Ochrona mikrokontrolera przed obciążeniami indukcyjnymi

Pracuję nad projektem, w którym będę kontrolował różne obciążenia (przekaźnik, elektromagnes, silnik) z Arduino i chciałbym upewnić się, że mam wbudowaną wystarczającą ochronę mikrokontrolera i innych komponentów. Widziałem różne rozwiązania wykorzystujące tranzystory i dodające kondensatory odsprzęgające, diody flyback i diody Zenera. Zastanawiam się, jak wybrać jedną lub kombinację tych opcji?

Zastanawiam się, jak wybrać jedną lub kombinację tych opcji?

To proste, jeśli rozumiesz, jak działają cewki indukcyjne.

Myślę, że większość ludzi ma problem z tym, że słyszą słowa takie jak „skok napięcia indukcyjnego” lub „EMF” i rozsądnie dochodzą do wniosku, że

Tak więc, gdy cewka jest przełączana, przez chwilę działa jak bateria 1000 V.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Rzeczywiście, w tej konkretnej sytuacji, mniej więcej tak się dzieje. Problem polega jednak na tym, że brakuje mu krytycznego kroku. Cewki indukcyjne nie tylko generują naprawdę wysokie napięcia, aby nas narzekać. Spójrz na definicję indukcyjności:

Gdzie:

• $L$ indukcyjność, henrys
• $v(t)$ to napięcie w danym momencie $t$
• $i$ jest aktualne

To jest jak prawo Ohma dla cewek, z tym wyjątkiem, że zamiast rezystancji mamy indukcyjność , a zamiast prądu mamy szybkość zmiany prądu .

Oznacza to, w prostym języku angielskim, że szybkość zmiany prądu przez cewkę jest proporcjonalna do napięcia na niej. Jeśli na cewce nie ma napięcia, prąd pozostaje stały. Jeśli napięcie jest dodatnie, prąd staje się bardziej dodatni. Jeśli napięcie jest ujemne, wówczas prąd maleje (lub staje się ujemny - prąd może płynąć w dowolnym kierunku!).

Konsekwencją tego jest to, że prąd w cewce nie może natychmiast zatrzymać się, ponieważ wymagałoby to nieskończenie wysokiego napięcia. Jeśli nie chcemy wysokiego napięcia, musimy powoli zmieniać prąd.

W związku z tym lepiej jest natychmiast pomyśleć o cewce jako źródle prądu . Gdy przełącznik się otworzy, prąd płynący przez cewkę indukcyjną chce płynąć dalej. Napięcie będzie tyle, ile potrzeba, aby tak się stało.

^{zasymuluj ten obwód}

Teraz zamiast źródła napięcia 1000 V mamy źródło prądu 20 mA. Właśnie arbitralnie wybrałem 20mA jako rozsądną wartość, w praktyce jest to prąd bez względu na otwarcie przełącznika, co w przypadku przekaźnika jest określone przez rezystancję cewki przekaźnika.

Teraz w tym przypadku, co musi się wydarzyć, aby przepływ prądu przekroczył 20 mA? Otworzyliśmy obwód za pomocą przełącznika, więc nie ma obwodu zamkniętego, więc prąd nie może płynąć. Ale tak naprawdę może: napięcie musi być wystarczająco wysokie, aby wyskoczyć na stykach przełącznika. Jeśli zastąpimy przełącznik tranzystorem, wówczas napięcie musi być wystarczająco wysokie, aby przerwać tranzystor. Tak się dzieje i masz zły czas.

Teraz spójrz na swoje przykłady:

^{zasymuluj ten obwód}

W przypadku A induktor naładuje kondensator. Kondensator jest jak cewka indukcyjna z przełączanym prądem i napięciem:$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$, a więc stały prąd przez kondensator zmieni swoje napięcie ze stałą szybkością. Na szczęście energia w cewce jest skończona, więc nie może wiecznie ładować kondensatora; ostatecznie prąd cewki osiągnie zero. Oczywiście wtedy kondensator będzie miał na sobie pewne napięcie, a to zadziała, aby zwiększyć prąd cewki indukcyjnej.

To jest obwód LC . W idealnym systemie energia oscylowałaby między kondensatorem i cewką na zawsze. Cewka przekaźnika ma jednak dość duży opór (jest to bardzo długi, cienki kawałek drutu), a także w systemie występują mniejsze straty z innych komponentów. W ten sposób energia jest ostatecznie usuwana z tego układu i tracona na ciepło lub promieniowanie elektromagnetyczne. Uproszczonym modelem, który bierze to pod uwagę, jest obwód RLC .

Przypadek B jest znacznie prostszy: napięcie przewodzące dowolnej diody krzemowej wynosi około 0,65 V, mniej więcej niezależnie od prądu. Tak więc prąd cewki maleje, a energia zmagazynowana w cewce jest tracona na ciepło w cewce przekaźnika i diodzie.

Przypadek C jest podobny: gdy przełącznik się otworzy, tylny EMF musi wystarczyć do odwrócenia nastawienia Zenera. Musimy koniecznie wybrać Zenera o napięciu wstecznym wyższym niż napięcie zasilające, w przeciwnym razie zasilacz mógłby napędzać cewkę, nawet gdy przełącznik jest otwarty. Musimy również wybrać tranzystor, który wytrzyma maksymalne napięcie między emiterem a kolektorem większe niż napięcie wsteczne Zenera. Przewagą Zenera nad obudową B jest to, że prąd cewki indukcyjnej maleje szybciej, ponieważ napięcie na cewce indukcyjnej jest wyższe.

Istnieje inna odmiana, która służy do jak najszybszego zmniejszenia zmagazynowanej energii w obciążeniu indukcyjnym. Widziałem to w obwodach przekaźnikowych, w których wymagane są szybkie czasy wyłączenia. Problem z diodą polega na tym, że energia trzymana w cewce przekaźnika potrzebuje czasu na rozproszenie (ponieważ prąd recyrkuluje i powoli maleje), podczas gdy gdyby rezystor był umieszczony równolegle z cewką, emf tylny byłby większy, ale zużywałby energię szybciej.

Na przykład prąd cewki 50mA wytwarzałby szczytową wartość emf z tyłu wynoszącą 0,7 wolta na diodzie, ale na oporniku 1k ​​byłoby to 50 woltów. Nie stanowi to problemu, jeśli tranzystor ma napięcie 100 woltów.

Modyfikacją tego pomysłu jest zastosowanie szeregowej diody z rezystorem. Teraz rezystor nie przyjmuje normalnego prądu; obsługuje tylko sytuację napięcia wstecznego.

Im większy rezystor, tym szybciej energia zostaje rozproszona i szybciej przekaźnik (lub elektromagnes lub cokolwiek innego) mechanicznie się wyłącza.

Warto również wziąć pod uwagę wersję kondensatora. Energia zmagazynowana w cewce zostaje uwolniona, gdy tranzystor się otworzy, a to zamiata się do kondensatora, tworząc napięcie szczytowe związane z zgromadzoną energią; induktor ma zgromadzoną energię, która jest:

$\dfrac{Li^2}{2}$ a wzór kondensatora to energia zmagazynowana = $\dfrac{Cv^2}{2}$

Kiedy zrównujesz te dwa równania, możesz obliczyć, jaka jest szczytowa emisja wsteczna, gdy otwarte obwody tranzystora. Następnie okazuje się, że prąd płynie do tyłu i do przodu między cewką i kondensatorem oscylując w dół do zera. Czas ten może być długi (w skali mikro i milisekundowej), ale odwrócenie prądu cewki przekaźnika po pierwszym cyklu oscylacji powoduje szybkie wyłączenie przekaźnika. Zwykle rezystancja cewki przekaźnika jest wystarczająco wysoka, aby zapewnić, że cykl oscylacji w trzeciej połowie nie będzie miał wystarczającego prądu do ponownego włączenia cewki przekaźnika.

Tak więc pomysł kondensatora jest czasem (rzadko) stosowany. Czasami stosuje się go szeregowo z rezystorem, aby przyspieszyć nieco bardziej.

Pomysł Zenera jest również przydatny, ponieważ w przeciwieństwie do diody, która przewodzi do przodu przy 0,7 wolta, zener przewodzi, ale przy (powiedzmy) 12 woltów, przyspieszając w ten sposób rozpraszanie zmagazynowanej energii znacznie szybciej niż sama dioda. Ponadto w przypadku zenera punkt maksymalnego napięcia jest łatwiejszy do zdefiniowania niż w przypadku rezystorów i kondensatorów, więc korzystanie z niego jest pewne.

Typowym sposobem jest użycie przypadku B powyżej. Nazywa się to diodą wstecznego pola elektromagnetycznego lub diodą flyback . Jest mało prawdopodobne, aby kondensator w A działał. Przypadek C jest czasem spotykany w mostkach H oraz w przypadkach, gdy obciążenie jest napędzane zarówno ujemnie, jak i dodatnio, w którym to przypadku nie można zastosować prostej równoległej diody.