Bảo vệ vi điều khiển khỏi tải cảm ứng

Tôi đang làm việc trong một dự án nơi tôi sẽ điều khiển nhiều loại tải (rơle, điện từ, động cơ) từ Arduino và tôi muốn đảm bảo rằng tôi xây dựng đủ khả năng bảo vệ cho vi điều khiển và các thành phần khác. Tôi đã thấy một loạt các giải pháp sử dụng bóng bán dẫn và thêm các tụ tách rời, điốt flyback và điốt zener. Tôi đang tự hỏi làm thế nào một người sẽ chọn giữa một hoặc kết hợp các tùy chọn này?

Tôi đang tự hỏi làm thế nào một người sẽ chọn giữa một hoặc kết hợp các tùy chọn này?

Thật dễ dàng, nếu bạn hiểu cách thức cuộn cảm hoạt động.

Tôi nghĩ vấn đề mà hầu hết mọi người gặp phải là họ nghe thấy những từ như "điện áp cảm ứng" hoặc "back-EMF" và kết luận hợp lý một cái gì đó như

Vì vậy, khi một cuộn cảm được chuyển đổi, nó sẽ ngay lập tức giống như pin 1000V.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Thật vậy, trong tình huống cụ thể này, điều này ít nhiều sẽ xảy ra. Nhưng vấn đề là nó thiếu một bước quan trọng. Cuộn cảm không chỉ tạo ra điện áp thực sự cao để kích thích chúng ta. Nhìn vào định nghĩa của điện cảm:

Ở đâu:

• $L$
• $v(t)$$t$
• $i$

Điều này giống như định luật Ohm đối với cuộn cảm, ngoại trừ thay vì điện trở chúng ta có điện cảm , và thay vì hiện tại chúng ta có tốc độ thay đổi dòng điện .

Điều này có nghĩa là, trong tiếng Anh đơn giản, là tốc độ thay đổi của dòng điện qua một cuộn cảm tỷ lệ thuận với điện áp trên nó. Nếu không có điện áp trên một cuộn cảm, dòng điện không đổi. Nếu điện áp dương, hơn dòng điện trở nên tích cực hơn. Nếu điện áp âm, hơn dòng điện giảm (hoặc trở thành âm - dòng điện có thể chảy theo một trong hai hướng!).

Hậu quả của điều này là dòng điện trong một cuộn cảm không thể dừng ngay lập tức, bởi vì điều đó sẽ đòi hỏi một điện áp cao vô hạn. Nếu chúng ta không muốn có điện áp cao, thì chúng ta phải thay đổi dòng điện từ từ.

Do đó, tốt hơn là nghĩ về một cuộn cảm ngay lập tức như một nguồn hiện tại . Khi công tắc mở, bất cứ dòng điện nào đang chạy trong cuộn cảm đều muốn tiếp tục chảy. Điện áp sẽ là bất cứ điều gì cần thiết để điều đó xảy ra.

^{mô phỏng mạch này}

Bây giờ thay vì nguồn điện áp 1000V, chúng ta có nguồn hiện tại 20mA. Tôi chỉ tùy ý chọn 20mA là giá trị hợp lý, trong thực tế, đây là bất cứ dòng điện nào khi công tắc mở, trong trường hợp rơle được xác định bởi điện trở của cuộn dây rơle.

Bây giờ trong trường hợp này, những gì phải xảy ra cho hơn 20mA để chảy? Chúng tôi đã mở mạch bằng công tắc, vì vậy không có mạch kín, vì vậy dòng điện không thể chảy. Nhưng thực tế nó có thể: điện áp chỉ cần đủ cao để xuyên qua các tiếp điểm công tắc. Nếu chúng ta thay thế công tắc bằng một bóng bán dẫn, thì điện áp cần phải đủ cao để phá vỡ bóng bán dẫn. Vì vậy, đó là những gì xảy ra, và bạn có một thời gian tồi tệ.

Bây giờ hãy xem các ví dụ của bạn:

^{mô phỏng mạch này}

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

Đây là một mạch LC . Trong một hệ thống lý tưởng, năng lượng sẽ dao động giữa tụ điện và cuộn cảm mãi mãi. Tuy nhiên, cuộn dây rơle có khá nhiều điện trở (là một đoạn dây rất dài, mỏng) và có những tổn thất nhỏ hơn trong hệ thống từ các thành phần khác. Do đó, năng lượng cuối cùng bị loại bỏ khỏi hệ thống này và bị mất do nhiệt hoặc bức xạ điện từ. Một mô hình đơn giản hóa có tính đến điều này là mạch RLC .

Trường hợp B đơn giản hơn nhiều: điện áp chuyển tiếp của bất kỳ diode silicon nào là khoảng 0,65V, nhiều hay ít bất kể dòng điện. Vì vậy, dòng điện dẫn giảm và năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm bị mất nhiệt trong cuộn dây rơle và diode.

Trường hợp C tương tự: khi công tắc mở trở lại - EMF phải đủ để đảo ngược độ lệch của Zener. Chúng ta phải chắc chắn chọn một Zener có điện áp ngược cao hơn điện áp cung cấp, nếu không nguồn cung có thể điều khiển cuộn dây, ngay cả khi công tắc mở. Chúng ta cũng phải chọn một bóng bán dẫn có thể chịu được điện áp tối đa giữa bộ phát và bộ thu lớn hơn điện áp ngược Zener. Một lợi thế của Zener so với trường hợp B là dòng điện dẫn giảm nhanh hơn, bởi vì điện áp trên cuộn cảm cao hơn.

Có một biến thể khác được sử dụng để biến giảm năng lượng lưu trữ trong tải quy nạp càng nhanh càng tốt. Điều này tôi đã thấy được sử dụng trong các mạch chuyển tiếp, trong đó cần có thời gian tắt nhanh. Vấn đề với diode là năng lượng được giữ trong cuộn dây rơle cần có thời gian để tiêu tan (vì dòng điện tuần hoàn và giảm dần) trong khi nếu một điện trở được đặt song song với cuộn dây, thì back-emf sẽ lớn hơn nhưng tiêu tốn năng lượng nhanh hơn nữa.

Ví dụ, một cuộn dây 50mA sẽ tạo ra mức cực đại trở lại là 0,7vol trên một diode nhưng trên điện trở 1k thì đây sẽ là 50 volt. Đây không phải là vấn đề nếu bóng bán dẫn được đánh giá ở mức 100 volt.

Một sửa đổi của ý tưởng này là sử dụng một diode nối tiếp với một điện trở. Bây giờ điện trở không bình thường trên hiện tại; nó chỉ xử lý tình huống điện áp ngược.

Điện trở càng lớn, năng lượng bị tiêu tán càng nhanh và rơle (hoặc điện từ hoặc bất cứ thứ gì) tắt nhanh hơn.

Phiên bản tụ điện cũng đáng xem xét. Năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây được giải phóng khi bóng bán dẫn mở ra và nó quét vào tụ điện tạo thành một điện áp cực đại có liên quan đến năng lượng lưu trữ; cuộn cảm có một năng lượng được lưu trữ đó là: -

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

Khi bạn đánh đồng hai phương trình này, bạn có thể tính toán back-emf cực đại là gì khi các mạch mở của bóng bán dẫn. Những gì bạn sau đó tìm thấy là dòng điện đi ngược và xuôi giữa cuộn dây và tụ điện dao động xuống không. Thời gian cần thiết có thể kéo dài (tính theo micro và mili giây), nhưng, hành động của cuộn dây rơle đảo chiều sau chu kỳ dao động thứ nhất nhanh chóng tắt rơle. Thông thường điện trở cuộn dây của rơle đủ cao để đảm bảo rằng chu kỳ dao động nửa thứ 3 không có đủ dòng để kích hoạt lại cuộn dây rơle.

Vì vậy, ý tưởng tụ điện đôi khi (hiếm khi) được sử dụng. Đôi khi nó được sử dụng nối tiếp với một điện trở để tăng tốc mọi thứ hơn một chút.

Ý tưởng zener cũng hữu ích bởi vì, không giống như diode chuyển tiếp ở mức 0,7 volt, zener chỉ dẫn nhưng ở mức (nói) 12 volt do đó tăng tốc độ tiêu tán năng lượng lưu trữ nhanh hơn nhiều so với một diode. Ngoài ra, với một zener, điểm điện áp tối đa được xác định dễ dàng hơn so với điện trở và tụ điện nên có một số điểm thu hút để sử dụng nó.

Cách thông thường là sử dụng trường hợp B ở trên. Nó được gọi là diode back-EMF hoặc diode flyback . Các tụ điện trong A không có khả năng làm việc. Trường hợp C đôi khi được nhìn thấy trong cầu H và trong trường hợp tải được điều khiển âm cũng như dương, trong trường hợp đó, diode song song đơn giản không thể được sử dụng.