MOSFET-Diodendesign

Ich beginne damit, dass ich einfach kein Elektroingenieur bin. Ich bin jedoch ein eingebetteter Programmierer, der einige Erfahrung mit Schaltungsdesign und -einrichtung hat (gib mir Einsen und Nullen und ich kann sie zum Tanzen bringen ... aber Analog ist schwarze Magie ...).

Einige Hintergrundinformationen, die helfen könnten, zu verstehen, was hier vor sich geht. In meiner Freizeit arbeite ich als einer ihrer technischen Direktoren, um einem örtlichen Theater zu helfen. Vor langer Zeit bauten sie ein Rig, das in mehreren Produktionen und Sonderveranstaltungen verwendet wird. Das Rig ist speziell ein Aluminium-Chassis auf Schienen über der Bühne, das ferngesteuert wird. Das Rig ermöglicht es technischen Mitgliedern, Requisiten auf der Bühne abzusenken, während die Show läuft. Eine Stütze wird einfach an einem Haltegurt befestigt und von einem kleinen Gleichstrommotor auf die Bühne abgesenkt. Der Motor läuft nur in eine Richtung - nach unten. Das Rig springt dann von der Bühne und ist für den nächsten Einsatz vorbereitet. Aufgrund seines interessanten Designs wird der Motor mehrmals abgenommen und wieder eingesetzt (er wurde gegen verschiedene Gegenstände ausgetauscht, nicht genug Platz auf dem Rig für alles).

Jetzt habe ich die Steuerkreise ursprünglich vor langer Zeit entworfen und sie haben seitdem wunderbar funktioniert. Endlich habe ich jedoch die Zeit und das Geld, um ihnen durch ein Upgrade zu helfen. In diesem Prozess versuche ich, alle elektrischen Rätsel zu lösen, auf die ich nicht die richtige Antwort gefunden habe.

Das ursprüngliche Design ist DEAD simple ... n-Kanal-MOSFET, der an einen uC angeschlossen ist (siehe unteres Bild, aber A / B / C / D entfernen). Das hat ständig funktioniert. Jedes Mal, wenn ein Motor angeschlossen wird, während das Gerät noch mit Strom versorgt wird, wird das Gerät vollständig neu gestartet. Anfangs dachte ich, dies könnte auf einen Stromstoß beim Anschließen der Gleichstrommotorspule zurückzuführen sein, aber ich bin nicht gut genug informiert, um zu wissen, ob dies der Fall ist, oder das Fehlen einer Rücklaufdiode. Oder schlimmer noch, etwas passiert mit dem uC. Nach mehreren Reisen durch Google und diese Website habe ich mehrere Vorschläge gesehen, aber ich kann nicht erkennen, welche genau oder die beste Lösung dafür sind. Schlimmer noch, ich weiß nicht, wie ich eine dieser Komponenten richtig dimensionieren soll (es tut mir leid, Hilfe!).

Für zusätzliche Informationen ist der Motor, der angeschlossen wird, immer 3V-3,3V und 1A zu betreiben. Die Motoren können im laufenden Betrieb gewechselt werden, daher kann ich hier keinen genauen Wert für die Eigenschaften jedes Motors angeben (das Rig muss dafür blind sein), aber diese beiden Anforderungen werden immer erfüllt. Die Motoren werden auch von PWM über die uC gesteuert.

Hier sind die Vorschläge, die ich gesehen habe:

Gehen wir also die Liste durch.

'A' wurde vorgeschlagen, um ein Einrasten des uC zu verhindern, wenn das Feld am Motor zusammenbricht. Ich ... denke, das macht Sinn, ich bin mir nicht sicher, ob mir das helfen oder weh tun wird.

'B' ist eine Standard-Rücklaufdiode für den Fall, dass das Feld zusammenbricht, um eine rückgespeiste EMF zu verhindern. Ist dies der richtige Ort, um es auszudrücken? Wie dimensioniert man die Diode, wenn dies korrekt ist?

'C' ist ein Dual-Zener-Flyback, der ebenfalls vorgeschlagen wurde. Dies erfordert mehr Teile, daher bin ich mir nicht sicher, ob hier etwas von Vorteil ist.

'D' ist eine Varistorinstallation, um den Einschaltstrom zu verhindern. Würde dies verhindern, dass mein uC neu startet, wenn der Motor angeschlossen ist? Wie passt man es an?

Sind einige dieser Designs korrekt? Muss ich ein TVS für ESD hinzufügen? Und was noch wichtiger ist: Wenn eine davon eine gute Wahl ist, wie wählt man das Teil aus? Ich weiß, dass ich in einem Datenblatt nach bestimmten Elementen suchen muss, aber die Vielzahl zusätzlicher Informationsbits macht mir nur zu schaffen. Was ist wichtig und was nicht?

Schließlich (es ist ein Band, ich weiß ...) haben wir das letzte Stück, das ich in diesem Jahr hinzufüge.

Dies war eine Anfrage des Regisseurs. Er möchte in der Lage sein, bestimmte Gegenstände fallen zu lassen, anstatt die Leine zu benutzen. Zu diesem Zweck hat er derzeit einen schlechten Bühnenarbeiter, der einen ziemlich großen Magneten an eine Autobatterie anschließt. Der Magnet ist auf 12 V bei 0,66 Ampere (EM175L-12-222 von apwelectromagnets.com) für eine Haltekraft von 110 # (vollständiger Overkill, aber sicherheitsrelevant) spezifiziert. Ich glaube, die obige Schaltung wird das tun, was benötigt wird. Der uC sendet eine 1 auf der ganzen Linie (MAG1 / MAG2, bewaffnet ist eine Sicherheit, wird ebenfalls 1 sein) und der Magnet wird erregt. Wenn ich fallen lassen möchte, schreibe ich eine 0 auf MAG1 / MAG2, sende die H-Brücke in die entgegengesetzte Richtung und zwinge den Magneten, die Stütze wegzuschieben (sie neigt im Moment dazu, zu kleben, wenn der Magnet wird zu lange eingeschaltet gelassen, wodurch die Propellerplatte magnetisiert wird). Würde dieses Design funktionieren? Muss ich den gleichen oder einen anderen Schutz von oben hinzufügen, da das EM-Feld hier viel größer wird, wenn die H-Brücke schaltet?

Ich freue mich sehr über jede Hilfe, die ich dazu bekommen kann. Ich wünschte, ich könnte mehr über das Theater, die Show und andere Informationen preisgeben. Ich habe jedoch einen Vertrag, der mich daran hindert, dies ohne die Zustimmung des Regisseurs zu tun (daran zu arbeiten!). Jede Unterstützung wird sehr geschätzt, und ich werde versuchen, Sie in die Show-Broschüre aufzunehmen, wenn der Regisseur zustimmt.

Nochmals vielen Dank, dass Sie die Geschichte des MOSFET oder den populäreren Titel Harry Potter und den Gefangenen von Diodes gelesen haben.

Bearbeiten per Tony's Fragen:

Die Stromversorgung erfolgt über eine A / C-Leitung, die über ein integriertes Netzteil (100 W, DPS-100AP-11 A von Delta Electronics) in 12 V umgewandelt wird. Diese wird dann über Linearregler mit jeweils 5 A in 5 V und 3,3 V umgewandelt ( AZ1084CD-3.3TRG1 über Dioden (für die 3,3-V-Versorgung eingebaut, LM1084ISX über TI für die 5-V-Versorgung). Die externe Verkabelung ist nicht abgeschirmt und besteht hauptsächlich aus Standard-Lautsprecherkabeln mit zwei Anschlüssen (leider billig). Die Kabellängen variieren je nach Rig-Setup zu diesem Zeitpunkt von einigen Zoll bis zu 10 Zoll.

Ich denke, für heiße Schaltmotoren würde ich mir so etwas ansehen.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

D1 bietet der Schiene ein gewisses Maß an Isolation gegenüber Rückwärtsfahrten, die beim Anschließen des Motors auftreten können. Möglicherweise müssen Sie eine höhere Schiene verwenden, um diesen Diodenabfall zu kompensieren. Möglicherweise möchten Sie diese Diode durch ein aktiveres Element ersetzen, das erst vor dem Haupttransistor eingeschaltet wird und weniger Abfall aufweist.

C1 fügt einen lokalen Ladungsspeicher hinzu, um die anfängliche Einschaltlast auszugleichen.

D3 ist natürlich für das Flyback-Event.

Die TVS-Dioden D2 und D4 sind dazu da, statische Entladungen zu bewältigen, die beim Anschließen des Motors auftreten können. Beachten Sie, dass sie zentral geerdet sind, sodass beide Motorkabel, wenn sie Hochspannung gegen Ihre Masse haben, einen leitenden Pfad zurück zur Erde haben.

R1 begrenzt den Einschaltstrom vom Mikro und schützt das Mikro vor kapazitiver Kopplung von ESD-Ereignissen.

Sie können einen Einschaltstrombegrenzer oder eine Vorkehrung zum Hinzufügen eines Strombegrenzers in Reihe mit D1 hinzufügen, wenn Sie dies für ein Problem halten. Da Sie jedoch Niederspannungsmotoren verwenden, haben Sie nicht viel Headroom.

Die Erdung muss ebenfalls geprüft werden. Ihr System muss mit der Bühnenmasse verbunden sein und diese Verbindung muss so nahe wie möglich an der Stelle sein, an der sich die Motoranschlüsse befinden. Die Erdung für das Mikro usw. muss diesen Erdungspunkt von selbst abspulen.

Möglicherweise müssen Sie auch in Betracht ziehen, die Treiber optisch vom Mikro zu isolieren . Da viel heißes Umschalten stattfindet, vermutlich von Leuten, die die Zartheit der Handlung nicht übermäßig verstehen, ist mehr Isolation besser. Eine Strombegrenzung wäre ebenfalls eine gute Einbeziehung, da ein Kurzschluss über die Motorverbindung ebenfalls ein wahrscheinliches Ereignis ist.

Wie für das Magnetdesign.

Wenn Sie diesen Weg wirklich gehen MÜSSEN, würde ein geeigneter Vollbrückentreiber ausreichen. Es gibt viele Geräte dafür und Beispielschaltungen gibt es in diesem Forum und anderswo im Überfluss, so dass ich hier nicht weiter darauf eingehen werde.

JEDOCH: Die Weisheit, einen Elektromagneten für diesen Zweck zu verwenden, ist fehlerhaft. Sollte sich der Magnet zum falschen Zeitpunkt ausschalten, besteht die reale Gefahr, dass etwas zum falschen Zeitpunkt fallen gelassen wird und Sachschäden oder schlimmere Verletzungen oder sogar den Tod verursacht.

Wenn ich es wäre , würde ich mich aus ethischen Gründen weigern, es umzusetzen . Sie müssen Ihre Heilungen hier graben.

Der Abwurfmechanismus muss ausfallsicher sein. Das heißt, ein Stromausfall sollte niemals zulassen, dass der Gegenstand fallen gelassen wird. Während der Manipulation und Installation sollte das Objekt zur Sicherheit der Besatzung und der Darsteller verriegelt sein. Die Verwendung eines überzentrierten, magnetisch betätigten mechanischen Entriegelungsmechanismus, möglicherweise mit einem zusätzlichen Verriegelungsstift, ist ein Muss.

Diese Antwort befasst sich nur mit dem Thema Elektromagnet.

Sicherheitssysteme müssen so ausgelegt sein, dass sie ausfallsicher sind . Das bedeutet, dass der Ausfall einer Komponente in der Steuerkette zu einem sicheren (oder sichereren) Zustand führen muss. Bei softwaregesteuerten Sicherheitssystemen wie redundanten Prozessoren, Wechselstromkopplungen usw. müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, da Softwarefehler, Abstürze und Transistorausfälle zu einer gefährlichen Situation führen können. zB Sie können nicht garantieren, ob ein Transistor offen oder kurzgeschlossen ausfällt.

Abbildung 1. Ein Türmagazinschloss.

Türmagnetschlösser sind in den Kategorien "Energize-to-Lock" (am häufigsten) und "Energize-to-Release" (z. B. Gefängnisse) erhältlich. Es scheint mir, dass der Energize-to-Release-Typ in Ihrer Anwendung funktionieren würde.

Ich weiß das nicht, aber ich vermute, dass die drei Pole als Süd-Nord-Süd (oder umgekehrt) angeordnet sind und dass die Spule gewickelt, in die schwarzen Schlitze gedrückt und eingetopft ist. Sobald der Magnet den Halter trifft, wird der Magnetkreis geschlossen. Wie jeder weiß, der mit einem Hufeisenmagneten gespielt hat, ist das Öffnen der geschlossenen Schleife sehr schwierig.

Abbildung 2. Der Spulen- und Flusspfad.

Hier können wir sehen, dass bei geöffnetem Schloss die freiliegenden Flächen Pole des Magneten sind. Beachten Sie auch, dass der Magnetpfad im Mittelpol doppelt so breit ist wie am oberen und unteren Pol, so dass die Flussdichte ziemlich konstant ist. Sobald sich das Schloss schließt, bildet das Flussmittel eine Schleife durch den Eisenkern.

Wenn die Spule mit der richtigen Spannung und Polarität erregt wird, wird der Permanentmagnetfluss aufgehoben und der Anker freigegeben.

Jetzt ist Ihr Problem darauf reduziert, sicherzustellen, dass die Spule nur zum richtigen Zeitpunkt erregt werden kann. Es kann ausreichen, einen oder zwei Druckknöpfe in Reihe mit der Spule zu schalten. In diesem Setup würde jemand überwachen, ob es in Ordnung ist, den Tropfen zu machen, die beiden Tasten drücken und der Mikrocontroller könnte bei Bedarf immer noch das präzise Timing durchführen.

Es gibt zwei Arten von EMI-induzierten Resets. Dirigiert und abgestrahlt.

Conducted ist mit einer Reihe von Kappen in der Nähe der Treiberversorgung V +, 0 V bei ausreichender Stromquelle recht einfach zu erfassen und zu reparieren.

Strahlung ist schwieriger zu definieren, fehlerhaft und hängt von der Qualität der Kabel und der Methode zur Abschirmung bei der Wahl der Erdung ab. Wie geschirmtes Twisted Pair. Diese können unbeabsichtigte Strahlung verbessern, die ein Übersprechen zwischen Kabeln verursacht. Schwebende Gleichstromversorgungen erschweren im Allgemeinen die Absorption von abgestrahltem Rauschen, können dann aber auch ein Weg für andere bodengekoppelte Rauschstörungen sein.

C ist nicht erforderlich, wenn B für einen einseitigen Schalter verwendet wird. D ist eine ICL, die in Reihe mit Last verwendet wird. Sie kann den Startstrom begrenzen, aber auch das Startdrehmoment begrenzen. Sie ist jedoch redundant, wenn Sie die PWM hochgefahren haben, um den Spannungsanstieg zu regulieren, um dasselbe zu tun.

Leider erfordern Details genauere Angaben zu Layout, Erdung der Versorgung und Abschirmungen, Kabeltypen und Länge, die in Ihrer Frage fehlen.

Beachten Sie, dass abgeschirmte verdrillte Paare möglicherweise die beste Lösung mit einer CM-Drossel um das Kabel oder besser mit einer CM-SMD-Drossel sind, die für diesen Stromstoß ausgelegt ist.