Generador de pulsos ultrasónicos que utiliza Power Mosfet y Gate Driver. Confundido acerca de la compatibilidad de la hoja de datos

Estoy trabajando en un proyecto para la Universidad. El objetivo es crear un detector de fallas ultrasónico que pueda medir fallas dentro de una pieza de metal. Solo he tomado cursos de introducción a las diferentes ramas de la ingeniería eléctrica como Circuitos, Análisis de Redes y Dispositivos Eléctricos. Dado que mi trayectoria profesional se encuentra actualmente en la industria del software, no me he centrado mucho en aprender los temas que necesito para completar este proyecto. A pesar de eso, he hecho algunos progresos con los que estoy contento.

Aquí está mi esquema actual:

El PT-12 tiene una frecuencia de resonancia de 5 MHz y funciona mejor con una amplitud de pulso de 220 V. Es un transductor de dos elementos, lo que significa que la salida y las entradas del transductor se ejecutan en diferentes cables, y ambos elementos dentro del transductor están separados por una barrera acústica.

Dado que la RF es de 5 MHz, eso nos da un tiempo de ciclo de 200 ns. Aprendí que la forma en que estos transductores normalmente funcionan es a través de un pulso de alto voltaje de 1/2 ciclo o menos. Esto se conoce como hacer ping al dispositivo. Entonces, el objetivo del circuito de generación de pulsos es proporcionar un pulso de 100 ns con una amplitud de 220 V.

Mi progreso iba bastante bien hasta que comencé a pensar en cómo encendería y apagaría el pulso nuevamente. Al principio pensé que podría usar un interruptor spst simple y rápidamente me di cuenta de que me estaba engañando a mí mismo. Parece que la única solución que pude encontrar fue usar un Power Mosfet.

Investigué muchos dispositivos potenciales diferentes, así como los parámetros en las hojas de datos que serían los más importantes. Descubrí que para acercarme lo más posible al ancho de pulso de 100 ns, necesitaría minimizar tanto los cargos de puerta (Qg, Qgs, Qgd) como los tiempos de retardo (tf, tr, td (encendido), td (apagado) ). Un dispositivo potencial que encontré fue SiHP6N40D, http://www.vishay.com/docs/91498/sihp6n40d.pdf .

El cual tenía los siguientes parámetros:

También especifica Rds(on) = 0,85 a 1 ohmios. Mientras investigaba estos mosfets de potencia, aprendí que Rds (encendido) generalmente disminuye cuando se agregan más celdas, lo que a su vez aumenta la capacitancia y reduce el tiempo de respuesta. Por lo tanto, un buen valor de Rds (encendido) está cerca de 1 ohmio para propósitos de alta conmutación.

Encontré esta ecuación en la siguiente publicación de electronics.stackexchange .

Y esto parece dar 22,22 MHz como frecuencia de conmutación, sin embargo, la hoja de datos no especifica el tiempo de almacenamiento. Espero que este parámetro se haya tenido en cuenta en los otros retrasos. Había otro parámetro de tiempo, trr o tiempo de recuperación inversa, pero no estoy seguro de si esto afectaría la frecuencia de conmutación. Suponiendo que pueda alcanzar los 22,22 MHz, parece bastante bueno, ya que podría encenderse en 22,5 ns y apagarse en 22,5 ns.

El siguiente paso fue conectar el interruptor con mi microcontrolador para que pudiera controlar la tasa de muestreo. Me di cuenta de que la salida gpio no sería lo suficientemente alta para cumplir con los Vgs de 10 V y, además, sería demasiado peligroso conectar directamente los pines gpio de mi Raspberry Pi al mosfet de potencia debido a la fuga de capacitancia a través de la puerta. La solución para esto fue utilizar un controlador de puerta, que a su vez tiene sus propios tiempos de retardo.

Investigué algunos controladores de puerta potenciales y encontré 2 que tenían tiempos de retraso muy bajos:

ISL55110 --> https://www.mouser.com/datasheet/2/698/isl55110-11-1302115.pdf

MD1213DB1 --> http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20005713B.pdf

Y fue en este punto que llegué a un umbral de confusión con el que sentí que necesitaba ayuda. No sé cómo lograr mi objetivo de un ancho de pulso de 100 ns, ya que hay muchos factores a considerar: retraso de mosfet, retraso de puerta, velocidad de alternancia del microcontrolador. Y además de eso, ahora estoy bastante seguro de que para activar la puerta mosfet, Vgs = 10V no significa que se apliquen 10V a la puerta, significa que necesitaría aplicar 230V. Aplicar solo ~ 10V pondría al mosfet en polarización directa según esta publicación .

En resumen, me gustaría que me ayudaran a descubrir cómo abordar esto para asegurarme de acercarme lo más posible a los 100 ns. Además, si hay problemas obvios que no he mencionado, por favor infórmenme de ellos. En última instancia, si no es posible acercarse a los 100 ns, estaría de acuerdo con simplemente poder enviar un pulso al transductor.

Cálculos de componentes:

Elegí usar una frecuencia de muestreo de 2 kHz y la usé para determinar los componentes en el esquema de mi circuito.

Dado que el condensador debe descargarse casi por completo en 4 constantes de tiempo (~ 98 %), y quiero que el pulso sea de 100 ns

τ = 25ns.

C = 25 ns/(50 ohmios + 1 ohm) = ~490pF --> 470pF

*Donde 50 ohmios es la impedancia del transductor y 1 ohm es la resistencia Rds(on) del mosfet.

Queremos que el condensador se cargue en menos de la mitad de un ciclo de la frecuencia de muestreo, o 250 us.

R = 250us/470pF = 530kohm --> 560kohm

La corriente que sale del capacitor al cambiar el mosfet comienza alta

Vc(1ns) = 220V xe^-(1ns/(470pF x 50.32ohm)) = 210.89V

dV/dT = (220V - 210,89V)/1ns = 9,11E9

ic(1ns) = 470pF x 9.11E9 = 4.28A

Al finalizar el tiempo deseado el mosfet debe estar abierto, ic seria

Vc(100ns) = 3,2 V

dV/dT = (220V - 3,2V)/100ns = 2,168E9 V/s

ic(100ns) = 470pF x 2.168E9 = 1.02A

Información extra:

¿Por qué tengo Arduino y Raspberry Pi?

Comencé el semestre con la intención de usar Arduino porque ya tenía pines de entrada analógica en la placa. Ya había desarrollado una GUI en una pantalla LCD que tenía, cuando me di cuenta de que la frecuencia de reloj de 16 MHz del Arduino no era lo suficientemente rápida para controlar la velocidad del interruptor mosfet de 100 ns. Decidí que sería demasiado trabajo reescribir la interfaz en Python. Simplemente agregué un código para comunicarme con el Pi en serie que luego enviaría las señales lógicas.

Para determinar la distancia, el Pi simplemente contará la cantidad de ciclos de reloj desde la salida ALTA más reciente en su pin del controlador de compuerta. Con suerte, sabría cuál sería el retraso total del circuito para entonces, y luego esto podría tenerse en cuenta del tiempo de respuesta para obtener la cantidad real de tiempo que la onda tardó en viajar a través del medio medido. Concretamente, la velocidad del sonido en aluminio es de 6320m/s (google). Las dimensiones de mi objeto medido se fijan en 20 cm x 20 cm x 2,5 cm. Entonces, si no hay falla, la onda viajaría la distancia completa y tomaría 63.2 us, de lo contrario, una onda reflejada regresaría al transductor más rápido que eso. Es un hecho que el defecto en la prueba estará cerca del medio en algún lugar, por lo que aproximadamente 31.6us de tiempo de viaje si hay un defecto presente.