Cívka: relé, solenoid a nulová dioda
Relé, solenoid, ventil, malý motor — všechno jsou to cívky, a všechny mají tutéž vlastnost: proud v nich se nedá zastavit skokem. Vypnutím spínače se proudu jen vezme cesta, a on si udělá jinou, přes cokoli, co má nejblíž.
- E = ½·L·I² = 0,13 mJ
Dokud teče proud, drží cívka energii v magnetickém poli. Je to táž ½ jako u kondenzátoru, jen s L a I místo C a U.
- i(t0+) = i(t0−)
Cívka je setrvačník pro proud. Vypnutím spínače se proud nezastaví — jen mu vezmeš cestu, a on si udělá jinou.
- u = −L · di/dt → ∞
Napětí vyskočí, dokud si proud nenajde průraz. U MOSFETu to je lavinový průraz — jednou přežije, stokrát ne.
- τ = L/R = 0,5 ms
Nulová dioda uzavře smyčku a proud doteče přes odpor cívky. Napětí se omezí na jeden úbytek diody — a doběh trvá L/R.
- bez omezovače
Zener nebo TVS dovolí vyšší napětí, a čím vyšší, tím rychleji energie zmizí. Relé pak odpadá dřív — a to je u bezpečnostních obvodů rozdíl.
Energie, kterou je potřeba někam podít
Sto milihenry při padesáti miliampérech je 0,125 mJ. Zní to jako nic — a je to nic, dokud se to nemá vybít za mikrosekundu. Výkon je energie dělená časem, a čas si určuje ta energie sama: napětí roste, dokud si proud nenajde cestu.
Proč se tranzistor zničí a ne „jen“ přetíží: u MOSFETu tou cestou bývá lavinový průraz. Většina součástek ho jednou přežije a katalog to i připouští (avalanche rated). Ale relé se spíná desetkrát za minutu, a to je půl miliónu lavin za rok. Nulová dioda stojí dva haléře a mění to na nulu lavin.
Cena diody: relé odpadá pomalu
Obyčejná dioda udrží napětí na 0,7 V, takže proud doteče přes vlastní odpor cívky. Časová konstanta je L/R — u typického relé jednotky milisekund, a než proud klesne dost, kotva drží. Relé s nulovou diodou odpadá několikrát pomaleji než bez ní.
Zener nebo TVS dovolí vyšší napětí — a čím vyšší, tím rychleji je po všem. U sta milihenry, padesáti miliampér a čtyřiadvacetivoltového omezovače vyjde doběh 0,2 ms proti 2,3 ms se samotnou diodou, tedy jedenáctkrát rychleji. To není řádový rozdíl, který by se dal čekat — protože i s omezovačem se část energie topí ve vlastním odporu cívky.
Kde na tom záleží
U bezpečnostních obvodů. Doba odpadu relé je součástí doby zastavení stroje, kterou SafetyLab počítá do ochranné vzdálenosti. Dvě milisekundy navíc jsou při rychlosti 1 m/s dva milimetry — samo o sobě málo, ale je to jeden z těch sčítanců, na které se zapomíná, a přidává je ta nejlevnější součástka v celém obvodu.