Um diodo Zener que protege uma chave contra indutância quando a chave é aberta afeta a velocidade de ativação da válvula quando você a fecha novamente?

Como você provavelmente sabe, nas aplicações em que a velocidade de desligamento das válvulas solenóides é crucial, o diodo flyback simples não é eficaz. Algumas pessoas colocam um resistor em série com o diodo flyback para aliviar o problema, mas para aplicações muito rápidas, o diodo Zener é sugerido.

Você pode vê-lo na imagem (terceiro da esquerda).

Penso (mas não tenho certeza e, por favor, corrija-me se estiver errado) que a corrente flui através do circuito somente quando a tensão é maior que a tensão Zener V_z.

O que eu não entendo é:

1. O que acontece com a tensão na bobina menor que o V_z? Vai ficar lá? Em algum momento, a tensão cai sob V_z e a perna que contém o diodo está fora! Mas como a tensão restante pode afetar tudo no circuito? e a próxima vez que ligar o comando?

2. A pergunta mais importante: isso afetará o próximo turno de comando de maneira negativa? Para o meu aplicativo, preciso ativá-lo e desativá-lo 10 vezes por segundo (cerca de 5 ciclos de ativação / desativação)

3. E qual a diferença entre escolher um valor mais alto de V_z contra um valor mais baixo ?! Suponha que ele nunca atinja a voltagem segura do switch (MOSFET)? V_z mais baixo significa desligar mais devagar? Como V_z pode afetar tudo de maneira positiva / negativa?

Para sua informação, quero ativar / desativar o Airtec 2P025-08 com um Arduino. 12Vdc, 0,5 Ampères, Não conhece a indutância / resistência da bobina!

Apenas um pouco de teoria preliminar.

Como você provavelmente sabe, sem nenhum diodo de retorno, seja um retificador ou um Zener, você terá uma tensão de retorno (teoricamente infinita) do indutor (bobina da válvula, enrolamento do relé ou o que for) sempre que tentar interromper sua corrente abruptamente. Na realidade, o recuo não será infinito porque o pico provocará qualquer tipo de efeito desagradável no circuito em que está conectado: gerará arcos elétricos, acionará semicondutores em avarias destrutivas, fritará resistores ou perfurará capacitores dielétricos, etc.

Tudo isso na tentativa de se livrar da energia armazenada no indutor, que é

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

onde é a corrente instantânea no momento imediatamente antes do (tentado) desligamento.$I_L$

Colocar um retificador em paralelo com a bobina é a contramedida padrão de baixa velocidade, como você sabe. Supondo que o diodo possa suportar o pulso de corrente de irrupção gerado pelo contragolpe, ele prenderá a tensão através da bobina a um ~ 0,7V seguro. Por que é lento? Como nesse nível de tensão (uma queda direta do diodo) e com os valores usuais de resistência direta, a energia dissipada é baixa, portanto, leva mais tempo para converter em calor.$E_L$

O uso de um Zener é mais rápido, essencialmente porque permite que a tensão de retorno suba mais antes de prendê-la. Obviamente, a tensão do Zener deve ser escolhida para não ser perigosa para o resto do circuito. Como o grampo ocorre em uma tensão mais alta, e a resistência dinâmica de quebra de um Zener também pode ser menor, a potência dissipada é maior, portanto, leva menos tempo para converter em calor.$E_L$

Se você se pergunta o que acontece quando a ação do grampo cessa, porque a corrente não é suficiente para manter o Zener (ou o diodo do grampo) em avaria (condução), bem a resposta é que provavelmente oscilará, porque a energia DEVE ser convertida, pois a fonte de energia da bobina foi cortada e a energia armazenada depende da corrente na bobina. A bobina não "retém a energia" como um capacitor faria, porque, para isso, é possível que uma corrente flua para a própria bobina. Portanto, a energia restante encontrará outras maneiras de se converter: capacitância dispersa e corrente de fuga dos diodos e capacitância parasita da própria bobina (por exemplo). É uma espécie de circuito de tanque não linear não ideal, que exibirá oscilações amortecidas até que a energia seja completamente convertida em calor.

EDITAR

(Em resposta a um comentário de @supercat)

Aqui estão alguns resultados de uma simulação de circuito concebida às pressas usando LTspice mostrando a oscilação amortecida que pode surgir em uma situação semelhante à descrita acima.

A análise transitória produz os seguintes gráficos:

Se ampliarmos as partes interessantes, temos:

No gráfico a seguir extremamente ampliado, você pode observar a frequência estimada das oscilações (aprimorei a imagem para mostrar onde os cursores LTspice estão localizados).

Aaaah, eletrônica, é uma amante confusa e cruel.

Torna divertido embora.

A questão aqui é a velocidade de reação de diferentes componentes do problema e / ou solução.

Primeiro: a tensão direta e a corrente direta de um diodo estão ligadas. Quanto maior a tensão que você puder fornecer, mais fácil a corrente fluirá.

Segundo: Uma bobina que tem uma corrente fluindo e depois é desligada reage incrivelmente rápido. Se a corrente não puder chegar a lugar algum dentro de frações de frações de microssegundo, ela poderá atingir tensões insuportáveis ​​(100, se não 1000).

Portanto, adicionar um resistor em série é um pequeno truque, para ajustar levemente a resposta, permitindo que a tensão da bobina aumente um pouco mais antes que o diodo comece a driblar a energia. Mas então, o resistor também está no caminho atual, impedindo sua própria ajuda, portanto é realmente uma solução inferior.

O diodo zener, no entanto, eles são mágicos. Quando você atinge a tensão de ruptura, ela realmente ... bem ... quebra! A curva tensão-corrente de um diodo zener na ruptura é muito mais impressionante, isso é relacionado à compressão do campo de bloqueio quando a corrente puder fluir, se eu puder parafrasear muito mal um livro de 380 páginas.

Assim, quando você alcança a condutância zener, a corrente pode realmente desaparecer em um instante e, como mencionei, a bobina que atinge a condutância zener é um pedaço de bolo.

No que diz respeito à tensão do zener, a diferença nesta aplicação entre 3V e 6V é mais acentuada do que a diferença entre 6V e 12V e assim por diante. Geralmente, a regra de Vz> 2 * VCC é boa o suficiente para garantir um desligamento rápido. Mais importante é que seu zener possa lidar com o pico atual.

A razão pela qual os zeners não são tão populares quanto os diodos normais de proteção é sua capacidade de manuseio atual e destruir seu dispositivo de proteção é meio que derrotar um pouco a finalidade.

Vou terminar agora, já que ainda tenho que fazer compras antes de me aventurar na Alemanha.

EDIT: PS: 10 vezes por segundo não é um requisito de alta velocidade. O desligamento de alta velocidade de um relé é da ordem de mili segundos ou menos. Esqueceu-se de fazer esse ponto no topo antes de postar. E o desligamento em alta velocidade não interfere com o novo acionamento.

Em ordem, suas perguntas:

1. Decairá muito rapidamente, no máximo em milissegundos. De fato, a tensão não chega a zero instantaneamente, porque é um circuito de tanque LC, principalmente com capacitância distribuída por bobina, mas também capacitância dispersa e de transistor, para que 'toque' em alta frequência. A bobina possui resistência significativa, portanto o Q é baixo e o toque rapidamente diminui.

2. Se você esperar mais do que 10ms, isso não afetará a próxima operação de maneira prática.

3. Um Vz mais alto é mais difícil no transistor, mas é mais rápido. A ativação não é afetada de maneira aceitável (existem outros truques para melhorar a velocidade de ativação). Se você diminuir o valor de Vz da tensão máxima de fornecimento de energia possível (na pior das hipóteses), mais uma queda de diodo, o diodo zener será conduzido quando a bobina estiver ligada, provavelmente destruindo o zener e o transistor. O circuito do lado direito não tem esse problema (mas uma sobretensão sustentada pode causar o superaquecimento do diodo Zener).