Protección del microcontrolador de cargas inductivas

Me pregunto cómo elegiría uno entre una o una combinación de estas opciones.

Es fácil, si entiendes 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 posterior" 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. Mira la definición de inductancia:

Donde:

• $L$es la inductancia, en henrys
• $v(t)$es el voltaje en el tiempo$t$
• $i$es 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 lenguaje sencillo, 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, entonces la corriente se vuelve más positiva. Si el voltaje es negativo, 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 el interruptor se abre, la corriente que fluía 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 1000 V, tenemos una fuente de corriente de 20 mA. Simplemente elegí arbitrariamente 20 mA como un valor razonable, en la práctica, esto es cualquiera 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 necesita ser lo suficientemente alto para formar un arco a través de 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 pasa, y lo pasas mal.

Ahora mira tus ejemplos:

^{simular este circuito}

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

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 (al ser un cable muy largo y delgado), y también hay pérdidas menores en el sistema debido a otros componentes. Por lo tanto, la energía finalmente 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. Entonces, 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 el interruptor se abre, el EMF posterior debe ser suficiente para invertir la polarización del Zener. Debemos asegurarnos de elegir un Zener con un voltaje inverso mayor que el voltaje de suministro, de lo contrario, el suministro podría impulsar la bobina, incluso cuando el interruptor está abierto. También debemos seleccionar un transistor que pueda soportar una tensión máxima entre emisor y colector superior a la tensión inversa del 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 relé donde se requieren tiempos de apagado rápidos. El problema con el diodo es que la energía retenida en la bobina del relé tarda en disiparse (porque la corriente recircula y disminuye lentamente), mientras que si se colocara una resistencia en paralelo con la bobina, la fuerza contraelectromotriz sería mayor pero gastaría la energía. mas rapido.

Por ejemplo, una corriente de bobina de 50 mA produciría una fuerza contraelectromotriz máxima de 0,7 voltios en un diodo, pero en una resistencia de 1k sería de 50 voltios. Esto no es un problema si el transistor tiene una potencia nominal de 100 voltios.

Una modificación de esta idea es usar un diodo en serie con una resistencia. Ahora la resistencia no toma corriente normal; 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).

También vale la pena considerar la versión de condensador. La energía almacenada en la bobina se libera cuando se abre el transistor y pasa al condensador formando un voltaje máximo que está relacionado con la energía almacenada; el inductor tiene una energía almacenada que es: -

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

Cuando iguala estas dos ecuaciones, puede calcular cuál es la fuerza contraelectromotriz máxima cuando el transistor se abre en circuito. Lo que luego encuentra es que la corriente va hacia atrás y hacia adelante entre la bobina y el capacitor oscilando hasta cero. El tiempo que tarda puede ser largo (en términos de micro y milisegundos), pero el hecho de que la corriente de la bobina del relé se invierta 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 capacitor a veces (rara vez) se usa. A veces se usa en serie con una resistencia para acelerar un poco más las cosas.

La idea del 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, lo que acelera 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 existe cierta atracción para usarlo.

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