Protección del microcontrolador contra cargas inductivas.

Estoy trabajando en un proyecto donde controlaré una variedad de cargas (relé, solenoide, motor) desde un Arduino y me gustaría asegurarme de construir suficiente protección para el microcontrolador y otros componentes. He visto una variedad de soluciones usando transistores y agregando condensadores de desacoplamiento, diodos de retorno y diodos zener. Me pregunto cómo se podría elegir entre una o una combinación de estas opciones.

Me pregunto cómo se podría elegir entre una o una combinación de estas opciones.

Es fácil, si comprende cómo funcionan los inductores.

Creo que el problema que tiene la mayoría de las personas es que escuchan palabras como "pico de voltaje inductivo" o "EMF de retorno" y concluyen razonablemente algo como

Entonces, cuando se cambia un inductor, es por un instante como una batería de 1000V.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

De hecho, en esta situación particular, esto es más o menos lo que sucede. Pero el problema es que le falta un paso crítico. Los inductores no solo generan voltajes realmente altos para fastidiarnos. Mire la definición de inductancia:

Dónde:

• $L$ es inductancia, en henrys
• $v(t)$ es el voltaje en el tiempo$t$
• $i$ soy actual

Esto es como la ley de Ohm para inductores, excepto que en lugar de resistencia tenemos inductancia , y en lugar de corriente tenemos tasa de cambio de corriente .

Lo que esto significa, en inglés simple, es que la tasa de cambio de corriente a través de un inductor es proporcional al voltaje a través de él. Si no hay voltaje a través de un inductor, la corriente permanece constante. Si el voltaje es positivo, la corriente se vuelve más positiva. Si el voltaje es negativo, entonces la corriente disminuye (o se vuelve negativa: ¡la corriente puede fluir en cualquier dirección!).

Una consecuencia de esto es que la corriente en un inductor no puede detenerse instantáneamente, porque eso requeriría un voltaje infinitamente alto. Si no queremos un alto voltaje, entonces tenemos que cambiar la corriente lentamente.

En consecuencia, es mejor pensar en un inductor en un instante como fuente de corriente . Cuando se abre el interruptor, cualquier corriente que fluye en el inductor quiere seguir fluyendo. El voltaje será lo que sea necesario para que eso suceda.

^{simular este circuito}

Ahora, en lugar de una fuente de voltaje de 1000V, tenemos una fuente de corriente de 20mA. Acabo de elegir arbitrariamente 20 mA como un valor razonable, en la práctica, esto es lo que sea la corriente cuando se abrió el interruptor, que en el caso de un relé se define por la resistencia de la bobina del relé.

Ahora, en este caso, ¿qué debe suceder para que fluyan más de 20 mA? Hemos abierto el circuito con el interruptor, por lo que no hay circuito cerrado, por lo que la corriente no puede fluir. Pero en realidad puede: el voltaje solo debe ser lo suficientemente alto como para atravesar los contactos del interruptor. Si reemplazamos el interruptor con un transistor, entonces el voltaje debe ser lo suficientemente alto como para romper el transistor. Entonces eso es lo que sucede, y la pasas mal.

Ahora mira tus ejemplos:

^{simular este circuito}

En el caso A, el inductor cargará el condensador. Un condensador es como un inductor con corriente y voltaje conmutados: , por lo que una corriente constante a través de un condensador cambiará su voltaje a una velocidad constante. Afortunadamente, la energía en el inductor es finita, por lo que no puede cargar el condensador para siempre; finalmente la corriente del inductor llega a cero. Por supuesto, entonces el condensador tendrá algo de voltaje a través de él, y esto funcionará para aumentar la corriente del inductor.$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

Este es un circuito LC . En un sistema ideal, la energía oscilaría entre el capacitor y el inductor para siempre. Sin embargo, la bobina del relé tiene bastante resistencia (siendo un cable muy largo y delgado), y también hay pérdidas más pequeñas en el sistema por otros componentes. Por lo tanto, la energía eventualmente se elimina de este sistema y se pierde por calor o radiación electromagnética. Un modelo simplificado que tiene esto en cuenta es el circuito RLC .

El caso B es mucho más simple: el voltaje directo de cualquier diodo de silicio es de alrededor de 0,65 V, más o menos independientemente de la corriente. Por lo tanto, la corriente del inductor disminuye y la energía almacenada en el inductor se pierde por calor en la bobina del relé y el diodo.

El caso C es similar: cuando se abre el interruptor, el EMF posterior debe ser suficiente para revertir la polarización del Zener. Debemos asegurarnos de elegir un Zener con un voltaje inverso más alto que el voltaje de suministro, de lo contrario, el suministro podría impulsar la bobina, incluso cuando el interruptor esté abierto. También debemos seleccionar un transistor que pueda soportar un voltaje máximo entre el emisor y el colector mayor que el voltaje inverso de Zener. Una ventaja del Zener sobre el caso B es que la corriente del inductor disminuye más rápido, porque el voltaje a través del inductor es más alto.

Hay otra variación que se utiliza para reducir la energía almacenada en la carga inductiva lo más rápido posible. Esto lo he visto usado en circuitos de relés donde se requieren tiempos de apagado rápidos. El problema con el diodo es que la energía contenida en la bobina del relé tarda en disiparse (porque la corriente recircula y disminuye lentamente), mientras que si una resistencia se coloca en paralelo con la bobina, la fem de retorno sería mayor, pero gastaría la energía mas rapido.

Por ejemplo, una corriente de bobina de 50 mA produciría un pico de fem de 0,7 voltios en un diodo, pero a través de una resistencia de 1k esto sería de 50 voltios. Esto no es un problema si el transistor está clasificado a 100 voltios.

Una modificación de esta idea es usar un diodo en serie con una resistencia. Ahora la resistencia no toma normal en corriente; solo maneja la situación de voltaje inverso.

Cuanto más grande es la resistencia, más rápido se disipa la energía y más rápido se apaga mecánicamente el relé (o solenoide o lo que sea).

La versión del condensador también vale la pena considerar. La energía almacenada en la bobina se libera cuando se abre el transistor y esto entra en el condensador formando un voltaje máximo relacionado con la energía almacenada; el inductor tiene una energía almacenada que es:

Cv$\dfrac{Li^2}{2}$ y la fórmula del condensador es energía almacenada =$\dfrac{Cv^2}{2}$

Cuando equipara estas dos ecuaciones, puede calcular cuál es el pico de la fem inversa cuando los circuitos abiertos del transistor. Lo que luego encuentra es que la corriente va hacia atrás y hacia adelante entre la bobina y el condensador que oscila hacia cero. El tiempo que tarda puede ser largo (en términos de micro y milisegundos) pero, el acto de la corriente de la bobina del relé se invierte después del primer ciclo de oscilación apaga rápidamente el relé. Por lo general, la resistencia de la bobina del relé es lo suficientemente alta como para garantizar que el tercer medio ciclo de oscilación no tenga suficiente corriente para reactivar la bobina del relé.

Entonces, la idea del condensador se usa a veces (raramente). A veces se usa en serie con una resistencia para acelerar un poco más las cosas.

La idea zener también es útil porque, a diferencia del diodo que conduce hacia adelante a 0.7 voltios, el zener conduce pero a (digamos) 12 voltios, acelerando así la disipación de la energía almacenada mucho más rápido que un diodo solo. Además, con un Zener, el punto de voltaje máximo se define más fácilmente que con resistencias y condensadores, por lo que es atractivo utilizarlo.

La forma habitual es utilizar el caso B anterior. Se llama diodo de retorno EMF o diodo de retorno . Es poco probable que el condensador en A funcione. El caso C a veces se ve en los puentes H y en los casos en que la carga se conduce tanto negativa como positiva, en cuyo caso no se puede usar el diodo paralelo simple.