Ferritperle gegen Gleichtaktdrossel

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Ich habe die Top-Rennstrecke von einem früheren Designer in meinem Roboterteam geerbt. Die Schaltung verwendet zwei Ferritperlen, einen Zener, ein TVS und einen Kondensator, um die ankommende Leistung zu filtern. Die ankommende Energie kommt von den Batterien. Zusammen mit der digitalen Schaltung sind an die Batterien große Motoren angeschlossen, die für eine sehr laute Umgebung sorgen. Ich verstehe, dass mit Hilfe der Ferritperlen der Zener und das TVS jegliche Spitzen unterdrücken. Dann hält der große Kondensator eventuelle Erschütterungen auf. Diese Schaltung hat bisher gut funktioniert.

Meine Frage ist, ob das Ersetzen der Ferritperlen durch eine Gleichtaktdrossel die Filterung verbessert oder, wenn sie nicht kaputt ist, sie nicht repariert?

(Ich habe nur allgemeine Komponenten verwendet, um das allgemeine Schaltungslayout anzugeben. Die obere ist die aktuelle Schaltung und die untere ist meine vorgeschlagene Änderung.)

Zusätzliche Informationen Die Schaltung geht in einen Roboter. Der Roboter besteht aus stranggepresstem Aluminium (nicht geerdet) und das Ganze ist mit klarem Acryl verkleidet. Das Ganze wird von einer 24V 8 Zellen Lithium Eisen Phosphat 20Ah 10C Batterie betrieben. Die digitale Schaltung benötigt ca. 1A. Die Motoren sind zwei Rollstuhlmotoren. Die Motoren haben eine maximale Leistung von 60 A, werden jedoch nie so stark angetrieben, normalerweise um die 50% oder weniger. Die Motoren werden von Vex Victor H-Brückenmotorsteuerungen angetrieben.

Auch wenn diese Frage sehr spezifisch aussieht, kann sie in der Tat als eine viel allgemeinere Frage der Fallfilterung behandelt werden: "Wie kann man elektrische Geräusche herausfiltern, die von Leistungselektromotoren herrühren?" .

Die ersten Informationsdaten, die wir im Voraus sammeln müssen, sind die Art des Rauschens, dem unsere Schaltung ausgesetzt ist. Manchmal ist es wirklich schwierig, diese Daten vorab abzurufen, manchmal ist es noch schwieriger, das Rauschen ohne vorherige Erfahrung und hochwertige Laborgeräte zu messen.

Im Allgemeinen können wir unsere Lärmquellen in Bezug auf Folgendes bewerten:

• Innerlich oder äußerlich. Dh kommt / wird das Geräusch in unserem eigenen System erzeugt? Oder kommt es außerhalb unseres Systems?
• Kopplungsmechanismus: kapazitive Kopplung, induktive Kopplung, Erdschleifen, EM-Strahlung ...
• Eigenschaften des Rauschens: geschaltet, thermisch (Gauß), Schuss, Flackern ...
• Frequenzband und F. Wie schmal oder breit ist unser Rauschen? Fällt / verschwindet es plötzlich außerhalb dieses Bandes (Qualitätsfaktor)?

Das obige ist eine unvollständige Teilliste, die nur als Ausgangspunkt dienen kann.

Dann gibt es eine Menge Techniken, ich meine buchstäblich Hunderte von Tricks und breitere Ansätze, je nach Fall.

Wenn ich mich mit den Einzelheiten der ursprünglichen Frage befasse, ist dies meine beste Vermutung für die Art von Rauschen, das vom System verursacht werden kann.

1. Das Geräusch kommt hauptsächlich vom System selbst, den Leistungsmotoren und den Treiberschaltungen. Ein Spitzenschaltstrom von 30 A ist hoch, um Impulse zu erzeugen, die leicht mit dem Rest der Schaltung gekoppelt werden können.
2. Kapazitive Kopplung, induktive Kopplung und Erdschleifen können hier aufgrund der hohen Stromimpulse der Treiber zu Problemen führen.
3. Das Rauschen wird, glaube ich, im Sub-1-MHz-Bereich umgeschaltet, es kann jedoch leicht zu einer Schallemission im 1-10-MHz-Bereich kommen.

Einige praktische Hinweise und Techniken zum Umgang mit dem Rauschen im obigen System:

• Wenn möglich, trennen Sie die Motoren und Treiber physisch vom Rest der Stromkreise. Dies ist natürlich nicht in allen Fällen möglich, wenn Sie beispielsweise eine einzige Platine für die gesamte Elektronik haben. Wenn Sie sich jedoch zwei separate Platinen leisten können, eine für den Antrieb der Motoren und eine für den Rest des Systems, ist dies hilfreich.
• Vermeiden Sie Erdungsprobleme und die Schleifeneinkopplung des Rauschens, indem Sie eine sorgfältig durchdachte Sternerdungsverbindung für alle Ihre Schaltkreise verwenden, einschließlich Leistungstreiber, Batterien und Gehäuse.
• Lassen Sie kein Chassis oder großes Metallteil schweben, da dies mit den von den Motoren und Leistungstreibern erzeugten EM-Feldern interagiert und die EM-Felder als zusätzliches Rauschen reflektiert, ausbreitet und / oder wieder aussendet.
• In Bezug auf die Motoren selbst und je nach Motortyp können Sie sicherlich Rauschfilter in der Nähe Ihrer Motoren anbringen. Bei Gleichstrommotoren, bei denen dies möglicherweise nicht der Fall ist, ist es ratsam, kleine Keramikkondensatoren über jede Phase so nahe wie möglich am Motor zu löten. Am Anfang sind robuste (Hochspannungs-) 0,1-uF-Kondensatoren eine gute Faustregel. Abhängig von der Anwendung können Sie auch ein weiteres Paar Keramikkondensatoren von jeder der Phasenleitungen zum Chassis hinzufügen. Achten Sie darauf, den genauen Motortyp und den Fahrer zu überprüfen, bevor Sie diese Route befahren.
• Die Verkabelung zwischen Treibern und Motoren sollte so eng wie möglich und verdrillt sein.
• Entkopplungs- / Überbrückungskondensatoren sollten in zwei Varianten großzügig in die Stromleitungen Ihres Treibers eingefügt werden: Volumenkondensatoren (möglicherweise in der Größenordnung von Hunderten von uF für Niederfrequenzfilterung) und Hochfrequenzkondensatoren (normalerweise 0,1 uF).

Zurück zu der Schaltung, die Sie gepostet haben, wäre mein erster Ansatz:

• Keine Gleichtaktdrossel verwenden, da diese eher für kapazitive Kopplungsgeräusche geeignet ist, die von außerhalb Ihres Systems erzeugt werden.
• Doppelte LC-Filterung für beide Leitungen (Strom- und GND-Rückleitung) oder noch besser, ein doppelter L-Pi-Filter. Dies ist der effektivste Filter für Rauschen von kHz bis niedrigen MHz . Eine große Induktivität (im mH-Bereich) in Reihe mit jedem der Batterieklemmen verbessert das Rauschen, das in den digitalen Teil Ihrer Schaltung eintritt, dramatisch. Im Gegensatz dazu sind Ferritperlen von Natur aus dissipativ und am besten für höhere Frequenzen (Dutzende von MHz-Frequenzen) geeignet.
• Ersetzen eines bidirektionalen, robusten (Hochenergie-) Fernsehgeräts durch ein standardmäßiges Zener- und unidirektionales Fernsehgerät. Der Zener in Ihrer Schaltung kann jedoch beibehalten werden, wenn Ihr Eingangsregler kleinen Überspannungsspitzen nicht standhält.
• Hinzufügen eines Paares kleiner Keramikkondensatoren parallel zum Hauptkondensator: z. B. 1uF- und 0,1uF-MLCCs, die konservativ ausgelegt sind (> 100 V). Dies erhöht die Filterwirkung bei höheren Frequenzen (> 1 MHz).

Zu guter Letzt sollten Sie einen einfachen Weg finden, um Ihre Schaltung an kritischen Punkten zu messen und die Wirksamkeit der verschiedenen Ansätze zu überprüfen. Versuchen Sie bitte, unter ähnlichen Umständen zu testen, unter denen das reale Gerät funktioniert.

Bei Bedarf kann ich weitere Referenzen (Bücher, Artikel) zu den oben genannten Ansätzen bereitstellen. Wenn Sie einige Teile Ihres Systems genauer spezifizieren können, werden sicherlich zusätzliche Filtertechniken angewendet.

Dies hängt von der Umgebung Ihres Boards ab. Nennen wir den Minuspol Ihrer Versorgungsspannung GND. In einem Auto ist beispielsweise das gesamte Chassis GND, Sie sind jedoch nur an Ihren Versorgungsstiften und nicht direkt am Chassis angeschlossen. Ihr Board hat eine parasitäre Kapazität gegenüber dem Gehäuse, sodass dort ein rauschender HF-Strom fließt. Wenn Sie einen solchen Fall haben, hilft die Gleichtaktdrossel, da der HF-Strom durch Ihren VCC und Ihre GND-Versorgungsleitung benötigt wird.

Wenn Ihre Karte eine andere Art von HF-Rauschen intern, einen Schaltregler oder eine Art von CPU- oder Speicherschnittstelle erzeugt, fließt der größte Teil des Stroms vom Hochgeschwindigkeitssignal zu Ihrer internen GND (Hochgeschwindigkeitsschaltung). Die Commom-Modus-Drossel verhindert nicht, dass das Rauschen aus Ihrem Design austritt, da gleichzeitig ein Strom einfließt und ein Strom ausfließt. In diesem Fall wäre eine Ferritperle die bessere Wahl.

Ich schlage vor, dass Sie die Ferrite aus bestimmten Gründen behalten. Gleichtaktprobleme können beseitigt werden, wenn Ihre Signale auf der Karte eine größere Kapazität zu Ihrer internen Masse aufweisen als gegenüber dem Gehäuse oder anderen externen Geräten. Darüber hinaus sind Ferrite die meiste Zeit billiger. Ich kenne Ihre Spezifikation nicht, aber ich arbeite in der Automobilindustrie, ich würde die Ferrite nehmen.

Eine Gleichtaktdrossel ist nützlich, um Rauschen zu reduzieren, das "Gleichtakt" ist - offensichtlich, mit anderen Worten - ähnliches Rauschen, das auf beiden Leitungen vorhanden ist. Dies kann nützlich sein, um hochfrequentes Rauschen wie ein HF-Signal aus einem nahe gelegenen Funksender herauszufiltern. Systeme mit einem ungeerdeten Metallgehäuse können von Nutzen sein, wenn der Verdacht besteht, dass beide isolierten Stromleitungen (induktiv oder kapazitiv) mit HF-Rauschen belastet werden (z. B. wenn an das Gehäuse andere störende elektrische Systeme angeschlossen sind).

Einzelne Ferritperlen (wie gezeigt) können scharfe Stromspitzen reduzieren, wenn sie richtig dimensioniert sind. Im Allgemeinen filtern die kleineren Kügelchen höhere Frequenzen (obwohl auch das Ferritmaterial von Bedeutung ist). Um Niederfrequenzspitzen zu filtern, benötigen Sie im Allgemeinen größere (dickere Perlen). Wenn die verwendeten Kügelchen nicht angemessen zu sein scheinen, wechseln Sie zu einer größeren Größe, oder verwenden Sie stattdessen Induktoren mit großem Wert (ähnlich große Induktoren werden häufig in Stromleitungen für HiFi-Audiogeräte verwendet). Außerdem müssten Sie die aktuelle Handhabung überprüfen Fähigkeiten der Induktivitäten (falls verwendet).

Außerdem kann das Hinzufügen eines Keramikkondensators mit kleinem Wert parallel zum Kondensator mit großem Wert dazu beitragen, einige zusätzliche Hochfrequenzstörungen herauszufiltern. Große Elektrolytkondensatoren filtern Hochfrequenzstörungen möglicherweise nicht so gut.

Schließlich funktionieren Ferrite am besten, wenn ein relativer Rauschstrom fließt. Die Störströme induzieren Magnetfelder, die das Ferritmaterial als Wärme abbauen.

Wenn Sie davon ausgehen, dass Ihr Rauschen kein Gleichtakt ist, ist die Verwendung der beiden Perlen (oder Induktoren) die bessere Wahl.

Das Einschalten der TVS-Geräte benötigt einige Zeit, während derer die Eingangsspannungsspitzen möglicherweise das Mikroende erreichen. Ferritperlen können dabei helfen, das Gerät zu schützen, während die Gleichtaktdrossel nur eine minimale Impedanz (Streuinduktivität) für das differenzielle Stoßereignis bietet. Wenn Sie eine Gleichtaktdämpfung benötigen, würde ich in diesem Fall die Verwendung einer hybriden Gleichtaktdrossel empfehlen.

Die Gleichtaktdrosselung und die Gleichtaktdrossel müssen sich nicht unbedingt widersprechen. Es gibt auch viele verschiedene Gleichtaktdrosseln für verschiedene Ströme und Frequenzbereiche. Im Allgemeinen müssen Sie verstehen, wovor Sie schützen. Wenn Sie die durch Gleichstrom / Gleichstrom an Bord verursachten leitenden Emissionen reduzieren, wählen Sie zwei Drosseln aus, um den Bereich zwischen 0,5 MHz und 50 MHz und zwischen 500 MHz und 5 GHz abzudecken. Letztere können sehr gut als Gleichtaktferrit auftreten. Übrigens benötigen Sie möglicherweise Kondensatoren, um einen wirksamen Filter um die Drosseln herum zu erzeugen. Und achten Sie natürlich auf die Grundregeln Ihres Systems.