Inductieve belasting zo snel mogelijk uitschakelen

Eigenlijk moet ze andersom. Ze moet zeneren als vrijloop. De inwendige diode in de ULN2803 staat onder normaal bedrijf in sper dus kan het omkeren van de zener geen kwaad.

Nu nog een epistelke schrijven waarom. Een inductieve load bouwt een veld op bij inschakeling en er loopt een stroom. Bij het afschakelen (of poging tot) zit die spoel met een hoeveelheid magnetisch veld (zeker die met kern) die ze ook niet ogenblikkelijk kwijt kunnen. De spoel zal als reactie de stroom willen laten blijven vloeien, maar das nogal moeilijk als de kring onderbroken wordt. Bijgevolg keert de polariteit van de spoelspanning om en loopt zo hoog op totdat ze stroom kan laten vloeien, en veld afbouwen. Het gevolg is ons alle bekend: vonkende kontacten waarlangs de stroom overketst of verongelukte halfgeleiders.

Daartoe worden vrijloopmiddelen gebruikt zoals meestal dioden. Deze staat bij een ingeschakelde inductieve verbruiker en sper, maar bij afschakeling komt ze in geleiding (door de omgekeerde inductiespanning) en drempelt af op 0.7V. De spanning over de inductieve last zal dus niet verder dan 0.7V opgeslingert worden, en de stroom kan van zijn vorige waarde rustig afgebouwd worden naar 0.

Maar: er is een relatie tussen de hoogte van de induktiepiek en de tijd dat hij uitsterft: hoe hoger de piek, hoe korter, hoe lager de piek afgedrempeld wordt, hoe langer hij duurt. Zie het simpelweg als een bepaalde hoeveelheid energie die weg moet: de stroom gaat ogenblikkelijk niet veranderen maar met een hoge spanning wordt de tijd kort, met een lage spanning wordt die tijd net lang.
Het gevolg is dat relais met een gewone vrijloopdiode dus iets later afschakelen.
Nu kan je voor vrijloop ook nog andere middelen gebruiken zoals zeners, weerstanden, VDRs, snubbers etc.
Die hebben dus alle een ander effect. Door die zener in zenerrichting bij vrijloop te zetten verhoog je de afschakelpiek waardoor hij ook korter wordt, das de verklaring. Die piek mag trouwens nooit hoger worden dan de ULN2803 kan verdragen, dus zeker onder de 50V blijven.

Wat ook kan is een weerstand i.p.v. zener, dan kan je de spanning op eender welke waarde tunen. Als je de bedrijfsstroom van je relais kent (kan je meten), en je wil je maximale piek op bvb. 35V leggen dan is dat simpel:
35V - 0.7V van diode = 34.3V over de weerstand, daar vloeit een stroom door bij afschakeling die dezelfde is als de werkstroom van je relais. Stel dat daar 40mA door loopt wordt de som 34.3V/0.04A=857Ω, neem dan 820Ω.

- - big bang - -

Op 13 mei 2009 15:03:47 schreef big bang:
Maar: er is een relatie tussen de hoogte van de induktiepiek en de tijd dat hij uitsterft: hoe hoger de piek, hoe korter, hoe lager de piek afgedrempeld wordt, hoe langer hij duurt.

Daar is zelfs een wiskundige relatie voor, de welbekende differentiaalvergelijking U=L*di/dt.
je wilt dat di/dt zo groot mogelijk is, L is gegeven, dan kun je alleen nog maar aan de U draaien. met 0,7 volt is di/dt natuurlijk veel kleiner als wanneer U 24 volt is.

Zo dus???:

Hartelijk dank voor de snelle reacties!

Het is al verbeterd maar het zou nog korter moeten er zit nu een zener in van 24 V ga een nog grotere insteken...

Op 13 mei 2009 15:09:06 schreef DC2PCC:
[...]
Daar is zelfs een wiskundige relatie voor, de welbekende differentiaalvergelijking U=L*di/dt.
je wilt dat di/dt zo groot mogelijk is, L is gegeven, dan kun je alleen nog maar aan de U draaien. met 0,7 volt is di/dt natuurlijk veel kleiner als wanneer U 24 volt is.

Yep, klopt helemaal. Maar ik wou het niet al te wiskundig benaderen omdat de meesten niet direct inzien wat je met de di/dt: de afgeleide van de stroom naar de tijd aanmoet.
Dan is het makkelijker om te spreken over een hoeveelheid krachtlijnen die moeten afgebouwd worden.

Zenertje staan nu goed. En het is al verbetert. Goed.
Ga niet te hoog richting 50V, want zeners zijn nogal tam en traag als het over heel snelle pieken gaat. Je kan ook met een scoop meten op een afschakelende uitgang wat er gebeurd. Met die vrijloop erop natuurlijk, anders riskeer je een scoopkanaal en een ULN2803.

- - big bang - -

edit: of een andere relais wil ook al eens helpen, ene die minder inductief is of minder stroom verbruikt.

P6KE50 oid. gebruiken, dat zijn snelle suppressordiodes, met zener-karakteristiek.

@ big bang & DC2PCC: WAUW, Hoedje af! Alle info en praktijk waar ook een leek iets aan heeft. Keep up the good work...

IDD! Hartelijk dank echt waar jullie hebben me een heel stuk verder in de juiste richting geholpen!
Waar vind ik zulke diode?

[Bericht gewijzigd door ThieuV op woensdag 13 mei 2009 17:29:08 (12%)]

Op 13 mei 2009 17:09:00 schreef Sparkz:
@ big bang & DC2PCC: WAUW, Hoedje af! Alle info en praktijk waar ook een leek iets aan heeft. Keep up the good work...

Das tof. Tis wel treffend dat DC2PCC ook in de vermogenelektronica zit als ik. Daar kom je vaak vrijloop perikelen tegen.

DC2PCC: mooie tip, die P6KE.., das eigenlijk ideaal, die zijn supersnel.
Effe een datasheetlink posten. Daar staan een hele hoop types in. Een 50 type staat er nu net niet tussen, en ik zou als ik de breakdown voltages zo zie, iets lager nemen, bvb een P6KE36 of een 39.
Ze zijn er in twee smaken: unidirectioneel en bidirectioneel.
Unidirectioneel is in doorlaat een diode/in sper een zener (met de opgegeven spanning zie tabel)
Bidirectioneel die zenert langs beide kanten op de spanning opgegeven in de tabel.

En eigenlijk kunnen ze allebei in jou toepassing.

Ik ben eens aan het neuzen geweest bij Farnell, maar veel types is bestellen via VS en daar komt dan 25€ bij, er moeten nog andere shops zijn die dat hebben.

- - big bang - -

De stroom door de inductieve last neemt niet toe na het uitschakelen. Omdat de energie in het magnetische veld van de inductieve last 0,5*LI² bedraagt, kun je berekenen hoe hoog je de spanning moet laten oplopen om binnen een bepaalde tijd de energie gedissipeerd te hebben.
Genoemde TVS dioden zijn inderdaad snel, de responstijd ligt in het domein van 1 tot 5ns, maar dat geld volgens mij voor elke unipolaire TVS diode. Wel even letten om de layout, seriezelfinductie kan de inschakeltijd vertragen en parasitaire opslingering veroorzaken.

Op 13 mei 2009 18:38:53 schreef big bang:
[...]
Das tof. Tis wel treffend dat DC2PCC ook in de vermogenelektronica zit als ik. Daar kom je vaak vrijloop perikelen tegen.
- - big bang - -

Ik had het kunnen weten, die Nick is wel treffend, vermogenselektronica knalt meestal wat spectaculairder als het foutgaat (heb dat al eens ondervonden, maar da's meer voor het WIA-topic)

Zeker als er redelijk grote vermogens in betrokken zijn. Gaat het fout, dan weet je direct welke component het niet meer trekt...
Dan krijg je de uitdrukking van Free_electron: RIP : Rest In Pieces

- - big bang - -

zoals hier vanmorgen maar weer eens gebeurd is, een 1200V IGBT kan echt niet meer dan 1200V schakelen.
/ontopic: ook hier is de vrijloop niet juist gebruikt, en dat zorgde voor het vuurwerk.

[Bericht gewijzigd door DC2PCC op vrijdag 15 mei 2009 14:22:36 (30%)]

Ik heb laatst nog van die P6KE's bij RS besteld. Die hebben ze vast wel op voorraad.

zet die zenerdidoie of die pk6e eens rap tuss en cd pin en de grond.... in plaats van naar de voeding...

en zet daar eens een klein condensatortje over die zeverdiode ook.

je kan een zener ook 'versnellen' door hem al half in geleidng te brengen.

+24 volt ---- 100 ohm --+-- zener 24 volt of p6ke--- gnd
                        |
                        +-----||--------- gnd
                        |    100nF
                        |
                       CD+ van ULN2803

de redenering is als volgt : je moet door de zener parriere heen. dat kost tijd... door de zener al op voorhand open te zetten ( biassen heet dat ) ztaat de kraan al open als de grote klap komt.
1 volt boven de zenerspanning en een weerstandje zorgen dat er in rust al een klein stroompje door de zener loopt de poort staat dan al open. als de vloedgolf komt ( inuctieve piek ) zal die zener heel snel reageren.

om die laatste reactietijd ook nog in te korten dient dat kleine condensatortje. die tegen emk is een scherp piek ( grote stijgtijd dus hoge frequentie. impdeantie van een cap is 1 / 2.pi.f.c. dus dat capje is een kortsluiting voor die steile flank. de rest van de energie die erachter komt wordt opgegeten door de zener. ( weggestookt in hitte )

Ik heb een pk6e besteld, maar zal dat al even eens uitproberen met een zener in zo een schakeling!

Maar eigenlijk met gewoon die pk6e zou het moeten lukken? Deze zijn hiervoor speciaal gemaakt ofniet?

Ene P6KE of andere zijn TVS sen, Transiënt Voltage Suppressors. Die zijngemaakt om zeer snel te reageren op spanningspieken die over een bepaald bereik gaan. Ze hebben een junctie, dus halfgeleidermateriaal.

Ze doen eigenlijk hetzelfde als een VDR, maar die is gemaakt uit geen junctie maar gesinterd materiaal.

- - big bang - -

@FE: dat is wel een goede tip, die kende ik nog niet. Ik maakte me ook al zorgen over de snelheid van de zener.

Een klein maar zeker niet onbelangrijk detail bij het clampen van spanningen, zoals ook hier gebeurd, is dat je op moet passen dat je de condensators van de voeding niet te veel gaat laden. Ik heb het in een industriële stappenmotorregelaar gezien, waarvan de voeding van 24V tot 35V ging voordat er componenten begonnen te klappen. Een shuntregelaar of gewoon voldoende continue belasting van de voeding kan dat wel voorkomen. Ook in dit geval kan de spanning over de zener wel wat hoger worden dan 24V, maar die 100ohm weerstand zal het probleem wel voldoende beperken, en zodra de piek voorbij is zal de zener die energie alsnog afvoeren.

EDIT: ik zie ook heel regelmatig ontwerpen langskomen met "general purpose rectifier" diodes om te blussen. Ik heb dat wel eens geprobeerd, en op de scope zag ik enorme pieken voordat de diode begon te geleiden. Zit ik me dan onnodig zorgen te maken? Blijkbaar gaat het vaak wel goed, anders zou ik dergelijke constructie niet zo vaak tegenkomen, denk ik.

Ik gebruik zelf eigenlijk altijd snelle Schottky diodes, vooral in toepassingen waarbij je niet wilt dat de stroom snel afneemt, en zelfs dan zijn pieken van 50-60V niet vreemd.

@Sparky: klopt. Neem bvb. een Hbrug met PWM, bij ingeschakelde last trek je stroom, maar bij uitgeschakelde last gaat het via vrijloopdioden over op de voeding, en een motor met een flinke last die duwt dan de voedingsspanning omhoog. Eén manier om je daartegen te wapenen is de voedingselco's groot genoeg nemen. Hoe groter de capaciteit, hoe lager de spanningssprong.
Zie formule Q= I*t = U*C Ik heb dit ook al eens gelezen in de dokumentatie van frequentiedrives, daar stonden formules bij om uit te rekenen wat een remmende motor onder die omstandigheden kon en mocht terugduwen bij die elco's die in dat toestel steken. Is dat niet voldoende dan komen we bij oplossing 2: remchoppers en remweerstanden. Dat kan klein zijn, bij grotere installaties zijn dat flinke weerstanden hoor.

Ik heb zo eens een remchopper van een servodrive van een robot "gereverse engineered" zoals ze zeggen, de boel uiteengehaald en gezien hoe dat werkt. Das eigenlijk simpel, er wordt constant op de DCbus gemeten, en als die over een bepaald setpunt gaat dan gaat de chopper pulsmatig de weerstand over de DCbus hangen, waardoor de spanning weeral afgebouwd wordt. Er zijn er volgens mij ook die PWM gebruiken, en verder open regelen naargelang de spanning hoger is.

Dioden: we vergeten soms dat er naast een reverse recovery ook een forward recovery bestaat, een tijd die nodig is om in geleiding te geraken, maar vaak is daar in de specs weinig van te vinden. Ook speelt paracitaire inductie en capaciteit een rol. Draden van een paar centimeter betekenen weliswaar een zeer kleine inductie, maar bij een zeer grote di/dt kan dat al redelijk wat piek opleveren, buiten de diode om, want die staat over de schakelcomponent, voor een voorbeeld zie hier, op pagina 2, en daar heb je dan nog onbalans ook.
Eigenlijk is een snelle diode hoe dan ook altijd een voordeel, maar vaak wordt het voor de low cost vervangen door een 1N4007 of van die toeren.

- - big bang - -

Betekend een korte reverse recovery ook automatisch een korte forward recovery, of niet?

Zelf probeer ik de recirculatie altijd zoveel mogelijk buiten de voeding om te doen, en soms zet ik een crowbar over de voeding (met een zekering in serie met de voeding) om de schade te beperken als het dan toch mis gaat.

Ik heb ze nog niet vaak nodig gehad, en een crowbar is eigenlijk gewoon lomp, maar ik vind het vaak wel een fijn gevoel om zoiets achter de hand te hebben, vooral als het om een dure voeding en een hoop andere elektronica gaat.

Ik merk dat ik zo langzamerhand een aardige collectie nuttige application notes en dergelijke begin te verzamelen, ik wou dat ik die informatie eens snel en gemakkelijk, "matrix-style" kon downloaden naar de grijze massa.

Op 16 mei 2009 15:24:01 schreef big bang:
....
Dioden: we vergeten soms dat er naast een reverse recovery ook een forward recovery bestaat, een tijd die nodig is om in geleiding te geraken, maar vaak is daar in de specs weinig van te vinden. Ook speelt paracitaire inductie en capaciteit een rol. ...
- - big bang - -

Dit soort zaken wordt vergeten of verwaarloosd. Net zoals een hoop andere zaken.
Meestal is het: er staat 0,7V over en maximaal kan die diode x A aan.

Een crowbar is wel lomp maar (soms) ook een goede oplossing. Ook varistoren kunnen helpen.

Klopt, maar toch heb ik meer vertrouwen in een forse thryristor of triac, en met fors bedoel ik dan types die pieken van 400A of zo kunnen hebben dan in zo'n schattige kleine varistor. Daarbij is het trigger punt van zo'n crowbar ook nog eens traploos instelbaar, dus ik hoef nooit op zoek naar een varistor met de juiste werkspanning.

Ik test hier regelmatig met een voeding van 48VDC / 30A, en om een 30A zekering te slopen heb je toch wel een hele deftige varistor nodig. Voor kleinere voedingen kan het natuurlijk wel.

Overigens heb ik met die voeding nog nooit een crowbar aangesproken, ik ben benieuwd wat het resultaat zou zijn. Dat ding zit niet voor niets in een gesloten behuizing om de brokstukken binnen te houden.

Het probleem is niet zozeer de maximale stroom bij varistoren maar de vaste spanning.
Een Epcos S14K50 kan 4500A aan (puls zie datasheet).

etekend een korte reverse recovery ook automatisch een korte forward recovery, of niet?

absoluut niet...

der zijn 4 getallen

Forward reaction time . van geen stroom naar stroom.
Je pakt een diode die stroomloos is. en legt een stroom aan. de tijd die nodig is eer dat ding in 'gang schiet'. ddit getal is zeer klein ( maar het is er wel ! )

de reverse recovery : van geleiding naar sper . dit is de tijd die nodig is om de barriere terug op de bouwen

de forward recovery : van sper terug naar geleiding. dit is anders dan bij scenario 1. bij sencario 1 ga je van rust naar geleiding ( de diode is niet in sper in het begin , omdat er simpelweg geen spanning over staat )

reverse reaction time : van niks naar sper. dus gene spanning erop , en dan in 1 klets : hup spanning erop.
je kan de test doen. je moet enkel een stroommeetweerstand in serie met de diode plaatsen en een snelle impuls aanbieden. je moet de tijd meten tussen schakelen en de stroompuls.

de testopstelling is te maken met ene symmetrische voeding en 2 dikke mosfets (of bipolaire). ik heb het ooit gedaan om protectiestructuren te testen ( clamping diodes op de i/o poten van chips)

   + x volt
     |
   pmos
     |        DUT
     +-----0--|>|--0--[sense weerstand]-- GND
     |     |       |
   nmos    |       |
     |    A        B
   - y volt

Punt A en B gaan naar de scoop.

x volt = de spanning die een stroom geeft door weerstand R die gelijk is aan IFmax
y volt = de spanning die gelijk is aan Vrmax over de diode

In rust sperren beide mossen.
zet de pmos aan : forward reaction time.
schakel van pmos naar nmos : reverse recovery
schakel terug van nmos naar pmos : forward recovery.
zet pmos af. wacht een paar milliseconden
zet nmos aan : reverse reaction time.

Om de mossen aan te jagen kan je een simpele schakeing maken met een paar flipflops en ene paar and poorten die het gewenste patroon opwekken. ik gebruikte daar altijd twee HP8112 puls generatoren voor. ik liet de ene de andere triggeren. door met de gate delay te spelen kon ik de delay van de mossen wegwerken. het is belangrijk dat de overgang van forward naar reverse zo steil mogelijk is. anders meet je delay van je mossen en niet die van je diode...

Om de forward en reverse reaction time te meten heb je een snelle scoop nodig.

Op de scoop plot je a , b en a-b. bij forward reaction time zal je zien dat die 0.7 volt die een diode normaal houdt een spike vertoont. der moeten geneog electronen gepompt worden om de sperlaag ( in rust is de sperlaag aanwezig ) eerst af te breken. eenmaal de stroom begint te lopen houdt ze op 0.7 volt. volgens de regels van de fysica kan het niet , maar dat is theorie. der zitten altijd onzuiverheden in de boel (en parasieten) die de spike laten optreden. Ik heb spikes gezien van enkele volts...

ook als je naar sper gaat vanuit rust heb je ene spike in de lekstroom die dan afneemt ( de sperlaag wordt dikker en dat kost ook tijd... )