Encendedor de fuegos artificiales de circuito de fósforo eléctrico (Ematch)

La publicación explica detalladamente un circuito de encendedor de fósforos eléctrico simple que se puede utilizar para implementar un encendido infalible de una serie de Ematches a través de un sistema de control basado en microcontroladores. La idea fue solicitada y explicada por el Sr. Jerry Shallis

Los detalles pueden entenderse leyendo la siguiente conversación por correo electrónico entre el Sr. Jerry y yo.

Especificaciones técnicas

Acabo de ver todas las cosas útiles en su sitio y comenzaría agradeciéndole por ponerlo todo en el dominio público. Es una referencia muy útil para aquellos de nosotros para quienes la electrónica no es nuestra habilidad principal.

Descubrí que habías publicado un circuito para un Sistema de encendido de fuegos artificiales ematch .

Creo que está cerca de lo que estoy buscando, para construir en mi propio sistema, pero es lo suficientemente diferente como para no poder adaptarlo yo mismo.

Estoy construyendo un sistema de disparo distribuido enlazado por radio basado en microcontroladores. Trabajo con un equipo de visualización profesional y he diseñado el sistema para ofrecer las mejores características de los sistemas comerciales, pero espero que sin las características innecesarias o el alto costo.

Después de haber sido ingeniero de software durante 30 años, no tengo ningún problema con el código, y hay buenos entornos integrados como Arduino o Raspberry Pi que hacen que el lado del hardware sea bastante sencillo, ¡incluso para un tipo de software!

Como resultado, he construido un sistema de disparo modular que puede procesar información de continuidad (voltaje) del encendedor en 24 pines en cada módulo, y puede generar una señal de 5 V en uno de los 24 pines de salida. Ahora tengo muchos módulos, todos controlados desde una unidad central.

Sin embargo, tengo un problema con los circuitos de salida, ya que esto requiere un conocimiento de la electrónica analógica que me supera. Se supone que cada módulo detecta la continuidad y enciende 24 encendedores.

Tengo 24 pines de entrada y 24 pines de salida por módulo. Por tanto, cada cue individual utiliza un pin de entrada y un pin de salida.

El pin de entrada puede medir (cuando el software lo indique) el voltaje relativo a Gnd.

El pin de salida se elevará y se mantendrá a 5 V durante un período establecido antes de reducirse a 0 V, nuevamente cuando el software lo indique.

Si solo estuviera construyendo una prueba de continuidad, sin función de disparo, podría conectar mi suministro de + 5V a una resistencia de 10 ohmios, el otro extremo de esa resistencia a un cable del encendedor (que tiene una resistencia de 1.5-2.5 ohmios) y luego desde el otro extremo del encendedor a Gnd.

Una línea desde la unión entre la resistencia y el ignorador, hasta el pin de entrada me permitiría medir la caída de voltaje y detectar la presencia o ausencia del encendedor.

Puede haber otras resistencias presentes para garantizar que no más de 0,2 A puedan pasar por el encendedor, que es su corriente máxima de no disparo.

Por otro lado, si solo estuviera construyendo un circuito de encendido, llevaría el pin de salida a la base de un transistor cuyo colector estaba conectado a + 18V y cuyo emisor estaba conectado a un cable del encendedor, con el otro cable de el encendedor conectado a tierra. Puede que sean necesarios otros componentes.

Los he visto en sistemas de disparo, pero realmente no entiendo sus roles en el circuito.

Hay 4 problemas que aún tengo que superar.

1) Para que sea útil, no debe haber partes móviles en el módulo de disparo. No debe haber 'conmutación' entre la función de detección de continuidad y la función de disparo.

Los 2 cables del encendedor deben enchufarse a un bloque de conexión fijo en el módulo, y su cableado interno debe permitir que se realicen las funciones de continuidad y detección sin que una afecte a la otra.

En el peor de los casos, si el circuito de incendio se energizó y, al mismo tiempo, la prueba de continuidad se estaba realizando en el mismo pin, no debe haber más de 5 V en el pin de entrada.

Y, por supuesto, la corriente de prueba de continuidad nunca debe energizar el transistor que disparará el encendedor.

2) Los circuitos de los 24 encendedores individuales no deben afectarse entre sí. Los circuitos deben estar aislados para que lo que sucede en un circuito no cause un impacto en otro.

Por ejemplo, cuando se dispara un dispositivo de encendido y su circuito de encendido se abre o se cortocircuita, eso no debe derivar ninguna corriente a uno de los otros circuitos y correr el riesgo de energizar su transistror.

3) Para ser práctico, espero construir varios de estos módulos.

Con 24 circuitos de continuidad y 24 de encendido por módulo, cuanto más de cada uno se pueda reducir a circuitos integrados u otros componentes montados en PCB, preferiblemente en paquetes de matriz, mejor y, por supuesto, más económico será el producto final.

Me complace encargar una placa personalizada y tal vez incluso ensamblar si el diseño puede respaldar esto.

4) El cuarto problema es uno que sería bueno superar, pero no es esencial. El software permitirá que varios pines de salida, y por lo tanto, encendedores, se activen a la vez.

En el lado digital, esto no es un problema, pero coloca una carga significativa en la fuente de alimentación del circuito de disparo.

Una batería LiPo de 18V probablemente podrá suministrar los 0.6-0.9A requeridos para encender muchos encendedores, pero con la resistencia interna de la batería, la resistencia de las longitudes de cable de cobre involucradas y el hecho de que a veces, conectamos más de uno. eMatch en serie a un solo circuito de disparo, es fácil ver que habrá un límite.

Para elevar este límite lo más alto posible, se podría usar una descarga capacitiva, con una batería más pequeña cargando uno o más capacitores, cuya energía luego se puede alimentar a los transistores.

Entiendo que esto puede ser mucho más efectivo que una simple conexión directa de energía de la batería.

Entonces, ¿este proyecto te atrae? ¿Está interesado y dispuesto a contribuir con su experiencia para convertir esto de un proyecto de banco, como es actualmente, en algo que realmente funcione?

Con mucho gusto le proporcionaré cualquier información adicional que pueda necesitar.

Saludos cordiales,

alemán

Diseñando el circuito

Hola jerry,

Por favor, revise el archivo adjunto, ¿funcionará esta configuración para usted?

Trabajar sin pulsador

Hola Swag,

Gracias por tomarse el tiempo de mirar esto.

Desafortunadamente, me temo que no fui lo suficientemente claro cuando dije que no puede haber interruptores físicos en el circuito.

El circuito debe funcionar sin un botón de continuidad. En cambio, debe haber una conexión constante desde algún lugar del circuito al pin de detección (entrada ADC) con un voltaje (solo 0-5V) cuyo valor se puede usar para afirmar si una carga de 1.5 - 10 ohmios es regalo.

También estoy un poco preocupado por la resistencia de 10 ohmios. Me parece que incluso sin voltaje de activación, la corriente del suministro de 18 V pasará a través de la carga y luego la resistencia de 10 ohmios a tierra, entregando 1.5 A a la carga, detonándola instantáneamente.

¿Está de acuerdo en que esto sucedería? ¿Puede aportar alguna modificación que aborde alguna de estas observaciones?

Muchas gracias,

alemán

La corrección de resistencia de 10 ohmios

Hola jerry,

Los 10 ohmios fueron de hecho un error, compruébelo ahora y avíseme si este circuito de encendido de fuegos artificiales de fósforo eléctrico (Ematch) serviría para el propósito

(ver archivo adjunto).

El diodo y el condensador son para asegurar que la señal se mantenga incluso mientras el transistor está conduciendo durante el período de activación de la carga.

El preajuste de 10k se puede ajustar para configurar un voltaje apropiado para la entrada ADC.

Muchas gracias Swag.

No estoy familiarizado con las características del TIP122 o del 4N35, así que obtendré sus hojas de datos y construiré el circuito para probar.

Esto puede llevar más tiempo de lo ideal, ya que me acabo de romper el brazo, ¡así que soldar será un desafío!

No obstante, estoy muy agradecido por su ayuda.

Me pregunto si tiene alguna idea sobre reemplazar el suministro de 18 V con un circuito de descarga capacitiva.

Sospecho que esto será mucho más sencillo y sin duda puedo encontrar referencias en Internet a esquemas estándar de carga / descarga, pero si tiene alguno que haya hecho antes, estaría ansioso por verlo.

Todo lo mejor,

alemán

Hola jerry,

Creo que ahora estoy empezando a comprender la configuración por completo.

¿Podría especificar el nivel de voltaje requerido para que la carga se dispare?

Esto me ayudaría a diseñar el circuito finalizado junto con la etapa de descarga capacitiva.

Atentamente.
Estilo

Los E-Matches son dispositivos de baja corriente

Hola Swag.

EMatches están especificados para disparar con corriente mínima, en lugar de voltaje. Los diferentes fabricantes dan la corriente de disparo mínima entre 0,35 A y 0,5 A, aunque la mayoría recomienda más cerca de 0,6 A-0,75 A para disparar con buena fiabilidad.

Los fabricantes también ofrecen diferentes resistencias internas para sus encendedores, desde 1,6 ohmios hasta 2,3 ohmios. Si conecta un solo eMatch de 2,3 ohmios a una batería de resistencia interna insignificante y busca 0,75 A, solo necesitará 1,725 ​​V para dispararlo.

Sin embargo, si el circuito de disparo único (que llamamos una 'señal') se usara para disparar 6 encendedores, conectados en serie, eso requeriría 10,35 V. En el mundo real, existen resistencias adicionales, tanto de la fuente de energía como del cableado de cobre entre los encendedores. En consecuencia, se suele tomar 12-24 V como línea de base.

Luego está la consideración de que hay 24 señales en cada módulo, todas compartiendo la misma fuente de energía.
El software permitirá disparar las 24 señales a la vez.

Las señales están efectivamente en paralelo, y cada señal puede dibujar al menos 0,75 A. Por lo tanto, la fuente de energía debe poder suministrar 18 A para que esto suceda.

Cuando necesitamos conectar varios encendedores a una sola señal, siempre lo hacemos en serie, nunca en paralelo. Nuestro objetivo es el 100% de confiabilidad y una conexión en serie siempre fallará en su prueba de continuidad si un solo encendedor está defectuoso. Paralelamente, se pueden pasar por alto varios encendedores defectuosos.

Aunque toda esta corriente y voltaje es inusual para circuitos pequeños, existen algunas compensaciones.

En primer lugar, el objetivo es hacer que los encendedores se quemen, por lo que el exceso de voltaje o corriente nunca es un problema, siempre que los componentes puedan soportar la energía.

En segundo lugar, los encendedores generalmente se queman en 20-50 ms, por lo que la extracción solo será bastante corta y es poco probable que los componentes tengan que disipar mucho calor.

La consideración principal debe ser si el transistor de conmutación de potencia puede derivar tanta potencia.

El software que dispara (eleva el percutor a 5 V) cada señal lo mantendrá a + 5 V durante solo 500 ms antes de bajarlo a 0 V, por lo que nunca habrá energía a través del circuito de salida durante más de 500 ms, incluso si el encendedor dispara pero luego se corta a sí mismo después (siempre un riesgo).

Una nota en el lado sensorial del circuito. Puedo ver que su diseño proporcionará 0 V al ADC si falta el encendedor o ya se ha abierto.

Sin embargo, si está dañado o mal cableado y tiene un cortocircuito, no creo que sea detectable, ¿verdad? Este no es un problema fundamental, aunque esperaba usar el ADC para detectar circuito abierto, cortocircuito o resistencia sensible en el rango de 1 a 15 ohmios.

Por último, creo que los condensadores deberán cargarse y descargarse bajo el control del software.

Podría suponer que hay otro pin en el módulo que se llevará a + 5V cuando el condensador se cargue, y caerá a 0V cuando el condensador se descargue. Se requerirá una derivación segura en la que descargar el condensador.

Tengo la sospecha de que esta disposición puede requerir un cambio en el circuito de detección, ya que la función de detección debería funcionar tanto si el condensador está cargado como si no.

También es importante asegurarse de que la corriente a través del encendedor se mantenga al mínimo absoluto para fines de detección. Solo he leído hoy que con una corriente constante menor que el fuego mínimo (digamos, 0,25 A, que es menos que el fuego mínimo de 0,35 A), el encendedor todavía se calentará y puede disparar después de varios segundos.

En consecuencia, se cree que las corrientes de prueba constantes deberían ser inferiores al 10% de la corriente de fuego mínima (que sería de 35 mA) y posiblemente tan bajas como el 1% (3,5 mA).

Espero que esto no cambie las cosas de manera demasiado radical.

Muchas gracias por su continuo interés.

Todo lo mejor,

alemán

Usando una CC baja

Hola jerry,

OK, eso significa que el voltaje de disparo es un CC de bajo voltaje, lo confundí con un voltaje alto cuando mencionaste el término 'descarga capacitiva' ... así que creo que debería dejar esto para que tú decidas con respecto a la figura apropiada, ya que el TIP122 puede manejar más de 3 amperios a 100 V, por lo que hay un amplio rango para jugar.

Colocaré un comparador opamp en el lado del sensor que le permitirá seleccionar el rango de detección según cualquier especificación deseada.

Intentaré diseñarlo pronto y te avisaré una vez que esté terminado

Hola Swag,

Gracias una vez más por su tiempo en esto. Tiene mucha más experiencia en electrónica analógica que yo y ha logrado en unos días lo que había pasado muchos meses desconcertado.

Entiendo totalmente su punto sobre la detección del rango de la carga: esto fue solo una aspiración y el sistema no dejará de funcionar sin él.

Tomé lo que me proporcionó y lo ejecuté a través del simulador de circuito EasyEDA, donde funciona exactamente como esperaba, al menos con un solo circuito. Indica que con el potenciómetro al 10%, el ADC verá 0.36V cuando hay un encendedor presente, y 0V cuando está abierto, que es lo que necesitaré para que esto funcione. Cuando el encendedor está energizado, esto sube a 1.4V, lo cual es perfectamente seguro.

La corriente de detección ni siquiera es medible, mientras que la corriente de disparo parece 3,2 A, lo que disparará cualquier cosa. Mi siguiente tarea es simular múltiples circuitos independientes, hasta los 24 que tendré en un módulo, y buscar cualquier evidencia de cruce.

He adjuntado el esquema del circuito y las corrientes y voltajes simulados.

Tengo que trabajar con lo que es compatible, por lo que la simulación usa un transistor Darlington diferente, pero creo, a menos que me avise lo contrario, que ilustra el comportamiento esperado. Por cierto, V1 es una onda cuadrada de 5 V con una frecuencia de 1 Hz, ya que esto permite la simulación del percutor de 5 V en alto.

¿Puede sugerir cuánto del circuito se puede compartir entre las 24 señales de un módulo?

El voltaje de suministro primario, al igual que cualquier suministro de voltaje más bajo requerido para alimentar el LM7805, y por supuesto, una tierra común.

¿Se puede usar un solo LM7805 para proporcionar la entrada para todos los 4N35? Supongo que el resto tendrá que ser único para cada señal, lo que me da una lista de compras, pero agradecería su opinión sobre la construcción de un módulo de 24 señales.

Finalmente, todavía me pregunto cuáles son las opciones para agregar una fuente de energía de descarga capacitiva en lugar de la fuente de 18V.

Tengo entendido que los sistemas de disparo comerciales los usarán porque su baja resistencia interna hace posible pasar altas corrientes a través de encendedores de baja resistencia. ¿Es correcto que un C.D. La fuente tendrá una resistencia interna más baja que una batería?

Algunos sistemas de disparo pueden tener un voltaje de fuego bastante alto, pero probablemente esto sea solo una consecuencia de cómo funciona la descarga capacitiva. 18V es tanto como se necesita, aunque más ciertamente no hará daño.

Es un C.D. fuente algo sencillo de agregar? ¿Sería posible agregar algo que funcionara con 6 pilas AA recargables de 1,2 V?

Si eso fuera posible, esa misma fuente de 7.2V alimentará felizmente tanto el LM7805 para el circuito de disparo como para la placa arduino. Creo que sería una solución bastante perfecta.

Todos los mejores deseos,
alemán

Presentando el diseño modificado

Hola jerry,

He modificado el diseño según las especificaciones.

El BC547 se asegura de que el ADC continúe recibiendo la lógica alta mientras el transistor está activado y, por lo tanto, permite que la carga se dispare completamente.

La detección del rango de la carga podría requerir la inclusión de un circuito mucho más complejo, por lo que decidí no incluirlo en el diseño.

Avísame si tienes más dudas.

Hola Swag,

Gracias una vez más por su tiempo en esto. Tiene mucha más experiencia en electrónica analógica que yo y ha logrado en unos días lo que había pasado muchos meses desconcertado.

Entiendo totalmente su punto sobre la detección del rango de la carga: esto fue solo una aspiración y el sistema no dejará de funcionar sin él.

Tomé lo que me proporcionó y lo ejecuté a través del simulador de circuito EasyEDA, donde funciona exactamente como esperaba, al menos con un solo circuito.

Indica que con el potenciómetro al 10%, el ADC verá 0.36V cuando hay un encendedor presente, y 0V cuando está abierto, que es lo que necesitaré para que esto funcione.

Cuando el encendedor está energizado, esto sube a 1.4V, lo cual es perfectamente seguro.

La corriente de detección ni siquiera es medible, mientras que la corriente de disparo parece 3,2 A, lo que disparará cualquier cosa. Mi siguiente tarea es simular múltiples circuitos independientes, hasta los 24 que tendré en un módulo, y buscar cualquier evidencia de cruce.

He adjuntado el esquema del circuito y las corrientes y voltajes simulados.

Tengo que trabajar con lo que es compatible, por lo que la simulación usa un transistor Darlington diferente, pero creo, a menos que me avise lo contrario, que ilustra el comportamiento esperado. Por cierto, V1 es una onda cuadrada de 5 V con una frecuencia de 1 Hz, ya que esto permite la simulación del percutor de 5 V en alto.

¿Puede sugerir cuánto del circuito se puede compartir entre las 24 señales de un módulo?

El voltaje de suministro primario, al igual que cualquier suministro de voltaje más bajo requerido para alimentar el LM7805, y por supuesto, una tierra común. ¿Se puede usar un solo LM7805 para proporcionar la entrada para todos los 4N35?

Supongo que el resto tendrá que ser único para cada señal, lo que me da una lista de compras, pero agradecería su opinión sobre la construcción de un módulo de 24 señales.

Finalmente, todavía me pregunto cuáles son las opciones para agregar una fuente de energía de descarga capacitiva en lugar de la fuente de 18V.

Tengo entendido que los sistemas de disparo comerciales los usarán porque su baja resistencia interna hace posible pasar altas corrientes a través de encendedores de baja resistencia.

¿Es correcto que un C.D. La fuente tendrá una resistencia interna más baja que una batería? Algunos sistemas de disparo pueden tener un voltaje de fuego bastante alto, pero probablemente esto sea solo una consecuencia de cómo funciona la descarga capacitiva.

18V es tanto como se necesita, aunque más ciertamente no hará daño. Es un C.D. fuente algo sencillo de agregar? ¿Sería posible agregar algo que funcionara con 6 pilas AA recargables de 1,2 V?

Si eso fuera posible, esa misma fuente de 7.2V alimentará felizmente tanto el LM7805 para el circuito de disparo como para la placa arduino. Creo que sería una solución bastante perfecta.

Todos los mejores deseos,

alemán

Hola jerry,

Aquí están las respuestas,

El transistor se puede reemplazar con cualquier transistor NPN con la clasificación adecuada según su preferencia, nada es crítico aquí, excepto las especificaciones V e I.

Un solo 7805 sería suficiente para todas las etapas de detección, siendo el ADC una entrada de alta impedancia, el consumo de corriente sería insignificante y puede ignorarse.

Sin embargo, como mencionó correctamente, la etapa de encendido de potencia deberá ser única para cada una de las 24 señales (un total de 24 números de transistores de potencia con 24 entradas de activación) Se puede probar una fuente de 7.2V con celdas AAA para alimentar todo el sistema, en orden Para aumentar el voltaje a 18 V, puede intentar usar el primer concepto de circuito que se muestra en el siguiente artículo: https://homemade-circuits.com/2012/10/1-watt-led-driver-using-joule-thief.html Puede reemplazar el 1.5V con su fuente de 7.2V y reemplazar el LED con un puente rectificador y un condensador asociado de 2200uF / 25V. asegúrese de conectar una carga de 4k7 a través de este condensador.

El transistor podría reemplazarse con un BD139. Puede que tenga que ajustar un poco las vueltas de la bobina en ambos lados para determinar el resultado más adecuado. Avísame si tienes más consultas.

Atentamente.

Estilo

Hola Swag,

He estado esperando que lleguen los componentes. He construido el circuito y estoy encantado de poder confirmar que funciona. Así que una vez más, mi agradecimiento por toda su inestimable ayuda. Estoy muy agradecido.

Cuando construí el circuito, lo probé primero con una señal directa de 5V en la entrada y el encendedor se encendió inmediatamente, lo cual fue genial.

Sin embargo, cuando me conecté a mi Arduino, descubrí que al poner los pines digitales en modo de salida también se activaba el encendedor al instante, lo que no era tan bueno.

Aunque pensé que los pines de salida digital estaban bajos internamente, parece que no es el caso, pero ahora estoy configurando su estado en apagado antes de configurar el modo de pin en salida, y eso lo ha abordado bastante bien.

También me sorprendió descubrir que cuando el potenciómetro reduce la resistencia entre el encendedor y el pin 1 en el optoacoplador, la corriente a través de la resistencia de 1k, el encendedor y el potenciómetro aún puede ser lo suficientemente baja como para permitir que pase una corriente de disparo. a tierra en el pin 2.

En mi opinión, incluso con el potenciómetro que proporciona 0 ohmios, esa corriente debe ser inferior a 18/1002 o 0,017 A. Eso no debería ser suficiente para disparar el encendedor, según su hoja de datos.

Sin embargo, con la olla agregando alrededor de 5k ohmios, el encendedor permanece frío. Sin duda, esta fue la razón por la que usó un potenciómetro y no solo un par de resistencias fijas.

Entonces experimentaré a continuación con una variedad de encendedores de otros proveedores y descubriré el ajuste del potenciómetro que permitirá que todos disparen solo cuando deberían. Entonces puedo construir una unidad de tamaño completo con resistencias fijas aquí.

Así que, en resumen, todo funciona tal como esperaba y estoy muy agradecido de que me haya ahorrado el tiempo para brindar su opinión. No dude en publicar el circuito y nuestro diálogo, junto con mi agradecimiento y reconocimiento a su habilidad.

Saludos Cordiales,

alemán

PD. para responder a su pregunta final, sí, las 24 entradas ADC son únicas e independientes, al igual que las 24 salidas digitales. Estoy usando Mux Shield 2 para aumentar la capacidad básica del ATmega328P.