Защита микроконтроллера от индуктивных нагрузок

Я работаю над проектом, в котором я буду управлять различными нагрузками (реле, соленоид, двигатель) от Arduino, и я хотел бы убедиться, что я встроил достаточно защиты для микроконтроллера и других компонентов. Я видел множество решений с использованием транзисторов и добавлением развязывающих конденсаторов, обратных диодов и стабилитронов. Мне интересно, как можно было бы выбрать один или комбинацию этих вариантов?

Мне интересно, как можно было бы выбрать один или комбинацию этих вариантов?

Это легко, если вы понимаете, как работают индукторы.

Я думаю, что проблема большинства людей заключается в том, что они слышат такие слова, как «всплеск индуктивного напряжения» или «обратная ЭДС», и обоснованно приходят к выводу, что

Таким образом, когда катушка индуктивности переключается, это на мгновение похоже на батарею на 1000 В.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Действительно, в этой конкретной ситуации это более или менее происходит. Но проблема в том, что он пропускает важный шаг. Индукторы не просто генерируют действительно высокие напряжения, чтобы нас злить. Посмотрите на определение индуктивности:

Куда:

• $L$ - индуктивность, в Генри
• $v(t)$ - напряжение в момент времени$t$
• $i$ текущий

Это похоже на закон Ома для индукторов, за исключением того, что вместо сопротивления у нас есть индуктивность , а вместо тока - скорость изменения тока .

На простом английском языке это означает, что скорость изменения тока через индуктор пропорциональна напряжению на нем. Если на индукторе нет напряжения, ток остается постоянным. Если напряжение положительное, то ток становится более положительным. Если напряжение отрицательное, то ток уменьшается (или становится отрицательным - ток может течь в любом направлении!).

Следствием этого является то, что ток в катушке индуктивности не может мгновенно остановиться, потому что для этого потребуется бесконечно высокое напряжение. Если мы не хотим высокого напряжения, мы должны медленно менять ток.

Следовательно, лучше мгновенно думать об индукторе как об источнике тока . Когда переключатель размыкается, любой ток, протекающий в индукторе, хочет продолжать течь. Напряжение будет таким, какое требуется, чтобы это произошло.

^{смоделировать эту схему}

Теперь вместо источника напряжения 1000 В у нас есть источник тока 20 мА. Я просто произвольно выбрал 20 мА в качестве разумного значения, на практике это тот ток, который был при размыкании переключателя, который в случае реле определяется сопротивлением катушки реле.

Теперь, в этом случае, что должно произойти, если течет более 20 мА? Мы открыли цепь с помощью переключателя, поэтому нет замкнутой цепи, поэтому ток не может течь. Но на самом деле это возможно: напряжение просто должно быть достаточно высоким, чтобы дуга на контактах переключателя. Если мы заменим коммутатор на транзистор, то напряжение должно быть достаточно высоким, чтобы сломать транзистор. Так вот что происходит, и у тебя плохое время.

Теперь посмотрим на ваши примеры:

^{смоделировать эту схему}

В случае А индуктор будет заряжать конденсатор. Конденсатор подобен индуктору с переключенным током и напряжением: , и поэтому постоянный ток через конденсатор будет изменять свое напряжение с постоянной скоростью. К счастью, энергия в индукторе конечна, поэтому она не может заряжать конденсатор вечно; в конечном итоге ток индуктора достигает нуля. Конечно, тогда конденсатор будет иметь некоторое напряжение на нем, и это будет работать для увеличения тока индуктора.$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

Это схема LC . В идеальной системе энергия будет колебаться между конденсатором и индуктором навсегда. Однако катушка реле имеет довольно большое сопротивление (будучи очень длинным, тонким куском провода), и в системе также меньше потерь от других компонентов. Таким образом, энергия в конечном итоге удаляется из этой системы и теряется на тепло или электромагнитное излучение. Упрощенной моделью, которая учитывает это, является схема RLC .

Случай B намного проще: прямое напряжение любого кремниевого диода составляет около 0,65 В, более или менее независимо от тока. Таким образом, ток индуктора уменьшается, и энергия, запасенная в индукторе, теряется для нагрева катушки реле и диода.

Случай C аналогичен: когда переключатель размыкается, обратной ЭДС должно быть достаточно для обратного смещения стабилитрона. Мы должны быть уверены, что выбрали Zener с обратным напряжением выше, чем напряжение питания, в противном случае источник питания может привести в движение катушку, даже когда переключатель разомкнут. Мы также должны выбрать транзистор, который может выдерживать максимальное напряжение между эмиттером и коллектором больше, чем обратное напряжение стабилитрона. Преимущество стабилитрона по сравнению со случаем B состоит в том, что ток индуктора уменьшается быстрее, поскольку напряжение на индукторе выше.

Есть еще один вариант, который используется для уменьшения накопленной энергии в индуктивной нагрузке как можно быстрее. Я видел это в релейных цепях, где требуется быстрое время отключения. Проблема с диодом состоит в том, что энергии, удерживаемой в катушке реле, требуется время для рассеивания (поскольку ток рециркулирует и медленно уменьшается), тогда как если бы резистор был установлен параллельно катушке, противо-ЭДС была бы больше, но затрачивала бы энергию еще быстрее.

Например, ток катушки 50 мА будет давать пиковую обратную ЭДС 0,7 вольт на диоде, но на резисторе 1 кОм это будет 50 вольт. Это не проблема, если транзистор рассчитан на 100 вольт.

Модификация этой идеи заключается в использовании диода последовательно с резистором. Теперь резистор не работает нормально по току; это только обрабатывает ситуацию обратного напряжения.

Чем больше резистор, тем быстрее рассеивается энергия, и тем быстрее реле (или соленоид или что-то еще) механически выключается.

Конденсаторная версия также заслуживает рассмотрения. Энергия, накопленная в катушке, высвобождается, когда транзистор открывается, и это проникает в конденсатор, образуя пиковое напряжение, которое связано с запасенной энергией; Индуктор имеет накопленную энергию, которая:

$\dfrac{Li^2}{2}$$\dfrac{Cv^2}{2}$

Когда вы приравниваете эти два уравнения, вы можете рассчитать, какова пиковая ЭДС, когда транзистор размыкается. Затем вы обнаружите, что ток идет вперед и назад между катушкой и конденсатором, колебаясь до нуля. Время, которое требуется, может быть длительным (в микросекундах и миллисекундах), но акт изменения тока катушки реле после 1-го цикла колебаний быстро выключает реле. Обычно сопротивление катушки реле достаточно велико, чтобы в 3-м полупериоде колебаний не было достаточно тока для реактивации катушки реле.

Таким образом, идея конденсатора иногда (редко) используется. Иногда он используется последовательно с резистором, чтобы ускорить процесс.

Идея стабилитрона также полезна, потому что, в отличие от диода, который проводит вперед при напряжении 0,7 вольт, стабилитрон проводит, но при (скажем) 12 вольт, таким образом ускоряя рассеяние накопленной энергии намного быстрее, чем один диод. Кроме того, с помощью стабилитрона точка максимального напряжения определяется легче, чем с помощью резисторов и конденсаторов, поэтому есть некоторая привлекательность для ее использования.

Обычный способ - использовать случай B выше. Это называется диодом с обратной ЭДС или диодом с обратной связью . Конденсатор в А вряд ли сработает. Случай C иногда встречается в H-мостах, а также в случаях, когда нагрузка возбуждается как отрицательной, так и положительной, и в этом случае нельзя использовать простой параллельный диод.