¿Puede un diodo Zener que protege un interruptor contra la inductancia cuando se abre, afecta la velocidad de activación de la válvula cuando la cierra de nuevo?

Sólo un poco de teoría preliminar.

Como probablemente sepa, sin ningún diodo de retorno, ya sea un rectificador o un Zener, tendrá un voltaje de retroceso (teóricamente infinito) del inductor (bobina de la válvula, devanado del relé o lo que sea) ) cada vez que intentes interrumpir su corriente abruptamente. En realidad, el retroceso no será infinito porque el pico provocará cualquier tipo de efectos desagradables en el circuito al que está conectado: generará arcos eléctricos, impulsará los semiconductores en una avería destructiva, freirá resistencias o perforará dieléctricos a los condensadores, etc.

Todo esto en el intento de deshacerse de la energía almacenada en el inductor, que es

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

donde \ $ I_L \ $ es la corriente instantánea en el momento inmediatamente anterior al (intento) de desactivación.

Poner un rectificador en paralelo con la bobina es la medida estándar de baja velocidad, como usted sabe. Suponiendo que el diodo puede soportar el pulso de corriente de arranque generado por el retroceso, sujetará la tensión a través de la bobina a una caja fuerte de ~ 0.7V. ¿Por qué es lento? Debido a que en ese nivel de voltaje (una caída directa del diodo) y con los valores de resistencia delanteros habituales, la potencia disipada es baja, por lo que se necesita más tiempo para convertir \ $ E_L \ $ en calor.

El uso de un Zener es más rápido esencialmente porque permite que la tensión de retroceso aumente más antes de sujetarlo. Por supuesto, la tensión Zener debe elegirse para que no sea peligrosa para el resto del circuito. Dado que la pinza ocurre a un voltaje más alto, y la resistencia dinámica de ruptura de un Zener también puede ser menor, la potencia disipada es mayor, por lo tanto, lleva menos tiempo convertir \ $ E_L \ $ en calor.

Si se pregunta qué sucede cuando cesa la acción de pinza porque la corriente no es suficiente para mantener el Zener (o el diodo de pinza) en la ruptura (conducción), la respuesta es que probablemente oscilará, porque la energía DEBE ser convertido, ya que la fuente de alimentación de la bobina se ha cortado, y la energía almacenada depende de la corriente en la bobina. La bobina no "mantendrá la energía" como lo haría un condensador, porque para que esto sea posible, una corriente debe fluir hacia la bobina en sí. Por lo tanto, la energía restante encontrará otras formas de convertirse: capacitancia parásita y corriente de fuga de los diodos y capacitancia parásita de la propia bobina (por ejemplo). Es una especie de circuito de tanque no lineal no ideal, que exhibirá oscilaciones amortiguadas hasta que la energía se convierta completamente en calor.

EDIT

(En respuesta a un comentario de @supercat)

Aquí hay algunos resultados de una simulación de circuito concebida apresuradamente usando LTspice que muestra la oscilación amortiguada que puede surgir en una situación similar a la descrita anteriormente.

Elanálisisdetransitoriosproducelossiguientesgráficos:

Si ampliamos las partes interesantes que tenemos:

En la siguiente gráfica extremadamente ampliada, puedes notar la frecuencia estimada de las oscilaciones (mejoré la imagen para mostrar dónde están ubicados los cursores LTspice).

Aaaah, electrónica, es una amante confusa y cruel.

Sin embargo, lo hace divertido.

La cosa aquí es la velocidad de reacción de diferentes componentes del problema y / o solución.

Primero: la tensión directa y la corriente directa de un diodo están vinculadas. Cuanto mayor sea el voltaje que puede suministrar a través de él, más fácilmente fluirá la corriente.

Segundo: una bobina que tiene una corriente que fluye y luego se apaga reacciona increíblemente rápido. Si la corriente no puede ir a ninguna parte dentro de las fracciones de las fracciones de un microsegundo, puede aumentar a voltajes insoportables (100, si no 1000).

Por lo tanto, agregar una resistencia en serie es un buen truco, para modificar ligeramente la respuesta, permite que la tensión de la bobina aumente un poco más antes de que el diodo comience a drenar la potencia. Pero entonces, la resistencia también está en la ruta actual, lo que impide su propia ayuda, por lo que realmente es una solución inferior.

El diodo zener, sin embargo, oh son mágicos. Una vez que alcanzas el voltaje de ruptura, realmente ... bueno ... ¡se descompone! La curva de voltaje-corriente de un diodo Zener en la ruptura es mucho más impresionante, esto tiene que ver con la compresión del campo de bloqueo una vez que la corriente es capaz de fluir, si se me permite parafrasear muy mal un libro de 380 páginas. p>

Entonces, una vez que alcanza la conductancia Zener, la corriente puede desaparecer en un instante y, como mencioné, la bobina que alcanza la conductancia Zener es pan comido.

Con respecto a la tensión Zener, la diferencia en esta aplicación entre 3V y 6V es más pronunciada que la diferencia entre 6V y 12V y así sucesivamente. Por lo general, la regla de Vz > 2 * VCC es lo suficientemente bueno como para garantizar un apagado rápido. Más importante es que tu Zener puede manejar el pico actual.

La razón por la que los zeners no son tan populares como los diodos normales para la protección es su capacidad de manejo actual y destruir su dispositivo de protección es como derrotar un poco el propósito.

Terminaré ahora, ya que todavía tengo que hacer compras antes de aventurarme en Alemania.

EDITAR: PS: 10 veces por segundo no es un requisito de alta velocidad. El apagado de alta velocidad para un relé es del orden de milisegundos o menos. Olvidó hacer este punto en la parte superior antes de publicar. Y el apagado de alta velocidad no interferirá con un nuevo encendido.

En orden, sus preguntas:

1. Se decaerá muy rápidamente, en milisegundos como máximo. De hecho, el voltaje no llega a cero al instante porque es un circuito de tanque LC principalmente con capacitancia distribuida por bobina, pero también capacitancia parásita y de transistor, por lo que "suena" a alta frecuencia. La bobina tiene una resistencia significativa, por lo que la Q es baja y el timbre se apaga rápidamente.

2. Si espera más de 10ms, no afectará la siguiente operación de ninguna manera práctica.

3. Un Vz más alto es más duro para el transistor, pero un apagado más rápido. El encendido no se ve afectado de manera apreciable (hay otros trucos para mejorar la velocidad de encendido). Si desciende Vz más que la tensión de alimentación máxima posible (en el peor de los casos) más una caída de diodo, el diodo Zener conducirá cuando la bobina esté 'encendida', probablemente destruyendo el Zener y el transistor. El circuito de la derecha no tiene ese problema (pero una sobretensión sostenida podría hacer que el diodo Zener se sobrecaliente).