Design de diodo MOSFET

Para começar, basta dizer que não sou engenheiro elétrico. No entanto, sou um programador incorporado que já teve alguma experiência com design e configuração de circuitos (dê 1 e 0 e posso fazê-los dançar ... mas Analog é magia negra ...).

Alguns antecedentes que podem ajudar a entender o que está acontecendo aqui. Trabalho no meu tempo livre para ajudar um teatro local como um de seus diretores técnicos. Há muito tempo, eles construíram uma plataforma usada em várias produções e eventos especiais. A plataforma é especificamente um chassi de alumínio sobre trilhos, acima do palco, que é operado remotamente. A plataforma permite que os membros da tecnologia abaixem os adereços no palco enquanto o show está em andamento. Um suporte é simplesmente acoplado a uma corda e baixado ao palco por um pequeno motor DC. O motor opera em apenas uma direção - para baixo. A plataforma então sai do palco e é preparada para o próximo uso. Pelo seu design bastante interessante, o motor é retirado e recolocado várias vezes (foi trocado por itens diferentes, não há espaço suficiente na plataforma para tudo).

Agora, eu originalmente projetei os circuitos de controle há muito tempo e eles funcionaram lindamente desde então. No entanto, finalmente tenho tempo e dinheiro para ajudá-los com a atualização. Nesse processo, estou tentando resolver todos os quebra-cabeças elétricos para os quais não encontrei a resposta certa.

O design original é MOSFET simples ... morto de canal n conectado a um uC (veja a imagem inferior, mas remova A / B / C / D). Isso tem funcionado constantemente. No entanto, toda vez que um motor é conectado, enquanto o dispositivo ainda está ligado, a unidade é reiniciada completamente. Inicialmente, pensei que isso poderia ser devido a uma irrupção de corrente ao conectar a bobina do motor DC, mas não tenho conhecimento suficiente para saber se é isso ou a falta de um diodo de retorno. Ou, pior, algo está acontecendo com o UC. Depois de várias viagens pelo google e este site, vi várias sugestões feitas, mas não consigo discernir qual é a melhor ou mais precisa. Pior ainda, não sei como dimensionar adequadamente nenhum desses componentes (desculpe-me, ajuda!).

Para informações adicionais, o motor que está sendo conectado é sempre 3v-3.3v e 1A para operar. Os motores podem ser alterados rapidamente, por isso não posso fornecer um valor exato aqui nas propriedades de cada motor (o equipamento deve ser cego para isso), mas esses dois requisitos são sempre atendidos. Os motores também são controlados por PWM via uC.

Aqui estão as propostas que eu vi:

Então, vamos descer a lista.

Foi sugerido 'A' para evitar o travamento do uC quando o campo entra em colapso no motor. Eu ... acho que faz sentido, não tenho certeza se isso vai me ajudar ou me machucar.

'B' é um diodo fly-back padrão para quando o campo entra em colapso para evitar EMF realimentado. É este o local correto para colocá-lo? Como um tamanho do diodo está correto?

'C' é um fly-back zener duplo que também foi sugerido. Isso requer mais peças, por isso não tenho certeza se há algo de benéfico aqui.

'D' é uma instalação de varistor para impedir a irrupção. Isso impediria que o meu uC fosse reiniciado quando o motor estiver conectado? Como um tamanho isso?

Algum desses projetos está correto? Preciso adicionar um TVS para ESD? E mais importante, se alguma dessas opções é boa, como escolher a peça? Sei que procurava certos itens em uma folha de dados, mas a infinidade de bits de informações adicionais apenas me faz pensar. O que é importante e o que não é?

Finalmente (é um tomo, eu sei ...), temos o último pedaço que vou adicionar este ano.

Este foi um pedido do diretor. Ele quer poder 'soltar' certos itens em vez de usar o cabo. Para fazer isso, ele atualmente tem um péssimo ajudante de palco conectando um imã bastante grande a uma bateria de carro. O ímã é especificado em 12V a 0,66 Amperes (EM175L-12-222 de apwelectromagnets.com) para uma força de retenção de 110 # (excedente completo, mas relacionado à segurança). O circuito acima, acredito, fará o que for necessário. O uC enviará um 1 abaixo da linha (MAG1 / MAG2, Armado é uma segurança, também será 1) e o ímã é energizado. Quando eu quero 'largar', escrevo 0 no MAG1 / MAG2, enviando a ponte H na direção oposta, forçando o ímã a empurrar o suporte (ele tem uma tendência a 'grudar' no momento se o ímã é deixado por muito tempo, magnetizando a placa de suporte). Esse design funcionaria? Preciso adicionar as mesmas ou diferentes proteções de cima, já que o campo EM será muito maior quando o H-bridge mudar?

Agradeço sinceramente qualquer ajuda que possa obter sobre isso. Eu gostaria de poder divulgar mais sobre o teatro, o show e outras informações. No entanto, estou sob um contrato que me impede de fazer isso sem a aprovação dos diretores (trabalhando nisso!) Qualquer assistência é muito apreciada e tentarei adicioná-lo ao panfleto do programa, se o diretor aprovar.

Mais uma vez, obrigado por ler a história do MOSFET, ou o título mais popular, Harry Potter e o prisioneiro de Diodos.

Editar de acordo com as perguntas de Tony:

A energia é proveniente de uma linha A / C convertida em 12V por meio de uma fonte de alimentação on-board (100W, DPS-100AP-11 A da Delta Electronics), que é então convertida em 5V e 3,3V por reguladores lineares capazes de 5A cada ( AZ1084CD-3.3TRG1 via diodos incorporados para a fonte de 3.3v; LM1084ISX via TI para a fonte de 5v). O cabeamento externo não é blindado e consiste principalmente em fios de alto-falante padrão de 2 terminais (infelizmente, no barato). Os comprimentos dos cabos variam de alguns centímetros a mais de 10 pés, dependendo da configuração da plataforma naquele momento.

Eu acho que para motores de comutação quentes eu estaria olhando para algo assim.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

D1 fornece ao trilho uma medida de isolamento de qualquer retrocesso que possa ocorrer quando você conectar o motor. Você pode precisar usar um trilho mais alto para compensar a queda de diodo. Você pode considerar substituir esse diodo por um elemento mais ativo que só é ativado antes do transistor principal e tem menos queda.

C1 adiciona algum armazenamento de carga local para compensar a carga de irrupção inicial.

D3, claro, é para o evento flyback.

Os diodos TVS D2 e ​​D4 estão lá para lidar com qualquer descarga estática que possa ocorrer quando você conecta o motor. Observe que eles são aterrados centralmente, de modo que, se os dois fios do motor estiverem em alta tensão versus o seu terra, ambos terão um caminho condutor de volta ao terra.

R1 limita a corrente de ativação do micro e também ajuda a proteger o micro de qualquer acoplamento capacitivo de eventos ESD.

Você pode adicionar um limitador de corrente de irrupção ou disposição para adicionar um, em série com D1, se considerar que isso é um problema. No entanto, como você está usando motores de baixa tensão, você não tem muito espaço livre.

O aterramento também precisa ser observado. Seu sistema precisa estar conectado ao terra do palco e essa conexão precisa estar o mais próximo possível das conexões do motor. O aterramento para o micro etc. precisa se destacar por si próprio.

Você também pode considerar isolar opticamente os drivers do micro. Como existem muitas mudanças quentes, presumivelmente por pessoas que não entendem demais a delicadeza da ação, mais isolamento é melhor. A limitação de corrente também seria uma boa inclusão, pois um curto na conexão do motor também é um evento provável.

Quanto ao design do ímã.

Se você realmente DEVE seguir esse caminho, um driver de ponte completo adequado seria suficiente. Existem muitos dispositivos disponíveis para este e exemplos de circuitos, neste fórum e em outros lugares, por isso não vou expandir mais aqui.

NO ENTANTO: A sabedoria de usar um eletroímã para esse fim é defeituosa. Caso o ímã seja desligado na hora errada, existe o perigo real de que algo caia na hora errada, causando danos materiais ou ferimentos graves ou até a morte.

Como tal, se fosse eu, eu me recusaria a implementá-lo por motivos éticos . Você precisa cavar suas curas aqui.

O mecanismo de descarte precisa ser à prova de falhas por natureza. Ou seja, a perda de energia nunca deve permitir a queda do item. Além disso, enquanto estiver sendo manipulado e instalado, a coisa deve ser travada no lugar para a segurança da equipe e dos artistas. O uso de alguma forma de mecanismo de liberação mecânica acionado por solenoide e central, possivelmente com um pino de trava adicional, é obrigatório.

Esta resposta aborda apenas a questão do eletroímã.

Os sistemas de segurança devem ser projetados para serem seguros . Isso significa que a falha de qualquer componente na cadeia de controle deve resultar em uma condição segura (ou mais segura). Precauções especiais devem ser tomadas em sistemas de segurança controlados por software, como processadores redundantes, acoplamento CA, etc., pois erros de software, travamentos e falhas de transistor podem resultar em uma situação perigosa. Por exemplo, você não pode garantir se um transistor falhará em aberto ou em curto-circuito.

Figura 1. Uma fechadura magnética da porta.

As fechaduras magnéticas das portas estão disponíveis nas energizações para bloqueio (mais comuns) e energização para liberação (prisões, por exemplo). Parece-me que o tipo de energização para liberação funcionaria no seu aplicativo.

Não sei disso, mas desconfio que os três pólos estejam dispostos como sul-norte-sul (ou vice-versa) e que a bobina seja enrolada, empurrada para dentro das fendas pretas e colocada em posição. Quando o ímã atinge o detentor, o circuito magnético é fechado. Como qualquer pessoa que tenha brincado com um ímã em ferradura saberá, abrir o circuito fechado é muito difícil.

Figura 2. O caminho da bobina e do fluxo.

Aqui podemos ver que, com a trava aberta, as faces expostas são pólos do ímã. Observe também que o caminho magnético é duas vezes maior no pólo central do que nos pólos superior e inferior, de modo que a densidade do fluxo é razoavelmente constante. Uma vez que a trava fecha, o fluxo forma um loop através do núcleo de ferro.

Quando a bobina é energizada com a tensão e polaridade corretas, o fluxo do ímã permanente é cancelado e a armadura é liberada.

Agora, seu problema é reduzido para garantir que a bobina só possa ser energizada no momento apropriado. Colocar um ou dois botões em série com a bobina pode ser suficiente. Nessa configuração, alguém monitoraria que não há problema em soltar, pressione os dois botões e o microcontrolador ainda poderá fazer o tempo de precisão, se necessário.

Existem dois tipos de redefinições induzidas por EMI. Conduzido e irradiado.

Conduzido é bastante fácil de definir e corrigir com uma variedade de tampas próximas à fonte do driver V +, 0V com fonte de alimentação adequada.

A radiação é mais difícil de definir, falha no escopo e depende da qualidade dos cabos e do método de blindagem com a escolha do terra. Tal como par trançado blindado. Isso pode melhorar a radiação não intencional que causa interferência entre os cabos. Os suprimentos de corrente contínua flutuantes geralmente dificultam a absorção do ruído irradiado, mas também podem ser um caminho para outras falhas de ruído acopladas ao terra.

C não é necessário quando B é usado para um interruptor de um lado. D é um ICL usado em série com carga, que pode limitar a corrente de partida, mas também limita o torque de partida, mas é redundante se você tiver aumentado o PWM para regular o aumento de tensão para fazer o mesmo.

Infelizmente, os detalhes exigem mais detalhes sobre layout, aterramento da fonte e blindagens, tipos de cabos e comprimento que faltam na sua pergunta.

Observe que os pares trançados blindados são possivelmente a melhor solução com um bloqueador CM em volta do cabo ou melhor, um bloqueador CM SMD classificado para este surto atual.