Protéger le microcontrôleur des charges inductives

Je travaille sur un projet où je contrôlerai une variété de charges (relais, solénoïde, moteur) à partir d'un Arduino et je voudrais m'assurer d'avoir une protection suffisante pour le microcontrôleur et d'autres composants. J'ai vu une variété de solutions utilisant des transistors et ajoutant des condensateurs de découplage, des diodes flyback et des diodes zener. Je me demande comment on choisirait entre une ou une combinaison de ces options?

Je me demande comment on choisirait entre une ou une combinaison de ces options?

C'est facile, si vous comprenez comment fonctionnent les inducteurs.

Je pense que le problème que la plupart des gens ont, c'est qu'ils entendent des mots comme «pic de tension inductive» ou «back-EMF» et concluent raisonnablement quelque chose comme

Ainsi, quand une inductance est commutée, c'est pour un instant comme une batterie 1000V.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

En effet dans cette situation particulière, c'est plus ou moins ce qui se passe. Mais le problème est qu'il manque une étape critique. Les inductances ne génèrent pas seulement des tensions très élevées pour nous contrarier. Regardez la définition de l'inductance:

Où:

• est l'inductance, en henrys$L$
• est la tension au moment$v(t)$$t$
• actuel$i$

C'est comme la loi d'Ohm pour les inductances, sauf qu'au lieu de la résistance, nous avons une inductance , et au lieu du courant, nous avons un taux de changement de courant .

En clair, cela signifie que le taux de variation du courant à travers une inductance est proportionnel à la tension qui le traverse. S'il n'y a pas de tension aux bornes d'une inductance, le courant reste constant. Si la tension est positive, alors le courant devient plus positif. Si la tension est négative, le courant diminue (ou devient négatif - le courant peut circuler dans les deux sens!).

Une conséquence de cela est que le courant dans une inductance ne peut pas s'arrêter instantanément, car cela nécessiterait une tension infiniment élevée. Si nous ne voulons pas de haute tension, nous devons changer le courant lentement.

Par conséquent, il est préférable de considérer un inducteur en un instant comme une source de courant . Lorsque l'interrupteur s'ouvre, le courant qui circulait dans l'inductance veut continuer à circuler. La tension sera tout ce qu'il faut pour que cela se produise.

^{simuler ce circuit}

Maintenant, au lieu d'une source de tension de 1000 V, nous avons une source de courant de 20 mA. Je viens de choisir arbitrairement 20mA comme valeur raisonnable, en pratique c'est ce que le courant était lorsque l'interrupteur s'est ouvert, ce qui dans le cas d'un relais est défini par la résistance de la bobine du relais.

Maintenant, dans ce cas, que doit-il se passer pour que 20mA s'écoulent? Nous avons ouvert le circuit avec l'interrupteur, donc il n'y a pas de circuit fermé, donc le courant ne peut pas circuler. Mais en fait, c'est possible: la tension doit simplement être suffisamment élevée pour passer à travers les contacts du commutateur. Si nous remplaçons l'interrupteur par un transistor, la tension doit être suffisamment élevée pour casser le transistor. Voilà donc ce qui se passe, et vous passez un mauvais moment.

Regardez maintenant vos exemples:

^{simuler ce circuit}

$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$ , et donc un courant constant à travers un condensateur changera sa tension à un taux constant. Heureusement, l'énergie dans l'inductance est limitée, donc elle ne peut pas charger le condensateur pour toujours; finalement le courant d'inductance atteint zéro. Bien sûr, alors le condensateur aura une certaine tension à travers lui, et cela fonctionnera alors pour augmenter le courant d'inductance.

Il s'agit d'un circuit LC . Dans un système idéal, l'énergie oscillerait pour toujours entre le condensateur et l'inductance. Cependant, la bobine de relais a beaucoup de résistance (étant un morceau de fil très long et mince), et il y a aussi des pertes plus petites dans le système d'autres composants. Ainsi, l'énergie est finalement retirée de ce système et perdue par la chaleur ou le rayonnement électromagnétique. Un modèle simplifié qui en tient compte est le circuit RLC .

Le cas B est beaucoup plus simple: la tension directe de toute diode au silicium est d'environ 0,65 V, plus ou moins indépendamment du courant. Ainsi, le courant d'inductance diminue et l'énergie stockée dans l'inductance est perdue pour chauffer dans la bobine de relais et la diode.

Le cas C est similaire: lorsque le commutateur s'ouvre, le back-EMF doit être suffisant pour inverser la polarisation du Zener. Nous devons être sûrs de choisir un Zener avec une tension inverse supérieure à la tension d'alimentation, sinon l'alimentation pourrait entraîner la bobine, même lorsque l'interrupteur est ouvert. Il faut également sélectionner un transistor pouvant supporter une tension maximale entre émetteur et collecteur supérieure à la tension inverse de Zener. Un avantage du Zener sur le cas B est que le courant d'inductance diminue plus rapidement, car la tension aux bornes de l'inductance est plus élevée.

Il existe une autre variante qui permet de réduire le plus rapidement possible l'énergie stockée dans la charge inductive. J'ai vu cela utilisé dans des circuits de relais où des temps d'arrêt rapides sont nécessaires. Le problème avec la diode est que l'énergie contenue dans la bobine de relais prend du temps à se dissiper (car le courant recircule et diminue lentement) alors que si une résistance était placée en parallèle avec la bobine, le back-emf serait plus grand mais dépenserait l'énergie plus vite.

Par exemple, un courant de bobine de 50 mA produirait une intensité de crête arrière de 0,7 volt sur une diode, mais à travers une résistance de 1 k, ce serait 50 volts. Ce n'est pas un problème si le transistor est évalué à 100 volts.

Une modification de cette idée consiste à utiliser une diode en série avec une résistance. Maintenant, la résistance ne prend pas un courant normal; il ne gère que la situation de tension inverse.

Plus la résistance est grande, plus l'énergie se dissipe rapidement et plus le relais (ou solénoïde ou autre) s'éteint mécaniquement rapidement.

La version à condensateur mérite également d'être considérée. L'énergie stockée dans la bobine est libérée lorsque le transistor s'ouvre et cela pénètre dans le condensateur en formant une tension de crête liée à l'énergie stockée; l'inductance a une énergie stockée qui est: -

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

Lorsque vous assimilez ces deux équations, vous pouvez calculer ce qu'est le back-emf maximal lorsque le transistor est en circuit ouvert. Ce que vous trouvez alors, c'est que le courant va et vient entre la bobine et le condensateur oscillant jusqu'à zéro. Le temps qu'il faut peut être long (en termes de micro et de millisecondes) mais, le fait que le courant de la bobine de relais s'inverse après le 1er cycle d'oscillation désactive rapidement le relais. Habituellement, la résistance de la bobine du relais est suffisamment élevée pour garantir que le troisième demi-cycle d'oscillation n'a pas suffisamment de courant pour réactiver la bobine du relais.

Ainsi, l'idée de condensateur est parfois (rarement) utilisée. Parfois, il est utilisé en série avec une résistance pour accélérer un peu plus les choses.

L'idée zener est également utile car, contrairement à la diode qui conduit vers l'avant à 0,7 volt, le zener conduit mais à (disons) 12 volts, accélérant ainsi la dissipation de l'énergie stockée beaucoup plus rapidement qu'une diode seule. De plus, avec un zener, le point de tension maximum est plus facilement défini qu'avec des résistances et des condensateurs, il y a donc une certaine attraction à l'utiliser.

La manière habituelle est d'utiliser le cas B ci-dessus. Cela s'appelle une diode EMF arrière ou une diode flyback . Il est peu probable que le condensateur en A fonctionne. Le cas C est parfois observé dans les ponts en H et dans les cas où la charge est entraînée aussi bien négative que positive, auquel cas la simple diode parallèle ne peut pas être utilisée.