Protezione del microcontrollore da carichi induttivi

Sto lavorando a un progetto in cui controllerò una varietà di carichi (relè, solenoide, motore) da un Arduino e vorrei assicurarmi di avere una protezione sufficiente per il microcontrollore e altri componenti. Ho visto una varietà di soluzioni che utilizzano transistor e l'aggiunta di condensatori di disaccoppiamento, diodi flyback e diodi zener. Mi chiedo come si sceglierebbe tra una o una combinazione di queste opzioni?

Mi chiedo come si sceglierebbe tra una o una combinazione di queste opzioni?

È facile, se capisci come funzionano gli induttori.

Penso che il problema che molte persone abbiano sia che sentano parole come "picco di tensione induttiva" o "back-EMF" e concludano ragionevolmente qualcosa come

Quindi, quando un induttore viene commutato, è per un istante come una batteria da 1000 V.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

In effetti in questa situazione particolare, questo è più o meno ciò che accade. Ma il problema è che manca un passaggio critico. Gli induttori non generano solo tensioni molto elevate per farci dispetto. Guarda la definizione di induttanza:

Dove:

• $L$ è induttanza, in henrys
• $v(t)$ è la tensione al momento$t$
• $i$ è la corrente

Questo è come la legge di Ohm per gli induttori, tranne che per la resistenza abbiamo l' induttanza , e invece della corrente abbiamo il tasso di cambiamento della corrente .

Ciò significa, in parole povere, che la velocità di variazione della corrente attraverso un induttore è proporzionale alla tensione che lo attraversa. Se non c'è tensione attraverso un induttore, la corrente rimane costante. Se la tensione è positiva, la corrente diventa più positiva. Se la tensione è negativa, la corrente diminuisce (o diventa negativa - la corrente può fluire in entrambe le direzioni!).

Una conseguenza di ciò è che la corrente in un induttore non può fermarsi all'istante, perché ciò richiederebbe una tensione infinitamente alta. Se non vogliamo un'alta tensione, allora dobbiamo cambiare lentamente la corrente.

Di conseguenza, è meglio pensare a un induttore in un istante come una fonte attuale . Quando l'interruttore si apre, qualunque corrente scorresse nell'induttore vuole continuare a fluire. La tensione sarà qualunque cosa occorrerà perché ciò accada.

^{simula questo circuito}

Ora invece di una sorgente di tensione da 1000 V, abbiamo una sorgente di corrente da 20 mA. Ho appena scelto arbitrariamente 20 mA come valore ragionevole, in pratica questo è qualunque sia la corrente all'apertura dell'interruttore, che nel caso di un relè è definita dalla resistenza della bobina del relè.

Ora, in questo caso, cosa deve succedere per far fluire più di 20 mA? Abbiamo aperto il circuito con l'interruttore, quindi non c'è circuito chiuso, quindi la corrente non può fluire. Ma in realtà può: la tensione deve solo essere abbastanza alta da arcuare attraverso i contatti dell'interruttore. Se sostituiamo l'interruttore con un transistor, la tensione deve essere sufficientemente elevata da interrompere il transistor. Quindi è quello che succede e hai dei brutti momenti.

Ora guarda i tuoi esempi:

^{simula questo circuito}

Nel caso A, l'induttore caricherà il condensatore. Un condensatore è proprio come un induttore con corrente e tensione commutate: , quindi una corrente costante attraverso un condensatore cambierà la sua tensione a una velocità costante. Fortunatamente, l'energia nell'induttore è limitata, quindi non può caricare il condensatore per sempre; alla fine la corrente dell'induttore raggiunge lo zero. Naturalmente, quindi il condensatore avrà una certa tensione attraverso di esso, e questo funzionerà quindi per aumentare la corrente dell'induttore.$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

Questo è un circuito LC . In un sistema ideale, l'energia oscillerebbe per sempre tra il condensatore e l'induttore. Tuttavia, la bobina del relè ha molta resistenza (essendo un pezzo di filo molto lungo e sottile) e ci sono anche minori perdite nel sistema da parte di altri componenti. Pertanto, l'energia viene infine rimossa da questo sistema e persa a causa del calore o delle radiazioni elettromagnetiche. Un modello semplificato che ne tiene conto è il circuito RLC .

Il caso B è molto più semplice: la tensione diretta di qualsiasi diodo al silicio è di circa 0,65 V, più o meno indipendentemente dalla corrente. Quindi la corrente dell'induttore diminuisce e l'energia immagazzinata nell'induttore viene persa a causa del calore nella bobina del relè e nel diodo.

Il caso C è simile: quando l'interruttore si apre il back-EMF deve essere sufficiente per invertire lo Zener. Dobbiamo essere sicuri di scegliere uno Zener con una tensione inversa superiore alla tensione di alimentazione, altrimenti l'alimentazione potrebbe guidare la bobina, anche quando l'interruttore è aperto. Dobbiamo anche selezionare un transistor in grado di sopportare una tensione massima tra emettitore e collettore maggiore della tensione inversa di Zener. Un vantaggio di Zener rispetto al caso B è che la corrente dell'induttore diminuisce più rapidamente, poiché la tensione attraverso l'induttore è più alta.

Esiste un'altra variante che viene utilizzata per ridurre l'energia immagazzinata nel carico induttivo il più rapidamente possibile. Questo l'ho visto usato nei circuiti a relè dove sono richiesti tempi di spegnimento rapidi. Il problema con il diodo è che l'energia trattenuta nella bobina del relè impiega tempo a dissiparsi (perché la corrente ricircola e diminuisce lentamente) mentre se un resistore fosse posizionato in parallelo con la bobina, il back-emf sarebbe più grande ma consumerebbe l'energia più velocemente.

Ad esempio, una corrente di bobina da 50 mA produrrebbe un emf di picco posteriore di 0,7 volt su un diodo ma attraverso un resistore da 1k questo sarebbe 50 volt. Questo non è un problema se il transistor è valutato a 100 volt.

Una modifica di questa idea è quella di utilizzare un diodo in serie con un resistore. Ora il resistore non prende normale sulla corrente; gestisce solo la situazione di tensione inversa.

Più grande è il resistore, più rapidamente viene dissipata l'energia e più rapidamente il relè (o solenoide o altro) si spegne meccanicamente.

Vale anche la pena considerare la versione del condensatore. L'energia immagazzinata nella bobina viene rilasciata quando il transistor si apre e questo si sposta nel condensatore formando una tensione di picco correlata all'energia immagazzinata; l'induttore ha un'energia immagazzinata che è: -

Cv$\dfrac{Li^2}{2}$ e la formula del condensatore è energia immagazzinata =$\dfrac{Cv^2}{2}$

Quando si equiparano queste due equazioni è possibile calcolare quale sia il back-emf di picco quando i circuiti aperti del transistor. Quello che poi scopri è che la corrente va avanti e indietro tra la bobina e il condensatore oscillando fino a zero. Il tempo necessario può essere lungo (in termini di micro e millisecondi) ma l'atto dell'inversione della corrente della bobina del relè dopo il 1 ° ciclo di oscillazione spegne rapidamente il relè. Di solito la resistenza della bobina del relè è sufficientemente elevata da garantire che il 3 ° mezzo ciclo di oscillazione non abbia abbastanza corrente per riattivare la bobina del relè.

Pertanto, l'idea del condensatore viene talvolta (raramente) utilizzata. A volte viene utilizzato in serie con un resistore per velocizzare un po 'di più le cose.

L'idea di zener è utile anche perché, a differenza del diodo che in avanti conduce a 0,7 volt, lo zener conduce ma a (diciamo) 12 volt accelerando così la dissipazione dell'energia immagazzinata molto più velocemente di un solo diodo. Inoltre, con uno zener il punto di massima tensione è più facilmente definito rispetto a resistori e condensatori, quindi c'è qualche attrazione per usarlo.

Il solito modo è usare il caso B sopra. Si chiama diodo back-EMF o diodo flyback . È improbabile che il condensatore in A funzioni. Il caso C è talvolta visto nei ponti H e nei casi in cui il carico è guidato sia negativo che positivo, nel qual caso il semplice diodo parallelo non può essere utilizzato.