ปกป้องไมโครคอนโทรลเลอร์จากโหลดอุปนัย

ฉันกำลังทำงานในโครงการที่ฉันจะควบคุมโหลดหลากหลาย (รีเลย์โซลินอยด์มอเตอร์) จาก Arduino และฉันต้องการให้แน่ใจว่าฉันสร้างการป้องกันที่เพียงพอสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์และส่วนประกอบอื่น ๆ ฉันเห็นวิธีแก้ปัญหาที่หลากหลายโดยใช้ทรานซิสเตอร์และเพิ่มตัวเก็บประจุแยกแยกไดโอด flyback และไดโอดซีเนอร์ ฉันสงสัยว่าจะเลือกระหว่างตัวเลือกเหล่านี้หรือผสมผสานกันได้อย่างไร

ฉันสงสัยว่าจะเลือกระหว่างตัวเลือกเหล่านี้หรือผสมผสานกันได้อย่างไร

ง่ายถ้าคุณเข้าใจว่าตัวเหนี่ยวนำทำงานอย่างไร

ฉันคิดว่าปัญหาที่คนส่วนใหญ่มีคือพวกเขาได้ยินคำเช่น "แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ" หรือ "back-EMF" และสรุปสิ่งที่สมเหตุสมผล

ดังนั้นเมื่อตัวเหนี่ยวนำถูกเปลี่ยนมันเป็นเหมือนแบตเตอรี่ 1000V ทันที

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

แน่นอนในสถานการณ์เฉพาะนี้เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นไม่มากก็น้อย แต่ปัญหาคือว่ามันขาดขั้นตอนที่สำคัญ ตัวเหนี่ยวนำไม่เพียง แต่สร้างแรงดันไฟฟ้าสูง ๆ เพื่อกระตุ้นเรา ดูคำจำกัดความของการเหนี่ยวนำ:

ที่ไหน:

• $L$เป็นตัวเหนี่ยวนำใน henrys
• $v(t)$คือแรงดัน ณ เวลา$t$
• $i$เป็นปัจจุบัน

นี้เป็นเหมือนกฎหมายของโอห์มสำหรับ inductors ยกเว้นแทนการต้านทานเรามีการเหนี่ยวนำและแทนที่จะปัจจุบันเรามีอัตราการเปลี่ยนแปลงของปัจจุบัน

สิ่งนี้หมายความว่าในภาษาอังกฤษธรรมดาคืออัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าข้าม หากไม่มีแรงดันไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำกระแสคงที่ หากแรงดันเป็นบวกกระแสเกินจะกลายเป็นบวก หากแรงดันไฟฟ้าเป็นลบกระแสไฟฟ้าลดลง (หรือกลายเป็นลบ - กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง!)

ผลที่ตามมาก็คือกระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถหยุดได้ทันทีเพราะจะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าสูงมาก หากเราไม่ต้องการไฟฟ้าแรงสูงเราต้องเปลี่ยนกระแสอย่างช้าๆ

ดังนั้นมันจะดีกว่าที่จะคิดเกี่ยวกับตัวเหนี่ยวนำในทันทีเป็นมาในปัจจุบัน เมื่อสวิตช์เปิดกระแสใดก็ตามที่ไหลในตัวเหนี่ยวนำต้องการให้ไหล แรงดันไฟฟ้าจะเป็นสิ่งที่เกิดขึ้น

^{จำลองวงจรนี้}

ตอนนี้แทนที่จะเป็นแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า 1000V เรามีแหล่งจ่ายกระแส 20mA ฉันเพิ่งเลือก 20mA โดยพลการเป็นค่าที่สมเหตุสมผลในทางปฏิบัติสิ่งนี้เป็นสิ่งที่กระแสเกิดขึ้นเมื่อสวิตช์เปิดซึ่งในกรณีของรีเลย์ถูกกำหนดโดยความต้านทานของขดลวดรีเลย์

ในกรณีนี้จะต้องเกิดอะไรขึ้นถ้ากระแส 20mA ไหล? เราได้เปิดวงจรโดยใช้สวิตช์ดังนั้นจึงไม่มีวงจรปิดดังนั้นกระแสจึงไม่สามารถไหลได้ แต่จริงๆแล้วมันสามารถทำได้: แรงดันไฟฟ้าต้องสูงพอที่จะโค้งข้ามหน้าสัมผัสสวิตช์ หากเราเปลี่ยนสวิทช์เป็นทรานซิสเตอร์แล้วแรงดันจะต้องสูงพอที่จะทำลายทรานซิสเตอร์ นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้นและคุณมีเวลาไม่ดี

ตอนนี้ดูตัวอย่างของคุณ:

^{จำลองวงจรนี้}

ในกรณี A ตัวเหนี่ยวนำจะเรียกเก็บประจุ ตัวเก็บประจุเป็นเหมือนตัวเหนี่ยวนำที่มีกระแสและแรงดันสลับ:และดังนั้นกระแสคงที่ผ่านตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนแรงดันในอัตราคงที่ โชคดีที่พลังงานในตัวเหนี่ยวนำมี จำกัด จึงไม่สามารถชาร์จประจุได้ตลอดไป ในที่สุดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำถึงศูนย์ แน่นอนว่าตัวเก็บประจุจะมีแรงดันอยู่บ้างและนี่จะทำงานเพื่อเพิ่มกระแสตัวเหนี่ยวนำ$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

นี่คือวงจร LC ในระบบอุดมคติพลังงานจะแกว่งไปมาระหว่างตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำตลอดไป อย่างไรก็ตามขดลวดรีเลย์มีความต้านทานค่อนข้างมาก (เป็นลวดที่ยาวและบางมาก) และมีการสูญเสียเล็กน้อยในระบบจากส่วนประกอบอื่นเช่นกัน ในที่สุดพลังงานจะถูกลบออกจากระบบนี้และสูญเสียความร้อนหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า รูปแบบที่เรียบง่ายที่ใช้เวลานี้ในบัญชีเป็นวงจร RLC

กรณี B นั้นง่ายกว่ามาก: แรงดันไปข้างหน้าของซิลิคอนไดโอดใด ๆ อยู่ที่ประมาณ 0.65V มากหรือน้อยโดยไม่คำนึงถึงกระแส ดังนั้นกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะลดลงและพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำจะสูญเสียความร้อนในขดลวดรีเลย์และไดโอด

กรณี C คล้ายกัน: เมื่อสวิตช์เปิด back-EMF จะต้องเพียงพอที่จะกลับไบอัสซีเนอร์ เราต้องแน่ใจว่าจะเลือกซีเนอร์ที่มีแรงดันย้อนกลับสูงกว่าแรงดันไฟฟ้ามิฉะนั้นการจ่ายสามารถขับเคลื่อนขดลวดได้แม้เมื่อสวิตช์เปิดอยู่ เราต้องเลือกทรานซิสเตอร์ที่สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างตัวปล่อยและตัวสะสมมากกว่าแรงดันย้อนกลับของซีเนอร์ ข้อดีของซีเนอร์ในกรณี B คือกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำลดลงเร็วกว่าเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำสูงขึ้น

มีรูปแบบอื่นที่ใช้ในการเปลี่ยนพลังงานที่เก็บไว้ในโหลดอุปนัยให้เร็วที่สุด สิ่งนี้ฉันได้เห็นว่าใช้ในวงจรรีเลย์ที่ต้องการเวลาปิดเร็ว ปัญหาของไดโอดคือพลังงานที่ถูกเก็บไว้ในขดลวดรีเลย์ใช้เวลาในการกระจาย (เนื่องจากกระแสหมุนเวียนและลดลงอย่างช้าๆ) ในขณะที่ถ้าตัวต้านทานถูกวางขนานกับขดลวดนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้ากลับจะใหญ่กว่า แต่ใช้พลังงาน เร็วกว่านี้.

ตัวอย่างเช่นกระแสขดลวด 50mA จะสร้างแรงดันย้อนกลับสูงสุดที่ 0.7 โวลต์ในไดโอด แต่ผ่านตัวต้านทาน 1k ซึ่งจะเป็น 50 โวลต์ นี่ไม่ใช่ปัญหาถ้าทรานซิสเตอร์ได้รับการจัดอันดับที่ 100 โวลต์

การปรับเปลี่ยนแนวคิดนี้คือการใช้ไดโอดในอนุกรมที่มีตัวต้านทาน ตอนนี้ตัวต้านทานไม่ปกติในปัจจุบัน มันจัดการกับสถานการณ์แรงดันย้อนกลับเท่านั้น

ยิ่งตัวต้านทานมีขนาดใหญ่เท่าใดพลังงานก็จะยิ่งกระจายไปเร็วขึ้นเท่านั้นและรีเลย์ก็จะเร็วขึ้น (หรือโซลินอยด์หรืออะไรก็ตาม) ที่จะปิดโดยอัตโนมัติ

รุ่นของตัวเก็บประจุก็มีค่าที่ควรพิจารณาเช่นกัน พลังงานที่เก็บไว้ในขดลวดจะถูกปล่อยออกมาเมื่อเปิดทรานซิสเตอร์และสิ่งนี้จะเข้าสู่ตัวเก็บประจุซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เกี่ยวข้องกับพลังงานที่เก็บไว้ ตัวเหนี่ยวนำมีพลังงานที่เก็บไว้นั่นคือ: -

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

เมื่อคุณเทียบสมการทั้งสองนี้คุณสามารถคำนวณได้ว่าจุดสูงสุดของ emf คืออะไรเมื่อทรานซิสเตอร์เปิดวงจร สิ่งที่คุณพบคือกระแสไปข้างหน้าและข้างหลังระหว่างขดลวดและตัวเก็บประจุสั่นลงไปที่ศูนย์ เวลาที่ใช้อาจยาว (เป็นไมโครและมิลลิวินาที) แต่การกระทำของรีเลย์ขดลวดกระแสย้อนกลับหลังจากรอบที่ 1 ของการสั่นอย่างรวดเร็วจะปิดรีเลย์ โดยปกติแล้วความต้านทานของขดลวดรีเลย์จะสูงพอที่จะทำให้แน่ใจว่ารอบที่ 3 ของการแกว่งไม่เพียงพอที่จะเปิดกระแสรีเลย์อีกครั้ง

ดังนั้นความคิดของตัวเก็บประจุบางครั้งใช้ (ไม่ค่อย) บางครั้งมันใช้ในซีรีย์ที่มีตัวต้านทานเพื่อเพิ่มความเร็วให้มากขึ้น

ความคิดซีเนอร์ยังมีประโยชน์เพราะไม่เหมือนกับไดโอดที่นำหน้าที่ 0.7 โวลต์ซีเนอร์ดำเนินการ แต่ที่ 12 โวลต์ดังนั้นเร่งการสลายพลังงานที่เก็บไว้ได้เร็วกว่าไดโอดเพียงอย่างเดียว นอกจากนี้ด้วยแรงดันซีเนอร์จุดแรงดันสูงสุดจะถูกกำหนดได้ง่ายกว่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุดังนั้นจึงมีแรงดึงดูดที่จะใช้งาน

วิธีปกติคือการใช้กรณี B ข้างต้น มันเรียกว่าไดโอดกลับ EMFหรือไดโอด flyback ตัวเก็บประจุใน A ไม่น่าจะทำงานได้ กรณี C บางครั้งจะเห็นใน H-bridges และในกรณีที่โหลดถูกขับเคลื่อนเป็นลบเช่นเดียวกับบวกซึ่งในกรณีนี้ไม่สามารถใช้ไดโอดขนานแบบธรรมดาได้