¿Puede un diodo Zener que protege un interruptor contra la inductancia cuando el interruptor se abre afectar la velocidad de encendido de la válvula cuando la cierra nuevamente?

Sólo un poco de teoría preliminar.

Como probablemente sepa, sin ningún diodo flyback, ya sea un rectificador o un Zener, tendrá un voltaje de retroceso (teóricamente infinito) del inductor (bobina de válvula, devanado de relé o lo que sea) cada vez que intente interrumpir su corriente abruptamente. En realidad, el contragolpe no será infinito porque el pico desencadenará cualquier tipo de efecto desagradable en el circuito al que está conectado: generará arcos eléctricos, conducirá a los semiconductores a una ruptura destructiva, freirá las resistencias o atravesará los condensadores dieléctricos, etc.

Todo esto en el intento de deshacerse de la energía almacenada en el inductor, que es

$E_L = \frac 1 2\, L\, I_L^2$

donde$I_L$es la corriente instantánea en el momento inmediatamente anterior al (intento) de apagado.

Poner un rectificador en paralelo con la bobina es la contramedida estándar de baja velocidad, como sabe. Suponiendo que el diodo pueda soportar el pulso de corriente de irrupción generado por el retroceso, sujetará el voltaje a través de la bobina a un valor seguro de ~0.7V. ¿Por qué es lento? Porque a ese nivel de voltaje (una caída directa del diodo) y con los valores habituales de resistencia directa, la potencia disipada es baja, por lo que lleva más tiempo convertir$E_L$en calor.

Usar un Zener es más rápido esencialmente porque permite que el voltaje de retroceso aumente más antes de sujetarlo. Por supuesto, el voltaje Zener debe elegirse para que no sea peligroso para el resto del circuito. Dado que la pinza se produce a un voltaje más alto, y la resistencia dinámica de ruptura de un Zener también puede ser menor, la potencia disipada es mayor, por lo que lleva menos tiempo convertir$E_L$en calor.

Si se pregunta qué sucede cuando cesa la acción de la abrazadera porque la corriente no es suficiente para mantener el Zener (o el diodo de la abrazadera) en ruptura (conducción), bueno, la respuesta es que probablemente oscilará, porque la energía DEBE convertirse, ya que la fuente de alimentación de la bobina se ha cortado y la energía almacenada depende de la corriente en la bobina. La bobina no "retendrá la energía" como lo haría un capacitor, porque para que eso sea posible, una corriente debe fluir hacia la bobina misma. Por lo tanto, la energía restante encontrará otras formas de convertirse: capacitancia parásita y corriente de fuga de los diodos y capacitancia parásita de la propia bobina (por ejemplo). Es una especie de circuito de tanque no lineal no ideal, que exhibirá oscilaciones amortiguadas hasta que la energía se convierta completamente en calor.

EDITAR

(En respuesta a un comentario de @supercat)

Aquí hay algunos resultados de una simulación de circuito concebida apresuradamente usando LTspice que muestra la oscilación amortiguada que puede surgir en una situación similar a la descrita anteriormente.

El análisis transitorio produce los siguientes gráficos:

Si hacemos zoom en las partes interesantes tenemos:

En la siguiente gráfica muy ampliada, puede notar la frecuencia estimada de las oscilaciones (he mejorado la imagen para mostrar dónde se colocan los cursores LTspice).

Aaaah, la electrónica, es una amante confusa y cruel.

Aunque lo hace divertido.

La cosa aquí es la velocidad de reacción de los diferentes componentes del problema y/o solución.

Primero: el voltaje directo y la corriente directa de un diodo están vinculados. Cuanto mayor sea el voltaje que pueda suministrar a través de él, más fácil fluirá la corriente.

Segundo: una bobina que tiene una corriente que fluye y luego se apaga reacciona increíblemente rápido. Si la corriente no puede ir a ninguna parte en fracciones de fracciones de un microsegundo, puede aumentar hasta voltajes insoportables (100, si no 1000).

Entonces, agregar una resistencia en serie es un buen truco, para modificar ligeramente la respuesta, permite que el voltaje de la bobina aumente un poco más antes de que el diodo comience a perder energía. Pero entonces, la resistencia también está en el camino actual, impidiendo su propia ayuda, por lo que realmente es una solución inferior.

El diodo zener, sin embargo, oh, son mágicos. Una vez que alcanza el voltaje de ruptura, realmente... bueno... ¡se descompone! La curva de voltaje-corriente de un diodo zener en la ruptura es mucho más impresionante, esto tiene que ver con la compresión del campo de bloqueo una vez que la corriente es capaz de fluir, si se me permite parafrasear muy mal un libro de 380 páginas.

Entonces, una vez que alcanza la conductancia zener, la corriente realmente puede desaparecer en un instante y, como mencioné, para que la bobina alcance la conductancia zener es pan comido.

Con respecto al voltaje zener, la diferencia en esta aplicación entre 3V y 6V es más pronunciada que la diferencia entre 6V y 12V y así sucesivamente. Por lo general, la regla de Vz > 2*VCC es lo suficientemente buena para garantizar un apagado rápido. Más importante es que su zener pueda manejar el pico actual.

La razón por la que los zeners no son tan populares como los diodos normales para la protección es su capacidad de manejo actual y destruir su dispositivo de protección anula un poco el propósito.

Voy a redondear ahora, ya que todavía tengo que hacer compras antes de aventurarme en Alemania.

EDITAR: PD: 10 veces por segundo no es un requisito de alta velocidad. El apagado de alta velocidad para un relé es del orden de un milisegundo o menos. Olvidé hacer este punto en la parte superior antes de publicar. Y el apagado de alta velocidad no interferirá con un nuevo encendido.

En orden, sus preguntas:

1. Decaerá muy rápidamente, milisegundos como máximo. De hecho, el voltaje no llega a cero instantáneamente porque es un circuito de tanque LC principalmente con capacitancia distribuida de bobina, pero también capacitancia parásita y de transistor, por lo que 'suena' a alta frecuencia. La bobina tiene una resistencia significativa, por lo que la Q es baja y el timbre se amortigua rápidamente.

2. Si espera más de, digamos, 10 ms, no afectará a la siguiente operación de forma práctica.

3. Un Vz más alto es más duro para el transistor pero se apaga más rápido. El encendido no se ve afectado de forma apreciable (existen otros trucos para mejorar la velocidad de encendido). Si baja Vz que el voltaje máximo posible de la fuente de alimentación (peor caso) más una caída de diodo, el diodo zener conducirá cuando la bobina esté 'encendida', probablemente destruyendo el zener y el transistor. El circuito de la derecha no tiene ese problema (pero una sobretensión sostenida podría hacer que el diodo Zener se sobrecaliente).