Design a diodi MOSFET

Inizierò dicendo semplicemente che non sono un ingegnere elettrico. Sono, tuttavia, un programmatore incorporato che ha avuto una certa esperienza con la progettazione e l'installazione di circuiti (dammi 1 e 0 e posso farli ballare ... ma Analog è magia nera ...).

Alcuni retroscena che potrebbero aiutare a capire cosa sta succedendo qui. Lavoro nel mio tempo libero per aiutare un teatro locale come uno dei loro direttori tecnici. Molto tempo fa, hanno costruito un impianto utilizzato in diverse produzioni ed eventi speciali. L'impianto di perforazione è specificamente un telaio in alluminio su rotaie, sopra il palco, che viene gestito a distanza. Il rig consente ai membri della tecnologia di abbassare gli oggetti di scena sul palco mentre lo spettacolo è in corso. Un puntello viene semplicemente fissato a un cavo e abbassato sul palco da un piccolo motore a corrente continua. Il motore funziona in una sola direzione: verso il basso. Il rig quindi si allontana dal palco ed è preparato per l'uso successivo. Con il suo design piuttosto interessante, il motore viene rimosso e ricollocato più volte (è cambiato per diversi oggetti, non abbastanza spazio sull'impianto di perforazione per tutto).

Ora, ho progettato i circuiti di controllo molto tempo fa e da allora hanno funzionato magnificamente. Tuttavia, ho finalmente il tempo e i soldi per aiutarli aggiornandolo. In questo processo, sto cercando di risolvere tutti i puzzle elettrici a cui non ho trovato la risposta giusta.

Il design originale è DEAD semplice ... MOSFET a canale n collegato a un uC (visualizza l'immagine inferiore, ma rimuovi A / B / C / D). Questo ha funzionato costantemente. Tuttavia, ogni volta che viene collegato un motore, mentre il dispositivo è ancora alimentato, l'unità si riavvierà completamente. Inizialmente pensavo che ciò potesse essere dovuto a un picco di corrente derivante dall'attacco della bobina del motore CC, ma non sono abbastanza esperto per sapere se è quello, o la mancanza di un diodo fly-back. O, peggio ancora, sta succedendo qualcosa all'UC. Dopo diversi viaggi attraverso Google e questo sito, ho visto diversi suggerimenti, ma non riesco a discernere quale sia accurata o la migliore soluzione per questo. Ancora peggio, non so come dimensionare correttamente nessuno di questi componenti (mi dispiace, aiuto!).

Per ulteriori informazioni, il motore da collegare è sempre 3v-3.3v e 1A per funzionare. Il motore può essere cambiato al volo, quindi non posso dare un valore esatto qui sulle proprietà di ciascun motore (il rig deve essere cieco a questo), ma quei 2 requisiti sono sempre soddisfatti. I motori sono anche controllati da PWM tramite uC.

Ecco le proposte che ho visto:

Quindi scendiamo l'elenco.

'A' è stato suggerito per impedire il latch-up dell'UC quando il campo collassa sul motore. Immagino che abbia un senso, non sono sicuro che mi possa aiutare o ferire.

'B' è un diodo fly-back standard per quando il campo collassa per impedire EMF retroalimentato. È questo il posto giusto per dirlo? Come si dimensiona il diodo se questo è corretto?

'C' è un fly-back a doppio zener che è stato anche suggerito. Ciò richiede più parti, quindi non sono sicuro che ci sia qualcosa di utile qui.

'D' è un'installazione varistore per prevenire lo spunto. Ciò impedirebbe al mio uC di riavviarsi quando il motore è collegato? Come si misura?

Qualcuno di questi disegni è corretto? Devo aggiungere un TVS per ESD? E, soprattutto, se una di queste è una buona scelta, come si fa a scegliere la parte? So di cercare alcuni elementi in una scheda tecnica, ma la moltitudine di bit di informazioni aggiuntive fa solo la mia testa. Cosa è importante e cosa no?

Finalmente (è un tomo, lo so ...) abbiamo l'ultimo pezzo che aggiungerò quest'anno.

Questa era una richiesta del direttore. Vuole essere in grado di "gettare" alcuni oggetti piuttosto che usare il cavo. Per fare questo, al momento ha uno stagehand scadente che collega un magnete piuttosto grande a una batteria dell'auto. Il magnete è specificato a 12V a 0,66 Amp (EM175L-12-222 da apwelectromagnets.com) per una forza di tenuta di 110 # (overkill completo, ma legato alla sicurezza). Il circuito sopra, credo, farà ciò che è necessario. L'UC invierà un 1 lungo la linea (MAG1 / MAG2, Armed è una sicurezza, sarà anche 1) e il magnete viene eccitato. Quando voglio "rilasciare", scrivo uno 0 su MAG1 / MAG2, inviando il ponte H nella direzione opposta, costringendo il magnete a spingere l'elica (ha la tendenza a "attaccare" al momento se il magnete viene lasciato acceso troppo a lungo, magnetizzando la piastra dell'elica). Questo design funzionerebbe? Devo aggiungere le stesse o diverse protezioni dall'alto poiché il campo EM su questo sarà molto più grande quando il ponte H commuta?

Sinceramente apprezzo qualsiasi aiuto che posso ottenere su questo. Vorrei poter divulgare di più sul teatro, lo spettacolo e altre informazioni. Ho comunque un contratto che mi impedisce di farlo senza l'approvazione del regista (lavorando su di esso!) Qualsiasi assistenza è molto apprezzata e cercherò di aggiungervi all'opuscolo dello spettacolo se il regista lo approva.

Ancora una volta, grazie per aver letto la storia del MOSFET, o il titolo più popolare, Harry Potter e il prigioniero di Diodi.

Modifica per le domande di Tony:

L'alimentazione proviene da una linea A / C convertita in 12V tramite un alimentatore di bordo (100W, DPS-100AP-11 A di Delta Electronics), che viene quindi convertito in 5 V e 3,3 V tramite regolatori lineari da 5 A ciascuno ( AZ1084CD-3.3TRG1 via Diodes Incorporated per l'alimentazione 3.3v, LM1084ISX via TI per l'alimentazione 5v). Il cablaggio esterno non è schermato ed è costituito principalmente da un cavo standard per altoparlanti a 2 terminali (purtroppo a buon mercato). Le lunghezze dei cavi variano da pochi pollici verso l'alto di 10 'a seconda della configurazione dell'impianto di perforazione in quel momento.

Penso che per i motori a commutazione calda vedrei qualcosa di simile.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

D1 fornisce alla guida una misura di isolamento da qualsiasi guida posteriore che potrebbe verificarsi quando si collega il motore. Tuttavia, potrebbe essere necessario utilizzare una guida superiore per compensare la caduta di quel diodo. Potresti considerare di sostituire quel diodo con un elemento più attivo che si accende solo prima del transistor principale e ha una caduta minore.

C1 aggiunge un po 'di memoria locale per compensare il carico di spunto iniziale.

D3 ovviamente è per l'evento flyback.

I diodi TVS D2 e ​​D4 sono lì per far fronte a qualsiasi scarica statica che può verificarsi quando si collega il motore. Notare che sono messi a terra centralmente in modo tale che se entrambi i fili del motore sono ad alta tensione rispetto alla terra, entrambi hanno un percorso conduttivo verso terra.

R1 limita la corrente di accensione dal micro e aiuta anche a proteggere il micro da qualsiasi accoppiamento capacitivo di eventi ESD.

È possibile aggiungere un limitatore di corrente di spunto, o una disposizione per aggiungerne uno, in serie con D1 se lo si ritiene un problema. Tuttavia, poiché si utilizzano motori a bassa tensione, non si ha molto spazio per la testa.

Anche la messa a terra deve essere esaminata. Il sistema deve essere collegato alla terra dello stadio e tale connessione deve essere il più vicino possibile alla posizione dei collegamenti del motore. La messa a terra per il micro ecc. Deve spronare quel punto di terra da solo.

Potrebbe anche essere necessario considerare di isolare otticamente i driver dal micro. Dato che ci sono molti cambiamenti a caldo in corso, presumibilmente da persone che non comprendono eccessivamente la delicatezza dell'azione, è meglio un maggiore isolamento. Anche la limitazione di corrente sarebbe una buona inclusione, poiché un cortocircuito sulla connessione del motore è anche un evento probabile.

Per quanto riguarda il design del magnete.

Se DEVI davvero andare in quel modo, sarebbe sufficiente un driver full bridge adatto. Ci sono molti dispositivi disponibili per questo ed esempi di circuiti abbondano in questo forum e altrove, quindi non mi espanderò ulteriormente qui.

TUTTAVIA: La saggezza di usare un elettromagnete per questo scopo è difettosa. Se detto magnete si spegne al momento sbagliato, esiste il reale pericolo che qualcosa venga lasciato cadere nel momento sbagliato causando danni alla proprietà o lesioni peggiori o persino la morte.

In quanto tale, se fossi in me, rifiuterei di attuarlo per motivi etici . Devi scavare le tue cure qui.

Il meccanismo di caduta deve essere intrinsecamente sicuro. Cioè, la perdita di potere non dovrebbe mai permettere all'oggetto di cadere. Inoltre, mentre viene manipolato e installato, la cosa dovrebbe essere bloccata in posizione per la sicurezza dell'equipaggio e degli attori. È indispensabile l'uso di una qualche forma di meccanismo di rilascio meccanico a centro-solenoide, eventualmente con un perno di bloccaggio aggiuntivo.

Questa risposta risolve solo il problema dell'elettromagnete.

I sistemi di sicurezza devono essere progettati per garantire sicurezza . Ciò significa che il guasto di qualsiasi componente nella catena di controllo deve comportare una condizione sicura (o più sicura). Precauzioni speciali devono essere prese nei sistemi di sicurezza controllati da software come processori ridondanti, accoppiamento CA, ecc., Poiché errori software, crash e guasti ai transistor potrebbero causare una situazione pericolosa. ad es. non è possibile garantire se un transistor non si aprirà o cortocircuita.

Figura 1. Una serratura magnetica per porta.

Le serrature magnetiche delle porte sono disponibili in modalità energizza per bloccare (più comune) e in modalità liberare (prigioni, per esempio). Mi sembra che il tipo di eccitazione a rilascio funzionerebbe nella tua applicazione.

Non lo so, ma sospetto che i tre poli siano disposti come sud-nord-sud (o viceversa) e che la bobina sia avvolta, spinta nelle fessure nere e inserita in posizione. Una volta che il magnete colpisce il custode, il circuito magnetico si chiude. Come saprà chiunque abbia giocato con una calamita a ferro di cavallo, aprire il circuito chiuso è molto difficile.

Figura 2. Percorso della bobina e del flusso.

Qui possiamo vedere che con la serratura aperta le facce esposte sono i poli del magnete. Si noti inoltre che il percorso magnetico è due volte più largo nel polo centrale rispetto ai poli superiore e inferiore in modo che la densità del flusso sia abbastanza costante. Una volta chiuso il lucchetto, il flusso forma un anello attraverso il nucleo di ferro.

Quando la bobina viene eccitata con la giusta tensione e polarità, il flusso del magnete permanente viene annullato e l'armatura viene rilasciata.

Ora il tuo problema si riduce a garantire che la bobina possa essere eccitata solo al momento opportuno. Mettere uno o due pulsanti in serie con la bobina potrebbe essere sufficiente. In questa configurazione qualcuno monitorerebbe che è possibile effettuare il drop, premere i due pulsanti e il microcontrollore potrebbe comunque eseguire i tempi di precisione, se necessario.

Esistono due tipi di ripristini indotti EMI. Condotto e irradiato.

Condotto è abbastanza facile da individuare e riparare con una gamma di tappi vicino all'alimentazione del driver V +, 0 V con una fonte di alimentazione adeguata.

L'irradiazione è più difficile da definire, l'oscillazione dell'oscilloscopio e dipende dalla qualità dei cavi e dal metodo di schermatura con la scelta della terra. Come una coppia intrecciata schermata. Questi possono migliorare le radiazioni indesiderate che causano il crosstalk tra i cavi. Gli alimentatori CC flottanti in genere rendono più difficile l'assorbimento del rumore irradiato, ma possono anche rappresentare un percorso per altri disturbi del rumore accoppiati a terra.

C non è richiesto quando si utilizza B per un interruttore a lato singolo. D è un ICL usato in serie con carico in grado di limitare la corrente di avvio di sovracorrente ma anche di limitare la coppia di avviamento ma è ridondante se si è accelerato PWM per regolare l'aumento di tensione per fare lo stesso.

Sfortunatamente i dettagli richiedono maggiori dettagli sul layout, la messa a terra di alimentazione e schermature, i tipi di cavi e la lunghezza mancanti nella domanda.

Si noti che le coppie intrecciate schermate sono probabilmente la soluzione migliore con uno starter CM attorno al cavo o, meglio, uno starter CM SMD valutato per questo picco di corrente.