保护微控制器免受感性负载

我正在一个项目中，我将从Arduino控制各种负载（继电器，螺线管，电动机），并且我想确保为微控制器和其他组件建立足够的保护。我已经看到了使用晶体管并添加去耦电容器，反激二极管和齐纳二极管的各种解决方案。我想知道如何在这些选项中的一个或多个之间进行选择？

我想知道如何在这些选项中的一个或多个之间进行选择？

如果您了解电感器的工作原理，这很容易。

我认为大多数人遇到的问题是，他们听到诸如“感应电压尖峰”或“反电动势”之类的词，并合理地得出类似

因此，当电感器切换时，它的瞬间就像1000V电池一样。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

确实，在这种特殊情况下，或多或少会发生这种情况。但是问题在于它缺少关键步骤。电感器不仅会产生很高的电压来扼杀我们。看一下电感的定义：

哪里：

• $L$是电感，以亨利为单位
• $v(t)$是时间的电压$t$
• $i$是最新的

这就好比欧姆定律的电感，除了没有性，我们有电感，并且代替目前我们拥有的电流变化率。

用简单的英语来说，这意味着流过电感的电流的变化率与两端的电压成正比。如果电感两端没有电压，则电流保持恒定。如果电压为正，则电流将为正。如果电压为负，则电流将减小（或变为负-电流可沿任一方向流动！）。

其结果是电感器中的电流不能立即停止，因为这将需要无限高的电压。如果我们不想要高压，那么我们就必须缓慢改变电流。

因此，最好将电感器瞬时考虑为电流源。当开关断开时，电感器中流动的任何电流都希望保持流动。电压将是发生这种情况所需的一切。

^{模拟该电路}

现在，我们有了20mA电流源，而不是1000V电压源。我只是任意选择20mA作为一个合理的值，实际上这是开关断开时的电流，在继电器的情况下，这是由继电器线圈的电阻确定的。

现在，在这种情况下，超过20mA的电流必须发生什么？我们已经用开关打开了电路，所以没有闭合电路，所以电流无法流动。但实际上它可以：电压只需要足够高就可以在开关触点上产生电弧。如果我们用晶体管替换开关，则电压必须足够高才能使晶体管断开。这样就发生了，您的时间很糟糕。

现在看一下您的示例：

^{模拟该电路}

在情况A中，电感器将为电容器充电。电容器就像具有电流和电压切换的电感器：，因此通过电容器的恒定电流将以恒定速率改变其电压。幸运的是，电感器中的能量是有限的，因此它不能永远为电容器充电。最终电感电流达到零。当然，电容器两端将有一定的电压，这将有助于增加电感器电流。$i(t) = C\: \mathrm dv/\mathrm dt$

这是一个LC电路。在理想的系统中，能量将永远在电容器和电感器之间振荡。但是，继电器线圈具有很大的电阻（很长很细的电线），并且系统中其他组件的损耗也较小。因此，能量最终从该系统中除去，并由于热或电磁辐射而损失。考虑到这一点的简化模型是RLC电路。

情况B更为简单：任何硅二极管的正向电压约为0.65V，无论电流大小如何。因此，电感器电流减小，并且电感器中存储的能量因继电器线圈和二极管中的热量而损失。

情况C相似：当开关断开时，反电动势必须足以反向偏置齐纳二极管。我们必须确保选择一个反向电压高于电源电压的齐纳二极管，否则即使开关断开，电源也可能驱动线圈。我们还必须选择一个能承受发射极和集电极之间最大电压大于齐纳反向电压的晶体管。与情况B相比，齐纳二极管的优势在于电感器电流下降得更快，因为电感器两端的电压更高。

还有另一种变体，用于尽快降低电感负载中的存储能量。我已经看到这种方法用于需要快速关断时间的继电器电路中。二极管的问题在于，继电器线圈中保持的能量耗散时间（因为电流再循环并缓慢减小），而如果将电阻与线圈并联放置，则反电动势会更大，但会消耗能量更快速。

例如，一个50mA的线圈电流将在二极管上产生0.7V的峰值反电动势，但在1k电阻两端将为50V。如果晶体管的额定电压为100伏，这不是问题。

这种想法的一种修改是使用一个与电阻串联的二极管。现在，电阻器无法正常导通电流。它只能处理反向电压情况。

电阻越大，耗散的能量越快，继电器（或电磁阀或其他任何东西）机械关闭的速度就越快。

电容器版本也值得考虑。当晶体管打开时，存储在线圈中的能量被释放，并扫入电容器，形成与存储能量有关的峰值电压。电感器存储的能量为：-

Cv$\dfrac{Li^2}{2}$，电容器公式为能量存储=$\dfrac{Cv^2}{2}$

当您将这两个方程式相等时，您可以计算出晶体管开路时的反电动势峰值。然后您会发现，电流在线圈和电容器之间反向振荡，并振荡至零。所花费的时间可能会很长（以微秒和毫秒为单位），但是在第一个振荡周期后继电器线圈电流反转的动作会迅速关闭继电器。通常，继电器的线圈电阻足够高，以确保振荡的第三个半周期没有足够的电流来重新激活继电器线圈。

因此，有时会（很少）使用电容器的想法。有时，它与电阻器串联使用可加快速度。

齐纳二极管的思想也是有用的，因为与二极管在0.7伏时正向传导不同，齐纳二极管仅在（例如）12伏时导通，因此比单独使用二极管要快得多。同样，与稳压器和电容器相比，使用齐纳二极管更容易定义最大电压点，因此使用它会产生一些吸引力。

通常的方法是使用上面的案例B。它称为反电动势二极管或反激二极管。A中的电容器不太可能工作。在H桥中有时会出现情况C，在负载被驱动为负和正的情况下，这种情况下，不能使用简单的并联二极管。