Modelando cables largos en circuitos

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¿Cuál es la forma correcta de modelar cables realmente largos en circuitos (18ga, ~ 1500 pies)? Soy consciente de que las longitudes largas comienzan a acumularse resistencias no ignorables. Me pregunto si también empiezan a tener otros atributos (inductancia / capacitancia) y cuáles son sus enfoques para modelarlos para simulaciones. ¿Cómo puedes predecir estas características? (La resistencia es realmente fácil, ya que solo es de ohms / 1000 pies en una tabla de búsqueda).

Mi primer intento es a continuación. Tengo un cable largo modelado como una resistencia e inductor en serie. ¿Es esta una forma apropiada de hacerlo?

Contexto del problema (cómo llegué aquí / por qué esto me importa): Estoy buscando proporcionar cierre de tierra en un circuito de relé distante. Quiero usar la lógica (5V) para conducir un circuito que alimenta un relé que está muy lejos (quizás más de 1500 pies). Mis opciones investigadas son las siguientes:

  1. Relé electromecánico (con controlador Mosfet)
  2. Mosfet
  3. transistores
  4. Relés de estado sólido

Originalmente decidí cerrar el circuito con un relé (sí, un relé para iniciar un relé), pero me pregunto si un MOSFET puede hacer el trabajo. ¿Hay algún "gotcha's" para cambiar un circuito muy largo con un mosfet? Siento que no estoy tomando en cuenta la inductancia de la línea (¿cómo afectaría eso a mi circuito?) He buscado en los foros y descubrí que poner mosfets lejos de los conductores de sus puertas es un problema. ¿Es similar a lo que está manejando el mosfet (drenaje / fuente?)

Información adicional:

Consideraciones de diseño:

i. Corriente de fuga muy baja sobre la línea cuando se apaga. (mucho menos que un uA si es posible).

ii. Baja frecuencia de conmutación (solo enciéndalos una vez a la semana aproximadamente).

iii. Baja corriente de rendimiento en el conmutador (~ 40mA cuando está activado).

iv. Confiabilidad. No se puede tener un interruptor de encendido / apagado / no responde.

Creo que el # 3 a lo largo hace que un interruptor normal no sea una buena opción (la corriente mínima para garantizar que el interruptor se encienda debe ser de ~ 100 mA, ¿no?)

Aquí hay un diagrama del circuito en caso de que no estuviera claro (el mosfet / resistencia se puede reemplazar con cualquier elemento de conmutación / conducción):

LosimuléconLTSpiceintentandolosiguiente:

  1. Modeladoelrelécomounpardeinductor/resistencia(serie).
  2. Modeladoelcablecomounpardeinductor/resistencia(serie).
  3. Cambiólosvalores/intentéverquécambióelcomportamiento.

Intentéobtenerunasituaciónenlaquelaresistencia/inductanciafueramínima,yluegounaenlaquelainductanciaestuvieraalaparconelrelé.

Asíqueaquíestáelcircuitogeneralmodelado.

Y aquí están los cuatro que corrí uno junto al otro con diferentes valores:

Ylosresultadosdelascaídasdecorrienteyvoltajeenelrelé(queesloquemeimportayaquelonecesitoparaencender):

Resultadosdel"experimento":

  1. En condiciones ideales de cable (sin inductancia / resistencia) en la línea, la señal se enciende a 14 V cuando el mosfet está cerrado.
  2. Con la resistencia agregada al cable, el voltaje se reduce a medida que el tiempo avanza a un valor estable (pero todavía se ve bien)
  3. Con resistencia y un poco de inductancia, se comporta básicamente igual que 2.
  4. Con resistencia y mucha inductancia, el circuito realmente gira y se eleva hasta la tensión estable. Raro.

¿Algún comentario sobre mis métodos? ¿Estoy haciendo esto bien?

edite: diodo volteado (Descubrí muy rápidamente que estaba en la dirección equivocada cuando simulé en LTSpice y tenía un flujo de 220Amps. También gracias al Sr. Karas por haberlo visto), y agregó resultados de simulación. (Ver arriba)

    
pregunta bathMarm0t

2 respuestas

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Hay tres cuestiones principales que me vienen a la mente:

  1. Resistencia del cable: ya lo tenías en cuenta.
  2. Inductancia de cable: ya la tuvo en cuenta también (más sobre esto más adelante).
  3. Efectos de la línea de transmisión: afectarán su circuito si los cables tienen una longitud comparable o superior a la longitud de onda mínima de la "señal".

Sobre el punto 3: ya que no le preocupa la integridad de la señal (su "señal" es la línea de alimentación al relé), solo debe preocuparse si sus tiempos de conmutación son demasiado rápidos (cierta energía podría reflejarse desde la línea) hacia su transistor y freírlo). Si cambia el MOSET de forma relativamente lenta, el contenido de frecuencia del "paso" (una rampa, en realidad) no alcanzará ese límite y no tendrá problemas, aparte de una mayor disipación de potencia en el MOSFET durante el cambio, pero dado el extremo El ciclo de trabajo bajo del sistema es de poca importancia aquí probablemente.

De todos modos, LTspice tiene dos modelos diferentes que pueden representar líneas de transmisión: uno con pérdidas y uno sin pérdidas. Extractos de la guía en línea:

  

T. Línea de transmisión sin pérdida   Nombre del símbolo: TLINE

     

Sintaxis: Txxx L + L- R + R- Zo = Td =

     

L + y L- son los nodos en un puerto. R + y R- son los nodos para el   otro puerto Zo es la impedancia característica. La longitud de la línea   viene dada por el retardo de propagación Td.

     

Este elemento modela solo un modo de propagación. Si los cuatro nodos son   distintos en el circuito real, entonces pueden excitarse dos modos. A   simular tal situación, dos elementos de línea de transmisión son   necesario. Ver el archivo esquemático   . \ examples \ Educational \ TransmissionLineInverter.asc para ver un ejemplo   simulando ambos modos de una longitud de cable coaxial.

y:

  

O. Línea de transmisión con pérdida

     

Nombre del símbolo: LTLIN

     

Sintaxis: Oxxx L + L- R + R-

     

Ejemplo:

     

O1 in 0 out 0 MyLossyTline .model MyLossyTline LTRA (len = 1 R = 10 L = 1u   C = 10n)

     

Esta es una línea de transmisión con pérdida de un solo conductor. N1 y N2 son los   nodos en el puerto 1. N3 y N4 son los nodos en el puerto 2. Una tarjeta modelo es   Se requiere definir las características eléctricas de este circuito.   elemento.

     

Parámetros del modelo para líneas de transmisión con pérdida

     

[... tabla con todos los parámetros omitidos ...]

El punto 2 es más problemático, especialmente al cambiar el relé OFF : podría tener un retroceso inductivo que destruye su MOSFET debido a la inductancia del cable. Tenga en cuenta que el diodo a través del relé no lo protegerá en este caso. Por lo tanto, puede ser necesario un Zener de protección en la salida del transistor de conmutación (entre el drenaje y la tierra, el cátodo conectado al drenaje) para amortiguar ese retroceso inductivo.

Un artículo sobre el tema es aquí (no está relacionado directamente con su caso específico).

    
respondido por el Lorenzo Donati
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Dentro del modelo de línea de transmisión, también debe agregar capacitancia, ya que su valor en este caso es insignificante.

En una aplicación del mundo real, desearía usar alguna protección de salida, por ejemplo, limitación de corriente en caso de cortocircuito y diodo para ESD. Su frecuencia es muy baja, por lo que puede usar resistencia en serie en la puerta nmos 1k o menos. Se activará en nuestro tiempo y su drenaje de la fuente será < 5mA.

Espero que esto ayude.

    
respondido por el DominicusPlatus

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