Protegendo o microcontrolador de cargas indutivas

Estou trabalhando em um projeto no qual controlarei uma variedade de cargas (relé, solenóide, motor) de um Arduino e gostaria de garantir uma proteção suficiente para o microcontrolador e outros componentes. Eu já vi várias soluções usando transistores e adicionando capacitores de desacoplamento, diodos flyback e diodos zener. Eu estou querendo saber como alguém escolheria entre uma ou uma combinação dessas opções?

Eu estou querendo saber como alguém escolheria entre uma ou uma combinação dessas opções?

É fácil se você entender como os indutores funcionam.

Eu acho que o problema que muitas pessoas têm é que ouvem palavras como "pico de tensão indutiva" ou "back-EMF" e concluem razoavelmente algo como

Assim, quando um indutor é ligado, é por um instante como uma bateria de 1000V.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

De fato, nessa situação específica, é mais ou menos o que acontece. Mas o problema é que está faltando uma etapa crítica. Os indutores não apenas geram tensões realmente altas para nos incomodar. Veja a definição de indutância:

Onde:

• $L$ é indutância, em henrys
• $v(t)$ é a tensão no momento$t$
• $i$

É como a lei de Ohm para indutores, exceto que, em vez de resistência , temos indutância e, em vez de corrente , temos taxa de variação da corrente .

O que isso significa, em inglês simples, é que a taxa de mudança de corrente através de um indutor é proporcional à tensão através dele. Se não houver tensão através de um indutor, a corrente permanece constante. Se a tensão for positiva, a corrente se tornará mais positiva. Se a tensão for negativa, a corrente diminui (ou se torna negativa - a corrente pode fluir em qualquer direção!).

Uma conseqüência disso é que a corrente em um indutor não pode parar instantaneamente, porque isso exigiria uma tensão infinitamente alta. Se não queremos uma alta voltagem, temos que mudar a corrente lentamente.

Consequentemente, é melhor pensar em um indutor em um instante como uma fonte atual . Quando o interruptor é aberto, qualquer corrente que esteja fluindo no indutor deseja continuar fluindo. A tensão será o que for necessário para que isso aconteça.

^{simule este circuito}

Agora, em vez de uma fonte de tensão de 1000V, temos uma fonte de corrente de 20mA. Escolhi arbitrariamente 20mA como um valor razoável; na prática, essa é a corrente quando o interruptor foi aberto, que no caso de um relé é definido pela resistência da bobina do relé.

Agora, neste caso, o que deve acontecer para que 20mA fluam? Abrimos o circuito com o interruptor, então não há circuito fechado, portanto a corrente não pode fluir. Mas, na verdade, pode: a tensão precisa ser alta o suficiente para passar pelos contatos do comutador. Se substituirmos o comutador por um transistor, a tensão precisará ser alta o suficiente para quebrar o transistor. Então é isso que acontece, e você se diverte.

Agora veja seus exemplos:

^{simule este circuito}

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

Este é um circuito LC . Em um sistema ideal, a energia oscilaria entre o capacitor e o indutor para sempre. No entanto, a bobina do relé possui bastante resistência (sendo um pedaço muito longo e fino de fio), e também há perdas menores no sistema de outros componentes. Assim, a energia é eventualmente removida deste sistema e perdida pelo calor ou radiação eletromagnética. Um modelo simplificado que leva isso em consideração é o circuito RLC .

O caso B é muito mais simples: a tensão direta de qualquer diodo de silício é de cerca de 0,65 V, mais ou menos, independentemente da corrente. Portanto, a corrente do indutor diminui e a energia armazenada no indutor é perdida pelo calor na bobina e no diodo do relé.

O caso C é semelhante: quando o switch é aberto, o EMF traseiro deve ser suficiente para reverter o viés do Zener. Devemos ter certeza de escolher um Zener com uma tensão reversa maior que a tensão de alimentação, caso contrário, a alimentação poderá acionar a bobina, mesmo quando o interruptor estiver aberto. Também devemos selecionar um transistor que possa suportar uma tensão máxima entre o emissor e o coletor maior que a tensão reversa do Zener. Uma vantagem do Zener em relação ao caso B é que a corrente do indutor diminui mais rapidamente, porque a tensão no indutor é maior.

Existe outra variação usada para reduzir a energia armazenada na carga indutiva o mais rápido possível. Isso eu já vi usado em circuitos de relé onde são necessários tempos de inatividade rápidos. O problema com o diodo é que a energia retida na bobina do relé leva tempo para se dissipar (porque a corrente recircula e diminui lentamente), enquanto que se um resistor fosse colocado em paralelo com a bobina, a contra-fem seria maior, mas gastaria a energia mais rapidamente.

Por exemplo, uma corrente de bobina de 50mA produziria um pico de fem de 0,7 volts em um diodo, mas em um resistor de 1k isso seria 50 volts. Isso não é um problema se o transistor for classificado em 100 volts.

Uma modificação dessa idéia é usar um diodo em série com um resistor. Agora o resistor não fica normal na corrente; ele lida apenas com a situação de tensão reversa.

Quanto maior o resistor, mais rápida a energia é dissipada e mais rápido o relé (ou o solenóide ou o que quer que seja) desliga mecanicamente.

Também vale a pena considerar a versão do capacitor. A energia armazenada na bobina é liberada quando o transistor se abre e isso varre o capacitor, formando um pico de tensão relacionado à energia armazenada; o indutor possui uma energia armazenada que é: -

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

Quando você equaciona essas duas equações, pode calcular qual é o pico de retroemf quando o transistor é aberto. O que você descobre é que a corrente vai para trás e para a frente entre a bobina e o capacitor, oscilando até zero. O tempo necessário pode ser longo (em termos de micro e milissegundos), mas o ato da corrente da bobina do relé reverter após o 1º ciclo de oscilação desliga rapidamente o relé. Geralmente, a resistência da bobina do relé é suficientemente alta para garantir que o terceiro meio ciclo de oscilação não tenha corrente suficiente para reativar a bobina do relé.

Portanto, a ideia do capacitor é algumas vezes (raramente) usada. Às vezes, é usado em série com um resistor para acelerar as coisas um pouco mais.

A idéia do zener também é útil porque, diferentemente do diodo que conduz para a frente a 0,7 volts, o zener conduz, mas a (digamos) 12 volts, acelerando assim a dissipação da energia armazenada muito mais rapidamente do que um diodo sozinho. Além disso, com um zener, o ponto de tensão máxima é mais facilmente definido do que com resistores e capacitores, para que haja alguma atração em usá-lo.

A maneira usual é usar o caso B acima. É chamado de diodo back-EMF ou diodo flyback . É improvável que o capacitor em A funcione. O caso C é visto às vezes em pontes H e nos casos em que a carga é conduzida tanto negativa quanto positiva; nesse caso, o diodo paralelo simples não pode ser usado.