МОП-транзистор Диодный дизайн

Я начну с того, что просто скажу, что я не инженер-электрик. Я, однако, программист по встраиваемым технологиям, который имел некоторый опыт проектирования и настройки схем (дайте мне 1 и 0, и я смогу заставить их танцевать ... но Analog - это черная магия ...).

Некоторый фон, который может помочь понять, что здесь происходит. Я работаю в свободное время, чтобы помочь местному театру в качестве одного из их технических директоров. Давным-давно они построили установку, которая использовалась в нескольких постановках и специальных мероприятиях. Установка представляет собой алюминиевое шасси на рельсах над сценой, которое управляется дистанционно. Установка позволяет техническим специалистам опускать подпорки на сцене во время шоу. Опора просто прикрепляется к тросу и опускается на сцену с помощью небольшого двигателя постоянного тока. Мотор работает только в одном направлении - вниз. Затем установка покидает сцену и готовится к следующему использованию. Из-за довольно интересной конструкции мотор снимается и снова включается (его заменяют на разные предметы, на всем оборудовании недостаточно места).

Теперь я изначально проектировал схемы управления, и с тех пор они прекрасно работают. Тем не менее, у меня наконец есть время и деньги, чтобы помочь им, улучшив его. В этом процессе я пытаюсь решить все электрические головоломки, на которые я не нашел правильного ответа.

Оригинальный дизайн - DEAD simple ... n-канальный MOSFET, подключенный к uC (просмотрите нижнее изображение, но удалите A / B / C / D). Это работало постоянно. Однако каждый раз, когда двигатель подключен, а устройство все еще находится под напряжением, устройство полностью перезагружается. Сначала я думал, что это может быть связано с броском тока при подключении катушки двигателя постоянного тока, но я недостаточно осведомлен, чтобы понять, так ли это, или из-за отсутствия обратного диода. Или, что еще хуже, что-то происходит с ОК. После нескольких поездок через Google и этот сайт я видел несколько предложений, но не могу определить, какое из них является точным или лучшим решением. Еще хуже то, что я не знаю, как правильно выбрать размер любого из этих компонентов (извините, помогите!).

Для получения дополнительной информации подключаемый двигатель всегда имеет напряжение 3 В, 3,3 В и 1 А для работы. Двигатель может быть изменен на лету, поэтому я не могу дать здесь точную оценку свойств каждого двигателя (установка должна игнорировать это), но эти два требования всегда выполняются. Двигатели также управляются с помощью ШИМ через ОК.

Вот предложения, которые я видел:

Итак, давайте пойдем по списку.

Была предложена буква «А» для предотвращения защелкивания ОК при обрушении поля на двигателе. Я ... думаю, в этом есть смысл, не уверен, поможет ли это мне или навредит мне.

«B» - это стандартный обратный диод для случая, когда поле падает, чтобы предотвратить обратную ЭДС. Это правильное место, чтобы поставить его? Как один размер диода, если это правильно?

'C' - обратный рейс с двумя стабилитронами, который также был предложен. Для этого требуется больше деталей, поэтому я не уверен, есть ли здесь что-то полезное.

«D» - это варисторная установка для предотвращения пускового тока. Не помешает ли это перезагрузке моего ОК при подключенном двигателе? Как один размер это?

Являются ли какие-либо из этих конструкций правильными? Нужно ли добавлять в TVS для ESD? И что еще более важно, если какой-либо из них является хорошим выбором, как выбрать деталь? Я знаю, что нужно искать определенные элементы в листе данных, но множество дополнительных информационных битов просто заставляет меня задуматься. Что важно, а что нет?

Наконец (это том, я знаю ...) у нас есть последнее, что я добавлю в этом году.

Это была просьба директора. Он хочет, чтобы он мог «отбрасывать» определенные предметы, а не использовать привязь. Чтобы сделать это, у него в настоящее время есть плохая сцена, соединяющая довольно большой магнит с автомобильным аккумулятором. Магнит рассчитан на 12 В при 0,66 А (EM175L-12-222 от apwelectromagnets.com) для удерживающей силы 110 # (полный перегиб, но связанный с безопасностью). Вышеупомянутая схема, я считаю, сделает то, что нужно. ОК отправит 1 вниз по линии (MAG1 / MAG2, Armed - безопасность, также будет 1), и на магнит подано напряжение. Когда я хочу «уронить», я пишу 0 на MAG1 / MAG2, отправляя H-мост в противоположном направлении, заставляя магнит отталкивать упор (он имеет тенденцию «прилипать» в тот момент, если магнит остается на слишком долго, намагничивая опорную плиту). Будет ли этот дизайн работать? Нужно ли добавлять ту же или другую защиту сверху, так как электромагнитное поле на этом будет намного больше, когда H-мост переключается?

Я искренне ценю любую помощь, которую я могу получить в этом. Я хотел бы раскрыть больше о театре, шоу и другой информации. Однако у меня есть контракт, который запрещает мне делать это без одобрения директоров (работаю над этим!). Любая помощь будет принята с благодарностью, и я постараюсь добавить вас в рекламную брошюру, если директор одобрит.

Еще раз, спасибо за то, что прочитали историю MOSFET или более популярное название «Гарри Поттер и пленник диодов».

Редактировать в соответствии с вопросами Тони:

Питание поступает от линии A / C, преобразованной в 12 В от встроенного источника питания (100 Вт, DPS-100AP-11 A от Delta Electronics), которая затем преобразуется в 5 В и 3,3 В с помощью линейных регуляторов, каждый по 5 А ( AZ1084CD-3.3TRG1 через диоды, включенные для питания 3,3 В, LM1084ISX через TI для питания 5 В). Внешние кабели не экранированы и состоят в основном из стандартного 2-контактного провода динамика (к сожалению, по дешевке). Длина кабеля варьируется от нескольких дюймов до 10 футов в зависимости от настроек буровой установки в то время.

Я думаю, что для двигателей с горячим переключением я бы посмотрел что-то вроде этого.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

D1 обеспечивает рельсу меру изоляции от любого заднего движения, которое может возникнуть при подключении двигателя. Возможно, вам придется использовать более высокую шину, чтобы компенсировать падение диода. Возможно, вы захотите заменить этот диод более активным элементом, который включается только перед главным транзистором и имеет меньшее падение.

C1 добавляет некоторое локальное хранилище заряда для компенсации начальной пусковой нагрузки.

D3, конечно, для события обратного хода.

Диоды TVS D2 и D4 предназначены для того, чтобы справиться с любым статическим разрядом, который может возникнуть при подключении двигателя. Обратите внимание, что они имеют центральное заземление, поэтому, если оба провода двигателя находятся под высоким напряжением по отношению к заземлению, они оба имеют проводящий путь назад к земле.

R1 ограничивает ток включения от микро, а также помогает защитить микро от любой емкостной связи ESD событий.

Вы можете добавить ограничитель пускового тока или предусмотреть его добавление последовательно с D1, если сочтете это проблемой. Тем не менее, поскольку вы используете двигатели низкого напряжения, у вас не так много запаса.

Заземление также нужно посмотреть. Ваша система должна быть подключена к заземлению сцены, и это соединение должно быть как можно ближе к месту подключения двигателя, насколько это возможно. Заземление для микро- и т. Д. Само по себе должно выделять эту точку заземления.

Вам также может понадобиться оптически изолировать драйверы от микро. Поскольку происходит много горячих переключений, по-видимому, от людей, которые не слишком понимают деликатность действия, больше изоляции лучше. Ограничение тока также будет хорошим включением, так как короткое замыкание на соединении двигателя также является вероятным событием.

Что касается дизайна магнита.

Если вы действительно ДОЛЖНЫ пойти по этому пути, подойдет подходящий драйвер полного моста. Для этого доступно множество устройств, и на этом форуме и в других местах имеется множество примеров схем, поэтому я не буду подробно останавливаться на этом здесь.

ОДНАКО: мудрость использования электромагнита для этой цели ошибочна. Если указанный магнит выключится в неподходящее время, существует реальная опасность того, что что-то упадет в неподходящее время, что может привести к материальному ущербу, серьезным травмам или даже смерти.

Таким образом, если бы это был я, я бы отказался это осуществить по этическим соображениям . Вы должны выкопать свои исцеления здесь.

Механизм сброса должен быть отказоустойчивым по своей природе. То есть потеря силы никогда не должна позволять предмету выпадать. Кроме того, во время манипуляции и установки вещь должна быть зафиксирована на месте для безопасности экипажа и исполнителей. Обязательным является использование механического расцепляющего механизма, расположенного над центром, с электромагнитным приводом, возможно, с дополнительным стопорным штифтом.

Этот ответ касается только проблемы с электромагнитами.

Системы безопасности должны быть рассчитаны на отказоустойчивость . Это означает, что отказ любого компонента в цепи управления должен привести к безопасному (или более безопасному) состоянию. Особые меры предосторожности должны быть приняты в системах безопасности с программным управлением, таких как резервированные процессоры, подключение переменного тока и т. Д., Поскольку ошибки программного обеспечения, сбои и отказы транзисторов могут привести к опасной ситуации. Например, вы не можете гарантировать, что транзистор выйдет из строя или короткого замыкания.

Рисунок 1. Дверной магнитный замок.

Дверные магнитные замки доступны в режиме «под напряжением к замку» (чаще всего) и «под напряжением к выпуску» (например, в тюрьмах). Мне кажется, что в вашем приложении будет работать тип «под напряжением».

Я не знаю этого, но я подозреваю, что три полюса расположены как юг-север-юг (или наоборот) и что катушка намотана, протолкнута в черные щели и закреплена на месте. Как только магнит попадает в держатель, магнитная цепь замыкается. Как известно любому, кто играл с подковообразным магнитом, замкнуть петлю очень сложно.

Рисунок 2. Катушка и путь потока.

Здесь мы видим, что при открытом замке открытые грани являются полюсами магнита. Отметим также, что магнитный путь в центральном полюсе в два раза шире, чем на верхнем и нижнем полюсах, поэтому плотность потока довольно постоянна. Как только замок закрывается, поток образует петлю через железный сердечник.

Когда на катушку подается правильное напряжение и полярность, постоянный магнитный поток отключается, а якорь освобождается.

Теперь ваша проблема сводится к тому, что катушка может быть включена только в соответствующее время. Одной или двух последовательных кнопок с катушкой может быть достаточно. В этой настройке кто-то будет следить за тем, чтобы все было в порядке, нажмите две кнопки, и микроконтроллер все еще может выполнять точную синхронизацию, если это необходимо.

Существует два типа сбросов, вызванных электромагнитными помехами. Проведено и излучено.

Проводимость довольно проста в установке и исправлении с помощью ряда заглушек рядом с источником питания V +, 0 В с соответствующим источником питания.

Излучение сложнее определить, масштаб его действия зависит от качества кабелей, а также от способа экранирования с выбором заземления. Например, экранированная витая пара. Это может улучшить непреднамеренное излучение, которое вызывает перекрестные помехи между кабелями. Плавающие источники постоянного тока, как правило, затрудняют поглощение излучаемого шума, но в то же время могут стать путём для других шумовых помех, связанных с землей.

C не требуется, когда B используется для одностороннего переключателя. D - это ICL, используемая последовательно с нагрузкой, которая может ограничивать пусковой ток помпажа, но также ограничивает пусковой крутящий момент, но является избыточной, если вы увеличили ШИМ для регулирования повышения напряжения, чтобы сделать то же самое.

К сожалению, детали требуют более подробной информации о компоновке, заземлении питания и экранов, типах и длине кабеля, которые отсутствуют в вашем вопросе.

Обратите внимание, что экранированные витые пары, возможно, являются лучшим решением с дросселем CM вокруг кабеля или лучше, дросселем CM SMD, рассчитанным на этот скачок тока.