Induktor-Kommutierungsschaltungen

Eine beliebte Verwendung von Dioden ist die Abschwächung des induktiven „Kickbacks“:der Hochspannungsimpulse, die erzeugt werden, wenn der Gleichstrom durch eine Induktivität unterbrochen wird.

Induktiver Rückschlag ohne Schutz

Nehmen Sie zum Beispiel diese einfache Schaltung in der folgenden Abbildung ohne Schutz gegen induktiven Rückschlag.

Induktiver Rückschlag:(a) Schalter offen. (b) Schalter geschlossen, Strom fließt von der Batterie durch die Spule, die die Polarität der Batterie hat. Magnetfeld speichert Energie. (c) Schalter offen, Strom fließt immer noch in der Spule aufgrund des kollabierenden Magnetfelds. Polaritätswechsel an der Spule beachten. (d) Spulenspannung vs. Zeit.

Wenn der Druckknopfschalter betätigt wird, fließt Strom durch den Induktor und erzeugt ein magnetisches Feld um ihn herum. Wenn der Schalter deaktiviert wird, öffnen sich seine Kontakte, unterbrechen den Strom durch den Induktor und bewirken, dass das Magnetfeld schnell zusammenbricht. Weil die in einer Drahtspule induzierte Spannung direkt proportional zur Änderungsrate ist über die Zeit des magnetischen Flusses (Faradaysches Gesetz:e =NdΦ/dt) erzeugt dieser schnelle Zusammenbruch des Magnetismus um die Spule herum eine Hochspannungs-„Spitze“.

Handelt es sich bei dem fraglichen Induktor um eine elektromagnetische Spule, wie zum Beispiel in einem Solenoid oder Relais (konstruiert, um bei Erregung eine physikalische Kraft über sein Magnetfeld zu erzeugen), hat die Wirkung des induktiven „Rückschlags“ keinen nützlichen Zweck. Tatsächlich ist es für den Schalter ziemlich schädlich, da es zu übermäßiger Lichtbogenbildung an den Kontakten führt, was deren Lebensdauer stark verkürzt.

Induktiver Rückschlag mit Schutz

Von den praktischen Methoden zur Abschwächung der beim Öffnen des Schalters entstehenden Hochspannungstransienten ist keine so einfach wie die sogenannte Kommutierungsdiode in Abbildung unten.

Induktiver Rückschlag mit Schutz:(a) Schalter offen. (b) Schalter geschlossen, Energie im Magnetfeld speichern. (c) Schalter offen, induktiver Rückschlag wird durch Diode kurzgeschlossen.

In dieser Schaltung ist die Diode parallel zur Spule geschaltet, so dass sie in Sperrrichtung vorgespannt wird, wenn über den Schalter eine Gleichspannung an die Spule angelegt wird. Wenn die Spule erregt ist, leitet die Diode also keinen Strom in der Abbildung oben (b).

Wenn der Schalter jedoch geöffnet wird, reagiert die Induktivität der Spule auf den Stromabfall, indem sie eine Spannung mit umgekehrter Polarität induziert, um den Strom in derselben Größe und in derselben Richtung zu halten. Diese plötzliche Umkehr der Spannungspolarität an der Spule spannt die Diode in Durchlassrichtung vor, und die Diode stellt einen Strompfad für den Strom der Induktivität bereit, sodass die gespeicherte Energie langsam und nicht plötzlich in der Abbildung oben (c) abgebaut wird.

Infolgedessen ist die in der Spule durch ihr kollabierendes Magnetfeld induzierte Spannung recht gering:nur der Durchlassspannungsabfall der Diode und nicht wie zuvor Hunderte von Volt. Somit erfahren die Schaltkontakte während dieser Entladezeit einen Spannungsabfall gleich der Batteriespannung plus etwa 0,7 Volt (wenn die Diode aus Silizium besteht).

Kommutierungsdiode

Im elektronischen Sprachgebrauch:Kommutierung bezieht sich auf die Umkehrung der Spannungspolarität oder Stromrichtung. Somit ist der Zweck einer Kommutierungsdiode soll immer dann wirken, wenn eine Spannung umgepolt wird, zum Beispiel auf eine Induktorspule, wenn der Strom durch sie unterbrochen wird. Ein weniger formaler Begriff für eine Kommutierungsdiode ist Snubber , weil es den induktiven Rückschlag „unterdrückt“ oder „unterdrückt“.

Nachteile einer kommutierenden Diode

Ein bemerkenswerter Nachteil dieser Methode ist die zusätzliche Zeit, die sie der Entladung der Spule verleiht. Da die induzierte Spannung auf einen sehr niedrigen Wert geklemmt ist, ist ihre Geschwindigkeit der magnetischen Flussänderung über die Zeit vergleichsweise langsam. Denken Sie daran, dass das Faradaysche Gesetz die Änderungsrate des magnetischen Flusses (dΦ/dt) als proportional zur induzierten Momentanspannung (e oder v ). Wenn die Momentanspannung auf einen niedrigen Wert begrenzt ist, wird die Änderungsrate des magnetischen Flusses über die Zeit ebenfalls auf einen niedrigen (langsamen) Wert begrenzt.

Wenn eine elektromagnetische Spule mit einer Kommutierungsdiode „bebrütet“ wird, wird das Magnetfeld im Vergleich zum ursprünglichen Szenario (keine Diode) relativ langsam abgebaut, bei dem das Feld beim Loslassen des Schalters fast sofort verschwand. Die fragliche Zeit wird höchstwahrscheinlich weniger als eine Sekunde betragen, aber sie wird messbar langsamer sein als ohne eine Kommutierungsdiode. Dies kann eine unerträgliche Konsequenz sein, wenn die Spule zum Betätigen eines elektromechanischen Relais verwendet wird, da das Relais beim Abschalten der Spule eine natürliche „Zeitverzögerung“ besitzt und eine unerwünschte Verzögerung von nur einem Bruchteil einer Sekunde in manchen Fällen verheerende Folgen haben kann Schaltungen.

Idealer Betrieb mit einer Kommutierungsdiode

Leider kann man die Hochspannungstransienten des induktiven Rückschlags nicht eliminieren und Aufrechterhaltung einer schnellen Entmagnetisierung der Spule:Das Faradaysche Gesetz wird nicht verletzt. Wenn jedoch eine langsame Entmagnetisierung nicht akzeptabel ist, kann ein Kompromiss zwischen transienter Spannung und Zeit eingegangen werden, indem die Spannung der Spule auf ein höheres Niveau ansteigen lässt (aber nicht so hoch wie ohne eine Kommutierungsdiode). Das Schema in Abbildung unten zeigt, wie dies möglich ist.

(a) Kommutierende Diode mit Reihenwiderstand. (b) Spannungswellenform. (c) Pegel ohne Diode. (d) Pegel mit Diode, kein Widerstand. (e) Kompromißpegel mit Diode und Widerstand.

Ein mit der Kommutierungsdiode in Reihe geschalteter Widerstand lässt die induzierte Spannung der Spule auf einen Wert ansteigen, der größer ist als der Durchlassspannungsabfall der Diode, wodurch der Entmagnetisierungsprozess beschleunigt wird. Dadurch werden die Schaltkontakte natürlich stärker belastet, und daher muss der Widerstand so dimensioniert werden, dass diese Übergangsspannung auf einen akzeptablen Höchstwert begrenzt wird

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur Theorie des Gleichstrommotors
• Arbeitsblatt für verschiedene Diodenanwendungen