Estoy trabajando en la integración de un sensor en una plataforma automotriz, usando una configuración de chasis negativa estándar de 12v. Estoy tratando de entender un fenómeno algo mítico que se conoce como «cambio de terreno». No he podido explicar esto, pero mi intuición sugiere que esto es razonable.
La forma en que se ha «explicado» es como tal : dos puntos de referencia a tierra en el vehículo pueden mantenerse a un potencial diferente durante un período de tiempo no especificado debido a alguna forma de interferencia de componentes vecinos o componentes que comparten un «perno» de conexión a tierra común.
Por ejemplo , cuando se activa el ABS y una cantidad significativa de corriente (cientos de amperios en algunos casos) se hunde en un perno de tierra en particular, el punto de conexión a tierra se convierte en una referencia inestable. Otros componentes conectados a este perno pueden experimentar cambios de voltaje en sus pines de entrada.
Mi pregunta es esta: ¿es este fenómeno algo que realmente existe, o es simplemente un «cuento de viejas» interno con poco o ningún ?
Si existe, ¿cómo se puede caracterizar y dónde puedo obtener más información? ¿Cuáles son los principios eléctricos fundamentales en juego aquí? ¿Se puede reducir a un circuito modelo representativo? Cualquier experiencia será apreciada.
Comentarios
- El cambio a tierra no solo existe en CC sino en CA en la caída de voltaje residencial de corrientes de ruido pulsadas y neutrales conectadas a tierra exteriores a tierra en cada filtro de línea, así como en circuitos integrados lógicos ‘ s con tierra inductiva y grandes corrientes de CC o un gran aumento de voltaje LdI / dt de la tierra local (generalmente en mV con tierra plano) La inductancia se correlaciona con las relaciones de aspecto físico y las longitudes del conductor, por ejemplo 2,6 nH / cm para un conductor de PCB plano cuadrado a 3 uH para un conductor de 2 mx 2 mm
- ¿Es irónico que el nombre de Henry ‘ sean las unidades de inductancia que puede causar un cambio de tierra transitorio además de ohmios.
- Este efecto se llama rebote de tierra
- Es uno de los efectos número uno para combatir en circuitos analógicos de precisión.
Respuesta
Mi pregunta es esta: ¿es este fenómeno algo que realmente existe, o es simplemente un «cuento de viejas» interno con poca o ninguna base?
Bueno, haz los cálculos. Si hunde, digamos, 100 A en un conductor de acero de, digamos, 50 mm² de diámetro, ¿cuál es el voltaje sobre 10 cm de ese conductor debido a la resistencia óhmica?
Entonces sí, Ohm tiene razón, y si pones mucha corriente a través de cualquier cosa que no sea un superconductor, habrá una diferencia de potencial.
¿Cuáles son los principios eléctricos fundamentales en juego aquí?
Ley de Ohm
Además, su El ejemplo de ABS destaca otro aspecto: si tiene algo que es una carga conmutada, no está colocando una carga de CC en su conductor de tierra, sino (también) una carga de CA.
La resistencia para CA no es inherentemente lo mismo que para CC; por ejemplo, una bobina ideal tiene una resistencia de 0 Ω para CC, pero para CA tiene \ $ j \ omega L \ $ Ω; es decir, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la efectividad resistencia.
Tales propiedades reactivas dependen de la forma geométrica de su conductor; incluso puede tener mala suerte, y debido a que alcanza elegantemente una frecuencia resonante de toda la batería, cable de alimentación, carga, sistema de retorno del chasis, obtiene un voltaje extremo exactamente a la frecuencia a la que trabaja su ABS.
Comentarios
- ¡Gracias por la entrada! Esto tiene mucho sentido y es mucho más simple de lo que esperaba. ¿Dónde se modelaría la capacitancia en esto?
Respuesta
Lo que estás describiendo, según tengo entendido, parece completamente razonable. Las referencias de tierra a menudo pueden cambiar debido a un flujo de corriente sustancial y a resistencias finitas de los conductores en uso. Esto se debe simplemente a la ley de Ohm.
Si puede establecer una analogía entre diferentes partes del chasis de su automóvil para diferentes puntos en una longitud de traza de PCB, podemos comparar esto con las técnicas de conexión a tierra utilizadas en el diseño y distribución de PCB. Puede estudiar esto más a fondo examinando diferentes esquemas de conexión a tierra utilizados en el diseño de PCB. Considere un esquema basado en estrellas utilizado para evitar exactamente lo que está describiendo, aunque en una escala mucho menor. 
Si conecta todos los puntos en esta configuración, actual El flujo debido a una de esas conexiones puede «levantar» ese riel en una cantidad igual a Iin * Rconductor, pero como todas las demás conexiones en ese nodo ven el mismo cambio, es posible que las cosas no sean tan malas, al menos en lo que respecta a las medidas relativas . Sin embargo, una fluctuación repentina en los rieles aún puede causar problemas en la instrumentación, i.Un parámetro común en dispositivos como opamps y ADC es el llamado índice de rechazo de la fuente de alimentación , especificado para tener en cuenta estas instancias. .
EDICIÓN 1:
Aquí hay otra foto que ilustra el punto. Los dispositivos exactos en la imagen se pueden ignorar y pensar en cualquier cosa que realmente te guste: 
Comentarios
- Tenga en cuenta que su ejemplo de » conexión a tierra adecuada » es completamente inadecuado para automóviles: no ‘ no desea que ningún dispositivo electrónico sensible comparta la ruta de corriente con el alternador.
- @Henry, I ‘ apuesto a que muchos » extraños » problemas eléctricos automáticos se han resuelto simplemente identificando la tierra del chasis puntos, y luego limpiar y volver a apretar. Después de 100 años, ‘ esperaría que las rutas de retorno -ve a la batería se hayan resuelto cuidadosamente. Yo ‘ no quiero diseñar un ‘ ruta de tierra del coche desde cero.
- De acuerdo. Esto no pretendía ser un tutorial sobre cableado automotriz ideal. Más bien, la imagen explica cómo el flujo de corriente puede llevar a que los dispositivos del mismo bus tengan diferentes referencias …
- Incluso en su » conexión a tierra adecuada » ejemplo, los dispositivos sensibles verán un cambio de tierra como resultado de una alta corriente a través de la línea de tierra compartida. Una mejor manera de mitigar el cambio de tierra (suponiendo que ‘ esté atascado con un calibre de cable determinado) es colocar los dispositivos más sensibles más cerca de la fuente de energía, para minimizar la longitud de los cable de tierra entre el dispositivo sensible y la fuente de alimentación. En última instancia, la mejor solución es elegir calibres de cable que admitan la cantidad de corriente que pretende pasar a través de ellos.
- Lea mi respuesta. Digo exactamente eso. Los dispositivos aún experimentan un cambio de tierra en la conexión a tierra en estrella, pero es igual para todos los dispositivos, ya que comparten una longitud de línea de tierra.
Respuesta
Esto está bien documentado>» ¿cuento de viejas? NOT. Todo lo que siempre quiso saber sobre … Cableado del vehículo pero tenía miedo de preguntar … …….
El problema es escalable desde pistas de tamaño nanométrico hasta vehículos propulsados por motores. Para mejorar la inmunidad, a menudo se usa un suministro de energía diferencial trenzado, lo que significa retornos separados a la batería y para la detección utiliza entradas diferenciales trenzadas balanceadas. El problema en el bucle de corriente es que el acoplamiento en entradas no balanceadas traduce el ruido de modo común (CM) en una señal de modo diferencial (DM). La opción de usar un plano de tierra como el chasis del automóvil o cables separados depende en gran medida de la longitud del camino, el nivel de corriente y la interferencia.
Por ejemplo, la mayoría de las baterías de los automóviles están cerca del motor de arranque, pero en muchos vehículos alemanes (GLK350), el b La batería está ubicada debajo del piso trasero, pero el motor se detiene y arranca con cada luz roja. Entonces, ¿a qué tierra crees que solían cambiar varios cientos de amperios?
También se aplican más detalles técnicos a nivel de IC.
- Jeff Barrow, «» [ http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/41-06/ground_bounce.pdf Reducción del rebote en el suelo] «», (2007), dispositivos analógicos
- Vikas Kumar, «» [ http://www.eetimes.com/electronics-news/4196917/Ground-Bounce-Primer Ground Bounce Primer] «», (2005), TechOnLine (ahora EETimes).
- «» [ http://www.pericom.com/assets/App-Note-Files/AN005.pdf Rebote terrestre en lógica de alta velocidad de 8 bits] «», aplicación Pericom Nota.
- «» [ http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-640.pdf AN-640 Comprensión y minimización del rebote en el suelo] » «, (2003) Fairchild Semiconductor, Nota de aplicación 640.
- » «[ http://www.altera.com/literature/wp/wp_grndbnce.pdf Minimizar el rebote del suelo & VCC Sag] «», Informe técnico, (2001) Altera Corporation.
- «» [ http://www.ultracad.com/articles/g_bounce.pdf Ground Bounce part-1 y parte 2 de Douglas Brooks] «», Artículos, Diseño Ultra Cad.
Respuesta
Mismo gremlin generador, nombre diferente
El fenómeno de «cambio de tierra» al que se refiere es simplemente otra manifestación del hecho de que los conductores tienen una impedancia distinta de cero, por lo que cuando dos corrientes comparten una ruta de retorno, la caída de voltaje a través de ese retorno La ruta es (Ibigload + Isensitive) * Rcomgnd. Los EE que trabajan en escalas más pequeñas conocen a este generador de gremlin como «acoplamiento de impedancia común», pero en realidad es lo mismo, como se muestra en el siguiente esquema.
simula este circuito – Esquema creado usando CircuitLab
Tenga en cuenta que el nodo llamado GND es un ¡Voltios completos lejos del negativo de la batería! Esto claramente no es bueno si nuestro circuito sensible a la izquierda no puede tolerar el desplazamiento, o peor, si Ibigload es realmente una carga variable en el tiempo, por lo que nuestra parte sensible ve un GND que varía entre cerca del punto real de 0V, es decir. el negativo de la batería y un voltio completo de distancia.
La solución en un entorno de baja frecuencia es circuitos sensibles a tierra en estrella de vuelta a un único punto de 0V predesignado con su propio cable o traza como se muestra a continuación, de modo que cualquier corriente alta que fluya en otras partes del sistema de puesta a tierra no pueda interferir con el funcionamiento del circuito sensible. Desafortunadamente, esto no es práctico para todos los circuitos de un vehículo completo por razones mecánicas y de costo del cobre, por lo que los diseñadores de electrónica automotriz trabajan en torno a esto lo mejor que pueden al diseñar circuitos de entrada de energía robustos y llevar referencias de señal con señales sensibles en su lugar. de confiar en la devolución del chasis para ellos.
Respuesta
Tienes los mismos riesgos en una PCB. Espesor estándar lámina de cobre (1 onza / pie ^ 2), de 35 micrones o 1,4 mils de grosor, tiene una resistencia de 0,0005 ohmios o 500 micro ohmios por cuadrado. Cuadrado de cualquier tamaño. Medido desde lados opuestos del cuadrado, contactando todos los lados .
Por lo tanto, un amperio, a través de 1 cuadrado de papel de aluminio, equivale a 500 microVoltios. O 0,5 uV por 1 mA.
Sin embargo, un miliamperio, fluyendo de un lado a otro de un PCB cuadrado, encuentra mucho más de 500 micro ohmios, porque la corriente tiene que extiéndase desde el punto de entrada inicial de 1 mm y luego concéntrese una vez más para salir de un punto de salida de 1 mm.
Obtenga una almohadilla de cuadrilla, designe un cuadrado en el medio como «punto de entrada actual» y dibuje cómo se extiende la corriente, en los OCHO cuadrados que rodean el cuadrado de entrada. Y cómo la cuadrícula de 5 * 5, que rodea al 3 * 3, ofrece incluso menos resistencia pero sigue siendo resistiva, a 500 microOhms / cuadrado.
simula este circuito – Esquema creado con CircuitLab
¿Qué voltaje sale de OA2?
Modele crudamente ese voltaje de borde como $$ 1.25mV / (20Sqr + 10sqr + 15sqr ) $$ $$ = 1.25mV / 45sqr = 30uV / sqr $$ y nuestras puntas de sonda OA2 están separadas por 1cm (1sqr). Espere 30uV * 1,000x = 30 milivoltios de OA2.