Всем привет! Это статья, чтобы немного попереживать. И немного про управление мощной индуктивной нагрузкой. Выйти, так сказать, из зоны комфорта. В основном автору, когда он(я) будет читать комментарии.
По моему скромному мнению есть три типа людей с паяльником:
Тип первый - вижу схему, не вижу препятствий. Всё как написано, нарисовано, указано - повторил. Всё заработало как у автора схемы. Все счастливы. Хороший монтажник или тестировщик. Вообще молодец.
Тип второй - схемы нет, но вы держитесь. Ничего не написано, но повырывал везде кусков, что тот ардуинщик. Всё заработало, или нет, или заработало но не так... или так, но потом. Тот самый двигатель прогресса! В случае хорошего примера - электронщик со стажем, который Хоровица знает как мамкины подводки к вопросам: "а где же, собственно, внуки?".
Тип третий - схема есть, но автор в корне не прав. Сакральное кг/ам. Паять, конечно, никто ничего не собирался. Тут часто не понятно что им движет. Вера, опыт или просто природная токсичность.
Это всё архетипы и в чистом виде не встречаются в рамках всего времени их осознанной жизнедеятельности. Но можно поймать в моменте на форумах или в чатах.
Если не углубляться в рассуждение о детстве, отрочестве и так далее, приведу совсем недавний пример.
Вследствие моей исключительной криворукости полез я в чатик разбираться почему прошивка в микроконтроллере на моей плате, сделанной ЛУТом, будь он неладен, работает совсем не так, как надо. Я несколько часов тыкал в схему мультимметром в режиме прозвонки, менял микроконтроллеры, как перчатки. Уж думал - всё. Думал, что вся партия - дешевая китайская подделка дешевых китайских микроконтроллеров и дядюшка Ляо меня в очередной раз надул, продав микроконтроллеры по 11р за штуку и принеся непоправимый вред моему материальному и душевному благосостоянию.
Со своей проблемой я обратился в специализированный чат в телеграме. А это страшно! Почти как впервые идти в радиомагазин. Учился я как-то в университете и решил спаять схему из бытности моей в радиокружке. Мигалку на советских транзисторах. Резисторы продавец выдал без проблем, а за мп42 предложил отправиться в 1986 год, и улыбнулся так неприятно. Больше я в тот магазин не ходил. Чип и Дип выручали меня в трудных жизненных ситуациях... Да кого я обманываю?! Ходил, конечно.
В чате практически сразу предположили, что у меня где-то на плате есть перемычка, и спустя некоторое время предложили попробовать "прозвонить" плату в режиме измерения сопротивления. И это оказалось правдой! Между двумя выводами микроконтроллера сопротивление было аномально низким. Какая-то микроскопическая ворсинка непротравленной меди портила всю малину своим сопротивлением в 100 Ом. Ее удалось разглядеть только под микроскопом. Одно движение острым концом пинцета - и доброе имя дядюшки Ляо восстановлено! Миска рис и кошка-жена заслуженно приписываются в доступные продавцу с алика блага.
Но в это же время в чате назревало недовольство. Как это я с таким глупым вопросом посмел зайти на огонек и почему это у меня в схеме нет никакой защиты от бесславной смерти ключей, кроме диодов, шунтирующих выбросы Эдс самоиндукция!?
Да кто такие эти ваши выбросы ЭДС самоиндукции??
А тут всё достаточно просто. Как нам рассказывает Краткий курс физики. учебное пособие. Гиоргадзе А.Л., Бурова С.В. - "Самоиндукция – частный случай электромагнитной индукции, явление возникновения ЭДС самоиндукции εс в проводящем контуре (цепи) при изменении в нем силы тока "
Из определения понятно, что данный процесс возникает при изменении тока, проходящего в контуре цепи. И равна она минус произведению индуктивности на частное от силы тока по времени. Т.Е. чем больше индуктивность и изменение силы тока, тем меньше ЭДС самоиндукции. Она как бы сопротивляется изменению тока и в учебном пособии выше ее сравнивают с инерцией в механике.
Если рассмотреть процессы, которые протекают в простейшем случае -
то система может находиться в двух состояниях.
Ключ открыт - ток на соленоиде( элементе с максимальной индуктивностью) резко возрастает, ЭДС самоиндукции всячески этому препятствует, и в соленоиде возникает ЭДС противоположная направлению тока, которое в электронике принято считать от плюса к минусу, а в физике все в курсе, что носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, которые не то что бы к минусу рвутся. Эта ЭДС препятствует нарастанию тока. По закону Ома уменьшить ток в системе можно повышением сопротивления, что и породило термин реактивное сопротивление.
Ключ закрыт - а это уже более опасно. Со скоростью закрытия ключа увеличивается сопротивление перехода коллектор-эмиттер, что заставляет напряжение на соленоиде падать, а с напряжением падает и ток. ЭДС самоиндукции этого так просто не оставит! И она всеми возможными для нее способами пытается падающий ток сохранить. Это провоцирует выброс напряжения обратной полярности из соленоида. Напряжение на коллекторе начинает складываться из пяти вольт, которые берутся на шине питания, и напряжения выброса, которое зависит от величины тока в системе до отключения, скорости отключения и индуктивности соленоида. Напряжение на коллекторе может многократно превысить питающее и привести к превышению напряжения барьерного режима. Сопротивление канала больше не будет стремиться к бесконечности, что может привести к дальнейшему тепловому пробою и гибели радиоэлемента.
Немного рисуночков
Элементы взял не особенно реалистичные, но показательные.
Нажимаем кнопку, держим секундочку и отпускаем. Вот что показывает симуляция:
1-транзистор открывается,
2 - транзистор закрывается,
3 - выброс,
4 - ток,
5 - напряжение.
Казалось бы... осциллограмма напряжения должна была выглядеть как-то так:
Но если взглянуть в левый верхний угол, то станет понятно почему всё так, как есть. Дело в масштабе! 1000 вольт на половину графика сделала основной сигнал совершенно незначительным, сделав приоритетным выброс во всей красе. И в номинале выбранного соленоида, конечно. За 9 миллисекунд ток даже не успел выйти на плато. А должен был. Значит всё это время работала ЭДС, в числителе формулы для вычисления которого красуется индуктивность в целый один Генри!
С этим нужно бороться!
Одним из простых вариантов будет уменьшение скорости переключения транзистора, чтобы пропорционально уменьшились выбросы обратной ЭДС самоиндукции. Для этого можно использовать управляющий ключом сигнал более похожий на синусоидальный, тогда мы будем более плавно открывать и закрывать транзистор, используя активный режим работы транзистора как элемент растягивания дельты времени. Но Активный режим предполагает больший нагрев и не так хорош для ключевого режима, который его вообще не подразумевает.
Так же можно, если управление происходит с микроконтроллера, настроить скорость переключения состояния gpio выхода. Например в ch32v003 можно выбрать 30 или 50 мегагерц. То же самое, но побыстрее и легче реализовать.
Но сильно лучше избавляться от выбросов непосредственно там, где они формируются и не издеваться над транзистором, переключая его в линейный режим. Например, использовать быстрый диод, параллельно индуктивной нагрузке и в обратном направлении или супрессор . Тогда при переходе ключа из режима насыщения в режим отсечки выброс обратной ЭДС через диод замкнется на той же индуктивности, подзаряжая её и тем самым увеличивая ту самую дельту времени.
Или RC-цепь для примерно того же самого, но более эффективного преобразования выброса в тепло уже не на диоде и соленоиде, а на соленоиде и резисторе.
Это работает даже в режиме ШИМ, но переходные процессы на ключе будут происходить очень часто и каждый раз, когда транзистор будет работать в линейном режиме, он будет греться сильнее, чем в ключевом. А с синусоидой на входе это будет достаточно значительно, чтобы транзистор, который обычно коммутировал бы огромные токи в ключевом режиме, погиб от перегрева при значительно более низких.
Тут на помощь приходят расчеты!
Ключевым параметром выступает напряжение, на которое рассчитан транзистор и паразитный диод в транзисторе, если говорить о тех, в которых он есть, но чтобы это рассчитать нужно проводить комплексные вычисления, включающие и скорость переключения и ЭДС и даже емкость затвора. И это позволит только использовать менее мощные диоды. Вторым ключевым параметром является ток, проходящий через катушку. Это уже проще. Можно вычислить или измерить, просто включив вместо ключа амперметр.
Если известен ток, то выбираем диод с запасом. Прямой ток, который он способен пропустить через себя в импульсном режиме должен иметь запас, относительно тока через катушку, а обратное напряжение должно хотя бы в полтора раза превышать напряжение питания. Так же важно выбирать быстродействующий диод, например MUR460(Ultra Fast, 600 В, 4 А) для мощной высоковольтной нагрузки.
Как видно из симуляции диод практически полностью ограничил выброс обратной ЭДС, но ток на катушке падал оооочень медленно. Значит всё так, как есть. Катушка подпитывала сама себя через диод.
Намного лучше будет выбрать в качестве защиты для мощной нагрузки - интегрирующую RC-цепочку. Вот тут рассчетов побольше и напряжение важнее:
Оценим энергию индуктивности:
При размыкании ключа энергия, запасённая в индуктивности, равна:
E=1/2*L*I*I,
где Е -Энергия, запасенная в индуктивности, L - индуктивность, I - сила тока
Допустим, ток через катушку I = 1 А (если нагрузка 10 Ом при 10 В):
E=1/2*1*1*1=0.5 Дж
Выберем конденсатор:
Конденсатор должен поглотить эту энергию без превышения допустимого напряжения. Допустим, что транзистор у нас рассчитан на 100 вольт. Но лучше ограничить сильно меньшими значениями, например 30 в.
Vmax = Vcc + sqrt((2*E)/C),
где Vmax - напряжение, которым хотим ограничиться, Vcc - напряжение питания, C - емкость конденсатора.
Выведем из формулы емкость:
С = (L*I*I)/sqr(Vmax-Vcc)
Подставим значения и посчитаем. Результат 2,5мкФ для наших условных значений.
Выберем резистор:
Есть эмпирическое правило, которое вытекает из анализа демпфирования LC-контура, который образуется при взаимодействии индуктивности L и ёмкости снаббера C. На практике применяют половину значения сопротивления критического демпфирования, чтобы избежать перегрева резистора. Подробнее о нем, к сожалению, я буду писать ещё пять тысяч лет, чак что просто примем:
R ≈ sqrt(L/C),
где R примерное сопротивление резистора, которое нужно подогнать к стандартному ряду.
Выходит что-то близкое к 670 Ом.
Мощность, которую должен рассеять резистор:
Возьмем для примера частоту переключений в 1 кГц. Средняя можность на резисторе:
P = E/(RC*f),
где P - мощность на резисторе, f - частота.
Получается что-то в районе 0,3 Вт. Возьмем 2 ватта для уверенности!
Как видно из осциллограммы ток на катушке рос медленнее, относительно схемы с диодом, выбросы были ограничены почти что в соответствии с расчетными данными и ток на катушке рассеялся на резисторе гораздо быстрее, чем в схеме с диодом.
Вроде бы всё хорошо! Но, как говорится, есть нюанс. Внимательные читатели обязательно поймут, что ещё нужно рассчитать, а если нет, то подсказка есть в статье про деление на два.
Данные методы можно совмещать и выбирать любой, в зависимости от ваших потребностей. Если статья вызовет интерес, то проведу натурные эксперименты, проверю режим генератора в двигателе и попытаюсь спалить несколько транзисторов. Так же можно будет расписать почему, когда шаговый двигатель на 3д принтере двигается рукой - загорается дисплей и вращаются вентиляторы. Всё дело в паразитных диодах, но это ой как не просто!
Всем спасибо за внимание! Как всегда буду рад комментариям и предложениям. В том числе в чате канала в телеграм. До скорых встреч!