannung am 5-pF-Kondensator möglicherweise (ohne Wortspiel beabsichtigt) mit einer Geschwindigkeit von 200 kV / Mikrosekunde ansteigen. Da die Startspannung im Vergleich möglicherweise vernachlässigbar ist, kann sich innerhalb weniger Mikrosekunden eine ziemlich große Spannung entwickeln. Dies wird jedoch durch den Mangel an im Induktor gespeicherter Energie gemildert:

Oder 5 Mikrojoule. All diese Energie wird zyklisch auf den Kondensator übertragen und wir können die Kondensator-Energieformel mit 5 uJ gleichsetzen, um die maximale Spannung zu erhalten:

Dies erzeugt eine Spitzenkondensatorspannung von 1414 Volt.