Circuitos de comutação de indutor

Um uso popular de diodos é para a mitigação de “retrocesso” indutivo:os pulsos de alta tensão produzidos quando a corrente contínua através de um indutor é interrompida.

Retrocesso indutivo sem proteção

Considere, por exemplo, este circuito simples na figura abaixo sem proteção contra retrocesso indutivo.



Recuo indutivo:(a) Chave aberta. (b) Interruptor fechado, a corrente flui da bateria através da bobina que possui bateria compatível com a polaridade. O campo magnético armazena energia. (c) Chave aberta, a corrente ainda flui na bobina devido ao colapso do campo magnético. Observe a mudança de polaridade na bobina. (d) Tensão da bobina vs tempo.

Quando o botão de pressão é acionado, a corrente passa pelo indutor, produzindo um campo magnético ao seu redor. Quando a chave é desativada, seus contatos se abrem, interrompendo a corrente através do indutor e causando o colapso rápido do campo magnético. Porque a tensão induzida em uma bobina de fio é diretamente proporcional à taxa de mudança ao longo do tempo do fluxo magnético (Lei de Faraday:e =NdΦ / dt), este colapso rápido do magnetismo em torno da bobina produz um "pico" de alta tensão.

Se o indutor em questão for uma bobina de eletroímã, como em um solenóide ou relé (construído com a finalidade de criar uma força física por meio de seu campo magnético quando energizado), o efeito de "retrocesso" indutivo não tem nenhum propósito útil. Na verdade, é bastante prejudicial para a chave, pois causa arco excessivo nos contatos, reduzindo muito sua vida útil.

Retrocesso indutivo com proteção

Dos métodos práticos para mitigar o transiente de alta tensão criado quando a chave é aberta, nenhum tão simples quanto o chamado diodo de comutação na figura abaixo.



Recuo indutivo com proteção:(a) Chave aberta. (b) Chave fechada, armazenando energia no campo magnético. (c) Chave aberta, retrocesso indutivo é curto-circuitado por diodo.

Neste circuito, o diodo é colocado em paralelo com a bobina, de modo que será polarizado reversamente quando a tensão CC for aplicada à bobina através da chave. Assim, quando a bobina é energizada, o diodo não conduz corrente na figura acima (b).

No entanto, quando a chave é aberta, a indutância da bobina responde à diminuição da corrente induzindo uma tensão de polaridade reversa, em um esforço para manter a corrente na mesma magnitude e na mesma direção. Esta inversão repentina da polaridade da tensão através da bobina polariza o diodo, e o diodo fornece um caminho de corrente para a corrente do indutor, de modo que sua energia armazenada é dissipada lentamente em vez de repentinamente na figura acima (c).

Como resultado, a voltagem induzida na bobina por seu campo magnético em colapso é bastante baixa:apenas a queda de voltagem direta do diodo, em vez de centenas de volts como antes. Assim, os contatos da chave experimentam uma queda de tensão igual à tensão da bateria mais cerca de 0,7 volts (se o diodo for de silício) durante esse tempo de descarga.

Díodo de comutação

No jargão da eletrônica, comutação refere-se à inversão da polaridade da tensão ou direção da corrente. Assim, o propósito de um diodo comutador é agir sempre que a tensão inverte a polaridade, por exemplo, em uma bobina indutora quando a corrente através dela é interrompida. Um termo menos formal para um diodo de comutação é snubber , porque “despreza” ou “silencia” o retrocesso indutivo.

Desvantagens de um diodo de comutação

Uma desvantagem notável deste método é o tempo extra que ele confere à descarga da bobina. Como a tensão induzida é fixada em um valor muito baixo, sua taxa de mudança de fluxo magnético ao longo do tempo é comparativamente lenta. Lembre-se de que a Lei de Faraday descreve a taxa de variação do fluxo magnético (dΦ / dt) como sendo proporcional à tensão instantânea induzida ( e ou v ) Se a tensão instantânea é limitada a algum valor baixo, então a taxa de variação do fluxo magnético ao longo do tempo também será limitada a um valor baixo (lento).

Se uma bobina eletroímã for "bloqueada" com um diodo de comutação, o campo magnético se dissipará a uma taxa relativamente lenta em comparação com o cenário original (sem diodo), onde o campo desapareceu quase instantaneamente após a liberação do interruptor. A quantidade de tempo em questão provavelmente será menor que um segundo, mas será mensuravelmente mais lenta do que sem um diodo de comutação instalado. Esta pode ser uma consequência intolerável se a bobina for usada para acionar um relé eletromecânico, porque o relé terá um "atraso" natural na desenergização da bobina, e um atraso indesejado de até mesmo uma fração de segundo pode causar estragos em alguns circuitos.

Operação ideal com um diodo de comutação

Infelizmente, não se pode eliminar o transiente de alta tensão de retrocesso indutivo e mantenha a desmagnetização rápida da bobina:a Lei de Faraday não será violada. No entanto, se a desmagnetização lenta for inaceitável, um compromisso pode ser alcançado entre a tensão transiente e o tempo, permitindo que a tensão da bobina aumente para um nível mais alto (mas não tão alto quanto sem um diodo de comutação no lugar). O esquema na Figura abaixo mostra como isso pode ser feito.



(a) Diodo de comutação com resistor em série. (b) Forma de onda de tensão. (c) Nível sem diodo. (d) Nível com diodo, sem resistor. (e) Nível de compromisso com diodo e resistor.

Um resistor colocado em série com o diodo de comutação permite que a tensão induzida da bobina aumente a um nível maior do que a queda de tensão direta do diodo, acelerando assim o processo de desmagnetização. Isso, é claro, colocará os contatos da chave sob maior estresse e, portanto, o resistor deve ser dimensionado para limitar essa tensão transiente em um nível máximo aceitável

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