Necesito ayuda para calcular resistencias para un modelo modular de acelerador de partículas

Tontamente asumí un complicado proyecto escolar de hacer un modelo de acelerador de partículas. La idea era convertirlo en un sistema modular, ya que en cada segmento, o "módulo acelerador" sería independiente por lo que la disposición final podría ser alterada en cualquier momento.

Las "partículas" serían canicas de acero y cada segmento estaría formado por un fotointerruptor y una bobina. Los sensores se colocarían antes de cada bobina, de esa manera solo estarían encendidos por un corto tiempo mientras la canica rompía el haz, brindando la energía cinética para pasar a la siguiente etapa, pero sin dejar la bobina encendida tanto tiempo que la canica empezar a acelerar en la otra dirección

He diseñado un circuito aproximado que, según mi lógica, debería funcionar, pero por mi vida no puedo entender cómo calcular las resistencias para los transistores o MOSFET. Mi objetivo era mantenerlo simple, no requerir un microcontrolador y que los segmentos fueran independientes entre sí.

Esto es lo que se me ocurrió;

El inductor representa la bobina, tiene una resistencia de 0.6ohms y una inductancia de 1200uH. Cada bobina teóricamente tirará 40A a 24V.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Componentes (todos de Arrow.com):

-El LED y el transistor en el extremo izquierdo representan el fotointerruptor, es un EE-SX1070

-El transistor NPN es un BC337

-El transistor PNP es un BC327

-El MOSFET de canal N es un SUP40010EL-GE3

Resistencias:

-R2 es para limitar la corriente en el transistor y asegurarse de que Vbe sea mayor que Vce

-R3 es para limitar la corriente a través de la base del transistor NPN

-R4 solo está allí, ya que la mayoría de los ejemplos en línea tenían una resistencia de emisor, es posible que no sea necesario

-R5 es para limitar la corriente a través de la base del PNP y hacia el colector del NPN

-R6 Es para evitar que la base del PNP flote, es posible que deba ser más bajo para garantizar que el NPN tenga suficiente corriente de colector

-R7 es para limitar la corriente en el emisor del PNP, sin embargo, podría estar ralentizando la velocidad de conmutación del MOSFET

-R8 es para descargar la capacitancia de la puerta MOSFET, disminuyendo así el tiempo de apagado

Si he pasado por alto algo, he hecho algo mal, el circuito tiene fallas o se requieren más detalles, házmelo saber ya que esta es mi primera publicación. Todos y cada uno de los consejos son bienvenidos.

Usaría pistas de metal segmentadas y haría que la canica completara el circuito.
Me interesa que ya haya especificado dos valores de 50k. ¿Qué tal si escribe cuál es la función de cada resistencia en su pregunta?
@Jasen, pensé en usar una pista de metal, pero ya tenía un bucle de acrílico, y usar el metal haría que cada etapa fuera permanente
El circuito tiene fallas en la bobina si no ha verificado que la aceleración a = F / my el intervalo de tiempo no derrita su bobina. El controlador puede ser solo una puerta CMOS, pero necesita PWM para limitar la corriente con detección usando un integrador de tiempo o termistor.

Respuestas (3)

Comencemos por averiguar qué resistencias se necesitan, antes de establecer valores aproximados (no se necesitan valores exactos).

Resistencias:

-R2 es para limitar la corriente en el transistor y asegurarse de que Vbe sea mayor que Vce

R2 está ahí para darle al fototransistor algo contra lo que 'trabajar' y para generar corriente en la siguiente etapa cuando el fototransistor está apagado. No necesita generar mucha corriente, ya que le siguen etapas amplificadoras. Así que no hay necesidad de nada demasiado pequeño.

-R3 es para limitar la corriente a través de la base del transistor NPN

Este sería el caso si se condujera desde una etapa de salida de baja resistencia. Sin embargo, la fuente de corriente de la etapa de conducción ya está limitada por R2. Podría omitir R3. Si desea eliminar el fototransistor y, a veces, conducirlo directamente para la depuración, entonces, por supuesto, tenga un valor nominal allí, 1k, 50k, lo que sea.

-R4 solo está allí, ya que la mayoría de los ejemplos en línea tenían una resistencia de emisor, es posible que no sea necesario

No se requiere R4, ya que estamos haciendo lógica aquí. A menudo se utiliza para la amplificación lineal.

-R5 es para limitar la corriente a través de la base del PNP y hacia el colector del NPN

Requerido. Obtendremos un valor más tarde.

-R6 Es para evitar que la base del PNP flote, es posible que deba ser más bajo para garantizar que el NPN tenga suficiente corriente de colector

No deseado. Verías esto en un amplificador lineal, pero estamos haciendo lógica.

-R7 es para limitar la corriente en el emisor PNP, sin embargo, podría estar ralentizando la velocidad de conmutación del Mosfet

No deseado. Utilizado en amplificadores lineales.

-R8 es para descargar la capacitancia de la puerta Mosfet, disminuyendo así el tiempo de apagado

No 'disminuye el tiempo de apagado', es lo único que se apaga, ya que el transistor del controlador solo genera, no absorbe corriente, y la puerta FET tampoco absorbe corriente. Como es una aplicación bastante lenta, obtendrá un pulldown resistivo aquí, pero cualquier aplicación seria que cambie con frecuencia necesitaría un transistor activo para eliminar la carga de la puerta.

Use una resistencia tan pequeña como pueda, sujeto a que el transistor de accionamiento esté bien para la corriente. BC327 ha clasificado Hfe mínimo de hasta 300 mA, por lo que tiene mucho a mano. Una resistencia de 300 Ω disiparía alrededor de medio vatio de 12 V. Aunque solo tiene la intención de generar pulsos cortos, asegúrese de que esta resistencia esté clasificada para disipación continua, es una cosa menos que puede fallar si su pulso permanece 'encendido' accidentalmente por un tiempo. largo tiempo.

Ahora podemos retroceder y obtener algunos valores.

R5 necesita encender el transistor en 300 Ω. Usemos un Hfe muy conservador para el segundo transistor de 30, por lo que R5 se convierte en 10 kΩ.

No hagamos que R2 y R3 (si se usan) sean demasiado grandes haciendo sumas de Hfe, solo hágalos 10 kΩ también.

Algunas personas colocan resistencias de emisor de base en sus transistores de conmutación para desviar cualquier corriente de base de fuga para obtener un buen 'apagado'. Estos solo están realmente garantizados a altas temperaturas o ambientes húmedos, es poco probable que los necesite.

A veces ves una pequeña resistencia en serie con la puerta de un FET, a menudo en un rango de 10-100 Ω. Esto solo es necesario en aplicaciones serias, donde el FET está siendo impulsado por un controlador de baja impedancia, y es para limitar la corriente de carga de la puerta para limitar el timbre y el sobreimpulso. No será un problema en su aplicación.

¿El conductor es adecuado? Esta sección es para el OP, cuando tiene mucho más en su haber, y las personas que podrían querer rechazar lo que puede parecer una respuesta excesivamente ondulada, por lo que no necesitan buscar el FET y hacer sumas. El FET tiene una SOA de 100 uS que llega directamente a 40 V y 300 A, por lo que siempre que todos los cambios se realicen dentro de ese tiempo, no hay necesidad de preocuparse. El FET necesita una carga de compuerta de aproximadamente 100 nC para atravesar la meseta de Miller, y algo más. Suponiendo que Hfe = 100, Rs = 10k generará 1 mA a la base, por lo que 100 mA en el colector. 100 nC a 100 mA = 1 us, por lo que el encendido está bien en dos órdenes de magnitud. Es un FET de nivel lógico, por lo que Vgs (Miller_plateau) es bajo a 3 V. Aun así, 300 Ω R8 extraerá carga a 10 mA, o en 10 us, todavía un orden de magnitud por seguridad. El FET solo tiene una clasificación de energía inductiva libre de 320 mJ, mientras que el inductor puede almacenar 1 Joule a plena corriente. Esa sujeción zener es esencial por lo tanto. Tenga en cuenta que el FET solo llega a 40 V, por lo que el zener debe entrar antes de eso. Tal vez un FET de mayor voltaje sería una buena inversión.

Wow, esa fue una respuesta increíble, debo haber estado pensando demasiado en todo esto. Si no es mucho pedir, ¿podría explicar por qué pudo usar valores tan generales, en todas partes en línea se usan ecuaciones complejas y profundas? Además, ¿podría decirme qué piensa del circuito en su conjunto? Es mi primer circuito "complejo", cualquier comentario para el futuro sería increíble.
@ Pizzashape23 La mayoría de las ubicaciones de resistencia tienen un límite superior y un límite inferior, uno a menudo dado por la disipación, el otro por la corriente de accionamiento requerida. A veces esos límites son estrechos y hay que hacer las sumas. A veces, esos límites están separados por órdenes de magnitud, y solo puede decir '10k'. 50 años de experiencia en ingeniería te ayudan a notar la diferencia, así que no te sientas mal. Si quieres ser honesto, no es un diseño de circuito. Por eso te pregunté para qué servían las resistencias, sospeché que habías improvisado un montón de fragmentos sin entender. De nuevo, no te sientas tan mal, estás aprendiendo
Gracias de nuevo, realmente aprecio la ayuda. Tenías razón al asumir que aunque la idea fundamental era mía, la mayor parte fue improvisada en base a lo poco que pude desenterrar. Si le hubieran dado un conjunto similar de parámetros de diseño, ¿cómo habría diseñado un circuito, particularmente en lo que respecta a su eficiencia y simplicidad?
@ Pizzashape23 Una confesión: R8 puede no ser lo suficientemente pequeño. Le di un valor a '¿cuál es el tiempo más rápido que podemos descargar la compuerta FET para una resistencia de medio vatio?' Cuanto más rápido cambie, menos energía se vierte en el FET. Sin embargo, la velocidad que necesita depende de la corriente y la inductancia de la bobina, y de la SOA del SUP400. Haré algunas sumas en algunos valores plausibles y volveré en un día o dos si es probable que se apague, y sugeriré una modificación del circuito si eso parece un problema. Su circuito con mis omisiones de componentes es bastante simple y eficiente.
Ha sido de gran ayuda y el valor de R8 sería un salvavidas. Solo pensé que sería importante tener en cuenta que cuanto mayor sea la velocidad de conmutación del FET, mejor. Daría como resultado que cambie ya que la canica está más alejada del centro de la bobina, lo que le permite acelerar durante más tiempo.
@ Pizzashape23 La velocidad de conmutación es esencialmente irrelevante para la posición de la canica, la canica tiene tiempos similares a mS, el FET necesita tiempos similares a los de EE. UU. Todavía estoy pensando, puede que haya sido demasiado simplista. Critiqué su controlador 'tal como está' haciendo cambios mínimos. Puede o no tener problemas con esos 10 amperios, es mejor que compre un controlador FET IC. Sin embargo, no sé dónde se encuentra en su curso, si el diseño de la lógica y los controladores de transistores es parte del objetivo de enseñanza. Volvere a ti.
@ Pizzashape23 He agregado un párrafo final a mi respuesta. Me sentí mal por haber hecho cálculos de resistencia en la parte posterior del sobre, posiblemente dejándolo con un diseño que freiría el FET. Parece que es más que adecuado para ese FET en particular por un orden de magnitud, lo que significa que no necesitamos hacer sumas detalladas. Sin embargo, sería bueno para tu curso si hicieras algunas simulaciones. Descargue LTSpice si no tiene ningún simulador definido en su curso, y modele ese aumento y caída de corriente en el inductor, ahí es donde las cosas van a doler.
Tengo que dejar de darte las gracias, pero con toda seriedad, has sido un salvavidas. El objetivo del curso era desarrollar mi comprensión de casi todos los componentes que tenía la intención de usar, por lo que no tener que recurrir a tableros listos para usar es increíble. Volveré a la pregunta este fin de semana después de hacer algunas pruebas y les haré saber el resultado.
@ Pizzashape23 Una última cosa en la que pensé en cada comentario pero no pude incluir. El comportamiento intencional suele ser fácil, es el comportamiento no intencional el que muerde. Dejas caer un lápiz en el haz de luz y el conductor sigue y sigue. ¿Qué se va a cocinar? Es posible que desee buscar formas de limitar la duración del pulso de salida a una duración segura. El componente IC se llama monoestable, pero podría obtener ese comportamiento con un condensador adecuado en su controlador. Puedo proporcionar detalles si lo desea. Incluso si no lo implementas, vale la pena pensar en ello.
Es un muy buen punto, sin embargo, la bola está encerrada en un tubo de acrílico, cargado a través de un puerto de "lanzamiento". Cada sensor se "sujetará" al tubo, por lo que es muy poco probable que algo que no sea la bola entre en la trayectoria del haz. Estaba considerando poner un interruptor térmico en serie con cada bobina para evitar el sobrecalentamiento, ¿podría esto resolver ambos problemas?

Su concepto tiene fallas potenciales y puede necesitar mejoras; estos vienen primero antes de cualquier discusión de los valores de los componentes.

Los sensores se colocarían antes de cada bobina, de esa manera solo estarían encendidos por un corto tiempo mientras la canica rompía el haz.

R8 (50 kohm) hará que el MOSFET se desactive en aproximadamente 0,5 ms (debido a la descarga de la capacitancia de la puerta de 11 nF) pero, ¿ha calculado el tiempo que tarda la bola de acero en llegar al punto medio del solenoide? Ahí es cuando podrías desactivar el solenoide para obtener la máxima velocidad. Por supuesto, si desea una velocidad de bola más lenta, entonces apague el solenoide antes pero, en este momento, su accionamiento de solenoide comenzará a desactivarse antes de que la bola de acero entre en el solenoide. Esto puede ser demasiado ligero.

Entonces, creo que es posible que necesite algún tipo de "control de retención" y puede hacerlo variable. ¿Quizás la resistencia de 50 k (R8) podría convertirse en un potenciómetro de 500 k?

Por otro lado, cuando el MOSFET se desactiva, todavía hay corriente circulando en las bobinas y que luego encuentra un camino a través del diodo paralelo. El problema aquí es que el diodo prácticamente corta el solenoide y toma mucho tiempo (en términos relativos) para que el magnetismo se reduzca a niveles marginales. La inductancia de la bobina es de 1,2 mH y la resistencia es de 0,6 ohmios, por lo que la constante de tiempo es de 2 ms y no puedo decirle si esto es demasiado. Si cree que los 0,5 ms de la capacitancia de la compuerta más los 2 ms de la descarga de la bobina colocarán adecuadamente la bola de acero dentro del solenoide para ganar el impulso que necesita, entonces está bien.

También está el tiempo de carga del solenoide; con 24 voltios y 1,2 mH, la corriente aumenta a 20 amperios por milisegundo, por lo que si su objetivo es que fluyan 40 amperios, esto "se siente" correcto. Debería suceder en menos de 10 ms. Sin embargo, si la bola pasa a través de la puerta óptica más rápido que un par de milisegundos, entonces no puede confiar en lograr algo como la corriente máxima, entonces, ¿quizás necesite un "control sostenido"?

La sugerencia que estoy haciendo, para evitar que vaya por un camino que podría ser difícil de revertir, es agregar un circuito de sostenido o retención. No me preocupa elegir los valores de resistencia porque es importante que el concepto sea correcto primero.

sacas a relucir un punto muy bueno que he pasado por alto. ¿Cómo implementaría este circuito de "control sostenido"? Un problema que anticipo es la diferencia de tiempo a través del solenoide a medida que la bola se acelera, como tal, esperaba depender completamente del sensor óptico, haciéndolo esencialmente "automático". Además, después de dicha implementación, ¿cómo reduciría el tiempo de apagado?
Use un monoestable no reactivable, se puede hacer a partir de un 555, busque en Google algunos circuitos. El tiempo de apagado se puede controlar con un potenciómetro de 500 k en lugar de una resistencia de 50 k en la puerta y la fuente (como se menciona en mi respuesta).
Mi pregunta sobre el tiempo de apagado era sobre cómo minimizarlo por completo, suponiendo que el circuito de tiempo pudiera encender el solenoide durante el tiempo suficiente. Un tiempo de apagado más corto eliminaría una variable al ajustar el solenoide a tiempo.
¿Estás hablando de cómo extinguir el magnetismo más rápido? Si es así, no tiene mucho espacio para maniobrar con el MOSFET elegido.
Sí, debería haber sido más claro, mi error
Si pudiera encontrar un MOSFET que tenga una resistencia razonablemente baja (alrededor de 0,05 ohmios) y un máximo V D S de 200 voltios, puede volcar la energía magnética almacenada en una resistencia en serie con el diodo. Si elige una resistencia de 2 ohmios, por ejemplo, L/R (la constante de tiempo) cambia de L/0,6 a L/2,6. Un pico de 40 amperios a 2 ohmios producirá un voltaje de drenaje de 24 voltios más 80 voltios y, por lo tanto, un MOSFET con una clasificación de 200 voltios estaría bien. Actualmente tiene una clasificación de 40 voltios y, por lo tanto, no tiene espacio para maniobrar.
Gracias, eso tiene mucho sentido. El principal factor limitante, sin embargo, es el costo. Probablemente haré algunas pruebas este fin de semana con el Mosfet que ya elegí porque ya los tengo a mano, si el tiempo de apagado resulta ser un problema, entonces se convierte en un gasto necesario.

No creo que su resistencia de compuerta de 50K apague un FET tan grande lo suficientemente rápido

Eche un vistazo a los controladores de tótem si desea un controlador BJT discreto, o consulte los circuitos integrados de controlador de puerta.

El riesgo es que al apagar el FET lentamente, pasa mucha corriente a través del FET mientras tiene Rds altos durante la transición de apagado.

Tiene el mismo problema en la transición si R7 es demasiado grande.

Los circuitos integrados de controlador de compuerta tienden a tener amperios de corriente de compuerta para hacer que el interruptor FET sea más rápido.

De todos modos, si el ciclo de trabajo es lo suficientemente bajo, funcionará.

R4 debe ser cero.

R7 debe ser cero suponiendo que su FET pueda tolerar Vgs de 12V. Si no puede, considere un riel de suministro más bajo.

R8 debe ser bajo, de modo que cuando el PNP esté conduciendo, esté al 50% de la corriente nominal máxima del colector. Digamos que el 50 % es 1A, entonces R8 sería 12R. 100mA sería 120R. Etc.

R6 y R5 deben configurarse de manera que el voltaje en su unión sea aproximadamente 1 V por debajo del riel. Entonces R5 es 11xR6.

R5 también debe configurarse para saturar la base del PNP cuando el NPN está activado. Suponga que la ganancia actual es 10 para una corriente de colector tan alta. Entonces R5 será 10x R8. Resuelva para R5 y R6 una vez que haya configurado R8.

R3 debe ser cero.

Para R2 suponga nuevamente que la ganancia actual es 10x para el NPN. Entonces debería ser 10x R5+R6.

Lo anterior solo funciona porque está ejecutando digital, encendido/apagado. Para una aplicación lineal, necesitaría ser mucho más metódico con respecto a las corrientes, las ganancias y la polarización del transistor.

¡Buena suerte!

Muchas gracias, me preguntaba si podría explicarme cómo haría para encontrar R6. También afirma que la resistencia de 50k (R8) podría no ser lo suficientemente rápida como para apagar el FET, pero luego dice: "R8 debe ser bajo, de modo que cuando el PNP esté conduciendo, esté al 50% de la corriente nominal máxima del colector". ¿Podría explicar lo que quiere decir, parece que se contradicen entre sí.
@Neil_UK dio una respuesta más completa que la mía y sugiere 300 mA o menos, por lo que R8 debería 12/.3 = 36 ohmios. Eso es menos de 50K. Aunque por otras razones sugiere 300 ohmios, lo cual está bien.
Entonces ahora necesita que el PNP pase 12v/300R=40mA. Divida eso por la ganancia Hfe y obtendrá la corriente base. Eso establece R5. Entonces, R6 debe configurarse de modo que el divisor de potencial R5 y R6 configure el voltaje base-emisor del PNP para que sea al menos -1V, es decir, la base esté completamente encendida. Entonces, aproximadamente, R6 es una onceava parte de R5.
No estoy seguro de la precisión del simulador de circuito Tinker Cad, sin embargo, probé tanto su solución como la de Neil. Sus valores funcionaron de inmediato, sin embargo, el único valor que impidió que el diseño de Neil funcionara fue el 10k para R5. Supongo que esto se debe a que no permite que fluya suficiente corriente a través de la base del PNP. Después de cambiar ese valor, no estoy seguro de cómo decidir qué respuesta usar, ¿algún consejo? Además, si quisiera implementar protección térmica para las bobinas, ¿podría poner en cortocircuito la base de la NPN a tierra usando un termistor NTC con una resistencia ambiental lo suficientemente alta?
Mmm. Creo que los números de Neil son buenos, pero no estaría de más correr con 1k en lugar de 10k.
El NTC probablemente no funcionará como usted desea. Es mejor hacerlo con un comparador y usar la salida del borrador para sujetar el NPN en la base. Usaría un comparador de drenaje abierto dispuesto de tal manera que la salida fuera baja por encima de su temperatura máxima objetivo.
Pero creo que tiene problemas mucho más grandes en la física ... El ancho de pulso requerido y la latencia de activación requerida para acelerar su rumbo serán una función de su velocidad actual. Debe tener en cuenta la acumulación y el colapso del campo (después de todo, es un inductor enorme). Usaría un pequeño microcontrolador con cada etapa teniendo una entrada de la etapa anterior y una salida a la siguiente etapa. Esto permite que cada etapa calcule la velocidad sobre una distancia razonable, calcule el retardo de disparo requerido y el tiempo de permanencia, etc.
Necesito ayuda para calcular resistencias para un modelo modular de acelerador de partículas
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