Ignitor de fogo de artifício do circuito de fósforo elétrico (Ematch)

Ignitor de fogo de artifício do circuito de fósforo elétrico (Ematch)

A postagem explica de forma abrangente um circuito de ignição de fósforo elétrico simples que pode ser usado para implementar uma ignição infalível de uma série de Ematches por meio de um sistema de controle baseado em microcontrolador. A ideia foi solicitada e explicada pelo Sr. Jerry Shallis



Os detalhes podem ser entendidos lendo a seguinte discussão por e-mail entre o Sr. Jerry e eu.

Especificações técnicas

Acabo de ver todas as coisas úteis do seu site e gostaria de começar agradecendo por colocar tudo em domínio público. É uma referência muito útil para aqueles para quem a eletrônica não é nossa principal habilidade.





Eu descobri que você publicou um circuito para um Ematch sistema de ignição de fogos de artifício .

Acho que está perto do que estou procurando, de construir em meu próprio sistema, mas é tão diferente que não consigo adaptá-lo sozinho.



Estou construindo um sistema de disparo distribuído por rádio baseado em microcontrolador. Eu trabalho com uma equipe de exibição profissional e projetei o sistema para oferecer todos os melhores recursos dos sistemas comerciais, mas espero que sem os recursos desnecessários ou o alto custo.

Tendo sido engenheiro de software por 30 anos, não tenho nenhum problema com o código, e existem bons ambientes embutidos como Arduino ou Raspberry Pi que tornam o lado do hardware bastante simples - até mesmo para um especialista em software!

Como resultado, eu construí um sistema de disparo modular que pode processar informações de continuidade (tensão) do ignitor em 24 pinos em cada módulo e pode gerar um sinal de 5 V em um dos 24 pinos de saída. Agora tenho muitos módulos, todos controlados por uma unidade central.

No entanto, tenho um problema com o circuito de saída, pois isso requer um conhecimento de eletrônica analógica que está além de mim. Cada módulo deve detectar a continuidade e o incêndio de 24 ignitores.

Tenho 24 pinos de entrada e 24 pinos de saída por módulo. Cada sugestão individual, portanto, usa um pino de entrada e um pino de saída.

O pino de entrada pode medir (quando o software o instrui a fazer isso) a tensão relativa a Gnd.

O pino de saída será elevado e mantido em 5 V por um período definido antes de ser reduzido para 0 V, novamente quando o software o instruir a fazer isso.

Se eu estivesse apenas construindo um teste de continuidade, sem função de disparo, eu poderia conectar minha alimentação de + 5V a um resistor de 10 ohms, a outra extremidade desse resistor a um fio do ignitor (que tem uma resistência de 1,5-2,5 ohms) e então da outra extremidade do ignitor para Gnd.

Uma linha que vai da junção entre o resistor e o ignitor até o pino de entrada me permitiria medir a queda de tensão e detectar a presença ou ausência do ignitor.

Pode haver outros resistores presentes para garantir que não mais do que 0,2 A passem pelo ignitor, que é sua corrente máxima sem fogo.

Por outro lado, se eu estivesse apenas construindo um circuito de disparo, levaria o pino de saída para a base de um transistor cujo coletor estava conectado a + 18V e cujo emissor estava conectado a um fio do ignitor, com o outro fio do o ignitor conectado à terra. Pode haver outros componentes necessários.

Eu vi isso em sistemas de disparo, mas realmente não entendo suas funções no circuito.

Existem 4 problemas que ainda não superei.

1) Para ser útil, não deve haver partes móveis no módulo de queima. Não deve haver nenhuma 'troca' entre a função de detecção de continuidade e a função de disparo.

Os 2 fios do ignitor devem ser conectados a um bloco de conexão fixa no módulo, e sua fiação interna deve permitir que as funções de continuidade e detecção ocorram sem que uma afete a outra.

Na pior das hipóteses, se o circuito de incêndio estiver energizado e, ao mesmo tempo, o teste de continuidade estiver sendo executado no mesmo pino, não deve haver mais de 5 V no pino de entrada.

E é claro que a corrente de teste de continuidade nunca deve energizar o transistor que irá disparar o ignitor.

2) Os circuitos dos 24 ignitores individuais não devem afetar um ao outro. Os circuitos devem ser isolados para que o que acontece em um circuito não cause impacto em outro.

Por exemplo, quando um ignitor dispara e seu circuito de disparo abre ou entra em curto, isso não deve desviar nenhuma corrente para um dos outros circuitos e corre o risco de energizar seu transistror.

3) Para ser prático, espero construir alguns desses módulos.

Com 24 continuidade e 24 circuitos de disparo por módulo, quanto mais de cada um pode ser reduzido a ICs ou outros componentes montados em PCB, de preferência em pacotes de matriz, melhor e, claro, mais barato será o produto final.

Estou feliz em encomendar uma placa personalizada e talvez até mesmo uma montagem, se o projeto puder suportar isso.

4) O quarto problema é um que seria bom superar, mas não é essencial. O software permitirá que vários pinos de saída e, portanto, ignitores, sejam disparados de uma vez.

No lado digital, isso não é um problema, mas coloca uma carga significativa na fonte de alimentação do circuito de disparo.

Uma bateria LiPo de 18 V provavelmente será capaz de fornecer 0,6-0,9 A necessária para disparar muitos ignitores, mas com a resistência interna da bateria, a resistência dos comprimentos de fio de cobre envolvidos e o fato de que às vezes, conectamos mais de um eMatch em série para um único circuito de disparo, é fácil ver que haverá um limite.

Para elevar este limite o mais alto possível, uma descarga capacitiva poderia ser usada, com uma bateria menor carregando um ou mais capacitores, cuja energia pode então ser alimentada para os transistores.

Eu entendo que isso pode ser muito mais eficaz do que uma simples conexão direta de energia da bateria.

Então, este projeto atrai você? Você está interessado e disposto a contribuir com sua expertise para transformar isso de um projeto de bancada, como é atualmente, em algo que realmente funcione?

Terei todo o prazer em fornecer quaisquer informações adicionais que possa necessitar.

Atenciosamente,

Jerry

Projetando o Circuito

Oi Jerry,

Verifique o anexo. Esta configuração funcionará para você?

Circuito de fósforo elétrico (Ematch)

Trabalhar sem um botão de pressão

Oi Swag,

Obrigado por dedicar seu tempo para analisar isso.

Infelizmente, temo não ter sido suficientemente claro quando disse que não pode haver interruptores físicos no circuito.

O circuito precisa funcionar sem um botão de continuidade. Em vez disso, deve haver uma conexão constante de algum lugar no circuito para o pino de detecção (entrada ADC) com uma tensão (apenas 0-5 V) cujo valor pode ser usado para determinar se uma carga de 1,5 - 10 ohms é ou não presente.

Também estou um pouco preocupado com o resistor de 10 ohms. Parece-me que mesmo sem tensão de disparo, a corrente da fonte de 18 V passará pela carga e, em seguida, o resistor de 10 ohm para o terra, fornecendo 1,5 A para a carga, detonando-a instantaneamente.

Você concorda que isso aconteceria? Você pode fazer alguma modificação que trate de qualquer uma dessas observações?

Muito Obrigado,

Jerry

A correção de 10 Ohm Rsistor

Oi Jerry,

Os 10 ohms foram de fato um erro, por favor, verifique agora e me diga se este circuito de ignição de fogo de artifício de fósforo elétrico (Ematch) serviria ao propósito

(ver anexo).

O diodo e o capacitor servem para garantir que o sinal se mantenha mesmo enquanto o transistor está conduzindo durante o período de disparo da carga.

A predefinição de 10k pode ser ajustada para configurar uma tensão apropriada para a entrada ADC.

Circuito para ignitor de fogo de artifício

Muito obrigado Swag.

Não estou familiarizado com as características do TIP122 ou do 4N35, então pegarei suas planilhas e construirei o circuito para teste.

Isso pode levar mais tempo do que o ideal, pois acabei de quebrar meu braço, então soldar será um desafio!

No entanto, estou muito grato por sua ajuda.

Gostaria de saber se você tem alguma ideia sobre a substituição da fonte de 18 V por um circuito de descarga capacitiva?

Suspeito que isso seja muito mais simples e posso, sem dúvida, encontrar referências na Internet a esquemas padrão de carga / descarga, mas se você tiver algum que já tenha feito antes, gostaria de ver?

Tudo de bom,

Jerry

Oi Jerry,

Acho que agora estou começando a entender a configuração completamente.

Você poderia especificar o nível de tensão necessário para a carga disparar?

Isso me ajudaria a projetar o circuito finalizado junto com o estágio de descarga capacitiva.

Cumprimentos.
Swag

E-Matches são dispositivos de baixa corrente

Olá, Swag.

EMatches são especificados para disparar com corrente mínima, em vez de tensão. Diferentes fabricantes fornecem a corrente de disparo mínima entre 0,35 A e 0,5 A, embora a maioria recomende próximo a 0,6 A a 0,75 A para disparar com boa confiabilidade.

Os fabricantes também fornecem diferentes resistências internas para seus ignitores, de 1,6 ohms a 2,3 ohms. Se você conectar um único eMatch de 2,3 ohm a uma bateria de resistência interna desprezível e procurar 0,75 A, levará apenas 1,725 ​​V para dispará-la.

No entanto, se o circuito de disparo único (que chamamos de 'cue') fosse usado para disparar 6 ignitores, conectados em série, isso exigiria 10,35V. No mundo real, existem resistências adicionais presentes, tanto da fonte de energia quanto da fiação de cobre entre os ignitores. Consequentemente, 12-24 V é geralmente considerado como linha de base.

Depois, há a consideração de que existem 24 pistas em cada módulo, todas compartilhando a mesma fonte de energia.
O software permitirá que todas as 24 cues sejam disparadas de uma vez.

As sugestões estão efetivamente em paralelo, e pelo menos 0,75 A pode ser desenhado por cada sugestão. Então a fonte de energia deve ser capaz de fornecer 18A para que isso aconteça.

Quando precisamos conectar vários dispositivos de ignição a uma única sugestão, sempre fazemos isso em série - nunca em paralelo. Nosso objetivo é 100% de confiabilidade e uma conexão em série sempre falhará em seu teste de continuidade se um único ignitor estiver com defeito. Em paralelo, vários ignitores com defeito podem ser perdidos.

Embora toda essa corrente e tensão sejam incomuns para circuitos pequenos, existem algumas compensações.

Em primeiro lugar, o objetivo é fazer com que os ignitores queimem, para que o excesso de tensão ou corrente nunca seja um problema, desde que os componentes possam lidar com a energia.

Em segundo lugar, os ignitores normalmente queimam em 20-50ms, de modo que a extração será muito curta e os componentes provavelmente não terão que dissipar muito calor.

A principal consideração deve ser se o transistor de comutação de energia pode desviar essa quantidade de energia.

O software que dispara (aumenta o pino de disparo para 5 V) cada sugestão irá mantê-lo em + 5 V por apenas 500 ms antes de deixá-lo cair para 0 V, então nunca haverá energia através do circuito de saída por mais de 500 ms, mesmo se o ignitor disparar, mas então entrar em curto depois (sempre um risco).

Uma nota sobre o lado do circuito de detecção. Posso ver que seu projeto fornecerá 0 V ao ADC se o ignitor estiver faltando ou já tiver explodido.

No entanto, se ele estiver danificado ou mal conectado e estiver em curto, não acho que será detectável, certo? Este não é um problema fundamental, embora eu esperasse usar o ADC para detectar circuito aberto, curto-circuito ou resistência sensível na faixa de 1 a 15 ohms.

Finalmente, acho que o (s) capacitor (es) precisarão ser carregados e descarregados sob o controle do software.

Você pode presumir que há outro pino no módulo que será puxado para + 5 V quando o capacitor deve carregar e cairá para 0 V quando o capacitor deve descarregar. Será necessário um shunt seguro para descarregar o capacitor.

Suspeito que esse arranjo possa exigir uma mudança no circuito de detecção, uma vez que a função de detecção deve operar quer o capacitor esteja carregado ou não.

É importante também garantir que a corrente através do ignitor seja mantida em um mínimo absoluto para fins de detecção. Eu li apenas hoje que com uma corrente constante menor que o fogo mínimo (digamos, 0,25 A, que é menor que 0,35 A mínimo), o ignitor ainda aquece e pode disparar após alguns segundos.

Consequentemente, pensa-se que as correntes de teste constantes devem ser menores do que 10% da corrente mínima de incêndio (que seria 35mA) e, possivelmente, tão baixas quanto 1% (3,5mA).

Espero que isso não esteja mudando as coisas radicalmente.

Muito obrigado pelo seu interesse contínuo.

Tudo de bom,

Jerry

Usando um baixo DC

Oi Jerry,

OK, isso significa que a tensão de disparo é uma CC de baixa tensão, confundi-a com uma alta tensão quando mencionou o termo 'descarga capacitiva' ... então acho que devo deixar isso para você decidir sobre o valor apropriado, já que o TIP122 pode suportar bem mais de 3 ampères em 100 V, então há um amplo alcance para brincar.

Vou colocar um comparador OP no lado do sensor que permitirá que você selecione o intervalo de detecção de acordo com qualquer especificação desejada.

Tentarei projetá-lo em breve e avisarei quando estiver concluído

Oi Swag,

Obrigado mais uma vez pelo seu tempo nisso. Você tem muito mais experiência em eletrônica analógica do que eu e conseguiu em poucos dias o que passei muitos meses tentando descobrir.

Compreendo perfeitamente o seu ponto de vista sobre a detecção da amplitude da carga - foi apenas uma aspiração e o sistema não deixará de funcionar sem ela.

Peguei o que você forneceu e o executei no simulador de circuito EasyEDA, onde funciona exatamente como eu esperava - pelo menos com um único circuito. Indica que com o potenciômetro em 10%, o ADC verá 0,36 V quando houver um ignitor presente e 0 V quando estiver aberto, que é o que vou exigir para que isso funcione. Quando o ignitor é energizado, ele sobe para 1,4 V, o que é perfeitamente seguro.

A corrente de detecção nem mesmo é mensurável, enquanto a corrente de disparo parece 3.2A, que disparará qualquer coisa. Minha próxima tarefa é simular vários circuitos independentes, até os 24 que terei em um módulo, e procurar qualquer evidência de crossover.

Anexei o esquema do circuito e as correntes e tensões simuladas.

Tive de trabalhar com o que é suportado, e é por isso que a simulação usa um transistor darlington diferente, mas acredito - a menos que você me informe de outra forma - que ilustra o comportamento esperado. V1 aliás é uma onda quadrada de 5 V com frequência de 1 Hz, pois permite a simulação do pino de disparo de 5 V indo para o alto.

Você pode sugerir quanto do circuito pode ser compartilhado entre as 24 pistas em um módulo?

A tensão de alimentação primária funcionará, assim como qualquer fonte de tensão inferior necessária para alimentar o LM7805 e, claro, um aterramento comum.

Um único LM7805 pode ser usado para fornecer a entrada para todos os 4N35s? Suponho que o resto terá de ser único para cada sugestão, o que me dá uma lista de compras, mas gostaria de receber sua opinião sobre a construção de um módulo de 24 sugestões.

Finalmente, ainda estou me perguntando quais são as opções para adicionar uma fonte de energia de descarga capacitiva no lugar da fonte de 18V.

Meu entendimento é que os sistemas de disparo comerciais os usarão porque sua baixa resistência interna torna possível a passagem de altas correntes por ignitores de baixa resistência. É correto que um C.D. fonte terá menor resistência interna do que uma bateria?

Alguns sistemas de disparo podem ter uma voltagem de incêndio bastante alta, mas isso provavelmente é apenas uma consequência de como funciona a descarga capacitiva. 18V é o quanto é necessário, embora mais certamente não fará mal.

É um C.D. fonte algo simples para adicionar? Seria possível adicionar algo que funcionasse com 6 pilhas AA recarregáveis ​​de 1,2 V?

Se isso fosse possível, a mesma fonte de 7,2 V alegremente alimentará o LM7805 para o circuito de disparo e também a placa arduino. Acho que seria uma solução perfeita.

Todos os melhores desejos,
Jerry

Apresentando o Projeto Modificado

Oi Jerry,

Eu modifiquei o design de acordo com as especificações.

O BC547 certifica-se de que o ADC continua a receber a lógica alta enquanto o transistor é acionado e, portanto, permite que a carga seja totalmente acionada.

Detectar o alcance da carga pode exigir a inclusão de um circuito muito complexo, então decidi ir sem ele no projeto.

Deixe-me saber se você tiver mais dúvidas.

Oi Swag,

Obrigado mais uma vez pelo seu tempo nisso. Você tem muito mais experiência em eletrônica analógica do que eu e conseguiu em poucos dias o que passei muitos meses tentando descobrir.

Compreendo perfeitamente o seu ponto de vista sobre a detecção da amplitude da carga - foi apenas uma aspiração e o sistema não deixará de funcionar sem ela.

Peguei o que você forneceu e o executei no simulador de circuito EasyEDA, onde funciona exatamente como eu esperava - pelo menos com um único circuito.

Indica que com o potenciômetro em 10%, o ADC verá 0,36 V quando houver um ignitor presente e 0 V quando estiver aberto, que é o que vou exigir para que isso funcione.

Quando o ignitor é energizado, ele sobe para 1,4 V, o que é perfeitamente seguro.

A corrente de detecção nem mesmo é mensurável, enquanto a corrente de disparo parece 3.2A, que disparará qualquer coisa. Minha próxima tarefa é simular vários circuitos independentes, até os 24 que terei em um módulo, e procurar qualquer evidência de crossover.

Anexei o esquema do circuito e as correntes e tensões simuladas.

Tive de trabalhar com o que é suportado, e é por isso que a simulação usa um transistor darlington diferente, mas acredito - a menos que você me informe de outra forma - que ilustra o comportamento esperado. V1 aliás é uma onda quadrada de 5 V com frequência de 1 Hz, pois permite a simulação do pino de disparo de 5 V indo para o alto.

Você pode sugerir quanto do circuito pode ser compartilhado entre as 24 pistas em um módulo?

A tensão de alimentação primária funcionará, assim como qualquer fonte de tensão inferior necessária para alimentar o LM7805 e, claro, um aterramento comum. Um único LM7805 pode ser usado para fornecer a entrada para todos os 4N35s?

Suponho que o resto terá de ser único para cada sugestão, o que me dá uma lista de compras, mas gostaria de receber sua opinião sobre a construção de um módulo de 24 sugestões.

Finalmente, ainda estou me perguntando quais são as opções para adicionar uma fonte de energia de descarga capacitiva no lugar da fonte de 18V.

Meu entendimento é que os sistemas de disparo comerciais os usarão porque sua baixa resistência interna torna possível a passagem de altas correntes por ignitores de baixa resistência.

É correto que um C.D. fonte terá menor resistência interna do que uma bateria? Alguns sistemas de disparo podem ter uma voltagem de incêndio bastante alta, mas isso provavelmente é apenas uma consequência de como funciona a descarga capacitiva.

18V é o quanto é necessário, embora mais certamente não fará mal. É um C.D. fonte algo simples para adicionar? Seria possível adicionar algo que funcionasse com 6 pilhas AA recarregáveis ​​de 1,2 V?

Se isso fosse possível, a mesma fonte de 7,2 V alegremente alimentará o LM7805 para o circuito de disparo e também a placa arduino. Acho que seria uma solução perfeita.

Todos os melhores desejos,

Jerry

Oi Jerry,

Aqui estão as respostas,

O transistor pode ser substituído por qualquer transistor NPN apropriadamente classificado de acordo com sua preferência, nada é crítico aqui, exceto as especificações V e I.

Um único 7805 seria suficiente para todos os estágios de detecção, o ADC sendo uma entrada de alta impedância, o consumo de corrente seria insignificante e pode ser ignorado.

No entanto, como você mencionou corretamente, o estágio de ignição de energia precisará ser exclusivo para cada um dos 24 sinais (total de 24 nos de transistores de energia com 24 entradas de disparo). Uma fonte de 7,2 V usando células AAA pode ser testada para alimentar todo o sistema, em ordem para aumentar a tensão para 18 V, você pode tentar usar o primeiro conceito de circuito mostrado no seguinte artigo: https://homemade-circuits.com/2012/10/1-watt-led-driver-using-joule-thief.html Você pode substituir 1,5 V por sua fonte de 7,2 V e substituir o LED por um retificador de ponte e um capacitor de 2200uF / 25 V associado. certifique-se de conectar uma carga 4k7 a este capacitor.

O transistor pode ser substituído por um BD139. Você pode ter que ajustar um pouco as voltas da bobina em ambos os lados para determinar o resultado mais adequado. Deixe-me saber se você tiver mais dúvidas?

Cumprimentos.

Swag

Oi Swag,

Estou esperando os componentes chegarem. Construí o circuito e estou muito contente por poder confirmar que funciona. Portanto, mais uma vez, muito obrigado por toda a sua ajuda inestimável - estou muito grato.

Quando construí o circuito, testei-o primeiro com um sinal direto de 5 V na entrada e o ignitor disparou imediatamente, o que foi ótimo.

Quando conectado ao meu Arduino, no entanto, descobri que colocar os pinos digitais no modo de saída também disparou o ignitor instantaneamente, o que não foi tão bom.

Embora eu tenha pensado que os pinos de saída digital foram internamente puxados para baixo, parece não ser o caso, mas agora estou definindo seu estado como desligado antes de definir o modo de pino para saída, e isso resolveu o problema muito bem.

Também fiquei surpreso ao descobrir que quando o potenciômetro reduz a resistência entre o ignitor e o pino 1 no optoacoplador, a corrente através do resistor de 1k, o ignitor e o potenciômetro ainda pode ser baixa o suficiente para permitir que uma corrente de disparo vá para aterrar no pino 2.

Na minha opinião, mesmo com o potenciômetro fornecendo 0 ohms, essa corrente deve ser inferior a 18/1002 ou 0,017A. Isso não deve ser suficiente para disparar o ignitor, de acordo com sua ficha técnica.

No entanto, com o pote adicionando cerca de 5k ohms, o ignitor permanece frio. Sem dúvida, foi por isso que você usou um potenciômetro e não apenas um par de resistores fixos.

Então, vou experimentar a seguir uma variedade de ignitores de outros fornecedores e descobrir a configuração do potenciômetro que permitirá que todos disparem apenas quando deveriam. Posso então construir uma unidade de tamanho completo com resistores fixos aqui.

Resumindo, tudo funciona como eu esperava e estou extremamente grato por você ter me poupado tempo para fornecer sua opinião. Sinta-se à vontade para publicar o circuito, e nosso diálogo, junto com meus agradecimentos e reconhecimento por sua habilidade.

Com os melhores cumprimentos,

Jerry

p.s. para responder à sua pergunta final, sim, todas as 24 entradas ADC são únicas e independentes, assim como as 24 saídas digitais. Estou usando o Mux Shield 2 para aumentar a capacidade básica do ATmega328P.




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