Inductive Kickback
Introducción:
El contragolpe inductivo o más conocido como "inductive kickback" (en inglés) es un fenómeno eléctrico indeseado en la mayoría de circuitos con carga inductiva, esto es en circuitos con motores, transformadores, solenoides, etc.
Descripción del fenómeno:
Será más fácil mostrar un ejemplo con el siguiente circuito:
Circuito de Prueba.
Tenemos un transistor común y corriente (2sc945) que posee como carga a un inductor L1 y a una resistencia R1. Este transistor se encuentra conduciendo alrededor de 15mA.
El experimento consiste en apagar el transistor con el botón S1 y ver qué sucede. Lo normal sería que el voltaje del colector cambie de 0.1v (en saturación) a 5v (en corte).
Sin embargo, esto no sucede inmediatamente a causa del inductor.
Observación del osciloscopio. Amarillo (Vc) y Azul (Vb).
La línea amarilla indica el voltaje del colector y la azul el voltaje de la base.
Vemos que cuando se apaga el transistor, el voltaje del colector empieza a aumentar empero, en lugar de detenerse al alcanzar los 5 voltios, continúa incrementándose hasta alcanzar 7.3v, que es el pequeño pico observado. En este caso fue pequeño porque así se diseñó la prueba, pero en la práctica este voltaje puede alcanzar los cientos o miles de voltios. De más está decir que un transistor ordinario no sobreviviría para contarlo.
Causas
El culpable es el inductor, pero es necesario explicar por qué.El inductor es un elemento básico que sigue la siguiente relación matemática:
V=L(di/dt)
¿Qué significa esto?. Significa que si dt (el tiempo en el que se apaga el transistor) es muy corto entonces se generará un voltaje V bastante alto.
El osciloscopio muestra que el transistor se apaga en 20ns aproximadamente y según los datos la inductancia es de 10uh y la variación de corriente será de 15ma.
Finalmente, a las causas agregamos que a mayor inductancia L, mayor será el voltaje que aparecerá. También, si hay mayor corriente a través del inductor entonces el voltaje también aumentará.
Segundo experimento: aumentando la inductancia.
Ahora que hemos visto las causas, intentaremos demostrar su veracidad mediante una pequeña variación: en lugar de usar un inductor de 10uh, utilizaremos uno de 47uh.
Variación del circuito de prueba, L=47uh
Podemos apreciar que el voltaje generado es mucho mayor, puesto que aumentamos la inductancia. Cabe resaltar que si aumentamos aún más la inductancia el resultado puede ser peligroso para los demás componentes del circuito, por ejemplo, para el transistor que usamos, el 2sc945, el máximo Vce que puede soportar es de 60v.
Contramedidas
Entre las contramedidas a este fenómeno, la más sencilla es colocar un diodo en paralelo al inductor. Esto forzará a que la diferencia máxima entre ambos terminales del inductor sea de una caída de diodo (0,6v apróx.).
Circuito de prueba. Diodo agregado.
Observación del circuito con diodo agregado.
Vemos que el diodo ha tenido éxito en controlar el pico de voltaje indeseado.
A pesar de esto, si somos observadores, nos daremos cuenta que hay un pequeño efecto indeseado: el voltaje permanece 0.7v por encima del voltaje de la fuente mientras que lo normal sería que volviese de inmediato al voltaje de la fuente, es decir 5v.
Observación, escala horizontal de 200ns.
El volver a la normalidad (de 5.7v a 5v) toma alrededor de 1 microsegundo. ¡50 veces más que si no tuviese carga inductiva!
Si la velocidad de la conmutación es importante para la aplicación entonces esto se convertiría en un problema. De otro modo, si el tiempo de conmutación de la aplicación no es crítico entonces no habría problema.
Conclusiones
La última prueba fue hecha con 15ma a través del inductor y 47uh. El resultado si bien fue controlado, pudo haber sido mucho peor.
Qué hubiese sucedido si en lugar de un inductor pequeño tuviésemos, sin exagerar, un motor de juguete de 5v que consume alrededor de 300ma y una inductancia mayor, entonces el resultado podría ser desastroso.
La contramedida aplicada fue bastante eficiente en términos de control del voltaje, pero no en términos de velocidad.
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