私は、Arduinoからのさまざまな負荷（リレー、ソレノイド、モーター）を制御するプロジェクトに取り組んでいます。マイクロコントローラーやその他のコンポーネントに十分な保護機能が組み込まれていることを確認したいと思います。トランジスタを使用し、デカップリングコンデンサ、フライバックダイオード、ツェナーダイオードを追加するさまざまなソリューションを見てきました。これらのオプションの1つまたは組み合わせをどのように選択するのでしょうか。
回答:
これらのオプションの1つまたは組み合わせをどのように選択するのでしょうか。
インダクタの仕組みを理解していれば簡単です。
ほとんどの人が抱えている問題は、「誘導電圧スパイク」や「逆起電力」などの言葉を聞いて、
したがって、インダクターが切り替えられると、1000Vバッテリーのように一瞬です。
この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図
確かに、この特定の状況では、これは多かれ少なかれ何が起こるかです。しかし問題は、それが重要なステップを欠いているということです。インダクタは私たちを刺激するために本当に高い電圧を生成するだけではありません。インダクタンスの定義を見てください。
どこ：
これはインダクタのオームの法則に似ていますが、抵抗の代わりにインダクタンスを持ち、電流の代わりに電流の変化率を持ちます。
これが意味するところは、平易な英語で言えば、インダクタを流れる電流の変化率は、インダクタの両端の電圧に比例するということです。インダクタの両端に電圧がない場合、電流は一定のままです。電圧が正の場合、電流はより正になります。電圧が負の場合、電流が減少します（または負になります-電流はどちらの方向にも流れます！）。
これの結果は、それが無限に高い電圧を必要とするので、インダクターの電流が即座に止まることができないということです。高電圧が必要ない場合は、電流をゆっくりと変化させる必要があります。
したがって、瞬時にインダクタを電流源として考えることをお勧めします。スイッチが開くと、インダクタに流れていた電流が流れ続けます。電圧はそれが起こるのに必要なものです。
1000V電圧源の代わりに、20mA電流源があります。妥当な値として20mAを任意に選択しました。実際には、これはスイッチが開いたときの電流であり、リレーの場合はリレーコイルの抵抗によって定義されます。
さて、この場合、20mA以上流れるには何が必要ですか？スイッチで回路を開いたので、閉回路がないため、電流が流れません。しかし、実際にはそれが可能です。電圧は、スイッチの接点間にアークが発生するのに十分な高さである必要があります。スイッチをトランジスタに置き換える場合、電圧はトランジスタを破壊するのに十分な高さにする必要があります。だからそれが起こり、あなたは悪い時間を過ごします。
今あなたの例を見てください：
ケースAでは、インダクターがコンデンサーを充電します。コンデンサは、スイッチだけ電流と電圧とインダクタのようである：、キャパシタを介して定電流が一定速度でその電圧を変化させるように。幸い、インダクターのエネルギーは有限であるため、コンデンサーを永久に充電することはできません。最終的にインダクタ電流はゼロに達します。もちろん、コンデンサには両端に電圧がかかり、これによりインダクタ電流が増加します。
これはLC回路です。理想的なシステムでは、エネルギーはコンデンサとインダクタの間で永久に振動します。ただし、リレーコイルには非常に多くの抵抗があり（非常に長く、細いワイヤであるため）、他のコンポーネントによるシステムの損失も小さくなります。したがって、エネルギーは最終的にこのシステムから除去され、熱または電磁放射によって失われます。これを考慮した簡略化されたモデルがRLC回路です。
ケースBの方がはるかに単純です。シリコンダイオードの順方向電圧は、電流に関係なく、ほぼ0.65Vです。そのため、インダクタ電流が減少し、インダクタに蓄積されたエネルギーがリレーコイルとダイオードでの熱のために失われます。
ケースCも同様です。スイッチが開くと、逆起電力はツェナーに逆バイアスをかけるのに十分でなければなりません。電源電圧よりも高い逆電圧のツェナーを選択する必要があります。そうしないと、スイッチが開いているときでも、電源がコイルを駆動する可能性があります。また、ツェナー逆電圧よりも高いエミッタとコレクタ間の最大電圧に耐えることができるトランジスタを選択する必要があります。ケースBに対するツェナーの利点は、インダクタ両端の電圧が高いため、インダクタ電流がより速く減少することです。
誘導負荷に蓄積されたエネルギーをできるだけ早く減らすために使用される別のバリエーションがあります。これは、高速オフタイムが必要なリレー回路で使用されているのを見てきました。ダイオードの問題は、リレーコイルに保持されたエネルギーが散逸するのに時間がかかることです（電流が再循環し、ゆっくりと減少するため）。一方、抵抗がコイルと並列に配置されている場合、逆起電力は大きくなりますが、エネルギーを消費します。より迅速に。
たとえば、50mAのコイル電流は、ダイオードに0.7ボルトのピーク逆起電力を生成しますが、1kの抵抗では、これは50ボルトになります。トランジスタの定格が100ボルトであれば、これは問題ではありません。
このアイデアの変更は、抵抗と直列にダイオードを使用することです。これで、抵抗は電流に対して正常に機能しなくなります。逆電圧の状況のみを処理します。
抵抗が大きいほど、エネルギーが早く散逸し、リレー（またはソレノイドなど）が機械的にオフになります。
コンデンサのバージョンも検討する価値があります。コイルに蓄えられたエネルギーは、トランジスタが開いたときに解放され、これがコンデンサに流れ込み、蓄えられたエネルギーに関連するピーク電圧を形成します。インダクタには次のようなエネルギーが蓄えられています-
Cv2あり、コンデンサーの式はエネルギーを蓄えます=
これらの2つの方程式を等しくすると、トランジスタが開路したときのピーク逆起電力が計算されます。次に、電流がコイルとコンデンサの間を逆方向に流れ、ゼロに向かって振動していることがわかります。所要時間は長くなる場合があります（マイクロ秒およびミリ秒単位）。ただし、最初の発振サイクルの後にリレーコイル電流が逆転すると、リレーが急速にオフになります。通常、リレーのコイル抵抗は、発振の3番目の半サイクルにリレーコイルを再アクティブ化するのに十分な電流がないことを保証するのに十分な高さです。
そのため、コンデンサのアイデアが（まれに）使用されることがあります。時には、それを抵抗器と直列に使用して、もう少し高速化します。
0.7ボルトで順方向に導通するダイオードとは異なり、ツェナーは導通しますが（たとえば）12ボルトなので、ツェナーのアイデアも役立ちます。これにより、ダイオードのみの場合よりも、蓄えられたエネルギーの散逸がはるかに速くなります。また、ツェナーを使用すると、抵抗とコンデンサを使用する場合よりも最大電圧ポイントを簡単に定義できるため、使用する魅力があります。
通常の方法は、上記のケースBを使用することです。これは、逆起電力ダイオードまたはフライバックダイオードと呼ばれます。Aのコンデンサが機能しない可能性があります。ケースCは、Hブリッジや、負荷が正だけでなく負にも駆動される場合に見られることがあります。その場合、単純な並列ダイオードは使用できません。