प्रेरक भार से माइक्रोकंट्रोलर की रक्षा करना

Question

मैं एक ऐसी परियोजना पर काम कर रहा हूँ जहाँ मैं एक Arduino से विभिन्न प्रकार के भार (रिले, सोलनॉइड, मोटर) को नियंत्रित करूँगा और मैं यह सुनिश्चित करना चाहूँगा कि मैं माइक्रोकंट्रोलर और अन्य घटकों के लिए पर्याप्त सुरक्षा का निर्माण करूँ। मैंने ट्रांजिस्टर का उपयोग करके और विघटित कैपेसिटर, फ्लाईबैक डायोड और जेनर डायोड को जोड़ने के लिए कई तरह के समाधान देखे हैं। मैं सोच रहा हूँ कि इन विकल्पों में से एक या एक के बीच का चयन कैसे होगा?

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सवाल का सीधा जवाब नहीं। लेकिन आप वास्तविक तरंगों को देखने के लिए इस वीडियो को देखना चाहते हैं और डायोड सुरक्षा कैसे काम करते हैं। संधारित्र मामले के लिए कोई प्रदर्शन नहीं।

— Alper

Answer 1

मैं सोच रहा हूँ कि इन विकल्पों में से एक या एक के बीच का चयन कैसे होगा?

यह आसान है, अगर आप समझते हैं कि कैसे प्रेरक काम करते हैं।

मुझे लगता है कि ज्यादातर लोगों की समस्या यह है कि वे "आगमनात्मक वोल्टेज स्पाइक" या "बैक-ईएमएफ" जैसे शब्द सुनते हैं और यथोचित कुछ कहते हैं

इसलिए, जब एक प्रारंभ करनेवाला स्विच किया जाता है, तो यह 1000V बैटरी की तरह एक पल के लिए होता है।

^{इस सर्किट का अनुकरण करें - सर्किटलैब का उपयोग करके बनाई गई योजनाबद्ध}

वास्तव में इस विशेष स्थिति में, कमोबेश यही होता है। लेकिन समस्या यह है कि यह एक महत्वपूर्ण कदम याद आ रही है। इंडेक्टर्स केवल हमें उगलने के लिए वास्तव में उच्च वोल्टेज उत्पन्न नहीं करते हैं। अधिष्ठापन की परिभाषा को देखें:

$$v(t) = L\frac{\mathrm di}{\mathrm dt}$$

कहाँ पे:

• $L$ इंडक्शन है, मेंहदी में
• $v(t)$ समय पर वोल्टेज$t$
• $i$ वर्तमान हूँ

इस के बजाय छोड़कर, प्रेरक के लिए ओम कानून की तरह है प्रतिरोध हमारे पास प्रेरण , और के बजाय वर्तमान हमारे पास वर्तमान में परिवर्तन की दर ।

सादे अंग्रेजी में, इसका मतलब यह है कि एक प्रारंभ करनेवाला के माध्यम से धारा के परिवर्तन की दर इसके पार वोल्टेज के समानुपाती होती है। यदि एक प्रारंभ करनेवाला के पार कोई वोल्टेज नहीं है, तो वर्तमान स्थिर रहता है। अगर वोल्टेज पॉजिटिव है, तो करंट ज्यादा पॉजिटिव आता है। यदि वोल्टेज नकारात्मक है, तो वर्तमान कम हो जाता है (या नकारात्मक हो जाता है - वर्तमान या तो दिशा में प्रवाह कर सकता है!)।

इसका एक परिणाम यह है कि एक प्रारंभ करनेवाला में वर्तमान तुरंत बंद नहीं हो सकता है, क्योंकि इसके लिए असीम रूप से उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होगी। यदि हम एक उच्च वोल्टेज नहीं चाहते हैं, तो हमें वर्तमान को धीरे-धीरे बदलना होगा।

नतीजतन, एक मौजूदा स्रोत के रूप में तत्काल एक प्रारंभ करनेवाला के बारे में सोचना बेहतर है । जब स्विच खुलता है, तो जो भी प्रवाहक में प्रवाहित होता है वह प्रवाह को चालू रखना चाहता है। वोल्टेज वह होगा जो कुछ भी होने के लिए होता है।

^{इस सर्किट का अनुकरण करें}

अब 1000V वोल्टेज स्रोत के बजाय, हमारे पास 20mA का वर्तमान स्रोत है। मैंने मनमाने ढंग से 20mA को एक उचित मूल्य के रूप में उठाया, व्यवहार में यह वह है जो वर्तमान में था जब स्विच खोला गया था, जो रिले के मामले में रिले कॉइल के प्रतिरोध द्वारा परिभाषित किया गया है।

अब इस उदाहरण में, 20mA के प्रवाह के लिए क्या होना चाहिए? हमने स्विच के साथ सर्किट खोला है, इसलिए कोई बंद सर्किट नहीं है, इसलिए करंट प्रवाहित नहीं हो सकता है। लेकिन वास्तव में यह हो सकता है: वोल्टेज को स्विच संपर्कों के पार चाप करने के लिए पर्याप्त उच्च होना चाहिए। यदि हम स्विच को एक ट्रांजिस्टर के साथ बदलते हैं, तो वोल्टेज को ट्रांजिस्टर को तोड़ने के लिए पर्याप्त उच्च होना चाहिए। तो वही होता है, और आपके पास बुरा समय होता है।

अब अपने उदाहरण देखें:

^{इस सर्किट का अनुकरण करें}

मामले में, प्रारंभ करनेवाला संधारित्र को चार्ज करेगा। एक संधारित्र चालू और वोल्टेज के साथ एक प्रारंभ करनेवाला की तरह होता है: , और इसलिए संधारित्र के माध्यम से एक निरंतर प्रवाह एक स्थिर दर पर अपने वोल्टेज को बदल देगा। सौभाग्य से, प्रारंभ करनेवाला में ऊर्जा परिमित है, इसलिए यह संधारित्र को हमेशा के लिए चार्ज नहीं कर सकता है; अंततः प्रारंभ करनेवाला वर्तमान शून्य पर पहुंच जाता है। बेशक, तब संधारित्र के पास कुछ वोल्टेज होगा, और फिर यह प्रारंभ करनेवाला वर्तमान को बढ़ाने के लिए काम करेगा।$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

यह एक LC सर्किट है । एक आदर्श प्रणाली में, ऊर्जा संधारित्र और प्रारंभ करनेवाला के बीच हमेशा के लिए दोलन करेगी। हालांकि, रिले कॉइल में काफी प्रतिरोध है (बहुत लंबा, तार का पतला टुकड़ा), और अन्य घटकों से सिस्टम में छोटे नुकसान भी हैं। इस प्रकार, ऊर्जा अंततः इस प्रणाली से हटा दी जाती है और गर्मी या विद्युत चुम्बकीय विकिरण से हार जाती है। एक सरलीकृत मॉडल जो इसे ध्यान में रखता है वह है आरएलसी सर्किट ।

केस बी बहुत सरल है: किसी भी सिलिकॉन डायोड का आगे का वोल्टेज वर्तमान की परवाह किए बिना, लगभग 0.65V है। तो प्रारंभ करनेवाला वर्तमान कम हो जाता है और प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत ऊर्जा रिले कॉइल और डायोड में गर्मी के लिए खो जाती है।

केस सी समान है: जब स्विच बैक-ईएमएफ खोलता है, तो जेनर को पूर्वाग्रह करने के लिए पर्याप्त होना चाहिए। हमें आपूर्ति वोल्टेज की तुलना में एक रिवर्स वोल्टेज के साथ जेनर चुनना सुनिश्चित करना चाहिए, अन्यथा आपूर्ति स्विच चालू होने पर भी कॉइल ड्राइव कर सकती है। हमें एक ट्रांजिस्टर का भी चयन करना चाहिए जो ज़ेनर रिवर्स वोल्टेज से अधिक एमिटर और कलेक्टर के बीच अधिकतम वोल्टेज का सामना कर सकता है। केस बी के ऊपर जेनर का एक फायदा यह है कि प्रारंभ करनेवाला धारा तेजी से घट जाती है, क्योंकि प्रारंभ करनेवाला के पार वोल्टेज अधिक होता है।

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मैं एक इलेक्ट्रिकल इंजीनियर नहीं हूं और मेरे पास अंतर्निहित भौतिकी का एक बड़ा आभास नहीं है, लेकिन मैं समझता हूं कि डायोड के साथ बी के मामले में, वर्तमान डायोड के माध्यम से प्रसारित होगा और प्रारंभ करनेवाला अंततः संग्रहीत ऊर्जा को नष्ट कर देगा (कारण के कारण) प्रारंभ करनेवाला का प्रतिरोध?) ज़ेनर डायोड के साथ सी के मामले में, यह मानते हुए कि वोल्टेज ज़ेनर वोल्टेज से ऊपर है, ऊर्जा जल्दी से जमीन पर जाएगी।

— अलेक्जेंडर

मुझे संधारित्र के साथ केस ए की अच्छी समझ नहीं है। मुझे लगता है कि जब ट्रांजिस्टर बंद हो जाता है, तो टोपी पहले से ही चार्ज हो जाती है, लेकिन नीचे एंडी कहते हैं कि वर्तमान विघटित होने तक आगे पीछे होता है। मुझे यकीन नहीं है कि क्यों? मैंने मूल रूप से टोपी का उल्लेख किया है क्योंकि मैंने देखा है कि यह ब्रश डीसी मोटर के मामले में एक डिकम्प्लिंग कैपेसिटर के रूप में उपयोग किया जाता है, और मैं टोपी और जेनर डायोड के संयोजन का उपयोग करने के बारे में सोच रहा था।

— अलेक्जेंडर

@ अलेक्जेंडर कृपया संपादन देखें।

— फिल फ्रॉस्ट

Answer 2

एक और भिन्नता है जो जल्दी से जल्दी संभव के रूप में आगमनात्मक भार में संग्रहीत ऊर्जा को कम करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह मैंने रिले सर्किट में उपयोग किया है, जहां फास्ट ऑफ-टाइम की आवश्यकता होती है। डायोड के साथ समस्या यह है कि रिले कॉइल में रखी ऊर्जा को फैलने में समय लगता है (क्योंकि करंट धीरे-धीरे कम हो जाता है और कम हो जाता है) जबकि यदि एक कॉइल को कॉइल के समानांतर रखा जाता है, तो बैक-ईएमएफ बड़ा होगा - ऊर्जा खर्च करें अधिक तेजी से।

उदाहरण के लिए, एक 50mA कॉइल करंट एक डायोड पर 0.7volts की एक पीक बैक ईएमएफ का उत्पादन करेगा, लेकिन 1k रोकनेवाला के पार यह 50 वोल्ट होगा। यदि ट्रांजिस्टर को 100 वोल्ट पर रेट किया जाता है तो यह कोई समस्या नहीं है।

इस विचार का एक संशोधन एक रोकनेवाला के साथ श्रृंखला में एक डायोड का उपयोग करना है। अब रोकनेवाला चालू पर सामान्य नहीं लेता है; यह केवल रिवर्स वोल्टेज स्थिति को संभालता है।

रोकनेवाला जितना बड़ा होता है, उतनी ही जल्दी ऊर्जा विघटित हो जाती है और जल्दी रिले (या सॉलोनॉइड या जो भी) यंत्रवत् बंद हो जाता है।

संधारित्र संस्करण भी विचार करने योग्य है। कॉइल में संग्रहीत ऊर्जा तब मुक्त हो जाती है जब ट्रांजिस्टर खुलता है और यह संधारित्र में एक चरम वोल्टेज बनाता है जो संग्रहीत ऊर्जा से संबंधित होता है; प्रारंभ करनेवाला में एक ऊर्जा संग्रहीत होती है जो है: -

$\dfrac{Li^2}{2}$ और संधारित्र सूत्र ऊर्जा संग्रहीत है =$\dfrac{Cv^2}{2}$

जब आप इन दो समीकरणों की बराबरी करते हैं तो आप गणना कर सकते हैं कि ट्रांजिस्टर ओपन-सर्किट होने पर पीक-ईएमएफ क्या है। फिर आप जो पाते हैं, वह यह है कि करंट कॉइल और कैपेसिटर के बीच पीछे की तरफ जाता है और नीचे शून्य से दोलन करता है। इसमें लगने वाला समय लंबा (माइक्रो और मिलीसेकंड शब्दों में) हो सकता है लेकिन, रिले कॉइल करंट के कार्य के बाद दोलन के 1 चक्र के बाद तेजी से रिले बंद हो जाता है। आमतौर पर रिले का कॉइल प्रतिरोध यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त रूप से अधिक है कि थरथरान के तीसरे आधे चक्र में रिले कॉइल को फिर से सक्रिय करने के लिए पर्याप्त वर्तमान नहीं है।

तो, संधारित्र विचार कभी-कभी (शायद ही कभी) का उपयोग किया जाता है। कभी-कभी इसका उपयोग चीजों को थोड़ा और गति देने के लिए एक अवरोधक के साथ श्रृंखला में किया जाता है।

जेनर आइडिया इसलिए भी उपयोगी है क्योंकि डायोड के विपरीत जो आगे 0.7 वोल्ट पर कंडक्ट करता है, जेनर कंडक्ट करता है, लेकिन (कहना) 12 वोल्ट इस प्रकार अकेले डायोड की तुलना में बहुत तेजी से संग्रहीत ऊर्जा के अपव्यय को तेज करता है। इसके अलावा, एक जेनर के साथ अधिकतम वोल्टेज बिंदु प्रतिरोधों और कैपेसिटर की तुलना में अधिक आसानी से परिभाषित होता है, इसलिए इसका उपयोग करने के लिए कुछ आकर्षण है।

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मुझे आश्चर्य है कि अगर संधारित्र सर्किट का उपयोग, 24V रिले के साथ किया जाता है, तो रिवर्स Vbe टूटने और दीर्घकालिक नुकसान का खतरा है। करंट चालू करना भी केवल MOSFET के मामले में बीटा या Ids द्वारा सीमित है। यह काफी बड़ा हो सकता है।

— स्पेरो पेफेनी

@spehro को टोपी में इतना बड़ा होना चाहिए कि इससे बचने के लिए पीक वोल्टेज दोगुना से अधिक न बढ़े।

— एंडी उर्फ

Answer 3

सामान्य तरीका ऊपर केस B का उपयोग करना है। यह एक कहा जाता है वापस EMF डायोड या एक flyback डायोड । A में संधारित्र काम करने की संभावना नहीं है। केस सी को कभी-कभी एच-पुलों में देखा जाता है और ऐसे मामलों में जहां लोड को नकारात्मक के साथ-साथ सकारात्मक भी चलाया जाता है, ऐसे में साधारण समानांतर डायोड का उपयोग नहीं किया जा सकता है।

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ए में संधारित्र काम करने की संभावना क्यों नहीं है?

— फिल फ्रॉस्ट

@PhilFrost यह किसी डायोड के रूप में किसी विशेष मूल्य पर बैक-ईएमएफ को क्लैम्प नहीं करता है। इसलिए पीक वोल्टेज सर्किट में कैपेसिटेंस और इंडक्शन पर निर्भर होता है (कठिन भविष्यवाणी करना)। साथ ही, एलसी सर्किट अनुनाद (ट्यून्ड सर्किट) में सक्षम है जो समस्याओं का कारण हो सकता है।

— जॉन होननिबल

यह सुनिश्चित करता है: प्रारंभ करनेवाला में कुछ संग्रहीत ऊर्जा होती है, के अनुसार $E = 1/2\:LI^2$। सबसे खराब स्थिति में, यह सारी ऊर्जा संधारित्र में चली जाती है:$E=1/2\:CV^2$। कैपेसिटेंस की भविष्यवाणी करना मुश्किल नहीं है: यह कैपेसिटर पर मुद्रित होता है; और इंडक्शन, अगर यह रिले डेटशीट पर नहीं है, तो आसानी से मापा जाता है। अनुनाद के कारण क्या समस्याएं होंगी? क्या प्रतिध्वनि रिले कॉइल के प्रतिरोध से काफी कम नहीं होगी?

— फिल फ्रॉस्ट

@PhilFrost मेरा मतलब है कि बस किसी भी पुराने डायोड के बारे में पीछे-ईएमएफ को सीमित करेगा। एक संधारित्र ऐसा करने के लिए, हमें कुंडल अधिष्ठापन को मापना चाहिए, और एक गणना करना होगा। मैं सबसे नौसिखिया पाठकों से यह उम्मीद नहीं कर रहा हूं कि वे सभी परेशानी में जाएं; मैं सुझाव दे रहा हूं कि वे बस एक डायोड का उपयोग करें।

— जॉन होन्नाबिल

मुझे लगता है कि भ्रमित करने वाली बात यह है कि आपका उत्तर "काम करने की संभावना नहीं" कहता है, जो "से अधिक जटिल है" और आपके मामले में किसी डायोड से बेहतर काम नहीं करता है।

— फिल फ्रॉस्ट