MOSFET二极管设计

电器工程 场效应管 二极管 飞回来
2022-02-01 03:45:01

我将首先简单地说我不是电气工程师。然而,我是一个嵌入式程序员,在电路设计和设置方面有一些经验(给我 1 和 0,我可以让他们跳舞……但模拟是黑魔法……)。

一些背景可能有助于理解这里发生了什么。我在业余时间帮助当地剧院担任技术总监之一。很久以前,他们建造了一个用于多个制作和特殊活动的装备。该钻机特别是在舞台上方的轨道上的铝制底盘,可远程操作。该装备允许技术人员在演出期间降低舞台上的道具。道具简单地连接到系绳上,并通过小型直流电机降低到舞台上。电机仅沿一个方向运行 - 向下。然后,钻机跳下舞台,为下一次使用做好准备。通过它的设计,相当有趣,马达被取下并重新安装了好几次(它被更换为不同的物品,钻机上没有足够的空间放置所有东西)。

现在,我很久以前就设计了控制电路,从那时起它们就工作得很好。但是,我终于有时间和金钱通过升级来帮助他们。在这个过程中,我试图解决所有我没有找到正确答案的电子难题。

原始设计很简单……连接到 uC 的 n 沟道 MOSFET(查看下图,但去掉 A/B/C/D)。这一直有效。但是,每次插入电机时,当设备仍在供电时,设备将完全重新启动。我最初认为这可能是由于连接直流电机线圈的电流涌入,但我没有足够的知识知道是不是这样,或者缺少反激二极管。或者,更糟糕的是,UC 发生了一些事情。经过谷歌和这个网站的几次旅行后,我看到了一些建议,但我无法辨别哪个是准确的或最好的解决方案。更糟糕的是,我不知道如何正确调整这些组件的大小(对不起,求助!)。

有关其他信息,连接的电机始终为 3v-3.3v 和 1A 运行。电机可以随时更改,因此我无法在此处给出每个电机属性的准确值(钻机必须对此视而不见),但始终满足这两个要求。电机也通过 uC 由 PWM 控制。

这是我看到的建议:

提议的补充

所以让我们来看看这个列表。

当磁场在电机上崩溃时,建议使用“A”以防止 uC 闭锁。我......我想这是有道理的,不确定这是否会帮助或伤害我。

“B”是标准的反激二极管,用于在场崩溃时防止反馈 EMF。这是放置它的正确位置吗?如果这是正确的,二极管的尺寸如何?

“C”是一种双齐纳反激式,也有人建议。这需要更多的部分,所以我不确定这里是否有任何好处。

“D”是用于防止浪涌的压敏电阻安装。插入电机后,这会阻止我的 uC 重新启动吗?一个尺寸如何?

这些设计是否正确?我需要为 ESD 添加 TVS 吗?更重要的是,如果其中任何一个都是不错的选择,那么如何选择零件呢?我知道要在数据表中查找某些项目,但大量的附加信息位让我头晕目眩。什么重要,什么不重要?

最后(这是一本大部头,我知道......)我们有我今年要添加的最后一点。

Ye Olde 磁控

这是导演的要求。他希望能够“丢弃”某些物品而不是使用系绳。为了做到这一点,他目前有一个糟糕的舞台工作人员将一个相当大的磁铁连接到汽车电池上。磁铁的规格为 12V,电流为 0.66 安培(来自 apwelectromagnets.com 的 EM175L-12-222),保持力为 110#(完全矫枉过正,但与安全相关)。我相信上面的电路会做需要的事情。uC 将发送一个 1(MAG1/MAG2,Armed 是安全的,也将是 1)并且磁铁通电。当我想“下降”时,我在 MAG1/MAG2 上写一个 0,将 H 桥朝相反的方向发送,迫使磁铁将支柱推开(如果磁铁此时有“粘住”的趋势保持开启时间过长,使支撑板磁化)。这种设计能行吗?我是否需要从上面添加相同或不同的保护,因为当 H 桥切换时,其上的 EM 场会更大?

我真诚地感谢我能得到的任何帮助。我希望我能透露更多关于剧院、演出和其他信息的信息。但是,我的合同禁止我在未经导演批准的情况下这样做(正在努力!)非常感谢任何帮助,如果导演批准,我会尝试将您添加到节目小册子中。

再次感谢您阅读 MOSFET 的故事,或者更流行的书名《哈利·波特与二极管的囚徒》。

根据托尼的问题编辑:

电源来自 A/C 线路,通过板载电源(100W,Delta Electronics 的 DPS-100AP-11 A)转换为 12V,然后通过每个 5A 的线性稳压器转换为 5V 和 3.3V( AZ1084CD-3.3TRG1 通过 Diodes Incorporated 提供 3.3v 电源,LM1084ISX 通过 TI 提供 5v 电源)。外部电缆没有屏蔽,主要由标准的 2 端子扬声器线组成(不幸的是价格便宜)。电缆长度从几英寸到 10 英尺不等,具体取决于当时的钻机设置。

3个回答

我认为对于热开关电机,我会看这样的东西。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

D1 为导轨提供了与连接电机时可能发生的任何反向驱动的隔离措施。不过,您可能需要使用更高的电源轨来补偿二极管压降。您可能需要考虑用更活跃的元件替换该二极管,该元件仅在主晶体管之前打开并且压降较小。

C1 增加了一些本地电荷存储以抵消初始浪涌负载。

D3 当然是用于反激事件。

TVS 二极管 D2 和 D4 用于应对插入电机时可能发生的任何静电放电。请注意,它们是集中接地的,因此如果两条电机线对您的地线都是高压的,它们都有一条接地的导电路径。

R1 限制来自微控制器的开启电流,还有助于保护微控制器免受 ESD 事件的任何电容耦合。

如果您认为这是一个问题,您可以添加一个浪涌电流限制器,或添加一个与 D1 串联的设备。但是,由于您使用的是低压电机,因此您没有太多空间。

接地也需要考虑。您的系统需要连接到舞台接地,并且该连接需要尽可能靠近电机连接的位置。微型等的接地需要自行触发该接地点。

您可能还需要考虑将驱动器与微型驱动器进行光学隔离。由于有很多热切换正在进行,大概是那些不太了解动作微妙之处的人,所以更多的隔离会更好。电流限制也是一个很好的包含,因为电机连接短路也是一个可能的事件。


至于磁铁设计。

如果你真的必须这样做,一个合适的全桥驱动就足够了。有很多可用的设备,这个论坛和其他地方有很多示例电路,所以我不会在这里进一步展开。

然而:为此目的使用电磁铁的智慧是错误的。如果所述磁铁在错误的时间关闭,则存在真正的危险,即某些东西会在错误的时间掉落,造成财产损失或更严重的伤害甚至死亡。

因此,如果是我,我会以道德为由拒绝实施你需要在这里挖掘你的治疗。

丢弃机制本质上需要是故障安全的。也就是说,断电绝不应该让物品掉落。此外,在操作和安装时,为了工作人员和表演者的安全,该物品应锁定到位。必须使用某种形式的偏心、螺线管驱动的机械释放机构,可能带有额外的锁定销。

该答案仅解决电磁问题。

安全系统必须设计成故障安全这意味着控制链中任何组件的故障都必须导致安全(或更安全)的条件。在软件控制的安全系统中必须采取特殊的预防措施,例如冗余处理器、交流耦合等,因为软件错误、崩溃和晶体管故障可能会导致危险情况。例如,您不能保证晶体管是否会开路或短路。

在此处输入图像描述

图 1. 门磁锁。

门磁力锁可用于通电锁定(最常见)和通电释放(例如监狱)。在我看来,能量释放类型可以在您的应用程序中使用。

我不知道这一点,但我怀疑三个极排列为南北南(或反之亦然),并且线圈已缠绕,推入黑色槽并固定到位。一旦磁铁撞击到保持器,磁路就会关闭。玩过马蹄形磁铁的人都知道,打开闭环非常困难。

在此处输入图像描述

图 2. 线圈和磁通路径。

在这里我们可以看到,当锁打开时,暴露的面是磁铁的磁极。另请注意,中心磁极的磁路宽度是上磁极和下磁极的两倍,因此磁通密度相当恒定。一旦锁关闭,通量就会形成穿过铁芯的回路。

当线圈以正确的电压和极性通电时,永磁通量被抵消并且电枢被释放。

现在您的问题已减少到确保线圈只能在适当的时间通电。将一个或两个按钮与线圈串联可能就足够了。在此设置中,有人会监控是否可以进行下降,按下两个按钮,如果需要,微控制器仍然可以进行精确计时。

有两种类型的 EMI 引起的复位。传导和辐射。

通过驱动器电源 V+,0V 附近的一系列电容和足够的电源,传导非常容易确定和修复。

辐射更难定义,范围故障,取决于电缆的质量,以及选择接地的屏蔽方法。如屏蔽双绞线。这些可以改善导致电缆之间串扰的意外辐射。浮动直流电源通常使吸收辐射噪声变得更加困难,但也可能成为其他接地耦合噪声毛刺的路径。

当 B 用于单侧开关时,不需要 C。D 是与负载串联使用的 ICL,它可以限制浪涌启动电流,但也可以限制启动扭矩,但如果您使用斜坡 PWM 来调节电压上升以执行相同操作,则它是多余的。

不幸的是,您的问题中缺少有关布局、电源和屏蔽接地、电缆类型和长度的更多细节。

请注意,屏蔽双绞线可能是最好的解决方案,在电缆周围使用 CM 扼流圈,或者更好的是,CM SMD 扼流圈可以承受这种电流浪涌。