Circuitos de conmutación del inductor

Un uso popular de los diodos es para la mitigación del "retroceso" inductivo:los pulsos de alto voltaje que se producen cuando se interrumpe la corriente continua a través de un inductor.

Retroceso inductivo sin protección

Tomemos, por ejemplo, este circuito simple en la figura siguiente sin protección contra el retroceso inductivo.

Contragolpe inductivo:(a) Interruptor abierto. (b) Interruptor cerrado, la corriente fluye desde la batería a través de la bobina que tiene una batería de polaridad equivalente. El campo magnético almacena energía. (c) Interruptor abierto, la corriente todavía fluye en la bobina debido al colapso del campo magnético. Note el cambio de polaridad en la bobina. (d) Voltaje de la bobina en función del tiempo.

Cuando se acciona el interruptor de botón, la corriente pasa a través del inductor, produciendo un campo magnético a su alrededor. Cuando se desactiva el interruptor, sus contactos se abren, interrumpiendo la corriente a través del inductor y provocando que el campo magnético colapse rápidamente. Porque el voltaje inducido en una bobina de alambre es directamente proporcional a la tasa de cambio con el tiempo del flujo magnético (Ley de Faraday:e =NdΦ / dt), este rápido colapso del magnetismo alrededor de la bobina produce un "pico" de alto voltaje.

Si el inductor en cuestión es una bobina de electroimán, como en un solenoide o relé (construido con el propósito de crear una fuerza física a través de su campo magnético cuando está energizado), el efecto de "retroceso" inductivo no tiene ningún propósito útil. De hecho, es bastante perjudicial para el interruptor, ya que provoca un arco excesivo en los contactos, lo que reduce en gran medida su vida útil.

Retroceso inductivo con protección

De los métodos prácticos para mitigar el transitorio de alto voltaje creado cuando se abre el interruptor, ninguno tan simple como el llamado diodo conmutador en la Figura siguiente.

Contragolpe inductivo con protección:(a) Interruptor abierto. (b) Interruptor cerrado, almacenando energía en un campo magnético. (c) Interruptor abierto, retroceso inductivo cortocircuitado por diodo.

En este circuito, el diodo se coloca en paralelo con la bobina, de modo que tendrá polarización inversa cuando se aplique voltaje de CC a la bobina a través del interruptor. Por lo tanto, cuando se energiza la bobina, el diodo no conduce corriente en la figura anterior (b).

Sin embargo, cuando se abre el interruptor, la inductancia de la bobina responde a la disminución de la corriente induciendo un voltaje de polaridad inversa, en un esfuerzo por mantener la corriente en la misma magnitud y en la misma dirección. Esta repentina inversión de la polaridad del voltaje a través de la bobina polariza hacia adelante el diodo, y el diodo proporciona una ruta de corriente para la corriente del inductor, de modo que su energía almacenada se disipa lentamente en lugar de repentinamente en la figura anterior (c).

Como resultado, el voltaje inducido en la bobina por el colapso de su campo magnético es bastante bajo:simplemente la caída de voltaje directo del diodo, en lugar de cientos de voltios como antes. Por lo tanto, los contactos del interruptor experimentan una caída de voltaje igual al voltaje de la batería más aproximadamente 0,7 voltios (si el diodo es de silicio) durante este tiempo de descarga.

Diodo de conmutación

En el lenguaje de la electrónica, conmutación se refiere a la inversión de la polaridad del voltaje o la dirección de la corriente. Por lo tanto, el propósito de un diodo conmutador es actuar siempre que el voltaje invierta la polaridad, por ejemplo, en una bobina inductora cuando se interrumpe la corriente a través de ella. Un término menos formal para un diodo de conmutación es amortiguador , porque "desaira" o "silencia" el retroceso inductivo.

Desventajas de un diodo conmutador

Una desventaja notable de este método es el tiempo extra que otorga a la descarga de la bobina. Debido a que el voltaje inducido se fija a un valor muy bajo, su tasa de cambio de flujo magnético con el tiempo es comparativamente lenta. Recuerde que la ley de Faraday describe la tasa de cambio del flujo magnético (dΦ / dt) como proporcional al voltaje instantáneo inducido ( e o v ). Si el voltaje instantáneo se limita a una cifra baja, entonces la tasa de cambio del flujo magnético a lo largo del tiempo también se limitará a una cifra baja (lenta).

Si una bobina de electroimán se "desaprueba" con un diodo de conmutación, el campo magnético se disipará a una velocidad relativamente lenta en comparación con el escenario original (sin diodo) donde el campo desapareció casi instantáneamente al soltar el interruptor. La cantidad de tiempo en cuestión probablemente será menos de un segundo, pero será considerablemente más lenta que sin un diodo de conmutación en su lugar. Esto puede ser una consecuencia intolerable si la bobina se utiliza para accionar un relé electromecánico, porque el relé poseerá un "retardo de tiempo" natural al desenergizarse de la bobina, y un retardo no deseado de incluso una fracción de segundo puede causar estragos en algunos circuitos.

Funcionamiento ideal con un diodo conmutador

Desafortunadamente, no se puede eliminar el transitorio de alto voltaje del retroceso inductivo y Mantenga la desmagnetización rápida de la bobina:no se violará la ley de Faraday. Sin embargo, si la desmagnetización lenta es inaceptable, se puede llegar a un compromiso entre el voltaje transitorio y el tiempo al permitir que el voltaje de la bobina se eleve a un nivel más alto (pero no tan alto como sin un diodo de conmutación en su lugar). El esquema de la Figura siguiente muestra cómo se puede hacer esto.

(a) Diodo de conmutación con resistencia en serie. (b) Forma de onda de voltaje. (c) Nivel sin diodo. (d) Nivel con diodo, sin resistencia. (e) Nivel de compromiso con diodo y resistor.

Una resistencia colocada en serie con el diodo de conmutación permite que el voltaje inducido de la bobina se eleve a un nivel mayor que la caída de voltaje directo del diodo, acelerando así el proceso de desmagnetización. Esto, por supuesto, colocará los contactos del interruptor bajo una mayor tensión, por lo que la resistencia debe dimensionarse para limitar ese voltaje transitorio a un nivel máximo aceptable

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

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