Schutz des Mikrocontrollers vor induktiven Lasten

Ich arbeite an einem Projekt, bei dem ich eine Vielzahl von Lasten (Relais, Magnet, Motor) von einem Arduino aus steuern werde, und ich möchte sicherstellen, dass ich genügend Schutz für den Mikrocontroller und andere Komponenten einbaue. Ich habe eine Vielzahl von Lösungen gesehen, die Transistoren verwenden und Entkopplungskondensatoren, Flyback-Dioden und Zenerdioden hinzufügen. Ich frage mich, wie man zwischen einer oder einer Kombination dieser Optionen wählen würde.

Ich frage mich, wie man zwischen einer oder einer Kombination dieser Optionen wählen würde.

Es ist einfach, wenn Sie verstehen, wie Induktoren funktionieren.

Ich denke, das Problem, das die meisten Menschen haben, ist, dass sie Wörter wie "induktive Spannungsspitze" oder "Gegen-EMK" hören und vernünftigerweise so etwas schließen

Wenn also ein Induktor geschaltet wird, ist dies für einen Moment wie eine 1000-V-Batterie.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

In dieser besonderen Situation passiert dies mehr oder weniger. Das Problem ist jedoch, dass ein kritischer Schritt fehlt. Induktivitäten erzeugen nicht nur wirklich hohe Spannungen, um uns zu ärgern. Schauen Sie sich die Definition der Induktivität an:

Wo:

• $L$
• $v(t)$$t$
• $i$

Dies ist wie das Ohmsche Gesetz für Induktivitäten, außer dass wir anstelle des Widerstands eine Induktivität und anstelle des Stroms eine Änderungsrate des Stroms haben .

Im Klartext bedeutet dies, dass die Änderungsrate des Stroms durch eine Induktivität proportional zur Spannung an dieser ist. Wenn an einer Induktivität keine Spannung anliegt, bleibt der Strom konstant. Wenn die Spannung positiv ist, wird der Strom positiver. Wenn die Spannung negativ ist, nimmt der Strom ab (oder wird negativ - Strom kann in beide Richtungen fließen!).

Dies hat zur Folge, dass der Strom in einer Induktivität nicht sofort stoppen kann, da dies eine unendlich hohe Spannung erfordern würde. Wenn wir keine Hochspannung wollen, müssen wir den Strom langsam ändern.

Folglich ist es besser, sich einen Induktor sofort als Stromquelle vorzustellen . Wenn sich der Schalter öffnet, möchte der im Induktor fließende Strom weiter fließen. Die Spannung ist alles, was dazu nötig ist.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Anstelle einer 1000-V-Spannungsquelle haben wir jetzt eine 20-mA-Stromquelle. Ich habe nur willkürlich 20 mA als vernünftigen Wert gewählt. In der Praxis ist dies unabhängig vom Strom, als der Schalter geöffnet wurde, was im Fall eines Relais durch den Widerstand der Relaisspule definiert ist.

Was muss nun in diesem Fall passieren, damit mehr als 20 mA fließen? Wir haben den Stromkreis mit dem Schalter geöffnet, daher gibt es keinen geschlossenen Stromkreis, sodass kein Strom fließen kann. Aber eigentlich kann es: Die Spannung muss nur hoch genug sein, um über die Schaltkontakte zu lichten. Wenn wir den Schalter durch einen Transistor ersetzen, muss die Spannung hoch genug sein, um den Transistor zu brechen. Das passiert also und du hast eine schlechte Zeit.

Schauen Sie sich nun Ihre Beispiele an:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

Dies ist eine LC-Schaltung . In einem idealen System würde die Energie für immer zwischen dem Kondensator und dem Induktor schwingen. Die Relaisspule hat jedoch einen ziemlich hohen Widerstand (da es sich um ein sehr langes, dünnes Stück Draht handelt), und es gibt auch geringere Verluste im System durch andere Komponenten. Somit wird diesem System schließlich Energie entzogen und geht durch Wärme oder elektromagnetische Strahlung verloren. Ein vereinfachtes Modell, das dies berücksichtigt, ist die RLC-Schaltung .

Fall B ist viel einfacher: Die Durchlassspannung einer Siliziumdiode beträgt ungefähr 0,65 V, mehr oder weniger unabhängig vom Strom. Der Induktorstrom nimmt also ab und die in der Induktivität gespeicherte Energie geht durch Wärme in der Relaisspule und der Diode verloren.

Fall C ist ähnlich: Wenn der Schalter öffnet, muss die Gegen-EMK ausreichen, um den Zener in Sperrrichtung vorzuspannen. Wir müssen sicher sein, einen Zener mit einer Sperrspannung zu wählen, die höher als die Versorgungsspannung ist, da sonst die Versorgung die Spule antreiben könnte, selbst wenn der Schalter geöffnet ist. Wir müssen auch einen Transistor auswählen, der einer maximalen Spannung zwischen Emitter und Kollektor standhält, die größer als die Zener-Sperrspannung ist. Ein Vorteil des Zener gegenüber Fall B besteht darin, dass der Induktorstrom schneller abnimmt, da die Spannung über dem Induktor höher ist.

Es gibt eine andere Variante, mit der die in der induktiven Last gespeicherte Energie so schnell wie möglich reduziert wird. Dies habe ich in Relaisschaltungen gesehen, in denen schnelle Ausschaltzeiten erforderlich sind. Das Problem mit der Diode besteht darin, dass die in der Relaisspule gehaltene Energie Zeit braucht, um sich zu zerstreuen (weil der Strom langsam zirkuliert und abnimmt), wohingegen, wenn ein Widerstand parallel zur Spule angeordnet wäre, die Gegen-EMK größer wäre, aber die Energie verbraucht schneller.

Zum Beispiel würde ein Spulenstrom von 50 mA eine Spitzen-Gegen-EMK von 0,7 Volt an einer Diode erzeugen, aber über einen 1k-Widerstand wären dies 50 Volt. Dies ist kein Problem, wenn der Transistor für 100 Volt ausgelegt ist.

Eine Modifikation dieser Idee besteht darin, eine Diode in Reihe mit einem Widerstand zu verwenden. Jetzt nimmt der Widerstand keinen normalen Strom auf; Es behandelt nur die Sperrspannungssituation.

Je größer der Widerstand ist, desto schneller wird die Energie verbraucht und desto schneller schaltet sich das Relais (oder der Magnet oder was auch immer) mechanisch aus.

Erwägenswert ist auch die Kondensatorversion. Die in der Spule gespeicherte Energie wird freigesetzt, wenn der Transistor öffnet, und dieser fließt in den Kondensator und bildet eine Spitzenspannung, die sich auf die gespeicherte Energie bezieht. Der Induktor hat eine gespeicherte Energie, die:

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

Wenn Sie diese beiden Gleichungen gleichsetzen, können Sie berechnen, wie hoch die Spitzen-Gegen-EMK ist, wenn der Transistor offen ist. Was Sie dann feststellen, ist, dass der Strom zwischen der Spule und dem Kondensator, der auf Null schwingt, hin und her fließt. Die Zeit, die benötigt wird, kann lang sein (in Mikro- und Millisekunden ausgedrückt), aber der Vorgang des Umkehrens des Relaisspulenstroms nach dem ersten Schwingungszyklus schaltet das Relais schnell aus. Normalerweise ist der Spulenwiderstand des Relais ausreichend hoch, um sicherzustellen, dass der Schwingungszyklus der 3. Hälfte nicht genug Strom hat, um die Relaisspule wieder zu aktivieren.

Daher wird die Kondensatoridee manchmal (selten) verwendet. Manchmal wird es in Reihe mit einem Widerstand verwendet, um die Dinge etwas schneller zu machen.

Die Zener-Idee ist auch nützlich, weil der Zener im Gegensatz zu der Diode, die bei 0,7 Volt vorwärts leitet, aber bei (sagen wir) 12 Volt leitet, wodurch die Ableitung gespeicherter Energie viel schneller beschleunigt wird als bei einer Diode allein. Außerdem kann mit einem Zener der maximale Spannungspunkt einfacher definiert werden als mit Widerständen und Kondensatoren, sodass die Verwendung eine gewisse Anziehungskraft hat.

Der übliche Weg ist, Fall B oben zu verwenden. Es wird eine Back-EMF-Diode oder eine Flyback-Diode genannt . Es ist unwahrscheinlich, dass der Kondensator in A funktioniert. Fall C tritt manchmal bei H-Brücken auf und in Fällen, in denen die Last sowohl negativ als auch positiv angesteuert wird. In diesem Fall kann die einfache Paralleldiode nicht verwendet werden.