Цепи коммутации индуктора

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

Индуктивная отдача без защиты

Возьмем, к примеру, эту простую схему на рисунке ниже без защиты от индукционной отдачи.

Индуктивная отдача:(a) Выключатель разомкнут. (b) Переключатель замкнут, ток течет от батареи через катушку, полярность которой соответствует батарее. Магнитное поле хранит энергию. (c) Переключатель разомкнут, ток все еще течет в катушке из-за коллапса магнитного поля. Обратите внимание на изменение полярности катушки. (d) Напряжение на катушке в зависимости от времени.

Когда кнопочный переключатель приводится в действие, ток проходит через индуктор, создавая вокруг него магнитное поле. Когда переключатель деактивирован, его контакты размыкаются, прерывая ток через индуктор и вызывая быстрое схлопывание магнитного поля. Поскольку напряжение, индуцированное в катушке с проволокой, прямо пропорционально скорости изменения с течением времени магнитного потока (закон Фарадея:e =NdΦ / dt) этот быстрый коллапс магнетизма вокруг катушки вызывает высоковольтный «всплеск».

Если рассматриваемая катушка индуктивности представляет собой катушку электромагнита, например, в соленоиде или реле (сконструированном с целью создания физической силы через его магнитное поле при включении питания), эффект индуктивной «отдачи» вообще не служит никакой полезной цели. Фактически, это очень вредно для переключателя, так как вызывает чрезмерное искрение на контактах, что значительно сокращает их срок службы.

Индуктивная отдача с защитой

Из практических методов смягчения переходных процессов высокого напряжения, возникающих при размыкании переключателя, нет такого простого, как так называемый коммутирующий диод . на рисунке ниже.

Индуктивная отдача с защитой:(a) Выключатель разомкнут. (b) Переключатель замкнут, энергия накапливается в магнитном поле. (c) Выключатель разомкнут, индуктивная отдача закорочена диодом.

В этой схеме диод размещен параллельно катушке, так что он будет иметь обратное смещение, когда на катушку через переключатель будет подаваться постоянное напряжение. Таким образом, когда катушка находится под напряжением, диод не проводит ток на рисунке выше (b).

Однако, когда переключатель разомкнут, индуктивность катушки реагирует на уменьшение тока, индуцируя напряжение обратной полярности, чтобы поддерживать ток такой же величины и в том же направлении. Это внезапное изменение полярности напряжения на катушке смещает диод в прямом направлении, и диод обеспечивает путь для тока катушки индуктивности, так что накопленная энергия рассеивается медленно, а не внезапно, как показано на рисунке выше (c).

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, на контактах переключателя в течение этого времени разряда происходит падение напряжения, равное напряжению аккумулятора плюс около 0,7 В (если диод кремниевый).

Коммутирующий диод

Говоря языком электроники, коммутация относится к изменению полярности напряжения или направления тока. Таким образом, назначение коммутирующего диода должен действовать всякий раз, когда напряжение меняет полярность, например, на катушку индуктивности, когда ток через нее прерывается. Менее формальный термин для коммутирующего диода - демпфер . , потому что он «подавляет» индуктивную отдачу.

Недостатки коммутирующего диода

Заслуживающий внимания недостаток этого метода - дополнительное время, которое он дает разряду катушки. Поскольку индуцированное напряжение ограничено очень низким значением, скорость изменения магнитного потока во времени сравнительно мала. Помните, что 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 с относительно медленной скоростью по сравнению с исходным сценарием (без диода), когда поле исчезало почти мгновенно после отпускания переключателя. Рассматриваемое время, скорее всего, будет меньше одной секунды, но оно будет значительно медленнее, чем без коммутирующего диода. Это может быть недопустимым последствием, если катушка используется для приведения в действие электромеханического реле, потому что реле будет обладать естественной «временной задержкой» при обесточивании катушки, а нежелательная задержка даже в доли секунды может нанести ущерб некоторым схемы.

Идеальная работа с коммутирующим диодом

К сожалению, невозможно исключить высоковольтный переходный процесс индуктивной отдачи и поддерживать быстрое размагничивание катушки:закон Фарадея не будет нарушен. Однако, если медленное размагничивание неприемлемо, можно найти компромисс между переходным напряжением и временем, позволив напряжению катушки подняться до некоторого более высокого уровня (но не такого высокого, как без коммутирующего диода). Схема на рисунке ниже показывает, как это можно сделать.

(а) Коммутирующий диод с последовательным резистором. (б) Форма волны напряжения. (c) Уровень без диода. (d) Уровень с диодом, без резистора. (e) Компромиссный уровень с диодом и резистором.

Резистор, включенный последовательно с коммутирующим диодом, позволяет индуцированному напряжению катушки повышаться до уровня, превышающего прямое падение напряжения на диоде, тем самым ускоряя процесс размагничивания. Это, конечно, приведет к большему напряжению контактов переключателя, и поэтому резистор должен быть такого размера, чтобы ограничить это переходное напряжение на приемлемом максимальном уровне

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист по теории двигателей постоянного тока
• Таблица различных применений диодов