Kann der induktive Kick in diesem Beispiel ohne Freilaufdiode entladen werden?

In der Literatur wird häufig die Verwendung einer Freilaufdiode verwendet, um die Schaltung vor dem induktiven Tritt zu schützen, wenn der Schalter von geschlossen nach offen wechselt (Abb. 1). Was wären jedoch die Vor- und Nachteile einer Entladung der Energie über eine Zenerdiode zur Erde (Abb. 2)? Ich habe das in der Praxis noch nie gesehen und frage mich warum.

Es wird häufig in Anwendungen wie der Betätigung von Kraftstoffeinspritzmagneten verwendet, bei denen es wichtig ist, das Magnetfeld so schnell wie möglich zu kollabieren.

Bearbeiten: Siehe zum Beispiel den Treiber-IC des Kraftstoffeinspritzventils LM1949 , der eine externe 33-V-5-W-Zenerdiode zeigt. Der typische Einschaltzeitpunkt beträgt 2,5 bis 3,5 ms, und eine typische Induktivität liegt im Bereich von ~ 2 mH.

Es ist auch möglich, einen Lawinen-MOSFET zu verwenden oder einen Zener vom MOSFET-Drain zum Gate hinzuzufügen, um eine Klemmung bei einer vorbestimmten Spannung zu verursachen. Siehe zum Beispiel das Leistungsschieberegister TPIC6C595 von TI . Ein großer Vorteil in diesem speziellen Fall ist, dass ein Pin am IC gespeichert wird.

Da in einem aktiven Gerät mehr Energie abgeführt wird, ist dies für den Schaltkreis schwieriger. Wenn Sie eine Diode verwenden, geht der größte Teil der Energie im Spulenwiderstand verloren und nur eine geringe Menge geht in der Diode verloren.

Sie können auch einfach einen Widerstand in Reihe mit der normalen Flyback-Diode schalten. Da der Spitzenstrom der gleiche ist wie der Strom vor dem Ausschalten, ist die Spitzenspannung die Versorgungsspannung plus ein Diodenabfall plus der Strom mal dem Serienwiderstand. Die Diode ist nicht erforderlich, um die Spannung zu begrenzen, verhindert jedoch, dass der Widerstand Strom abführt, während die Spule erregt ist.

Bearbeiten: (unten ist eine Simulation der 1mH-Induktivität mit 1 Ohm Serienwiderstand und 10A Gleichrichter, kurz nachdem 10A Strom abgeschaltet wurde)

Die rosa Spur ist der Diodenstrom, die Cyan-Spur ist die Leistung im Spulenwiderstand, die rote Spur ist die Leistung in der Diode. Die Kraft eines Solenoids ist mehr oder weniger proportional zum Spulenstrom (und damit zum Diodenstrom) (rosa Kurve).

Integrierte Energie für den Gleichrichter: 7,7681 mJ Integrierte Energie für die Spule: 41,844 mJ

Zur Kontrolle: Die im Magnetfeld gespeicherte Gesamtenergie beträgt offensichtlich 50 mJ, und die beiden addieren sich zu 49,6 mJ, ziemlich nahe. Ich habe ein echtes MOSFET-Modell für den Schalter verwendet

Zum Vergleich: Wenn Sie die Diode entfernen und einen 36-V-Zener über den Transistor legen, fällt der Strom in etwa 350 us statt 2,5 ms auf Null ab, was einer Verbesserung von 7: 1 entspricht. Der Zener sieht jedoch eine Spitzenleistung von 360 W und absorbiert den größten Teil der gespeicherten Leistung Energie.

Im Vergleich zu (1), wo die Diode in Vorwärtsrichtung leitet, bricht die Zenerdiode in (2) in umgekehrter Richtung zusammen, um dem Induktor einen größeren Spannungsabfall zu präsentieren, der beim Treten als Stromquelle wirkt. Dies entzieht dem Magnetfeld schneller Energie und kollabiert sie daher schneller.

Meines Wissens nach hilft dies dabei, die Magnetspulen schneller zurückzusetzen (weil es das Magnetfeld, das den Elektromagneten hält, schneller abbricht), scheint jedoch in PWM-Szenarien eine unnötige Energieverschwendung zu sein, da Sie nur die gesamte im Magnetfeld gespeicherte Energie ablassen, um sie sofort aufzubauen wieder auf. Als würde man zu einem roten Licht eilen und auf die Bremse treten, um wieder von Null zu beschleunigen, anstatt zum roten Licht zu rollen, damit Sie immer noch etwas Schwung haben, wenn das Licht grün wird

Ein Unterschied, der signifikant sein könnte, besteht darin, dass in 2 der Entladestrom durch die Stromversorgung fließt, wodurch die Gesamtenergieaufnahme erhöht wird, aber auch die Änderung des Versorgungsstroms verlangsamt wird.

Wenn die Spule häufig ein- und ausgeschaltet wird, kann Abb. 2 den Stromverbrauch verdoppeln. Dies ist keine gute Lösung bei Verwendung von PWM.

Andererseits löscht die Diode in Fig. 1 die EMK-Spannung über der Spule selbst zurück, jedoch nicht in der zu ihr führenden Verkabelung. Wenn die Stromkabel lang sind, können sie eine erhebliche Induktivität aufweisen. Der schnelle Versorgungsstromabfall, der beim Ausschalten auftritt, kann eine Hochspannungsspitze induzieren, die den Schalttransistor belastet.

In einer Schaltung, die die Spule selten abschaltet, könnte Fig. 2 den Transistor mit weniger Teilen besser schützen. Ein weiterer möglicher Vorteil besteht darin, dass Sie keine Diode über einer Spule hinzufügen müssen, die sich möglicherweise an einem schwer erreichbaren entfernten Ort befindet.

Es hängt davon ab, wozu die Spule dient und was sie tun soll. Bei Relais wird häufig ein 100-Ohm-Widerstand über die Spule gelegt, um die Energie zu dämpfen. Das Relais kann jedoch schnell geöffnet / geschlossen werden. Wenn die Spule Teil eines Aktuators ist und die Spule pulsbreitenmoduliert ist, wird eine Diode darüber platziert, wie Sie gezeigt haben. Wenn Sie den Zener mit Masse verbinden, steigt die induktive Spannung an, bis der Zener ihn festklemmt. Versuchen Sie, die Schaltung in LT Spice (kostenlos) zu modellieren, und sehen Sie, was passiert.

Die Zeitdauer, die der Strom in der Induktivität benötigt, um auf Null abzufallen, kann verringert werden, indem entweder ein Widerstand oder ein Zener in Reihe mit der normalerweise gesehenen Freilaufdiode geschaltet werden.

Die normalerweise gesehene Freilaufdiode wird weiterhin benötigt, da sie die Leitung durch den Widerstand oder den in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zener stoppt, wenn der Transistor eingeschaltet ist.

Der Wert des Widerstands würde unter Berücksichtigung des maximalen Stroms des Widerstands (gleich dem Induktorstrom beim Einschalten des Transistors) und der maximalen Vce-Bewertung des Transistors berechnet. Die maximale induzierte Spannung, die über dem Widerstand erzeugt wird, würde dann (durch Auswahl des Widerstandswerts) auf Vce (max) - Vsupply begrenzt. Dies ermöglicht dann, weil di / dt = V / L, den schnellsten Abfall des Induktorstroms mit der zusätzlichen Widerstandstechnik.

Um einen noch schnelleren Stromabfall zu ermöglichen. Ein Zener wird hinzugefügt (anstelle eines Widerstands). Die Zener-gesteuerte Stromreduzierungsrate ist schneller als die Additionswiderstandsreduzierungsrate, da der Zener die induzierte Gegen-EMK konstant hält (über einen Großteil der Stromabfallperiode) und daher der Strom mit der Additionswiderstandstechnik linear (schneller) abfällt Die induzierte Gegen-EMK wird nicht konstant gehalten, sondern fällt exponentiell ab. Daher fällt der Strom des Induktors auch exponentiell ab, was bedeutet, dass es länger dauert, bis er auf Null abfällt.

Zusammenfassend: Die Freilaufdiode allein ist die langsamste, der hinzugefügte Widerstand schneller und der hinzugefügte Zener noch schneller.