Электроника:Полупроводники/Диоды и выпрямители/Схемы коммутации индуктивных нагрузок

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Схемы фиксаторов уровня[1]

Диоды широко используются для уменьшения т.н. «индуктивной отдачи»: импульсов высокого напряжения, возникающих при прерывании постоянного тока, проходящего через катушку индуктивности.

Отсутствие защиты от индуктивной отдачи

Возьмём, к примеру, вот эту простую схему, в которой индуктивная отдача есть, но защиты от неё нет:

Рис. 1. Как возникает индуктивная отдача: (а) Сначала переключатель разомкнут. (б) Если замкнуть переключатель замкнут, ток потечёт от батареи через катушку, полярность которой соответствует батарее. Магнитное поле катушки сохранит энергию. (в) Если снова разомкнуть переключатель, ток все ещё течёт в катушке из-за коллапса магнитного поля. Обратите внимание – полярности катушки изменилась. (г) График зависимости напряжения на катушке от времени.

Когда кнопочный переключатель приводится в действие, ток проходит через индуктивный элемент, создавая возле него магнитное поле. Если деактивировать переключатель, разомкнув его контакты, это прервёт течение тока через индуктор, вызывая быстрое схлопывание магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцированное в проволочной катушке, прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока с течением времени (закон Фарадея: e = N×dΦ/dt), этот быстрый коллапс магнетного поля вокруг катушки вызывает «всплеск» высокого напряжения.

Если рассматриваемый индуктор – электромагнитная катушка (например, соленоиде или реле, сконструированноме с целью создания физической силы через его магнитное поле при включении питания), эффект индуктивной «отдачи» не служит никакой полезной цели. Фактически, это очень вредно для переключателя, так как вызывает чрезмерное искрение на его контактах, что значительно сокращает срок службы.

Защита от индуктивной отдачи

На практике проще всего смягчить переходные процессы высокого напряжения, возникающих при размыкании переключателя, это если применить так называемый коммутирующий диод:

Рис. 2. Как работает защита от индуктивной отдачи: (а) Сначала переключатель разомкнут. (б) При замыкании переключателя энергия накапливается в магнитном поле катушки. (в) Если снова разомкнуть переключатель, индуктивная отдача закорочена диодом.

В этой схеме диод размещён параллельно катушке, так что он будет включён в обратном направлении, когда на катушку через переключатель будет подаваться постоянное напряжение. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток на рисунке 2.б выше.

Однако, когда переключатель разомкнут, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока, индуцируя напряжение обратной полярности, чтобы поддерживать ток на той же величине и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке включает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для тока катушки индуктивности, так что запас энергии рассеивается медленно, а не внезапно, как показано на рисунке 1.в выше.

В результате напряжение, индуцированное в катушке коллапсирующим магнитным полем, довольно низкое: просто прямое падение напряжения на диоде, а не сотни вольт, как раньше. Таким образом, контакты переключателя испытывают падение напряжения, равное напряжению батареи плюс около 0,7 В (если диод кремниевый) в течение времени разрядки.

Коммутирующий диод

Говоря языком электроники, коммутация – это изменение полярности напряжения или направления тока на противоположное. Таким образом, назначение коммутирующего диода – действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушку индуктивности, когда ток через нее прерывается. Менее формальный термин для коммутирующего диода – демпфер (дословный перевод с английского – «подавитель» или «понижатель»), потому что он «подавляет» («понижает») индуктивную отдачу.

Недостатки коммутирующего диода

Заслуживающий внимания недостаток этого метода – дополнительное время, которое он даёт разрядке катушки. Поскольку наведённое напряжение ограничено очень низким значением, скорость изменения магнитного потока с течением времени сравнительно мала. Как вы прекрасно помните, закон Фарадея описывает скорость изменения магнитного потока (dΦ/dt) как пропорциональную индуцированному мгновенному напряжению (e или v). Если мгновенное напряжение ограничено некоторым низким значением, то скорость изменения магнитного потока с течением времени также будет ограничена низким (медленным) значением.

Если обмотка электромагнита «ограничена» коммутирующим диодом, магнитное поле будет рассеиваться относительно медленно по сравнению с исходным сценарием (без диода), где поле исчезало почти мгновенно после отпускания переключателя. Рассматриваемое время, скорее всего, будет меньше одной секунды, но это будет значительно медленнее, чем без коммутирующего диода. В некоторых ситуациях это может быть недопустимым, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, потому что реле будет обладать естественной «временно́й задержкой» при обесточивании катушки, а нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым частям электрической схемы.

Идеальная работа с коммутирующим диодом

Увы, не получится устранить высоковольтный переходный процесс индукционной отдачи и при этом обеспечить быстрое размагничивание катушки: закон Фарадея не обойти. Однако, если медленное размагничивание неприемлемо, можно найти компромисс между переходным напряжением и временем, позволив напряжению катушки подняться до некоторого более высокого уровня (но не настолько высокого, как без коммутирующего диода). Схема ниже показывает, как это можно сделать:

Рис. 3. (а) Коммутирующий диод с последовательным резистором. (б) Волна напряжения. (в) Уровень без диода. (г) Уровень с диодом, но без резистора. (д) Компромиссный уровень и с диодом и резистором.

Резистор помещается последовательно с коммутирующим диодом, что позволяет индуцированному напряжению катушки достигнуть более высокого уровеня, чем прямое падение напряжения диода, тем самым ускоряя процесс размагничивания. Это, естественно, приведет к большему напряжению контактов переключателя, поэтому нужно подобрать такой резистор, чтобы ограничить это переходное напряжение на приемлемо максимальном уровне.

См.также

Внешние ссылки