Diseño de diodos MOSFET

Comenzaré esto simplemente diciendo que no soy ingeniero eléctrico. Sin embargo, soy un programador integrado que ha tenido cierta experiencia con el diseño y la configuración de circuitos (dame 1 y 0 y puedo hacerlos bailar ... pero Analog es magia negra ...).

Algunos antecedentes que pueden ayudar a entender lo que está sucediendo aquí. Trabajo en mi tiempo libre para ayudar a un teatro local como uno de sus directores técnicos. Hace mucho tiempo, construyeron una plataforma que se utiliza en varias producciones y eventos especiales. El equipo es específicamente un chasis de aluminio sobre rieles, sobre el escenario, que se opera de forma remota. La plataforma permite a los miembros de la tecnología bajar los accesorios en el escenario mientras se ejecuta el espectáculo. Un accesorio se conecta simplemente a una correa y se baja al escenario mediante un pequeño motor de CC. El motor funciona en una sola dirección: hacia abajo. La plataforma luego sale del escenario y se prepara para el próximo uso. Por su diseño bastante interesante, el motor se quita y se vuelve a colocar varias veces (se cambia por diferentes elementos, no hay suficiente espacio en el equipo para todo).

Ahora, originalmente diseñé los circuitos de control hace mucho tiempo y han funcionado muy bien desde entonces. Sin embargo, finalmente tengo el tiempo y el dinero para ayudarlos a mejorarlo. En ese proceso, estoy tratando de resolver todos los acertijos eléctricos para los que no he encontrado la respuesta correcta.

El diseño original es MUERTO simple ... MOSFET de n canales conectado a un uC (vea la imagen inferior, pero elimine A / B / C / D). Esto ha funcionado constantemente. Sin embargo, cada vez que se conecta un motor, mientras el dispositivo todavía está encendido, la unidad se reiniciará por completo. Inicialmente pensé que esto podría deberse a una entrada de corriente al conectar la bobina del motor de CC, pero no estoy lo suficientemente informado como para saber si es eso o la falta de un diodo de retorno. O, peor aún, algo le está sucediendo a la UC. Después de varios viajes a través de Google y este sitio, he visto varias sugerencias, pero no puedo discernir cuál es la mejor solución o la más precisa. Aún peor que eso, no sé cómo dimensionar adecuadamente ninguno de estos componentes (lo siento, ¡ayuda!).

Para obtener información adicional, el motor que se conecta es siempre 3v-3.3v y 1A para operar. Los motores se pueden cambiar sobre la marcha, por lo que no puedo dar un valor exacto aquí sobre las propiedades de cada motor (el equipo debe ser ciego a esto), pero esos 2 requisitos siempre se cumplen. Los motores también son controlados por PWM a través de uC.

Aquí están las propuestas que he visto:

Así que vamos a la lista.

Se sugirió 'A' para evitar el enclavamiento de la uC cuando el campo colapsa en el motor. Yo ... supongo que tiene sentido, no estoy seguro si eso me ayudará o me hará daño.

'B' es un diodo de retroceso estándar para cuando el campo colapsa para evitar la retroalimentación EMF. ¿Es este el lugar correcto para ponerlo? ¿Cómo se dimensiona el diodo si esto es correcto?

'C' es un fly-back dual-zener que también fue sugerido. Esto requiere más partes, por lo que no estoy seguro de si hay algo beneficioso aquí.

'D' es una instalación de varistores para evitar la entrada. ¿Eso evitaría que mi uC se reinicie cuando el motor esté enchufado? ¿Cómo se talla un tamaño?

¿Alguno de estos diseños es correcto? ¿Necesito agregar un TVS para ESD? Y lo más importante, si alguna de estas son buenas opciones, ¿cómo se elige la parte? Sé buscar ciertos elementos en una hoja de datos, pero la multitud de bits de información adicional simplemente me hace pensar. ¿Qué es importante y qué no?

Finalmente (es un tomo, lo sé ...) tenemos la última parte que estoy agregando este año.

Esta fue una solicitud del director. Quiere poder 'soltar' ciertos artículos en lugar de usar la correa. Para hacer esto, actualmente tiene una mala actuación en el escenario conectando un imán bastante grande a la batería de un automóvil. El imán se especifica a 12V a 0,66 amperios (EM175L-12-222 de apwelectromagnets.com) para una fuerza de retención de 110 # (exageración completa, pero relacionada con la seguridad). El circuito anterior, creo, hará lo que sea necesario. El uC enviará un 1 en la línea (MAG1 / MAG2, Armado es un seguro, también será 1) y el imán se energiza. Cuando quiero 'caer', escribo un 0 en MAG1 / MAG2, enviando el puente H en la dirección opuesta, obligando al imán a empujar el accesorio (tiene una tendencia a 'pegarse' en el momento si el imán se deja encendido durante demasiado tiempo, magnetizando la placa de apoyo). ¿Funcionaría este diseño? ¿Necesito agregar las mismas o diferentes protecciones desde arriba ya que el campo EM en esto será mucho más grande cuando el puente H cambie?

Agradezco sinceramente cualquier ayuda que pueda obtener en esto. Desearía poder revelar más sobre el teatro, el espectáculo y otra información. Sin embargo, estoy bajo un contrato que me impide hacerlo sin la aprobación de los directores (¡trabajando en ello!) Cualquier ayuda es muy apreciada, e intentaré que se agreguen al folleto del programa si el director lo aprueba.

Nuevamente, gracias por leer la historia del MOSFET, o el título más popular, Harry Potter y el prisionero de Diodes.

Editar según las preguntas de Tony:

La alimentación proviene de una línea de A / C convertida a 12V a través de una fuente de alimentación a bordo (100W, DPS-100AP-11 A de Delta Electronics), que luego se convierte a 5V y 3.3V a través de reguladores lineales capaces de 5A cada uno ( AZ1084CD-3.3TRG1 a través de Diodes Incorporated para el suministro de 3.3v, LM1084ISX a través de TI para el suministro de 5v). El cableado externo no está blindado, y consiste principalmente en un cable de altavoz de 2 terminales estándar (desafortunadamente barato). Las longitudes de cable varían desde unas pocas pulgadas hacia arriba de 10 'dependiendo de la configuración del equipo en ese momento.

Creo que para motores de conmutación en caliente estaría mirando algo como esto.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

D1 proporciona al riel una medida de aislamiento de cualquier retroceso que pueda ocurrir al conectar el motor. Sin embargo, es posible que deba usar un riel más alto para compensar la caída de ese diodo. Es posible que desee considerar reemplazar ese diodo con un elemento más activo que solo se enciende antes del transistor principal y tiene menos caída.

C1 agrega algo de almacenamiento de carga local para compensar la carga de entrada inicial.

D3, por supuesto, es para el evento flyback.

Los diodos TVS D2 y D4 están ahí para hacer frente a cualquier descarga estática que pueda ocurrir al enchufar el motor. Tenga en cuenta que están conectados a tierra de manera centralizada, de modo que si ambos cables del motor son de alto voltaje frente a su tierra, ambos tienen una ruta conductiva de regreso a tierra.

R1 limita la corriente de activación del micro y también ayuda a proteger el micro de cualquier acoplamiento capacitivo de eventos ESD.

Puede agregar un limitador de corriente de entrada, o la provisión para agregar uno, en serie con D1 si lo considera un problema. Sin embargo, dado que está utilizando motores de bajo voltaje, no tiene mucho margen.

La conexión a tierra también debe ser observada. Su sistema debe estar conectado a la tierra del escenario y esa conexión debe estar lo más cerca posible de las conexiones del motor. La conexión a tierra para el micro etc. necesita estimular ese punto de conexión a tierra por sí mismo.

También es posible que deba considerar aislar ópticamente los controladores del micro. Dado que se está produciendo una gran cantidad de cambios activos, presumiblemente por personas que no entienden demasiado la delicadeza de la acción, más aislamiento es mejor. La limitación de corriente también sería una buena inclusión, ya que un corto a través de la conexión del motor también es un evento probable.

En cuanto al diseño del imán.

Si realmente DEBE ir por ese camino, un controlador de puente completo adecuado sería suficiente. Hay muchos dispositivos disponibles para esto y abundan los circuitos de ejemplo en este foro y en otros lugares, así que no voy a ampliarlo más aquí.

SIN EMBARGO: La sabiduría de usar un electroimán para este propósito es defectuosa. Si dicho imán se apaga en el momento equivocado, existe un peligro real de que algo se caiga en el momento equivocado, causando daños a la propiedad o lesiones más graves o incluso la muerte.

Como tal, si fuera yo, me negaría a implementarlo por razones éticas . Necesitas cavar tus curas aquí.

El mecanismo de caída debe ser de naturaleza a prueba de fallas. Es decir, la pérdida de poder nunca debe permitir que el artículo caiga. Además, mientras se manipula e instala, la cosa debe bloquearse en su lugar para la seguridad de la tripulación y los artistas. Es imprescindible utilizar algún tipo de mecanismo de liberación mecánico, centrado en el solenoide, sobre el centro, posiblemente con un pasador de bloqueo adicional.

Esta respuesta solo aborda el problema del electroimán.

Los sistemas de seguridad deben estar diseñados para fallar a salvo . Eso significa que la falla de cualquier componente en la cadena de control debe resultar en una condición segura (o más segura). Deben tomarse precauciones especiales en los sistemas de seguridad controlados por software, como procesadores redundantes, acoplamiento de CA, etc., ya que los errores de software, los bloqueos y las fallas del transistor pueden provocar una situación peligrosa. Por ejemplo, no puede garantizar si un transistor fallará al abrirse o cortocircuitarse.

Figura 1. Una cerradura magnética de puerta.

Las cerraduras magnéticas de las puertas están disponibles en energía para bloquear (la más común) y energía para liberar (cárceles, por ejemplo). Me parece que el tipo de energizar para liberar funcionaría en su aplicación.

No lo sé, pero sospecho que los tres polos están dispuestos como sur-norte-sur (o viceversa) y que la bobina está enrollada, empujada hacia las ranuras negras y colocada en posición vertical. Una vez que el imán golpea al poseedor, el circuito magnético se cierra. Como sabrá cualquiera que haya jugado con un imán de herradura, abrir el circuito cerrado es muy difícil.

Figura 2. La trayectoria de la bobina y el flujo.

Aquí podemos ver que con la cerradura abierta, las caras expuestas son polos del imán. Tenga en cuenta también que el camino magnético es dos veces más ancho en el polo central que en los polos superior e inferior, de modo que la densidad de flujo es bastante constante. Una vez que la cerradura se cierra, el flujo forma un bucle a través del núcleo de hierro.

Cuando la bobina se energiza con el voltaje y la polaridad correctos, el flujo del imán permanente se cancela y se libera la armadura.

Ahora su problema se reduce a garantizar que la bobina solo se pueda energizar en el momento adecuado. Puede ser suficiente poner uno o dos botones en serie con la bobina. En esta configuración, alguien supervisaría que está bien realizar la caída, presionar los dos botones y el microcontrolador aún podría hacer el tiempo de precisión, si es necesario.

Hay dos tipos de restablecimientos inducidos por EMI. Conducido e irradiado.

Realizado es bastante fácil de determinar y corregir con una gama de tapas cerca del suministro del controlador V +, 0V con una fuente de alimentación adecuada.

Radiado es más difícil de definir, falla en el alcance y depende de la calidad de los cables y del método de blindaje con elección de tierra. Tales como par trenzado blindado. Estos pueden mejorar la radiación involuntaria que provoca la diafonía entre los cables. Los suministros de CC flotantes generalmente hacen que sea más difícil absorber el ruido irradiado, pero también pueden ser un camino para otras fallas de ruido acopladas a tierra.

C no se requiere cuando B se usa para un interruptor de un solo lado. D es una ICL utilizada en serie con carga que puede limitar la corriente de arranque de sobrevoltaje, pero también limita el par de arranque, pero es redundante si ha aumentado el PWM para regular el aumento de voltaje para hacer lo mismo.

Desafortunadamente, los detalles requieren más detalles sobre el diseño, la conexión a tierra del suministro y los blindajes, los tipos de cables y la longitud que faltan en su pregunta.

Tenga en cuenta que los pares trenzados blindados son posiblemente la mejor solución con un estrangulador CM alrededor del cable o mejor, un estrangulador CM SMD clasificado para esta sobretensión.