Confiabilidad MOSFET para aplicaciones críticas

Estoy trabajando en un circuito crítico que acciona un motor de CC en el sistema de tren de aterrizaje de un avión. El motor eléctrico es un motor de CC simple donde una polaridad extiende el tren de aterrizaje y la inversión de la polaridad lo retrae. Mi pregunta es, ¿hay alguna razón por la cual el uso de MOSFET en lugar de relés mecánicos presentaría un problema de confiabilidad? Obviamente, es importante que el equipo baje cuando se le ordene, por lo que asegurarse de que sea confiable es de alta prioridad.

Los MOSFET deberían ser más confiables que un relé mecánico si utiliza criterios de reducción de potencia adecuados.
Como se menciona en algún lugar de "La ciudad y las estrellas", de Arthur C. Clarke: "Ninguna máquina puede contener partes móviles".
Este no es realmente mi campo. Creo que el relé será más confiable y útil, pero tendrá una vida útil más corta. Yo usaría un relé. ¿Qué detiene el engranaje, un interruptor de límite? Creo que el relevo tiene más posibilidades de sobrevivir a un rayo (que eventualmente sucederá si se trata de un avión de producción). ¿No tienes otros diseñadores o mentores a los que puedas preguntar?
¿En qué avión (modelo, compañía) se diseñará? (para evitar el modelo en el futuro) :-(
Además, los MOSFET, debido a su amplia disponibilidad y costo relativamente bajo, le permitirían implementar estructuras de interruptores laterales altos en serie, así como estructuras laterales bajas y redundancia para permitirle retener el control del motor incluso si los dispositivos fallan.

Respuestas (6)

Tengo experiencia en electrónica de alta confiabilidad para aplicaciones espaciales. La forma en que define "confiabilidad" aquí es la clave.

Si está pensando solo en términos de la tasa de fallas aleatorias, un ensamblaje basado en MOSFET calificado para vuelo adecuadamente reducido y protegido puede vencer fácilmente a cualquier relé equivalente.

Pero eso no es lo único a considerar al elegir entre esas dos tecnologías, por supuesto. Eso sería demasiado fácil. :)

  1. ¿Existen pautas específicas de reducción de potencia o de uso confiable para los MOSFET en aplicaciones aeronáuticas que los hagan inconvenientes para su empresa? ¿Se ha utilizado esta tecnología antes para este mismo propósito?
  2. ¿Existen ventajas intrínsecas de una tecnología sobre la otra? Como una mayor inmunidad a eventos únicos (como rayos, radiación atmosférica, etc.). ¿Existe la posibilidad de bloqueos de un solo evento (es decir, una respuesta destructiva a un posible evento medioambiental) en alguna de esas tecnologías?
  3. ¿Existen parámetros ambientales que afecten más a una tecnología que a otra (vibraciones, impactos, temperatura, estrés mecánico inducido térmicamente, etc.) y que puedan precipitar un envejecimiento acelerado y una falla por desgaste prematuro?
  4. ¿Cuáles son los modos de falla y sus criticidades? ¿Alguna de las dos alternativas tiene una ventaja significativa sobre ella?

Perdón por plantear más preguntas que respuestas, pero su pregunta no se puede responder fácilmente sin tener una visión más amplia del problema de diseño.

Los relés mecánicos no se preocupan por los campos de radiofrecuencia de intensidad media de su teléfono inteligente u otros. Requiere un horno de microondas para hacer algún efecto. Las piezas de semiconductores son mucho más sensibles. Tal vez no haya transmisores de radio construidos para estar en contacto cercano con su relé, pero algún idiota sin pensar puede llevar uno justo cuando un avión está aterrizando.

El relé mecánico se rompe y se desgasta con el uso. Pero también lo hace su motor. Este tipo de cosas tiene un programa de mantenimiento preventivo regular. Las piezas propensas al desgaste se cambiarán y reacondicionarán antes de que suceda algo. El relé y el motor podrían estar en un conjunto intercambiable.

Bueno, los relés se pueden reemplazar fácilmente y, en general, pueden soportar mucho más abuso que los mosfets. También imagino que, al menos dependiendo del mosfet, cierta condensación debido a los cambios de temperatura durante el vuelo podría hacer que el mosfet actúe de manera extraña.

Por ejemplo, si un rayo o lo que sea golpea el avión, es mucho más probable que el mosfet se rompa en comparación con el relé.

Y también, si usa un relé y se rompe, puede pedir prestado otro de otro dispositivo en el avión temporalmente para operar el tren de aterrizaje en caso de emergencia, mientras que un mosfet no se encuentra comúnmente en otros lugares.

El MOSFET podría muy bien encontrarse en otros subsistemas del avión si el fabricante del fuselaje estipula el uso común de las piezas. Sin embargo, es mucho más probable que el MOSFET se suelde en su lugar, lo que dificulta el intercambio, mientras que los relés podrían estar enchufados.
Sí, pero viendo que está diseñando el control del motor y le preocupa usar un mosfet, se podría suponer que originalmente no viene con uno. De cualquier manera, en una situación en la que uno necesita reaccionar rápidamente, no hay mucho tiempo para desenroscar el mosfet, colocar el nuevo y conectarlo a su disipador de calor...
Tengo que suplicar la legitimidad del argumento del rayo. El relé en sí puede ser más resistente que el MOSFET, pero es muy probable que AMBOS estén controlados por circuitos electrónicos que son susceptibles de alterarse y dañarse por fuertes descargas de rayos. Entonces, en ese caso, ninguno de los subsistemas puede considerarse confiable en general. Esta es una de las razones por las que algunos sistemas críticos en un avión todavía están equipados con sistemas de control totalmente mecánicos y sistemas de anulación de enlace.
Los sistemas críticos para la seguridad no pueden cegarse a un solo componente o pieza. Es esencial considerar todo el ecosistema y evaluarlo con el mayor detalle posible. También es RIDÍCULO pensar que la tripulación de la aeronave, en el caso de una emergencia crítica, va a estar solucionando problemas y tratando de intercambiar piezas en los segundos o minutos que quedan antes de la calamidad final. Cualquier mecanismo de transferencia de redundancia y anulación debe diseñarse desde el principio.
Si se trata de un avión pequeño, el descenso del tren puede controlarse mediante un interruptor y una lógica de relé simple. Activas el interruptor, el motor baja el engranaje hasta que llega a un interruptor de límite. Pones el interruptor en la posición superior, el motor se retrae hasta que golpea otro interruptor de límite.
Depende de lo que usted considere una emergencia crítica. Parece que te estás desviando del punto. El OP preguntaba básicamente sobre problemas de confiabilidad. Digamos, si estuviera volando un avión y cuando se acerca al aeródromo para aterrizar, el tren de aterrizaje no se abre, ¿intentaría de inmediato hacer un aterrizaje forzoso del avión? No. Uno haría varios intentos para solucionar los problemas del tren de aterrizaje antes de tomar medidas tan drásticas. Y como dije, los relevos son más factibles. Reemplazar un relé es mucho más rápido y los relés son más estables que los mosfet, en el sentido de que no necesitan disipadores de calor para funcionar de manera segura.
Como otros han especulado, no hay acceso al mosfet/relé desde el aire. No sería posible que la tripulación cambiara la pieza. El piloto tiene un interruptor de energía directa de emergencia al motor que activa el motor en dirección hacia abajo. El procedimiento es mantener presionado el interruptor hasta que la marcha indique abajo, o 15 segundos, lo que ocurra primero. También hay una manivela manual de más difícil acceso (pero disponible que baja el engranaje (en 300 vueltas)). La preocupación no es la "facilidad de reemplazo", sino la probabilidad de que el engranaje no se despliegue si se usa un mosfet sobre un relé.

Aquí hay un extracto del enlace a continuación que muestra que la esperanza de vida de los relés de estado sólido (usando MOSFET) es mucho mayor que la de los relés electromecánicos:

"Usando la cantidad diaria de operaciones de nuestro ejemplo anterior, esto significa que usar un SSR en lugar de un EMR podría extender la vida útil del componente de conmutación en el horno [un ejemplo hipotético en la nota de la aplicación] de 2 meses (con el EMR) a 833 años (o 83 años en el extremo inferior del cálculo, solo para ser prudentes)"

Nota de aplicación de Crydom

Por supuesto, el diseño tiene que ser apropiado para el entorno, incluyendo ESD, condiciones climáticas y de temperatura, voltajes transitorios, EMI, etc.

También es posible usar FET (o relés) adicionales de modo que cualquier falla de un solo componente de conmutación no cause la pérdida de funcionalidad, aunque eso es mucho más complejo y costoso.

En lo que respecta a la vida útil promedio, los MOSFET probablemente ganarán si se reducen adecuadamente y se protegen con dispositivos de absorción de sobretensiones.

Confiabilidad: diría que iría a interruptor directo, relé, MOSFET, en orden de confiabilidad decreciente. Se necesita muy poca energía para que un MOSFET falle 'encendido'. Hay muchas fuentes de picos en la mayoría de los aviones. Un relé rara vez fallará en la mitad de su vida útil.

Hagas lo que hagas, sospecho que querrás un plan 'B' razonable y bien documentado disponible para el piloto. ¿Qué sucede si se cae la alimentación del bus principal?

Los MOSFET serían más confiables que un relé debido a los ciclos totales, pero probablemente tenga un problema mayor. Sugeriría usar un BJT por las siguientes razones:

  • El MOSFET es sensible a ESD. Cuando estás volando, en realidad estás creando carga. Los aviones crean iluminación. No me sorprendería descubrir que apaga la puerta MOSFET debido a una descarga estática.

  • Los relés tienen una cantidad fija de tiempos de ciclo, el metal frío se encoge y las vibraciones pueden destruir la apertura.

La ventaja del BJT es que puede autocalentarse hasta aproximadamente -80 °C y es en gran parte inmune a ESD. La parte más aterradora de cualquier implementación son siempre los componentes mecánicos. También podría usar la corriente BJT como una indicación de arriba/abajo en lugar de interruptores de límite al tener una derivación resistiva que lo haría completamente sólido.

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