Conception de diode MOSFET

Je vais commencer par dire simplement que je ne suis pas ingénieur électricien. Je suis cependant un programmeur intégré qui a une certaine expérience de la conception et de la configuration des circuits (donnez-moi des 1 et des 0 et je peux les faire danser ... mais Analog est de la magie noire ...).

Quelques informations qui pourraient aider à comprendre ce qui se passe ici. Je travaille pendant mon temps libre pour aider un théâtre local à devenir l'un de leurs directeurs techniques. Il y a longtemps, ils ont construit une plate-forme utilisée dans plusieurs productions et événements spéciaux. La plate-forme est spécifiquement un châssis en aluminium sur rails, au-dessus de la scène, qui est télécommandé. La plate-forme permet aux membres de la technologie de descendre les accessoires sur scène pendant le spectacle. Un accessoire est simplement attaché à une longe et abaissé sur la scène par un petit moteur à courant continu. Le moteur tourne dans une seule direction - vers le bas. Le gréement sort ensuite de la scène et est préparé pour la prochaine utilisation. Par son design plutôt intéressant, le moteur est retiré et remis en place plusieurs fois (il est changé pour différents éléments, pas assez d'espace sur le gréement pour tout).

Maintenant, j'ai conçu les circuits de commande il y a longtemps et ils fonctionnent à merveille depuis lors. Cependant, j'ai enfin le temps et l'argent pour les aider en les améliorant. Dans ce processus, j'essaie de résoudre tous les puzzles électriques auxquels je n'ai pas trouvé la bonne réponse.

Le design original est DEAD simple ... MOSFET à canal n attaché à un uC (voir l'image inférieure, mais supprimez A / B / C / D). Cela a fonctionné constamment. Cependant, chaque fois qu'un moteur est branché, alors que l'appareil est toujours sous tension, l'unité redémarre complètement. J'ai d'abord pensé que cela pouvait être dû à un appel de courant provenant de la fixation de la bobine du moteur à courant continu, mais je ne suis pas suffisamment informé pour savoir si c'est le cas, ou l'absence d'une diode de retour. Ou pire, quelque chose arrive à l'UC. Après plusieurs voyages sur Google et ce site, j'ai vu plusieurs suggestions faites, mais je ne peux pas discerner quelle est la meilleure ou la meilleure solution pour cela. Pire encore, je ne sais pas comment dimensionner correctement ces composants (je suis désolé, aidez-moi!).

Pour plus d'informations, le moteur connecté est toujours 3v-3.3v et 1A pour fonctionner. Les moteurs peuvent être modifiés à la volée, donc je ne peux pas donner de valeur exacte ici sur les propriétés de chaque moteur (le gréement doit être aveugle à cela), mais ces 2 exigences sont toujours remplies. Les moteurs sont également contrôlés par PWM via l'UC.

Voici les propositions que j'ai vues:

Descendons donc la liste.

«A» a été suggéré pour empêcher le verrouillage de l'UC lorsque le champ s'effondre sur le moteur. Je suppose que cela a du sens, je ne sais pas si cela va m'aider ou me blesser.

«B» est une diode de retour standard lorsque le champ s'effondre pour éviter les CEM alimentés en retour. Est-ce le bon endroit pour le mettre? Comment dimensionner la diode si c'est correct?

'C' est un fly-back double zener qui a également été suggéré. Cela nécessite plus de pièces, donc je ne sais pas s'il y a quelque chose de bénéfique ici.

«D» est une installation à varistance pour empêcher l'appel. Est-ce que cela empêcherait mon uC de redémarrer lorsque le moteur est branché? Comment peut-on le dimensionner?

Certains de ces modèles sont-ils corrects? Dois-je ajouter un TVS pour ESD? Et plus important encore, si l'un de ces choix est bon, comment choisir la pièce? Je sais rechercher certains éléments dans une fiche technique, mais la multitude de bits d'informations supplémentaires me suffit. Qu'est-ce qui est important et qu'est-ce qui ne l'est pas?

Enfin (c'est un tome, je sais ...) nous avons le dernier morceau que j'ajoute cette année.

C'était une demande du directeur. Il veut pouvoir «larguer» certains objets plutôt que d'utiliser l'attache. Pour ce faire, il a actuellement une mauvaise main de scène reliant un aimant plutôt gros à une batterie de voiture. L'aimant est spécifié à 12V à 0,66 ampères (EM175L-12-222 de apwelectromagnets.com) pour une force de maintien de 110 # (exagération totale, mais liée à la sécurité). Le circuit ci-dessus, je crois, fera ce qui est nécessaire. L'uC enverra un 1 sur la ligne (MAG1 / MAG2, armé est une sécurité, sera également 1) et l'aimant est alimenté. Quand je veux «tomber», j'écris un 0 sur MAG1 / MAG2, envoyant le pont en H dans la direction opposée, forçant l'aimant à repousser l'hélice (il a tendance à «coller» pour le moment si l'aimant reste trop longtemps, magnétisant la plaque d’hélice). Cette conception fonctionnerait-elle? Dois-je ajouter des protections identiques ou différentes par le haut, car le champ EM sur ce point sera beaucoup plus grand lorsque le pont en H bascule?

J'apprécie sincèrement toute aide que je peux obtenir à ce sujet. J'aimerais pouvoir en dire plus sur le théâtre, le spectacle et d'autres informations. Je suis cependant sous un contrat qui m'empêche de le faire sans l'approbation des réalisateurs (y travailler!) Toute aide est grandement appréciée, et je vais essayer de vous ajouter à la brochure de l'émission si le réalisateur l'approuve.

Encore une fois, merci d'avoir lu l'histoire du MOSFET, ou le titre plus populaire, Harry Potter et le prisonnier de Diodes.

Modifier selon les questions de Tony:

L'alimentation provient d'une ligne A / C convertie en 12V via une alimentation intégrée (100W, DPS-100AP-11 A par Delta Electronics), qui est ensuite convertie en 5V et 3,3V via des régulateurs linéaires capables de 5A chacun ( AZ1084CD-3.3TRG1 via Diodes Incorporated pour l'alimentation 3.3v, LM1084ISX via TI pour l'alimentation 5v). Le câblage externe n'est pas blindé, et se compose principalement de fil de haut-parleur standard à 2 bornes (malheureusement bon marché). Les longueurs de câble varient de quelques pouces vers le haut de 10 'en fonction de la configuration de l'installation à ce moment-là.

Je pense que pour les moteurs à commutation à chaud, je regarderais quelque chose comme ça.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

D1 fournit au rail une mesure d'isolation de toute conduite en arrière qui pourrait se produire lorsque vous connectez le moteur. Vous devrez peut-être utiliser un rail plus élevé pour compenser cette chute de diode. Vous voudrez peut-être envisager de remplacer cette diode par un élément plus actif qui ne s'allume que avant le transistor principal et a moins de chute.

C1 ajoute du stockage de charges locales pour compenser la charge d'appel initiale.

Le D3 est bien sûr pour l'événement flyback.

Les diodes TVS D2 et D4 sont là pour faire face à toute décharge statique qui peut se produire lorsque vous branchez le moteur. Notez qu'ils sont mis à la terre de manière centrale de sorte que si les deux fils du moteur sont à haute tension par rapport à votre terre, ils ont tous les deux un chemin conducteur de retour à la terre.

R1 limite la mise sous tension du micro et aide également à protéger le micro de tout couplage capacitif d'événements ESD.

Vous pouvez ajouter un limiteur de courant d'appel, ou prévoir d'en ajouter un, en série avec D1 si vous jugez que cela pose problème. Cependant, puisque vous utilisez des moteurs basse tension, vous n'avez pas beaucoup de marge.

La mise à la terre doit également être examinée. Votre système doit être connecté à la masse de la scène et cette connexion doit être aussi proche que possible des connexions du moteur. La mise à la terre du micro, etc. doit stimuler ce point de mise à la terre de lui-même.

Vous devrez peut-être également envisager d' isoler optiquement les pilotes du micro. Puisqu'il y a beaucoup de changements à chaud, probablement par des gens qui ne comprennent pas trop la délicatesse de l'action, plus l'isolement est meilleur. Une limitation de courant serait également une bonne inclusion, car un court-circuit à travers la connexion du moteur est également un événement probable.

Quant à la conception de l'aimant.

Si vous DEVEZ vraiment suivre cette voie, un pilote de pont complet approprié suffirait. Il existe de nombreux appareils disponibles pour cela et des exemples de circuits abondent dans ce forum et ailleurs, donc je ne développerai pas plus loin ici.

CEPENDANT: La sagesse d'utiliser un électro-aimant à cette fin est défectueuse. Si ledit aimant s'éteint au mauvais moment, il y a un réel danger que quelque chose tombe au mauvais moment, causant des dommages matériels ou des blessures encore plus graves, voire la mort.

En tant que tel, si c'était moi, je refuserais de le mettre en œuvre pour des raisons éthiques . Vous devez creuser vos soins ici.

Le mécanisme d'abandon doit être de sécurité intrinsèque. C'est-à-dire que la perte de puissance ne doit jamais permettre à l'objet de tomber. De plus, pendant qu'elle est manipulée et installée, la chose doit être verrouillée en place pour la sécurité de l'équipage et des artistes. L'utilisation d'une certaine forme de mécanisme de libération mécanique excentré, actionné par solénoïde, éventuellement avec une goupille de verrouillage supplémentaire, est indispensable.

Cette réponse ne concerne que le problème des électro-aimants.

Les systèmes de sécurité doivent être conçus pour être sûrs . Cela signifie que la défaillance d'un composant de la chaîne de commande doit se traduire par une condition sûre (ou plus sûre). Des précautions particulières doivent être prises dans les systèmes de sécurité contrôlés par logiciel tels que les processeurs redondants, le couplage CA, etc., car des erreurs logicielles, des pannes et des défaillances de transistor pourraient entraîner une situation dangereuse. Par exemple, vous ne pouvez pas garantir si un transistor échouera ouvert ou court-circuitera.

Figure 1. Un verrou magnétique de porte.

Les serrures magnétiques de porte sont disponibles sous tension à verrouiller (le plus courant) et sous tension à libérer (prisons, par exemple). Il me semble que le type énergiser pour libérer fonctionnerait dans votre application.

Je ne sais pas cela, mais je soupçonne que les trois pôles sont disposés comme sud-nord-sud (ou vice-versa) et que la bobine est enroulée, poussée dans les fentes noires et mise en pot. Une fois que l'aimant frappe le gardien, le circuit magnétique est fermé. Comme le savent tous ceux qui ont joué avec un aimant en fer à cheval, l'ouverture de la boucle fermée est très difficile.

Figure 2. La bobine et le chemin du flux.

Ici, nous pouvons voir qu'avec le verrou ouvert les faces exposées sont des pôles de l'aimant. Notez également que le chemin magnétique est deux fois plus large dans le pôle central que sur les pôles supérieur et inférieur de sorte que la densité de flux est assez constante. Une fois la serrure fermée, le flux forme une boucle à travers le noyau de fer.

Lorsque la bobine est alimentée avec la bonne tension et la bonne polarité, le flux d'aimant permanent est annulé et l'armature est libérée.

Maintenant, votre problème est réduit à garantir que la bobine ne peut être alimentée qu'au moment approprié. La mise en série d'un ou deux boutons-poussoirs avec la bobine peut suffire. Dans cette configuration, quelqu'un surveillerait que c'est OK pour faire la baisse, appuyez sur les deux boutons et le microcontrôleur pourrait toujours faire le chronométrage de précision, si nécessaire.

Il existe deux types de réinitialisations induites par EMI. Conduit et rayonné.

Conduit est assez facile à mesurer et à réparer avec une gamme de bouchons près de l'alimentation du pilote V +, 0V avec une source d'alimentation adéquate.

Le rayonnement est plus difficile à définir, l'étendue du pépin et dépend de la qualité des câbles et de la méthode de blindage avec le choix de la terre. Comme une paire torsadée blindée. Ceux-ci peuvent améliorer le rayonnement involontaire qui provoque une diaphonie entre les câbles. Les alimentations CC flottantes rendent généralement plus difficile l'absorption du bruit rayonné, mais peuvent également être un chemin pour d'autres parasites de bruit couplés au sol.

C n'est pas requis lorsque B est utilisé pour un commutateur simple face. D est un ICL utilisé en série avec une charge qui peut limiter le courant de démarrage de surtension mais aussi le couple de démarrage, mais il est redondant si vous avez une rampe PWM pour réguler l'augmentation de tension pour faire de même.

Malheureusement, les détails nécessitent plus de détails sur la disposition, la mise à la terre de l'alimentation et des blindages, les types de câbles et la longueur manquante dans votre question.

Notez que les paires torsadées blindées sont probablement la meilleure solution avec une inductance CM autour du câble ou mieux, une inductance CM SMD conçue pour cette surtension.