Как изолировать цепь печатной платы от источника сильных помех в близлежащем

Я разрабатываю схему, которая будет воспринимать ударный генератор электрического забора.

В моем первом прототипе это работало очень хорошо, за исключением того момента, когда ударный генератор создает искру, когда он создает много помех в моей сенсорной цепи. Мне кажется, что провода, которые соединяют мою схему с генератором, несут много шума внутри моей печатной платы, и я ищу советы, как его уменьшить. Подробнее о моей схеме ниже:

Схема

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Реальная картина:

Реальная картина цепи в момент искры

На печатной плате есть две пары проводных соединений: источник питания, 12 В от схемы генератора ударов и провода, идущие от электроизгороди, которые подключены к оптопаре.

Сигнал, генерируемый оптопарой, обрабатывается цифровой схемой, которая испытывает множество ложных тактовых импульсов и срабатывает в момент возникновения искры в заборе.

Я попытался начать расследование того, что происходит, и я почти пришел к выводу, что шум передается по проводам, потому что я приложил щуп с обеими клеммами, закороченными вместе, рядом с проводами, и я нашел это:Сигнал в осциллографе при замыкании контактов щупа

Я повторил этот тест вдали от проводов, но не получил таких результатов.

На изображении ниже показан шум в треке, который работает как часы в цифровом блоке:

введите описание изображения здесь

Как показано на изображении выше, в схеме много ложных тактовых импульсов, которые могут вызывать упомянутые мной ошибки. Тем не менее, я чувствую, что не могу на 100% доверять своему прицелу на такой высокой частоте. В качестве встречного теста я попробовал посмотреть напряжение на выводах питания микроконтроллера ударного генератора (эта часть работает очень хорошо) и получил следующую картину:

введите описание изображения здесь

Если бы это было реальное напряжение на контактах питания микроконтроллера, я думаю, он сгорел бы менее чем за одну секунду, так как его максимальное напряжение составляло 5,5 В, а пики были более 8 В (максимальные значения не показаны на снимке осциллографа).

В любом случае, мне кажется, что я могу доверять тому, что внутри моей печатной платы много шума, но не генерируется такое большое напряжение, как показано на изображениях выше.

Наконец, вопросы:

  1. Правильно ли я думаю, что шум распространяется по проводам, а не по воздуху?
  2. Если да, то как я могу обойти это и правильно разъединить? --> Во втором варианте прототипа я планирую использовать ферритовые шайбы на входах печатных плат; RC-фильтры нижних частот в некоторых чувствительных треках (не беспокойтесь о замедлении сигналов); изолируйте блок высокого напряжения в одном углу печатной платы и поместите вокруг него защитное кольцо; Что вы думаете об этом?

Информация, которая может быть полезной: Номинальное напряжение ударного генератора: 10 кВ; Расстояние между блоком высокого напряжения и цифровым блоком: 3 см;

РЕДАКТИРОВАТЬ Форма волны высоковольтного импульса, генерируемого в заборе (максимальная амплитуда около 10 кВ);

введите описание изображения здесь

Этот импульс происходит один раз в секунду. Но это было зафиксировано в том случае, когда искры не бывает. У меня нет формы сигнала этого случая, но я полагаю, что dV/dt в этом случае будет намного больше.

FWIW, эта конструкция настолько плоха, насколько это возможно для EMC. И искры являются одним из наихудших возможных источников помех. В этой конструкции вероятны как кондуктивная, так и излучаемая связь.
Мне немного больше информации не помешало бы. Что именно делает подключение «Электрозабор»? Как подается высокое напряжение... постоянно... по требованию... что?
Я согласен с @ThePhoton, скорее всего, и то, и другое, и в целом вы широко открыты для окружающего шума, заборы — отличные антенны, а грозы — реальная проблема.
Ваш резистор рассчитан на 10 кВ? Рассчитан ли ваш оптрон на напряжение 10 кВ? Рассчитаны ли контактные поверхности вашей печатной платы на напряжение 10 кВ? Рассчитаны ли ваши медные зазоры на напряжение 10 кВ? Это не выглядит так.
@ThePhoton, не могли бы вы дать мне несколько советов о том, как улучшить характеристики электромагнитной совместимости моей печатной платы? Что вы думаете о моих изменениях для следующей версии, о которых я упомянул в конце оригинального поста?
@ Тревор, посмотри правку в конце, пожалуйста. И пока я не использую настоящий забор, а просто маленькое короткое замыкание для тестирования прототипа в лаборатории. Таким образом, влияние забора, о котором вы упомянули, не является проблемой для этой проблемы ЭМС, с которой я сталкиваюсь сейчас.
@Andyaka, я использую два последовательно соединенных резистора мощностью 3 Вт, чтобы выдержать напряжение, и на данный момент он не показал никаких сбоев, поэтому я думаю, что это нормально для этого напряжения. И я отрегулировал зазор в печатной плате, чтобы избежать проблем с поломкой
Подсоедините заземляющий зажим щупа вашего осциллографа к наконечнику щупа и покачайте им вокруг тестируемого устройства во время дуги, вы, скорее всего, увидите аналогичные результаты.
РЖУ НЕ МОГУ! Если ваши резисторы не имеют номинала высокого напряжения, они не смогут закоротить / снизить сопротивление, если вы оставите его включенным. Пожалуйста, не играйте с HV, если вы не знаете, что делаете. Генератор забора ограничит ток, так что на этот раз никого не убьют.
Вы так и не упомянули, что ожидаете увидеть/ищете в связи с "электрозабором"...
Он проводится или излучается... Если вы разделяете две платы платы, сигнал ослабляется Если вы скручиваете две пары черный-красный, сигнал ослабляется
@ Луис, я не думаю, что на этот вопрос можно ответить, не написав книгу.
au contraire @winny a 3 Вт Vishay "AC03" рассчитан на 1500 В при 100 мкс и 500 В при постоянном токе, что типично для R (т.е. ничего особенного)

Ответы (2)

Есть несколько вещей, которые вам нужно изучить;

1) как уменьшить время нарастания осциллографа до минимального, особенно вблизи излучаемого импульсного шума.

2) что значит ЭМС?

3) Как избежать синфазных помех (CM) при использовании симметричной пары проводов?

4) Что такое дроссель Balun или CM?

5) Разные типы балунов столь же разнообразны, как и конденсаторы для разных частотных диапазонов и токов.

  • Где они используются?
    • Все кабели постоянного тока для зарядных устройств для ноутбуков, диапазон 10 000–10 МГц
    • Все кабели VGA с полосой пропускания 1~150 МГц
    • Некоторые электретные микрофонные кабели
    • несколько шнуров питания

Что такое простая схема?введите описание изображения здесь

Какая реальная схема?

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Таким образом, в зависимости от материалов железного или ферритового сердечника и количества витков от 1 до N и ферритовой смеси от изоляционного НЧ до СЧ до проводящего феррита для ВЧ с большим количеством металлических частиц.

  • значения модели изменятся.
  • Часто дроссель CM или ферритовая бусина CM просто говорят 100 Ом, что означает потери в интересующей полосе частот.
  • ethernet Balun выполняет ту же работу, что и YAGI Balun в «фундаментальной» теории, но для разных f и Zo, поэтому они выглядят совершенно по-разному.

5) Узнайте, как искать ранее существовавшие ответы в Интернете и на этом форуме (найдите окно поиска и поэкспериментируйте с различными ключевыми словами, тегами и именами пользователей, такими как пользователь: я, в поиске находит ... самостоятельно или по точному имени пользователя пользователь: joeblow или номер пользователя:17574 (то есть я)

6) Поймите, что короткие дуги имеют спектр по всей длине антенны, которая соответствует этой длине, а затем все гармоники этого

  • так что давайте просто скажем, что на данный момент это намного больше ГГц для короткой дуги от забора до цели.

7) понимать спектр шумовых помех (и паразитное сопротивление проблемной области)

  • Давайте посмотрим на ваш чистый импульс 10k и предположим, что время нарастания составляет, скажем, 1 мкс с длительностью импульса 50 мкс, затем синусоида примерно 350 мкс. Таким образом, у нас есть время нарастания почти 500 МГц, 50 кГц, длительность импульса 1/2, затем 1 синусоида около 3 кГц.
    • как вы сказали, это не вызывает проблем
    • так что это означает, что энергия помех намного превышает 500 МГц, но, возможно, время нарастания составляет всего несколько xx наносекунд.

Какие дроссели Ferrite CM вы можете приобрести?

Я забыл, что некоторые ОП могут не захотеть учиться, просто хотят получить решение хрустального шара.

Дела, которые необходимо сделать:

  • убедитесь, что все электронные цепи датчика находятся далеко от высоковольтного генератора, а провода витой пары, идущие к ограждению под прямым углом к ​​экранированной паре проводов STP датчика. Держитесь на расстоянии не менее 10 м от генератора и пары проводов к ограждению.

    • Экранированная витая пара STP уравновешивает большую часть проникновения спектрального поля E, а расстояние изоляции снижает влияние тока поля H.
    • Пара проводов генератора и датчика под прямым углом уменьшает антенную связь импульсов электромагнитных помех между двумя парами проводов.
    • используйте токовую петлю вокруг провода питания генератора с несколькими витками, чтобы обнаружить импульс сильного тока, поскольку ваш датчик тока с воздушным зазором подключен к коаксиальным проводам или проводам датчика STP.
    • терминируйте провода с согласованным импедансом, таким как 120~220 Ом или STP или 75 Ом для коаксиального видео,
    • используйте балун CLC или дроссель CM, рассчитанный на радиочастоту, в качестве входа формирователя сигнала. Это повышает импеданс СМ, а шунтирующий колпачок немного его ослабляет.
    • То, что вам нужно, - это импульс времени нарастания 1 мкс, а не импульс времени нарастания 1 нс, который извергает шумовое напряжение в паразитную емкость субпикофарад.
    • завершить его с согласованным импедансом
    • добавьте больше витков провода датчика тока или используйте катушку Роговского, если вы действительно хотите, но не обязательно.
  • Я успешно использовал эти методы более 40 лет во многих приложениях.

  • Моим первым опытом в конце 70-х было измерение мощности дуговой сварки плавлением 100 кА между двумя трубами из цирконий-стали диаметром 4 дюйма.
  • Мой последний опыт заключался в измерении мощности импульса 20 кВ в трансформаторном масле, подобно тесту HIPOT, до появления коронного разряда в силовом трансформаторе мощностью 5 МВА.

Импульс измеряется всего 2 Вт или 10 В на 50 Ом при испытании диэлектрика 20 кВ / мм с использованием небольшой одновитковой петли для коаксиального кабеля.

введите описание изображения здесь

(не я, а увлеченный строитель мультипликаторов HV.

Это небольшой импульс частичного разряда, измеренный вышеописанным методом на 50-омном коаксиальном кабеле с 50-омной оконечной нагрузкой, аналогичный разряду небольшого забора или разряду жука Hipot. Я использовал старый прицел LeCroy, чтобы сделать снимок. Время нарастания 1 нс ограничено только осциллографом.

введите описание изображения здесь

Простите мой анализ спектральной плотности импульсов. Я делал это так много раз, что у меня в голове трансформация.
Привет @Tony, спасибо за ваш обширный ответ. Я думаю, что это хорошее введение для меня в эту тему. У меня есть несколько вопросов по этому поводу: не могли бы вы объяснить мне лучше, как вы измерили 20 кВ внутри трансформатора? Я не уверен, что получил метод. Как вы уменьшили до 10В? И в продолжение этой темы вы просите меня согласовать мой входной тракт с согласованным импедансом, например, 75/120~220 Ом. Однако у меня импульс 10 кВ. Таким образом, в той топологии, которая у меня есть, пока это невозможно, так как пара входных проводов напрямую подключена к забору.
Я заметил, что вы сказали мне сделать петлю вокруг проволоки забора. Однако при нормальной работе он не имеет большого тока. Просто в случае прикосновения чего-либо к забору возникает искра. Однако нормальная работа не позволит мне ощутить его пульс, используя только петлю вокруг него. Но я посмотрю на это
используйте коаксиальный кабель с окончанием R для прямоугольных импульсов, в противном случае определите высокое напряжение вызывного сигнала Z с помощью диода Шоттки и буфера с повторителем пиков. и NB читайте мои ссылки.

Эта плата однослойная. Используя сквозные компоненты и двухстороннюю печатную плату, держу пари, вы можете реализовать сплошную одностороннюю GNDplane.

Ваши первые осциллограммы показывают звон в диапазоне 100 МГц (10 наносекунд). Это может быть зонд-зонд. С другой стороны, на частоте 100 МГц самолет должен производить 8,6 дБ * sqrt (100 МГц / 4 МГц) = 8,6 дБ * 5 = 43 дБ затухания помех, введенных магнитным полем.

Плоскость заземления — это начало, но вам все равно придется иметь дело с тем фактом, что цепь предназначена для подключения к большой незаземленной металлической конструкции.
Привет, ребята, и @ThePhoton, первый сигнал представляет собой закороченный пробник 10:1, вероятно, рассчитанный на 200 МГц. Длинная петля заземляющего провода и емкость кабеля приводят к тому, что эта частота 100 МГц звонит на нагрузку 10 МОм. Хороший сигнал, плохой шум. Это должно выглядеть как моя форма волны.
Привет @analogsystemsrf. Спасибо за ваш ответ. О заземляющей плоскости: если бы я сделал плоскость заземления с одной стороной, я должен был бы сделать зазор между ней и стороной высокого напряжения моей печатной платы. Как эта сплошная плоскость поможет уменьшить помехи общего режима в системе? Он будет предназначен для обеспечения кратчайших обратных путей для сигналов или будет выполнять роль массивного охранника, звенящего/экранирующего шум, пришедший извне? Я был бы рад, если бы вы могли объяснить мне об этом, особенно предысторию формулы, которую вы использовали. Внешние ссылки приветствуются, если хотите! :)