Cuenta de ferrita vs estrangulador de modo común

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Heredé el circuito superior de un diseñador anterior en mi equipo de robótica. El circuito utiliza dos bolas de ferrita, un zener, un TVS y un condensador para filtrar la energía entrante. La energía entrante proviene de las baterías. Junto con el circuito digital, las baterías tienen grandes motores conectados, lo que crea un entorno muy ruidoso. Según tengo entendido, con la ayuda de las cuentas de ferrita, Zener y TVS suprimen los picos. Luego, el condensador grande sostiene cualquier caída. Este circuito ha funcionado bien hasta ahora.

Mi pregunta es si reemplazar las cuentas de ferrita con un estrangulador de modo común mejora el filtrado o si no está roto, ¿no lo arregla?

(Acabo de usar componentes genéricos para dar la disposición general del circuito, la parte superior es el circuito actual y la parte inferior es mi cambio propuesto)

Información adicional El circuito va a entrar en un robot. El robot está hecho de aluminio extruido (no conectado a tierra) y todo está revestido de acrílico transparente. Todo funciona con una batería de 24V 8 celdas de fosfato de litio y hierro 20Ah 10C. El circuito digital se basa en 1A. Los motores son motores de dos sillas de ruedas. Los motores tienen una potencia máxima de 60 A, pero nunca se manejan con tanta fuerza, generalmente alrededor del 50% o menos. Los motores son accionados por controladores de motor de puente Vex Victor H.

A pesar de que esta pregunta parece muy específica, puede tratarse de hecho como una pregunta de filtrado de casos mucho más general: "¿Cómo se puede filtrar el ruido eléctrico proveniente de los motores eléctricos de potencia?" .

La primera información que necesitamos recopilar por adelantado es el tipo de ruido al que está expuesto nuestro circuito. A veces es realmente difícil obtener estos datos por adelantado, a veces es aún más difícil medir el ruido sin experiencia previa y sin equipos de laboratorio de alta gama.

En general, podemos evaluar nuestras fuentes de ruido en términos de:

• Intrínseco o extrínseco. Es decir: ¿el ruido viene / se genera dentro de nuestro propio sistema? ¿O viene fuera de nuestro sistema?
• Mecanismo de acoplamiento: acoplamiento capacitivo, acoplamiento inductivo, bucles de tierra, radiación EM ...
• Características del ruido: conmutado, térmico (gaussiano), disparo, parpadeo ...
• Banda de frecuencia y P. ¿Qué banda estrecha o ancha es nuestro ruido? ¿Cae / desaparece abruptamente fuera de esa banda (factor de calidad)?

Lo anterior es una lista parcial, incompleta, que puede servir solo como punto de partida.

Entonces, hay muchas técnicas, me refiero literalmente a cientos de trucos y enfoques más amplios según el caso.

Profundizando en los detalles de la pregunta original, esta es mi mejor suposición sobre el tipo de ruido que puede originar el sistema,

1. El ruido proviene principalmente del propio sistema, motores de potencia y circuitos de control. La corriente de conmutación máxima de 30 A es suficiente para generar pulsos que pueden acoplarse fácilmente al resto del circuito.
2. El acoplamiento capacitivo, el acoplamiento inductivo y los bucles de tierra pueden ser una fuente de problemas aquí, debido a los pulsos de alta corriente de los controladores.
3. El ruido se cambia, supongo que en la región sub 1MHz, sin embargo, los armónicos en el rango de 1-10MHz podrían generarse / irradiarse fácilmente.

Algunas sugerencias y técnicas prácticas para lidiar con el ruido en el sistema anterior:

• Si es posible, separe físicamente los motores y los controladores del resto de los circuitos. Obviamente, esto no es posible en todos los casos, por ejemplo, si tiene una sola placa para todos los componentes electrónicos. Sin embargo, si puede permitirse el lujo de tener dos placas separadas, una para conducir los motores y otra para el resto del sistema, es útil hacerlo.
• Evite los problemas de tierra y el acoplamiento de bucle del ruido mediante el uso de una conexión a tierra estelar cuidadosamente pensada para todos sus circuitos, incluidos los controladores de alimentación, las baterías y el chasis.
• No permita que ningún chasis o gran parte metálica flote, ya que esto interactuará con los campos EM generados por los motores y los controladores de potencia, reflejando, propagando y / o reemitiendo los campos EM como ruido adicional.
• Con respecto a los motores en sí, y dependiendo del tipo de motor, ciertamente puede aplicar filtros de ruido cerca / conectados a sus motores. Para los motores de CC, que pueden no ser su caso, es aconsejable soldar pequeños condensadores de cerámica en cada fase, lo más cerca posible del motor. Para empezar, los condensadores resistentes (de alto voltaje) de 0.1uF son una buena regla general. Dependiendo de la aplicación, también podría agregar otro par de condensadores cerámicos de cada uno de los cables de fase al chasis. Tenga cuidado de verificar el tipo exacto de motor y el controlador antes de seguir esta ruta.
• El cableado que conecta los controladores y los motores debe estar lo más cerca posible y estar torcido.
• Los condensadores de desacoplamiento / derivación deben agregarse generosamente a las líneas de alimentación de su controlador, en dos tipos: condensadores a granel (tal vez en cientos de uF, para filtrado de baja frecuencia) y condensadores de alta frecuencia (generalmente 0.1uF).

Volviendo al circuito que publicaste, mi enfoque inicial sería:

• No utiliza un estrangulador de modo común, ya que está más indicado para ruidos de acoplamiento capacitivo generados desde el exterior de su sistema.
• Aplicando doble filtro LC para ambas líneas (potencia y retorno de GND) o incluso mejor, un filtro dual L pi. Este es el filtro más efectivo para el ruido de KHz a bajo MHz . Un inductor grande (en el rango de mH) en serie con cada uno de los terminales de la batería mejorará drásticamente el ruido que ingresa a la parte digital de su circuito. Las bolas de ferrita, por el contrario, son disipativas por su propia naturaleza y más adecuadas para frecuencias más altas (docenas de MHz).
• Sustituyendo los televisores zener y unidireccionales estándar por televisores bidireccionales resistentes (de alta energía). Sin embargo, el zener en su circuito puede mantenerse si su regulador de entrada no puede soportar pequeños picos de sobretensión.
• Agregar un par de pequeños condensadores cerámicos en paralelo con el condensador a granel: por ejemplo, MLCC de 1uF y 0.1uF, clasificados de forma conservadora (> 100V). Esto aumentará la efectividad de su filtro para frecuencias más altas (> 1MHz).

Por último, pero no menos importante, idee una forma simple de medir su circuito en puntos críticos, a fin de verificar la efectividad de los diferentes enfoques. Por favor, intente probar en circunstancias similares a las que funcionará el dispositivo real.

Si es necesario, puedo proporcionar más referencias (libros, artículos) a los enfoques anteriores. Si puede especificar con mayor detalle algunas partes de su sistema, seguramente se aplicarán técnicas de filtrado adicionales.

Depende del entorno de su placa. Llamemos al polo negativo de su voltaje de suministro GND. Por ejemplo, en un automóvil, todo el chasis es GND, pero solo está conectado a sus pines de alimentación, no directamente en el chasis. Su placa tiene una capacidad parásita contra el chasis, por lo que la corriente de HF ruidosa fluirá allí. Si tiene un caso como este, el estrangulador de modo común ayudará, porque la corriente de HF se necesitará a través de su VCC y su línea de suministro GND.

Si su placa crea algún otro tipo de ruido interno HF, un regulador de conmutación o algún tipo de CPU o interfaz de memoria, la mayor parte de la corriente fluye desde la señal de alta velocidad a su GND interno (conmutación de alta velocidad). El estrangulador de modo común no evitará que el ruido salga de su diseño, porque hay una corriente que fluye y una corriente que fluye al mismo tiempo. En este caso, una cuenta de ferrita sería una mejor opción.

Te sugiero que guardes las ferritas por alguna razón. Los problemas del modo común se pueden eliminar si sus señales en la placa tienen una mayor capacidad para su GND interno en comparación con el chasis u otros dispositivos externos. Además de eso, las ferritas son más baratas la mayor parte del tiempo. No sé su especificación, sin embargo, trabajo en la industria automotriz, tomaría las ferritas.

Un estrangulador de modo común es útil para reducir el ruido que es "modo común", obviamente, en otras palabras, un ruido similar presente en ambas líneas. Esto puede ser útil para filtrar el ruido de alta frecuencia como una señal de RF proveniente de un transmisor de radio cercano. Los sistemas con una carcasa de metal sin conexión a tierra podrían beneficiarse si se sospecha que se induce ruido de HF (inductivo o capacitivo) a ambas líneas de alimentación aisladas (por ejemplo, si la carcasa tenía otros sistemas eléctricos con ruido conectados).

Las cuentas de ferrita individuales (como se muestra) pueden reducir los picos de corriente si tienen el tamaño correcto. Generalmente, las perlas más pequeñas filtran frecuencias más altas (aunque el material de ferrita también es importante). Para filtrar picos de baja frecuencia, generalmente necesita más grandes (cuentas más gruesas). Si las cuentas que se usan no parecen adecuadas, cámbielas a un tamaño más grande, o podría usar inductores de gran valor en su lugar (a menudo se usan inductores grandes similares en líneas eléctricas que van a equipos de audio de alta fidelidad; también necesitaría verificar el manejo actual capacidades de los inductores si se usan).

Además, agregar un condensador cerámico de pequeño valor en paralelo con el condensador de gran valor puede ayudar a filtrar el ruido adicional de alta frecuencia. Los condensadores electrolíticos grandes pueden no filtrar el ruido de alta frecuencia tan bien.

Por último, las ferritas funcionan mejor cuando fluye una corriente de ruido relativa. Las corrientes de ruido inducen campos magnéticos que el material de ferrita se disipa como calor.

Entonces, suponiendo que su ruido no sea un modo común, el uso de las dos cuentas (o inductores) parece la mejor opción.

Los dispositivos TVS tardan un tiempo en encenderse durante el cual los picos de voltaje de entrada pueden llegar al extremo micro. Las cuentas de ferrita pueden ayudar a proteger el dispositivo a este respecto, mientras que el estrangulador de modo común ofrece solo una impedancia mínima (inductancia de fuga) para el evento de sobretensión diferencial. Si requiere atenuación de modo común, sugeriría utilizar un estrangulador de modo común híbrido en este caso.

El modo común choke y frrite no necesariamente se contradicen. También hay muchos choques de modo común diferentes, para varias corrientes y rangos de frecuencia. En general, debe comprender, de qué está protegiendo. Si está reduciendo las emisiones fonductivas causadas por CC / CC a bordo, elija dos estranguladores para cubrir el rango entre 0.5MHz a 50MHz y de 500MHz a 5GHz. Esta última puede muy bien parecer una ferrita en modo común. Por cierto, es posible que necesite condensadores para crear un filtro efectivo alrededor de los estranguladores. Y, por supuesto, preste atención a la política básica de su sistema.