Захист мікроконтролера від індуктивних навантажень

Я працюю над проектом, де я буду контролювати різні навантаження (реле, соленоїд, двигун) від Arduino, і я хотів би переконатися, що я вдосконалюю достатній захист для мікроконтролера та інших компонентів. Я бачив різноманітні рішення, що використовують транзистори та додавання конденсаторів для роз'єднання, відкатних діодів і стабілітронів. Мені цікаво, як можна було б вибрати між одним або комбінацією цих варіантів?

Мені цікаво, як можна було б вибрати між одним або комбінацією цих варіантів?

Це легко, якщо ви розумієте, як працюють індуктори.

Я думаю, що проблема більшості людей полягає в тому, що вони чують слова на кшталт "індуктивний сплеск напруги" або "назад-ЕРС" і обґрунтовано роблять щось подібне

Отже, коли перемикається індуктор, це на мить, як батарея 1000 В.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Дійсно, у цій конкретній ситуації це більш-менш те, що відбувається. Але проблема в тому, що йому не вистачає критичного кроку. Індуктори не просто генерують насправді високі напруги, щоб нас не зважати. Подивіться на визначення індуктивності:

Де:

• $L$ - індуктивність, в генах
• $v(t)$ - напруга в часі $t$
• $i$ є поточним

Це як закон Ома для індукторів, за винятком того, що замість опору ми маємо індуктивність , а замість струму ми маємо швидкість зміни струму .

Це означає, що звичайною англійською мовою є те, що швидкість зміни струму через індуктор пропорційна напрузі на ньому. Якщо напруга на індукторі немає, струм залишається постійним. Якщо напруга позитивна, то струм стає більш позитивним. Якщо напруга негативна, то струм зменшується (або стає негативним - струм може текти в будь-якому напрямку!).

Наслідком цього є те, що струм в індукторі не може миттєво припинятися, тому що це вимагатиме нескінченно високої напруги. Якщо ми не хочемо високої напруги, то нам доведеться повільно змінювати струм.

Отже, краще подумати про індуктор в мить як про джерело струму . Коли перемикач відкриється, незалежно від того, який струм протікав у індукторі, він хоче продовжувати текти. Напруга буде будь-якою необхідною для цього.

^{моделювати цю схему}

Тепер замість джерела напруги 1000 В у нас є джерело струму 20 мА. Я просто довільно вибрав 20 мА як розумне значення, на практиці це те, яким би був струм, коли перемикач відкрився, що у випадку реле визначається опором котушки реле.

Тепер у цьому випадку, що має статися, щоб протікати 20mA? Ми відкрили ланцюг за допомогою перемикача, тому замкнутого ланцюга немає, тому струм не може текти. Але насправді це може: напруга просто має бути досить високою, щоб дуга переходила через контакти комутатора. Якщо ми замінимо перемикач транзистором, то напруга повинна бути досить високою, щоб зламати транзистор. Так ось і відбувається, і у вас поганий час.

А тепер подивіться на ваші приклади:

^{моделювати цю схему}

У випадку А, індуктор зарядить конденсатор. Конденсатор - це як індуктор із включеним струмом і напругою:$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$, і тому постійний струм через конденсатор буде змінювати свою напругу на постійну швидкість. На щастя, енергія в індукторі є кінцевою, тому він не може назавжди зарядити конденсатор; з часом струм індуктора досягає нуля. Звичайно, тоді конденсатор матиме деяку напругу через нього, і це потім буде працювати для збільшення струму індуктора.

Це схема ЖК . В ідеальній системі енергія назавжди коливатиметься між конденсатором та індуктором. Однак котушка реле має досить великий опір (це дуже довгий тонкий шматок дроту), і в системі є і менші втрати від інших компонентів. Таким чином, енергія з часом вилучається з цієї системи і втрачається на тепло або електромагнітне випромінювання. Спрощеною моделлю, яка враховує це, є схема RLC .

Випадок B набагато простіший: напруга вперед будь-якого кремнієвого діода становить приблизно 0,65 В, більше або менше незалежно від струму. Таким чином, струм індуктора зменшується і енергія, що зберігається в індукторі, втрачається для нагрівання в котушці і діоді реле.

Випадок C аналогічний: коли перемикач відкривається назад, ЕРС повинно бути достатньо для зворотного зміщення стабілітрона. Ми повинні бути впевнені, що вибираємо ценер із зворотним напругою, що перевищує напругу живлення, інакше джерело живлення може привести котушку, навіть коли перемикач відкритий. Треба також вибрати транзистор, який може витримувати максимальну напругу між випромінювачем і колектором більше, ніж зворотна напруга Зенера. Перевагою Зенера перед випадком B є те, що струм індуктора зменшується швидше, оскільки напруга на індукторі вище.

Існує ще одна варіація, яка використовується для того, щоб якомога швидше зменшити накопичену енергію в індуктивному навантаженні. Це я бачив, як застосовується в релейних схемах, де потрібні швидкі затримки. Проблема діода полягає в тому, що енергія, що утримується в котушці реле, потребує часу для її розсіювання (оскільки струм рециркулює і зменшується повільно), тоді як якби резистор був розміщений паралельно котушці, зворотний випромінювач був би більшим, але витрачав енергію швидше.

Наприклад, струм котушки потужністю 50 мА призведе до отримання пікового зворотного випромінювання 0,7 вольт на діоді, але через резистор 1 К це буде 50 вольт. Це не проблема, якщо транзистор розрахований на 100 вольт.

Модифікацією цієї ідеї є використання діода послідовно з резистором. Тепер резистор не приймає нормальний струм; він обробляє лише ситуацію, що відповідає зворотній напрузі.

Чим більший резистор, тим швидше енергія розсіюється, і чим швидше реле (або соленоїд, або що інше) механічно вимикається.

Версію конденсатора також варто врахувати. Енергія, що зберігається в котушці, вивільняється, коли транзистор відкривається, і він прокачується в конденсатор, утворюючи пікову напругу, пов'язану з накопиченою енергією; індуктор має накопичену енергію, яка:

$\dfrac{Li^2}{2}$ а формула конденсатора - енергія, що зберігається = $\dfrac{Cv^2}{2}$

Коли ви рівняєте ці два рівняння, ви можете обчислити, що таке пік зворотної емф, коли транзистор відкритих ланцюгів. Тоді ви виявите, що струм йде назад і вперед між котушкою і конденсатором, коливаючись до нуля. Час, який це потрібно, може бути довгим (у мікро- і мілісекундному вираженні), але акт обертання струму котушки реле після 1-го циклу коливань швидко вимикає реле. Зазвичай опір котушки реле є досить високим, щоб гарантувати, що третій половинний цикл коливань не має достатнього струму для активації котушки реле.

Отже, ідея конденсатора іноді (рідко) використовується. Іноді його застосовують послідовно з резистором, щоб трохи прискорити речі.

Ідея стабілітра також корисна тим, що, на відміну від діода, який веде вперед на 0,7 вольт, ценер проводить, але (скажімо) 12 вольт, таким чином прискорюючи розсіювання накопиченої енергії набагато швидше, ніж один діод. Крім того, за допомогою стабілітрона максимальна точка напруги визначається легше, ніж з резисторами та конденсаторами, тому є деяка привабливість її використання.

Звичайним способом є використання випадку Б вище. Це називається диодом із зворотним ЕРС або відкатним діодом . Конденсатор в А навряд чи спрацює. Випадок С іноді спостерігається в Н-мостах і в тих випадках, коли навантаження приводиться як в негативне, так і в позитивне значення, в цьому випадку простий паралельний діод не можна використовувати.