So isolieren Sie eine Leiterplattenschaltung von einer Quelle mit hohem Rauschen in der Nähe

Ich entwerfe eine Schaltung, die einen Elektrozaun-Stoßgenerator erkennt.

In meinem ersten Prototyp hat es sehr gut funktioniert, außer in der Zeit, in der der Stoßgenerator einen Funken erzeugt, wenn er eine Menge Interferenzen in meinem Sensorschaltkreis erzeugt. Es scheint mir, dass die Drähte, die meinen Stromkreis mit dem Generator verbinden, viel Rauschen in meiner Leiterplatte tragen, und ich suche nach Ratschlägen, wie ich es reduzieren kann. Weitere Details zu meiner Schaltung unten:

Schema

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Echtes Bild:

Echtes Bild der Schaltung im Moment des Funkens

Die Platine hat zwei Paar Kabelanschlüsse: Die Stromversorgung, eine 12-V-Quelle aus dem Stromkreis des Schockgenerators und die Kabel, die vom Elektrozaun kommen, sind mit einem Optokoppler verbunden.

Das vom Optokoppler erzeugte Signal wird von einer digitalen Schaltung verarbeitet, die viele falsche Takte erfährt und in dem Moment auslöst, in dem ein Funke im Zaun erzeugt wird.

Ich habe versucht, eine Untersuchung darüber einzuleiten, was passiert ist, und bin fast zu dem Schluss gekommen, dass das Rauschen von den Drähten übertragen wurde, weil ich eine Oszilloskopsonde mit beiden kurzgeschlossenen Anschlüssen in der Nähe der Drähte platziert und Folgendes gefunden habe:Signal im Oszilloskop, wenn die Anschlüsse der Sonde kurzgeschlossen wurden

Ich habe diesen Test weit entfernt von den Drähten wiederholt, aber ich habe dieses Ergebnis nicht erhalten.

Das Bild unten ist das Rauschen in einer Spur, die als Uhr im Digitalblock fungiert:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wie das obige Bild zeigt, hat die Schaltung viele falsche Taktgeber, die die von mir erwähnten Fehler verursachen können. Allerdings habe ich das Gefühl, dass ich mich bei so hoher Frequenz nicht zu 100% auf mein Zielfernrohr verlassen kann. Als Gegentest habe ich versucht, die Spannung in den Versorgungspins des Mikrocontrollers des Schockgenerators zu beobachten (dieses Teil funktioniert sehr gut) und ich habe folgendes Bild erhalten:

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Wenn dies die tatsächliche Spannung an den Versorgungspins des Mikrocontrollers wäre, würde sie meiner Meinung nach in weniger als einer Sekunde brennen, da ihre maximale Spannung 5,5 V beträgt und Spitzen größer als 8 V aufweist (Maximalwerte, die im Oszilloskop-Schnappschuss nicht angezeigt werden).

Wie auch immer, es scheint mir, dass ich darauf vertrauen kann, dass ich viel Rauschen in meiner Platine habe, aber nicht so viel Spannung erzeuge, wie es in den obigen Bildern gezeigt wird.

Abschließend die Fragen:

  1. Habe ich recht mit der Annahme, dass sich das Rauschen über Kabel und nicht über die Luft ausbreitet?
  2. Wenn ja, wie könnte ich es umgehen und richtig entkoppeln? --> In der zweiten Version des Prototyps plane ich, Ferritperlen in den Leiterplatteneingängen zu verwenden; RC-Tiefpassfilter in einigen empfindlichen Spuren (kümmere dich nicht darum, die Signale zu verlangsamen); Isolieren Sie den Hochspannungsblock in einer Ecke der Leiterplatte und legen Sie einen Schutzring darum; Was ist deine Meinung dazu?

Informationen, die hilfreich sein können: Nennspannung des Schockgenerators: 10kV; Abstand zwischen Hochspannungsblock und Digitalblock: 3 cm;

BEARBEITEN Wellenform des im Zaun erzeugten Hochspannungsimpulses (die maximale Amplitude liegt bei etwa 10 kV);

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Dieser Impuls tritt einmal pro Sekunde auf. Dies wurde jedoch in dem Fall erfasst, in dem der Funke nicht auftritt. Ich habe die Wellenform dieses Falls nicht, aber ich glaube, dass dV/dt in diesem Fall viel größer sein wird.

FWIW, diese Konstruktion ist für EMV so schlecht wie möglich. Und Funken gehören zu den schlimmsten Störquellen überhaupt. Sowohl leitungsgebundene als auch abgestrahlte Kopplung sind bei diesem Design wahrscheinlich.
Ich würde etwas mehr Informationen helfen. Was genau bewirkt der Anschluss „Elektrozaun“? Wie wird die Hochspannung angelegt ... kontinuierlich ... bei Bedarf ... was?
Ich stimme @ThePhoton zu, es ist wahrscheinlich beides und Sie sind im Allgemeinen weit offen für Umgebungsgeräusche, Zäune sind großartige Antennen und Gewitter sind ein echtes Problem.
Ist Ihr Widerstand für 10 kV ausgelegt? Ist Ihr Opto für 10 kV ausgelegt? Sind die Tracking-Oberflächen Ihrer Leiterplatte für 10 kV ausgelegt? Sind Ihre Kupferabstände für 10 kV ausgelegt? Es sieht nicht danach aus.
@ThePhoton, können Sie mir einige Ratschläge geben, wie ich die EMV-Leistung meiner Leiterplatte verbessern kann? Was haltet ihr von meinen Änderungen für die nächste Version, die ich am Ende des ursprünglichen Beitrags erwähnt habe?
@Trevor, siehe bitte die Bearbeitung am Ende. Und im Moment verwende ich keinen echten Zaun, sondern nur einen kleinen Kurzschluss, um den Prototypen im Labor zu testen. Die Auswirkungen des von Ihnen erwähnten Zauns spielen also bei diesem EMV-Problem, mit dem ich jetzt konfrontiert bin, keine Rolle.
@Andyaka, ich verwende zwei 3-W-Widerstände in Reihe, um die Spannung zu messen, und es hat vorerst keinen Fehler gezeigt, also denke ich, dass es für diese Spannung in Ordnung ist. Und ich habe den Abstand in der Leiterplatte angepasst, um Durchbruchprobleme zu vermeiden
Verbinden Sie die Erdungsklemme Ihrer Oszilloskopsonde mit der Sondenspitze und schwenken Sie sie während des Lichtbogens um Ihr DUT herum. Sie werden höchstwahrscheinlich ähnliche Ergebnisse sehen
LOL! Wenn Ihre Widerstände nicht HV-bewertet sind, werden sie den Widerstand nicht kurzschließen / verringern, wenn Sie ihn laufen lassen. Bitte spielen Sie nicht mit HV, wenn Sie nicht wissen, was Sie tun. Der Zaungenerator wird den Strom begrenzen, damit diesmal niemand getötet wird.
Sie haben noch nicht erwähnt, was Sie in der Verbindung "Elektrozaun" erwarten / suchen ...
Wird es geleitet oder wird es abgestrahlt... Wenn Sie die beiden Platinen trennen, wird das Signal gedämpft. Wenn Sie die beiden Paare schwarz-rot verdrillen, wird das Signal gedämpft
@Luis, ich glaube nicht, dass die Frage beantwortet werden kann, ohne ein Buch zu schreiben.
au contraire @winny a 3W Vishay "AC03" ist für 1500V bei 100us und 500V bei DC ausgelegt und das ist typisch für R's (dh nichts Besonderes)

Antworten (2)

Es gibt ein paar Dinge, die Sie lernen müssen;

1) Wie man die minimale Anstiegszeit des Oszilloskops untersucht, insbesondere in der Nähe von abgestrahltem Impulsrauschen.

2) Was bedeutet EMV?

3) Wie werden Gleichtaktstörungen (CM) mit symmetrischen Adernpaaren vermieden?

4) Was ist eine Balun- oder CM-Drossel?

5) Verschiedene Arten von Baluns so unterschiedlich wie Kondensatoren für verschiedene Frequenzbereiche und Ströme.

  • Wo werden sie eingesetzt?
    • Alle DC-Kabel für Laptop-Ladegeräte im Bereich von 10k~10MHz
    • Alle VGA-Kabel 1~150MHz BW
    • Einige Elektret-Mikrofonkabel
    • einige Stromkabel

Was ist das einfache Diagramm?Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Was ist das eigentliche Diagramm?

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Also je nach Material Eisen- oder Ferritkern und Windungszahl von 1 bis N und Ferritmischung von isolierendem LF bis MF bis hin zu leitfähigem Ferrit für HF mit mehr Metallpartikeln.

  • Die Modellwerte ändern sich.
  • Oft sagt eine CM-Drossel oder eine CM-Ferritperle nur 100 Ohm, was im interessierenden Band verlustbehaftet bedeutet.
  • Ein Ethernet-Balun macht die gleiche Arbeit wie ein YAGI-Balun in der "grundlegenden" Theorie, aber für verschiedene f und Zo sehen sie völlig anders aus

5) Erfahren Sie, wie Sie im Web und in diesem Forum nach bereits vorhandenen Antworten suchen (suchen Sie das Suchfenster und experimentieren Sie mit verschiedenen Schlüsselwörtern, Tags und Benutzernamen wie user:me in search finds ...youself oder nach dem genauen Benutzernamen user:joeblow oder Nummer user:17574 (das bin ich)

6) Verstehen Sie, dass kurze Bögen ein Spektrum bis zur Antennenlänge haben, die in diese Länge passt, und dann alle Harmonischen davon

  • Sagen wir also erstmal weit über ein GHz für einen kurzen Bogen vom Zaun zum Ziel.

7) Verstehen Sie das Spektrum der Rauschstörungen (und Streuimpedanz zum Problembereich)

  • Schauen wir uns Ihren sauberen 10-kHz-Impuls an und nehmen an, dass die Anstiegszeit beispielsweise 1 us mit einer Impulsdauer von 50 us beträgt, dann eine Sinuswelle von ungefähr 350 us. Wir haben also eine Anstiegszeit von fast 500 MHz, 50 kHz, 1/2 Impulsdauer, dann 1 Sinuswelle von etwa 3 kHz
    • wie gesagt, das macht keine probleme
    • Das bedeutet, dass die Interferenzenergie weit über 500 MHz liegt, aber vielleicht nur eine Anstiegszeit von einigen xx Nanosekunden sagt.

Welche Art von Ferrit-CM-Drossel können Sie nun bekommen?

Ich habe vergessen, dass einige OPs vielleicht nicht wirklich lernen wollen, sondern nur eine Kristallkugellösung wollen.

Dinge die zu tun sind:

  • Stellen Sie sicher, dass alle elektronischen Schaltkreise des Sensors weit vom HV-Generator entfernt sind und die Twisted-Pair-Drähte, die im rechten Winkel zum Sensor-STP-Drahtpaar zum Zaun verlaufen, abgeschirmt sind. Halten Sie mindestens 10 m Abstand vom Generator und dem Drahtpaar zum Zaun.

    • Abgeschirmte STP-Twisted-Pair-Leitungen gleichen einen Großteil des spektralen Eindringens des E-Felds aus, und der Isolationsabstand verringert die Stromkopplung des H-Felds
    • Generator- und Sensoradernpaar im rechten Winkel reduziert die Antennenkopplung von EMI-Impulsen zwischen 2 Adernpaaren.
    • Verwenden Sie eine Stromschleife mit einigen Windungen um das Generatorzuleitungskabel, um hohe Stromimpulse zu erkennen, wenn Ihr Luftspalt-Stromsensor in Koaxial- oder STP-Sensordrähten liegt.
    • Schließen Sie die Drähte mit angepasster Impedanz ab, z. B. 120 bis 220 Ohm oder STP oder 75 Ohm für Video-Koaxialkabel.
    • Verwenden Sie einen für HF ausgelegten CLC-Balun oder eine CM-Drossel als Ihren Signalkonditionierereingang. Dadurch wird die CM-Impedanz erhöht und durch die Shunt-Kappe leicht gedämpft.
    • Was Sie wollen, ist ein 1-us-Anstiegszeitimpuls und kein 1-ns-Anstiegszeitimpuls, der Rauschspannung in eine Streukapazität im Sub-Picofarad-Bereich aussendet.
    • schließen Sie es mit der angepassten Impedanz ab
    • fügen Sie mehr Strommessdrahtwindungen hinzu oder verwenden Sie eine Rogowski-Spule, wenn Sie wirklich daran interessiert, aber nicht notwendig sind.
  • Ich habe diese Techniken über 40 Jahre erfolgreich in vielen Anwendungen eingesetzt

  • Meine erste Erfahrung in den späten 70er Jahren war die Messung der Leistung des 100-kA-Schmelzlichtbogenschweißens von Zirk-Stahl zwischen zwei Rohren mit 4 Zoll Durchmesser
  • Meine jüngste Erfahrung war die Messung der Impulsleistung eines 20-kV-Impulses in Transformatoröl wie bei einem HIPOT-Test vor dem Einsetzen der Korona in einem 5-MVA-Leistungstransformator.

Der Impuls misst nur 2 Watt oder 10 V an 50 Ohm aus einem dielektrischen Test mit 20 kV/mm unter Verwendung einer kleinen Schleife mit 1 Windung zum Koaxialkabel.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(nicht ich, aber ein begeisterter Erbauer von HV-Multiplikatoren.

Dies ist ein kleiner Teilentladungsimpuls, der mit der obigen Methode an einem 50-Ohm-Koaxialkabel gemessen wird, das mit 50 Ohm abgeschlossen ist, ähnlich einer kleinen Zaunentladung oder einem Hipot-Bug-Zap. Ich habe ein altes LeCroy-Oszilloskop verwendet, um das Bild aufzunehmen. Die Anstiegszeit von 1 ns ist nur durch den Umfang begrenzt.

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Verzeihen Sie meine Spektraldichteanalyse von Impulsen. Ich habe das so oft gemacht, dass ich die Transformation in meinem Kopf habe.
Hallo @Tony, danke für deine massive Antwort. Ich denke, es ist eine gute Einführung für mich in dieses Thema. Ich habe ein paar Fragen dazu: Können Sie mir besser erklären, wie Sie die 20 kV im Transformator gemessen haben? Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Methode verstanden habe. Wie hast du auf nur 10V reduziert? Und nach diesem Thema bitten Sie mich, meinen Eingangspfad mit einer angepassten Impedanz wie 75/120 ~ 220 Ohm abzuschließen. Allerdings habe ich einen 10kV Impuls. In der Topologie, die ich jetzt habe, ist dies also nicht möglich, da das Eingangsaderpaar direkt mit dem Zaun verbunden ist.
Ich habe bemerkt, dass Sie mir gesagt haben, ich solle eine Schleife um den Zaundraht machen. Im Normalbetrieb hat es jedoch keinen großen Strom. Nur wenn etwas den Zaun berührt, erzeugt es den Funken. Der normale Betrieb erlaubt mir jedoch nicht, den Puls zu erfassen, indem ich nur eine Schleife um ihn herum verwende. Aber das werde ich mir mal anschauen
Verwenden Sie ein mit R abgeschlossenes Koaxialkabel für Rechteckimpulse, erkennen Sie andernfalls eine hohe Z-Klingelspannung mit einer Shottkey-Diode und puffern Sie mit einem Spitzenwertfolger. und NB meine Links lesen.

Diese Leiterplatte ist einlagig. Mit Durchgangskomponenten und einer doppelseitigen Leiterplatte wette ich, dass Sie eine solide einseitige GND-Ebene implementieren können.

Ihre ersten Wellenformen zeigen ein Klingeln im Bereich von 100 MHz (10 Nanosekunden). Das könnte Scope-Probe sein. Andererseits sollte eine Ebene bei 100 MHz eine Dämpfung von 8,6 dB * sqrt(100 MHz / 4 MHz) = 8,6 dB * 5 = 43 dB Dämpfung von Magnetfeld-injizierten Störern erzeugen.

Die Masseebene ist ein Anfang, aber Sie müssen sich immer noch mit der Tatsache auseinandersetzen, dass die Schaltung mit einer großen nicht geerdeten Metallstruktur verbunden werden soll.
Hey Leute und @ThePhoton, die erste Wellenform ist eine kurzgeschlossene 10:1-Sonde, die wahrscheinlich für 200 MHz ausgelegt ist. Die lange Masseleitungsschleife und die Kabelkapazität führen dazu, dass diese 100 MHz in eine Last von 10 MOhm einschwingen. Gutes Signal, schlechtes Rauschen. Es sollte wie meine Wellenform aussehen.
Hallo @analogsystemsrf. Danke auch für deine Antwort. Über die Masseebene: Wenn ich die solide einseitige GND-Ebene erstellt habe, sollte ich einen Abstand zwischen ihr und der Hochspannungsseite meiner Leiterplatte herstellen. Wie wird diese feste Ebene dazu beitragen, die Interferenz des Gleichtakts im System zu reduzieren? Es soll die kürzesten Rückwege für die Signale bieten oder wirkt es wie eine massive Schutzklingel / Abschirmung für das Rauschen, das von außen kam? Ich würde mich freuen, wenn Sie mir das erklären könnten, insbesondere den Hintergrund der von Ihnen verwendeten Formel. Externe Links sind willkommen, wenn Sie möchten! :)