¿Qué evita que el voltaje de retroceso alcance un voltaje infinito?

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Sabemos que el voltaje sobre un inductor está definido por la fórmula:

V=Ldidt

Entonces, en el caso de que el flujo de corriente se interrumpa repentinamente (como cuando se abre un contacto mecánico), se producen picos de voltaje en la vida real.

Sin embargo, este no es siempre el caso: no vemos arcos en pequeñas cargas inductivas. (Por pequeñas cargas inductivas me refiero a un motor de automóvil de juguete, por ejemplo). Sin embargo, la fórmula dice que el término debe acercarse al infinito cuando se abren los contactos mecánicos, por lo tanto, el término (que debe ser pequeño en pequeñas cargas inductivas) no debería tener un efecto significativo. Simplemente, deberíamos poder ver chispas cada vez que abrimos cualquier carga inductiva, independientemente de la inductancia. LdidtL

¿Cuáles son los factores prácticos que impiden que el voltaje llegue al infinito? ¿El flujo de corriente realmente disminuye más lentamente, o la fórmula es quizás insuficiente para tal "discontinuidad"?

CK
fuente
55
Una bobina práctica tiene una resistencia distinta de cero.
filo
2
@filo ¿Por qué importaría la resistencia si no hay flujo de corriente?
CK
2
Si no hay flujo de corriente en el momento en que se abren los contactos, ¿por qué esperaría una chispa en los contactos?
The Photon
2
Pero la respuesta real está en la respuesta de la computadora portátil: la capacidad de entrelazado limita el voltaje.
The Photon
55
El infinito ocurre cuando asumes que algo es cero, que en realidad no lo es.
J ...

Respuestas:

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Un inductor real se ve así (se muestra a continuación un inductor con 4 bobinas) hay una pequeña cantidad (generalmente en el rango pF-fF) de capacitancia entre cada bobina. Cada pedazo de cable también tiene cierta resistencia asociada.

Debido a que cada bobina en un inductor tiene resistencia (o cada sección de cable si considera una bobina) esto impide la corriente y reduce el voltaje. La pequeña cantidad de capacitancia también almacenará parte del voltaje y evitará un cambio instantáneo en el voltaje.

Todo esto absorbe energía que evita que la Fuerza Electro Motivante (EMF) que se ha almacenado alrededor de un inductor genere un voltaje infinito. En realidad, un inductor puede simplificarse en un circuito como el de la izquierda a continuación.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Una bobina superconductora podría generar voltajes mucho más masivos debido a pérdidas mucho menores debido a los parásitos.

Pico de voltaje
fuente
3
Recomiendo que cambie "impide los electrones" a "impide la corriente". Ha habido una serie de preguntas confusas con respecto a los electrones en las últimas semanas.
Transistor
2
Sí, no son los electrones los que transportan la corriente \ energía, es el campo eléctrico.
Voltaje pico
1
La resonancia de la capacitancia también permite voltajes masivos. Entonces es una bobina de Tesla
Henry Crun
1
Todo es correcto, excepto que EMF no se almacena en inncoils. EMF es Voltios, lo que se almacena es energía magnética, IIL / 2, definida por Amperios.
Gregory Kornblum
@GregoryKornblum Tu derecho, eso debería haber leído "alrededor del inductor" no "en el inductor". Es común referirse al voltaje almacenado alrededor de la bobina como EMF. Webers / segundo = voltios
voltaje
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Cualquier sistema de almacenamiento de energía (un inductor) tiene un tamaño distinto de cero.

Cualquier cosa de tamaño distinto de cero tiene campos eléctricos o capacitancia distintos de cero. Las uniones de dispositivos suelen ser una gran fuente de capacitancia parásita. Los sistemas de retorno utilizan un diodo para transferir energía a un condensador de carga.

En la excursión de voltaje máximo, toda la energía inductiva (1) se ha disipado a medida que el calor (2) se irradia a medida que el campo EM (3) se almacena en el campo eléctrico de las capacitancias intencionales y parásitas.

analogsystemsrf
fuente
5

La resistencia en serie es muy importante con el voltaje de "retroceso" debido a la capacitancia en serie del "interruptor" cuando se abre. Esto forma un circuito resonante RLC de serie clásico que tiene propiedades de ganancia de voltaje por relación de impedancia de

Q=|XC|R=|XL|R=ω0LRω0=1LC

|Vp|=QVdc

Cuando se desenergiza un circuito con un interruptor de contacto cuando t pasa a 0, V / L = dI / dt, V no llega al infinito debido a esta capacitancia parásita.

Ejemplo

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Por ejemplo, considere un circuito en serie, Vdc = 1V, L = 1uH, R = 1 Ohmios, Idc = 1A . ¿Cuál es el retroceso de voltaje del interruptor, cuando se acaba de abrir, si Csw = 1pF ?

1V, 100V, 1kV , 1e6 V o infinito?

Ahora considere lo mismo para un interruptor FET con capacitancia de salida de 1nF con RdsOn << 1% de R = 1. ¿Qué es dV?

PD: si aprendiste algo, comenta tu respuesta.

La respuesta intuitiva es que el interruptor pasa de un conductor a un pequeño condensador parásito que limita la velocidad de respuesta del voltaje y, al igual que el inductor, limita la velocidad de respuesta de la corriente y en su frecuencia resonante, la ganancia de voltaje, Q en ω0 es inversamente proporcional a R, por lo que una serie más grande R amortigua el voltaje.

Vpag=yoreCLC

Misceláneos

Zo=LC

Vpag=yoreCZ0 0yoreC

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
fuente
3

Solo considere un ejemplo simple de 100 uH y 1 amp de flujo. Cuando se abre el contacto en serie con el inductor, puede haber 5 pF de capacitancia parásita a través del inductor y ese 1 amperio creará un alto voltaje de retroceso, pero ¿cuánto?

yo=CreVret

Por lo tanto, potencialmente (sin juego de palabras) el voltaje a través del condensador de 5 pF podría aumentar a una velocidad de 200 kV / microsegundo. Dado que su voltaje de arranque es potencialmente insignificante en comparación, en unos pocos microsegundos podría desarrollarse un voltaje bastante grande. Sin embargo, esto se ve mitigado por la falta de energía almacenada en el inductor: -

W=LI22

O 5 micro julios. Toda esta energía se transferirá cíclicamente al condensador y podemos equiparar la fórmula de energía del condensador a 5 uJ para obtener el voltaje máximo:

W=CV22

Esto produce un voltaje de condensador máximo de 1414 voltios.

Andy alias
fuente
Gracias por la respuesta Andy, estaba seguro de que había una respuesta de "conservación de energía" a esto.
CK
No hay problemas amigo ..
Andy también conocido como
@ ÇetinKöktürk Estoy de acuerdo en que la "energía" almacenada en L y C es la mejor manera de pensar en esto. Conduce directamente a una comprensión fundamentalmente correcta. (mientras que una perspectiva de "análisis de circuito" es indirecta y confunde un poco el problema real: almacenamiento y movimiento de energía)
Henry Crun
@ Andy lo divertido de los interruptores es el espacio de contacto variable a medida que el interruptor continúa abriéndose más; esto reduce la capacitancia y permite que el voltaje se vuelva aún más alto, quizás una vez más golpeando un arco; los interruptores son generadores de basura malvados cuando la energía se puede almacenar en algún cableado y luego resuena con la capacitancia variable de contacto de interruptor.
analogsystemsrf