Melindungi mikrokontroler dari beban induktif

Saya sedang mengerjakan proyek di mana saya akan mengendalikan berbagai beban (relay, solenoid, motor) dari Arduino dan saya ingin memastikan saya membangun perlindungan yang cukup untuk mikrokontroler dan komponen lainnya. Saya telah melihat berbagai solusi menggunakan transistor dan menambahkan kapasitor decoupling, dioda flyback, dan dioda zener. Saya bertanya-tanya bagaimana orang akan memilih antara satu atau kombinasi opsi ini?

masukkan deskripsi gambar di sini

— Aleksander
sumber

Bukan jawaban langsung untuk pertanyaan. Tetapi Anda mungkin ingin menonton video ini untuk melihat bentuk gelombang aktual dan cara kerja perlindungan dioda. Tidak ada demonstrasi untuk case kapasitor.

— Alper

Jawaban:

Saya bertanya-tanya bagaimana orang akan memilih antara satu atau kombinasi opsi ini?

Sangat mudah, jika Anda memahami cara kerja induktor.

Saya pikir masalah kebanyakan orang adalah bahwa mereka mendengar kata-kata seperti "lonjakan tegangan induktif" atau "back-EMF" dan menyimpulkan sesuatu seperti

Jadi, ketika sebuah induktor diaktifkan, untuk sesaat seperti baterai 1000V.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Memang dalam situasi khusus ini, inilah yang kurang lebih terjadi. Tetapi masalahnya adalah bahwa itu kehilangan langkah kritis. Induktor tidak hanya menghasilkan tegangan sangat tinggi untuk membuat kita marah. Lihatlah definisi induktansi:

v (t) = L \frac{d i}{d t}

$v(t) = L\frac{\mathrm di}{\mathrm dt}$

Dimana:

$L$
$v(t)$ $t$
$i$

Ini seperti hukum Ohm untuk induktor, kecuali alih-alih resistensi kita memiliki induktansi , dan bukannya arus kita memiliki tingkat perubahan arus .

Apa artinya ini, dalam bahasa Inggris yang sederhana, adalah bahwa laju perubahan arus melalui induktor sebanding dengan tegangan yang melintasinya. Jika tidak ada tegangan di induktor, arus tetap konstan. Jika tegangan positif, maka arus menjadi lebih positif. Jika tegangan negatif, maka arus berkurang (atau menjadi negatif - arus dapat mengalir ke kedua arah!).

Konsekuensi dari ini adalah bahwa arus dalam induktor tidak dapat berhenti secara instan, karena itu akan membutuhkan tegangan yang sangat tinggi. Jika kita tidak ingin tegangan tinggi, maka kita harus mengubah arus secara perlahan.

Konsekuensinya, lebih baik memikirkan induktor secara instan sebagai sumber arus . Ketika saklar terbuka, arus apa pun yang mengalir di induktor ingin terus mengalir. Tegangan akan menjadi apa pun yang diperlukan untuk itu terjadi.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Sekarang alih-alih sumber tegangan 1000V, kami memiliki sumber arus 20mA. Saya hanya secara sewenang-wenang memilih 20mA sebagai nilai yang wajar, dalam praktiknya ini adalah arus apa pun saat sakelar dibuka, yang dalam kasus relai ditentukan oleh resistansi koil relay.

Sekarang dalam contoh ini, apa yang harus terjadi agar 20mA mengalir? Kami telah membuka sirkuit dengan sakelar, jadi tidak ada sirkuit yang tertutup, sehingga arus tidak dapat mengalir. Tapi sebenarnya itu bisa: tegangan hanya perlu cukup tinggi untuk melintas kontak saklar. Jika kita mengganti sakelar dengan transistor, maka tegangan harus cukup tinggi untuk memecah transistor. Jadi itulah yang terjadi, dan Anda memiliki waktu yang buruk.

Sekarang lihat contoh Anda:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

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

Ini adalah sirkuit LC . Dalam sistem yang ideal, energi akan terombang-ambing antara kapasitor dan induktor selamanya. Namun, koil relay memiliki cukup banyak hambatan (karena sangat panjang, kabel tipis), dan ada kerugian yang lebih kecil dalam sistem dari komponen lain juga. Dengan demikian, energi pada akhirnya dihapus dari sistem ini dan hilang karena panas atau radiasi elektromagnetik. Model yang disederhanakan yang memperhitungkan hal ini adalah sirkuit RLC .

Kasus B jauh lebih sederhana: tegangan maju dari setiap dioda silikon sekitar 0,65V, lebih atau kurang terlepas dari arus. Jadi arus induktor berkurang dan energi yang tersimpan dalam induktor hilang karena panas dalam koil relay dan dioda.

Kasus C serupa: ketika saklar membuka kembali-EMF harus cukup untuk membalikkan bias Zener. Kita harus yakin untuk memilih Zener dengan tegangan balik lebih tinggi dari tegangan suplai, jika tidak suplai dapat menggerakkan koil, bahkan ketika sakelar terbuka. Kita juga harus memilih transistor yang dapat menahan tegangan maksimum antara emitor dan kolektor lebih besar dari tegangan balik Zener. Keuntungan dari Zener dibandingkan case B adalah bahwa arus induktor berkurang lebih cepat, karena tegangan melintasi induktor lebih tinggi.

— Phil Frost
sumber

Saya bukan insinyur listrik dan saya tidak memiliki pemahaman yang baik tentang fisika yang mendasarinya, tetapi saya mengerti bahwa dalam kasus B dengan dioda, arus akan bersirkulasi melalui dioda dan induktor akhirnya membuang energi yang tersimpan (karena resistansi dalam induktor?) Dalam kasus C dengan dioda zener, dengan asumsi tegangan di atas tegangan zener, energi akan dengan cepat pergi ke tanah.

— Aleksander

Saya tidak memiliki pemahaman yang baik tentang kasus A dengan kapasitor. Saya pikir tutupnya sudah diisi ketika transistor mati, tetapi di bawah Andy mengatakan arus berosilasi bolak-balik sampai hilang. Saya tidak yakin mengapa? Saya awalnya menyebutkan tutup karena saya telah melihatnya digunakan sebagai kapasitor decoupling dalam kasus motor DC disikat, dan saya berpikir untuk menggunakan kombinasi topi dan dioda zener.

— Aleksander

@Alexander silakan lihat suntingan.

— Phil Frost

Ada variasi lain yang digunakan untuk mengubah mengurangi energi yang tersimpan dalam beban induktif secepat mungkin. Ini saya telah melihat digunakan di sirkuit relay di mana waktu mati cepat diperlukan. Masalah dengan dioda adalah bahwa energi yang ditahan di koil relay memerlukan waktu untuk menghilang (karena arus bersirkulasi ulang dan berkurang perlahan) sedangkan jika resistor ditempatkan secara paralel dengan koil, ggl-belakang akan lebih besar tetapi menghabiskan energi lebih cepat.

Sebagai contoh, arus kumparan 50mA akan menghasilkan puncak kembali ggl dari 0,7 volt pada dioda tetapi di resistor 1k ini akan menjadi 50 volt. Ini bukan masalah jika transistor dinilai 100 volt.

Modifikasi dari ide ini adalah dengan menggunakan dioda secara seri dengan sebuah resistor. Sekarang resistor tidak mengambil arus normal; hanya menangani situasi tegangan balik.

Semakin besar resistor, semakin cepat energinya hilang dan semakin cepat relay (atau solenoid atau apa pun) mati secara mekanis.

Versi kapasitor juga patut dipertimbangkan. Energi yang disimpan dalam koil akan dilepaskan ketika transistor terbuka dan ini menyapu ke kapasitor membentuk tegangan puncak yang terkait dengan energi yang tersimpan; induktor memiliki energi yang tersimpan yaitu: -

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

Ketika Anda menyamakan dua persamaan ini, Anda dapat menghitung apa puncak back-emf adalah ketika transistor membuka sirkuit. Apa yang kemudian Anda temukan adalah bahwa arus bergerak mundur dan maju antara koil dan kapasitor berosilasi ke nol. Waktu yang dibutuhkan bisa lama (dalam istilah mikro dan milidetik) tetapi, tindakan arus koil relay berbalik setelah siklus osilasi pertama dengan cepat mematikan relai. Biasanya resistansi koil relai cukup tinggi untuk memastikan bahwa siklus osilasi setengah ke-3 tidak memiliki cukup arus untuk mengaktifkan kembali koil relai.

Jadi, ide kapasitor terkadang (jarang) digunakan. Kadang-kadang digunakan secara seri dengan resistor untuk mempercepat hal-hal sedikit lebih banyak.

Ide zener juga berguna karena, tidak seperti dioda yang bergerak maju pada 0,7 volt, zener melakukan tetapi pada (katakanlah) 12 volt sehingga mempercepat pembuangan energi yang tersimpan jauh lebih cepat daripada dioda saja. Juga, dengan zener, titik tegangan maks lebih mudah ditentukan daripada dengan resistor dan kapasitor sehingga ada beberapa daya tarik untuk menggunakannya.

— Andy alias
sumber

Saya ingin tahu apakah ada bahaya kerusakan Vbe terbalik dan kerusakan jangka panjang jika rangkaian kapasitor digunakan dengan, katakanlah, relay 24V. Gilirannya pada saat ini juga hanya dibatasi oleh beta atau Id dalam kasus MOSFET .. Ini bisa sangat besar.

— Spehro Pefhany

@ spehro tutup harus cukup besar nilainya untuk tidak membiarkan tegangan puncak naik lebih dari dua kali lipat suplai untuk menghindari ini.

— Andy alias

Cara biasa adalah dengan menggunakan huruf B di atas. Ini disebut back-EMF diode atau flyback diode . Kapasitor dalam A tidak mungkin bekerja. Kasus C kadang-kadang terlihat di jembatan-H dan dalam kasus di mana beban didorong negatif maupun positif, dalam hal ini dioda paralel sederhana tidak dapat digunakan.

— John Honniball
sumber

Mengapa kapasitor dalam A tidak mungkin bekerja?

— Phil Frost

@ PhilFrost Ini tidak menjepit kembali-EMF pada nilai tertentu, seperti dioda. Tegangan puncak karena itu tergantung pada kapasitansi dan induktansi dalam rangkaian (sulit diprediksi). Plus, sirkuit LC mampu beresonansi (sirkuit disetel) yang dapat menyebabkan masalah.

— John Honniball

E = 1 / 2 L I^{2}

$E = 1/2\:LI^2$

E = 1 / 2 C V^{2}

$E=1/2\:CV^2$

@ PhilFrost Yang saya maksud adalah bahwa hampir semua dioda lama akan membatasi back-EMF. Untuk membuat kapasitor melakukannya, kita harus mengukur induktansi koil, dan membuat perhitungan. Saya tidak mengharapkan sebagian besar pembaca pemula untuk pergi ke semua masalah itu; Saya menyarankan agar mereka hanya menggunakan dioda.

— John Honniball

Saya pikir hal yang membingungkan adalah bahwa jawaban Anda mengatakan "tidak mungkin bekerja", yang sangat berbeda dari "lebih rumit dan dalam kasus Anda tidak berfungsi lebih baik daripada dioda".

— Phil Frost