感性負載和二極管保護


假如突然斷開一個給電感提供電流的開關,那將發生什么?因為電感具有如下特征:

V=L(dI/dt)

  這就不可能突然切斷對應的電流,因為會有一個無限大的電壓加在電感兩端。接着發生的是,電感兩端的電壓突然上升,知道他迫使電流繼續流動。顯然,這類控制感性負載的電子器件在電路中很容易受損,尤其是那些擊穿后以滿足電感電流連續性需要的元件。考慮如圖1所示的電路,電路中的開關在初始時時閉合的,電流流過電感。當開關斷開時,電感試圖保持電流像之前那樣連續的從A流向B,這意味着端點B電位變得比電位A高了。這時,在開關觸點斷開瞬間將產生1000V正電壓。這將縮短開關的壽命並產生對附近電路有影響的脈沖干擾。如果這個開關是用三極管做的,那么肯定其壽命要縮短,也可能被損壞。

  

圖1

  最好的解決辦法就是將一個二極管接在電感的兩端,如圖2所示,當開關接通期間,二極管是反向偏壓的(他來自與電感線圈電阻的直流壓降)。在開關斷開時,二極管進入導通狀態,是開關端點比正電源電壓高一個二極管的正向壓降,這個二極管必須是可以應付初始電流的,即以前一直流經電感的穩態電流。

圖2

如圖二所示,假設斷開負載電源的時刻為t=0,斷開前為t<0,斷開后t>0,則有感性負載的特性克制,t>0時,線圈中的電流方向同t<0時的電流方向一致,相對電源反接的二極管能為線圈提供有效的泄放回路。如圖二所示,R=r0+Rd,此時,反電動勢的幅值為:

e=I0R=I0*(r0+Rd),其中r0為線圈電阻,Rd為二極管正向電阻。

由於兩個電阻都很小,古emax也很小。又由於硅二極管的導通電壓小於1V,所以emax≤E+1V,

抑制的結果是:瞬變電壓小於等於1V。

  對於在負載接通電源時,二極管處於反接狀態,他應該有足夠的反向耐壓值;而在斷開負載電源時,他必須有足夠的通流能力,所以對二極管,我們主要考慮反向耐壓和最大整流電流。一般可根據UR>3E,If>Io來選擇二極管。

  這種保護電路的唯一缺陷就是他增快了電感電流的衰減,這是因為電感電流的變化率與他兩端電壓成正比例關系。在那些要求電流必須快速衰減的場合(如高速擊打式打印機,高速繼電器等),可以使用一個電阻跨接在電感兩端,並通過適當選擇該電阻值,使得Vsupply+IR小於開關兩端的可允許最大電壓值。欲得到一個給定最大電壓值內的最快衰減,珂采用齊納二極管來代替,他給出了斜坡向下的電流衰減,而不是指數衰減。

  對於一些交流(包括交流變壓器、交流繼電器)驅動的電感電路,上述的保護電流將不起作用,這是因為開關閉合時,二極管會交替地在半周期內導通。對於這種情況,一種較好的解決方案是用一個“RC阻尼網絡”,如圖3所示電路。圖中所示的是有交流電源驅動的小感性負載電路的典型值,因為變壓器是感性的,這樣的阻尼可用在各種有交流電源驅動的所有各種儀器中。一種可替換的保護器件是金屬氧化物變阻器,即過渡性阻尼器。價格便宜,類似於圓形陶瓷電容,但卻具有雙向齊納二極管的電特性。可用電壓范圍是10~1000V,且能夠處理上千安的瞬態電流。采用這種過渡性阻尼器對於電子設備有良好的意義,他不僅防止了感性尖峰對其他附近設備的干擾,也防止了偶爾來自於電源供電線上的大尖峰脈沖設備對設備儀器自身的損壞。

 

 

 圖3

 

  如圖3所示電路中,電容能把電磁線圈的磁場能量轉化成電容器的電場能量儲存起來,以降低能量的消散速度。由於電容器上的電壓不能突然建立,從而有效的抑制了過電壓。且由於電容器的電流相對於電壓超前90度相位角,而線圈的電流相對於電壓滯后90度相位角,所以電容的介入能夠改變線路的固有頻率。

 


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