MOSFETダイオードの設計

私は単に電気技師ではないと言って、これから始めましょう。しかし、私は回路設計とセットアップの経験を積んだ組み込みプログラマーです（1と0を与えて、それらを踊らせることができます...しかし、アナログは黒魔術です...）。

ここで何が起こっているかを理解するのに役立つかもしれないいくつかの背景。私は余暇に地元の劇場をテクニカルディレクターの1人として支援するために働いています。ずっと前に、彼らはいくつかの制作や特別なイベントで使用されるリグを構築しました。このリグは、ステージ上にある、遠隔操作されるレール上のアルミ製シャーシです。リグにより、技術メンバーはショーの実行中にステージ上の小道具を下げることができます。支柱にテザーを取り付けるだけで、小型のDCモーターでステージに降ろします。モーターは一方向にのみ作動します-ダウン。次に、リグはステージから離れ、次の使用のために準備されます。それは、かなり興味深いデザインであるため、モーターが取り外されて数回戻されます（アイテムごとに交換されるため、リグにすべてのスペースが足りなくなります）。

さて、私はもともとずっと前に制御回路を設計し、それ以来それらは美しく機能しました。しかし、それをアップグレードすることで、彼らを助ける時間とお金がようやく手に入りました。その過程で、正しい答えを見つけられなかったすべての電気パズルを解決しようとしています。

元の設計はDEADシンプル... uCに接続されたnチャネルMOSFETです（下の画像を表示しますが、A / B / C / Dは削除します）。これは常に機能しています。ただし、モーターが接続されるたびに、デバイスの電源が入っている間、ユニットは完全に再起動します。これは、DCモーターコイルの取り付けによる電流の突入が原因であると当初は考えていましたが、それが原因であるか、フライバックダイオードがないかを知るには十分な知識がありません。または、さらに悪いことに、uCに何かが起こっています。googleとこのサイトを何度か訪れた後、いくつかの提案がなされたのを見てきましたが、どちらが正確か、これに対する最善の解決策かわかりません。さらに悪いことに、これらのコンポーネントのサイズを適切に設定する方法がわかりません（すみません、助けてください！）。

詳細については、接続されているモーターは常に3v-3.3vおよび1Aで動作します。モーターはオンザフライで変更できるので、ここでは各モーターのプロパティについて正確な値を示すことはできません（リグはこれを知らないようにする必要があります）が、これら2つの要件は常に満たされています。モーターはuCを介してPWMによっても制御されます。

これが私が見た提案です：

それでは、リストを下に行きましょう。

「A」は、モーターで界が崩壊したときにuCのラッチアップを防ぐために提案されました。私はそれが理にかなっていると思いますが、それが私を助けるか傷つけるかどうかはわかりません。

'B'は、逆起電力を防止するために電界が崩壊したときの標準的なフライバックダイオードです。これを置くのに正しい場所ですか？これが正しい場合、どのようにダイオードのサイズを決めますか？

「C」はデュアルツェナーフライバックで、これも提案されました。これはより多くの部品を必要とするので、ここに何か有益なものがあるかどうかはわかりません。

「D」は突入を防ぐためのバリスタの取り付けです。モーターが接続されているときに、uCが再起動しなくなりますか？ワンサイズはどうですか？

これらのデザインは正しいですか？ESD用にTVSを追加する必要がありますか？そしてさらに重要なことに、これらのいずれかが適切な選択である場合、どのようにして部品を選択するのでしょうか。データシートで特定の項目を探すことは知っていますが、追加の情報ビットが多数あるので、気になりません。重要なこととそうでないことは何ですか？

ついに（それはもうすぐです...）今年に追加する最後の部分があります。

これは所長の要望でした。彼は、テザーを使用するのではなく、特定のアイテムを「ドロップ」できるようにしたいと考えています。これを行うために、彼は現在、かなり大きな磁石を自動車のバッテリーに接続する貧弱なステージハンドを持っています。磁石は12V、0.66アンペア（apwelectromagnets.comのEM175L-12-222）で110＃の保持力（完全なオーバーキルですが、安全性に関連しています）が指定されています。上記の回路は、必要なことを実行すると私は信じています。uCは1を送信し（MAG1 / MAG2、Armedは安全、1にもなります）、磁石に通電します。「ドロップ」したいときは、MAG1 / MAG2に0を書き込み、Hブリッジを反対方向に送信し、磁石にプロップを押しのけさせます（磁石の場合、その瞬間に「スティック」する傾向があります長時間オンのままにすると、支柱プレートが磁化されます）。このデザインは機能しますか？Hブリッジが切り替わると、EMフィールドが非常に大きくなるため、上から同じまたは異なる保護を追加する必要がありますか？

私がこれに乗ることができるどんな助けでも心から感謝します。劇場、ショー、その他の情報をもっと公開したいです。しかし、私は契約のもとで、監督の承認なしにこれを行うことを禁止しています（作業中です！）どんな援助も大歓迎です。監督が承認した場合は、ショーのパンフレットに追加してもらうように努めます。

繰り返しになりますが、MOSFET、またはより人気のあるタイトル、ハリーポッターとダイオードの囚人の物語を読んでいただきありがとうございます。

トニーの質問ごとに編集：

電力は、オンボード電源装置（100W、Delta ElectronicsのDPS-100AP-11 A）を介して12Vに変換されたA / Cラインから供給され、5Aに対応するリニアレギュレーターを介して5Vおよび3.3Vに変換されます（ 3.3v電源の場合はDiodes Incorporated経由のAZ1084CD-3.3TRG1、5v電源の場合はTI経由のLM1084ISX）。外部ケーブルはシールドされておらず、主に標準の2端子スピーカーワイヤーで構成されています（残念ながら安価です）。ケーブルの長さは、その時のリグのセットアップによって異なりますが、数インチから10フィート以上です。

ホットスイッチングモーターの場合、私はこのようなものを見ていると思います。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

D1は、モーターを接続するときに発生する可能性のあるバックドライビングからの隔離手段をレールに提供します。ただし、そのダイオードドロップを補償するには、より高いレールを使用する必要がある場合があります。そのダイオードを、メイントランジスタの前にのみオンになり、電圧降下が少ないアクティブな要素に置き換えることを検討してください。

C1は、初期突入負荷を相殺するためにローカルの電荷ストレージを追加します。

D3はもちろん、フライバックイベント用です。

TVSダイオードD2およびD4は、モーターを接続したときに発生する可能性のある静電放電に対処するためにあります。それらは中央で接地されているため、両方のモーターワイヤーが高電圧の場合は、グランドに戻る導電パスが両方あることに注意してください。

R1は、マイクロからのターンオン電流を制限し、ESDイベントの容量結合からマイクロを保護するのにも役立ちます。

突入電流リミッターを追加するか、またはD1と直列に追加して、問題があると判断した場合に備えます。ただし、低電圧モーターを使用しているため、ヘッドルームはあまりありません。

接地も検討する必要があります。システムはステージのアースに接続する必要があり、その接続はモーター接続が可能な限り近くにある必要があります。マイクロなどの接地は、それ自体でその接地点を駆り立てる必要があります。

ドライバーをマイクロから光学的に分離することも検討する必要があるかもしれません。多くのホットスイッチングが行われているため、おそらくアクションの繊細さを過度に理解していない人々によって、より多くの分離がより良いです。モーター接続全体の短絡も考えられるイベントであるため、電流制限も適切に含めることができます。

マグネットデザインも。

本当にそうしなければならない場合は、適切なフルブリッジドライバーで十分です。このフォーラムや他の場所には、この回路や回路例で利用できる多くのデバイスがあります。ここではこれ以上詳しく説明しません。

しかし、この目的のために電磁石を使用する知恵は誤りです。マグネットが間違ったタイミングでオフになると、物が間違ったときに落とされて、物的損害や、さらには怪我をしたり、死に至る危険があります。

したがって、もしそれが私であるなら、私はそれを倫理的な理由で実施することを拒否します。ここでヒールを掘る必要があります。

落下メカニズムは、本質的にフェイルセーフである必要があります。つまり、停電によってアイテムが落下することはありません。また、操作および設置中は、クルーとパフォーマーの安全のために物を所定の位置にロックする必要があります。何らかの形のオーバーセンター、ソレノイド作動、機械的解放機構の使用は、おそらく追加のロッキングピンと共に、必須です。

この回答は、電磁石の問題のみを扱います。

安全システムがするように設計されなければならないフェールセーフ。つまり、コントロールチェーン内のコンポーネントに障害が発生すると、安全な（または安全な）状態になる必要があります。ソフトウェアエラー、クラッシュ、およびトランジスタの故障は危険な状況を引き起こす可能性があるため、冗長プロセッサ、ACカップリングなどのソフトウェア制御安全システムでは、特別な予防策を講じる必要があります。たとえば、トランジスタがオープンフェールするか短絡するかを保証することはできません。

図1.ドアのマグロック。

ドアマグロックは、通電してロック（最も一般的）と通電してリリース（刑務所など）で利用できます。あなたのアプリケーションでは、リリースにエネルギーを与えるタイプが機能するように思えます。

私にはわかりませんが、3つの極が南北南（またはその逆）に配置されており、コイルが巻かれ、黒いスロットに押し込まれ、所定の位置に埋め込まれていると思います。磁石がキーパーに当たると、磁気回路が閉じます。馬蹄形磁石で遊んだことがある人なら誰でも知っているように、閉ループを開くのは非常に困難です。

図2.コイルと磁束経路。

ここでは、ロックを開いた状態で、露出面が磁石の極であることを確認できます。また、磁束密度がほぼ一定になるように、磁極は中央極では上部極と下部極の2倍の幅があることに注意してください。ロックが閉じると、フラックスが鉄心を通るループを形成します。

コイルが適切な電圧と極性で励磁されると、永久磁石の磁束がキャンセルされ、電機子が解放されます。

これで問題は軽減され、適切な時間にのみコイルに通電できるようになります。1つまたは2つのプッシュボタンをコイルと直列に配置するだけで十分な場合があります。このセットアップでは、誰かがドロップしても問題がないことを監視し、2つのボタンを押します。必要に応じて、マイクロコントローラーが正確なタイミングを実行できます。

EMIによるリセットには2つのタイプがあります。伝導および放射。

伝導は、適切な電力供給源を備えたドライバ電源V +、0Vの近くのさまざまなキャップでスコープおよび固定が非常に簡単です。

放射は定義が難しく、グリッチの範囲を定め、ケーブルの品質、およびグランドを選択してシールドする方法に依存します。シールド付きツイストペアなど。これらは、ケーブル間のクロストークを引き起こす意図しない放射を改善できます。フローティングDC電源は一般に、放射ノイズを吸収するのを難しくしますが、他のグラウンド結合ノイズグリッチの経路にもなります。

Bが片側スイッチに使用されている場合、Cは不要です。Dは負荷と直列に使用されるICLであり、サージ開始電流を制限できますが、開始トルクも制限しますが、同じように電圧上昇を調整するためにPWMを傾斜させている場合は冗長です。

残念ながら、詳細には、レイアウト、電源とシールドの接地、ケーブルの種類、および長さが疑問に欠けている詳細が必要です。

シールド付きツイストペアは、ケーブルの周囲にCMチョークがあり、この電流サージに対して定格のCM SMDチョークがある場合、おそらく最良のソリューションであることに注意してください。