Picos inducidos en PCB. ¿Problema de compatibilidad electromagnética?

Diseñé la siguiente placa de circuito impreso, donde después de probarla se enfrentó a un problema grave (¿relacionado con EMC?).

Esta placa alberga una placa de desarrollo STM32F103 .

A la derecha de la PCB, hay 6 termistores conectados para medir varias temperaturas, que durante todas las pruebas se conectaron directamente a la PCB, sin ningún cableado largo. En la parte inferior de la placa de circuito impreso hay 7 relés, SANYOU SRD-S-112D , que se activan desde el ULN2003A situado encima de ellos. El diodo del ULN2003A está correctamente conectado y no hay ningún problema con el EMF posterior de los relés. No se realizaron otras conexiones durante la prueba.

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Mientras probaba la placa sin nada conectado a los relés, todo funciona como se esperaba.

Luego conecté un relé de red (220V) al de a bordo. La conexión por lo tanto es ULN2003A=>relé integrado =>relé de red. Y aquí empezaron los problemas. Cada vez que el relé de 220 V cambia de estado, obtengo picos de ruido excesivos en la PCB. Los datos I2C están corruptos, los datos del registro de desplazamiento que controlan el ULN2003A también están corruptos, etc. El problema es más grave cuando el relé se desactiva.

La fuente de alimentación, la placa de circuito impreso y todos los instrumentos utilizados están debidamente conectados a tierra. La PSU está aislada, con la tierra de CC conectada a tierra. Los relés integrados se prueban y mi DMM informa OL entre el contacto y la bobina para todos. Aparte de la conexión a tierra, nada más conecta eléctricamente el relé de red y la PCB bajo prueba.

Conecté mi osciloscopio y obtuve la siguiente traza. El canal 2 es el suministro de +12V de la PCB. Estos picos se observan 6 ms después de que cambia la salida ULN2003A, por lo que creo que este es el momento en que el relé integrado necesita cambiar de estado y la bobina del relé de 220 V para iniciar/detener el funcionamiento.

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Estos picos se pueden observar en cualquier punto de la PCB, en cualquier traza y nivel de voltaje.

¿Qué está causando esto exactamente? ¿Cómo puedo combatirlo? ¿Cómo puedo determinar si estos picos llegan a mi circuito por la fuente de alimentación, o por el aire, y en cada caso cuál es la solución?

Como he fabricado un pequeño lote de estas placas, estoy interesado en soluciones tanto para hacer que funcionen y no tirarlas, como para implementar en la próxima revisión.

Se pueden realizar más pruebas, por favor pregunte en los comentarios.

EDITAR:

Según la recomendación en la respuesta, instalé un televisor 1.5KE400CA en el contacto del relé integrado. Puedo decir que ayudó un poco, pero definitivamente el problema persiste.

Aquí está la salida del regulador de 5V antes del TVS:ingrese la descripción de la imagen aquí

Y aquí está después:ingrese la descripción de la imagen aquí

EDITAR 2:

Como puede ver en el esquema, hay una salida en serie, para conectar en cadena más registros de desplazamiento y relés. Conecté una placa de este tipo en esta salida. Está hecho en strip-board, así que no tengo ningún esquema a mano, pero es un simple 74HC595 conectado a un ULN2003A. Solo el mismo circuito que en la placa principal. Al realizar la misma prueba (relé de red conectado al contacto del relé de la placa de expansión), los picos son mucho más severos y el sistema deja de responder por completo, con datos en todos los buses (I2C y SPI) totalmente corruptos.

Intenté agregar diodos TVS en todo (bobina de relé, contacto de relé, bobina de relé de red, contacto de relé de red), pero no hice absolutamente nada.

El esquema también sería útil, no tenemos idea de qué componentes van a dónde. ¿También está seguro de que tiene suficiente desacoplamiento y suficientes diodos de rueda libre?
Se agregó el esquema. Originalmente evitado ya que no está muy claro. Si necesita ampliar alguna parte, por favor dígame. Sobre los condensadores de desacoplamiento creo que estoy bien. Intenté agregar diodos adicionales a los relés integrados, pero no sirvió de nada. Los relés de 220 V son CA, por lo que aquí no se aplica ningún diodo.
¿Su línea de 12 V de una fuente de alimentación principal está en el mismo circuito que la red eléctrica que está cambiando? El ruido podría estar viniendo de esa manera. También querrá considerar amortiguadores en los contactos de su relé, de lo contrario, se formarán arcos e irradiarán bastante mal debido a la inductancia de la bobina de los relés de 240 V.
¿Hay alguna razón por la que estás manejando relés con relés? Si desea más aislamiento, sugeriría que opto+relé sea más simple. También debe enrutar las ranuras de fuga + espacio libre en su PCB entre la bobina del relé y el pin común. ¿Y por qué los grandes brazos en el Común?
La línea de +12 V está en la placa de circuito impreso; sin embargo, obtengo estos picos en las señales y otros rieles de voltaje. La razón para controlar un relé con un relé es que a veces es necesario cambiar una potencia monstruosa y el relé integrado puede no ser suficiente, ya que es una forma de simular una carga inductiva y una forma perfecta de reproducir el problema. Estos "brazos" proporcionan puentes de soldadura, lo que permite conectar todos los comunes sin cableado externo. Puede eliminarse en una revisión futura.
Supongo que la conexión COM en el 2003 es un error y lo arreglaste con un cable volador. Esos son relés baratos pero no muy buenos. Sugeriría usar relés mejor diseñados con mayor aislamiento de contacto de bobina.
Oh sí... Olvidé mencionar eso. Ahora está conectado a +12V, como debería ser.
¿Tiene un amortiguador o algún otro dispositivo entre las bobinas del relé de red (para proteger los contactos del relé integrado)? Veo que el ULN2003 incluye un diodo de abrazadera en la bobina de cada relé incorporado para proteger su interruptor interno, ahora que su COM está conectado a +12V.
Agregué un TVS a través de la bobina del relé de red. Solo ayudó marginalmente. Tenga en cuenta que no sé qué puede conectar el usuario final, por lo que no puedo depender de que agregue amortiguadores en el dispositivo externo. Prefiero una solución a bordo.
@FotisPanagiotopoulos, ¿resolviste el problema? Tengo el mismo problema

Respuestas (1)

Si bien tiene diodos de rueda libre en las bobinas del relé, no tiene ningún tipo de atenuación de picos en los contactos del relé . Los contactos necesitan supresión de transitorios por la misma razón que los transistores de excitación de la bobina.

La inductancia de cualquier carga que esté cambiando puede causar un transitorio de voltaje grande (varios kilovoltios) con un tiempo de aumento muy rápido cuando se abre el contacto del relé. Los transitorios luego se acoplarán capacitiva e inductivamente al resto del circuito (y con el tiempo destruirán los relés). Estos picos son de naturaleza esporádica, ya que su magnitud varía con la cantidad de corriente que fluye en el instante en que se abren los contactos. A veces, verá varios picos más pequeños cuando se cierra un relé, causados ​​por los contactos que rebotan varias veces antes de establecerse finalmente.

Para suprimir estos picos, hay varias opciones que se pueden usar solas o combinadas para casos más difíciles:

  • Una red de amortiguamiento RC no eliminará el transitorio, pero incluso con una resistencia bastante grande, reducirá significativamente el tiempo de aumento de voltaje, lo que reducirá en gran medida la EMF radiada y acoplada capacitivamente. Tiene el inconveniente de dejar pasar una pequeña cantidad de corriente alterna incluso cuando el contacto está abierto.

RC

  • Un diodo supresor de voltaje transitorio bidireccional está diseñado para comenzar a conducir una corriente significativa una vez que el voltaje sobre él alcanza un umbral determinado. Se activan extremadamente rápido (típicamente en el rango de picosegundos), pero se vuelven costosos cuando se van a disipar altas energías transitorias, y las clasificaciones superiores a 500V son raras. Ejemplo: P6KE440CA

  • Los varistores de óxido de metal están disponibles para valores nominales de potencia y voltaje más altos que los diodos TVS, pero son inferiores en tiempo de respuesta (rango de nanosegundos). También tienen el inconveniente de tener una vida útil limitada a unos pocos miles de activaciones, y les gusta fallar en cortocircuito, lo que requiere protección externa. Hoja de datos de ejemplo

  • Los tubos de descarga de gas contienen un gas que se ioniza cuando el voltaje alcanza cierto nivel, lo que permite que los electrodos dentro del dispositivo se arqueen entre sí. Solo están disponibles para corrientes y voltajes grandes, y se degradan con el tiempo.

  • Conmutación síncrona. Dado que está cambiando CA, la corriente cruza cero 100 o 120 veces cada segundo. Si logra cronometrar la activación del relé correctamente, puede (teóricamente) abrir el relé sin que fluya corriente a través de él. Necesitaría un detector de cruce por cero de voltaje de red y una programación significativamente más compleja para lograrlo, y solo sería posible con retardos de apertura y cierre de relé predecibles y consistentes. También se debe tener en cuenta el cambio de fase probable entre el voltaje y la corriente.

Pensé en MOV, pero creía que no son lo suficientemente rápidos para ayudar. No tenia ninguno a la mano para probarlo, compro hoy y pruebo de nuevo.
Además, coloqué un diodo zener de 16 V en el riel de +12 V que tenía a mano, y no sirvió de nada. ¿No son lo suficientemente rápidos o el problema es otro?
Los zeners son más lentos que los diodos TVS pero funcionan para la supresión de picos. Sin embargo, agregar cosas en el lado de control del tablero es tratar los síntomas, no curar el problema. Probaría diodos TVS a través de los contactos, no MOV. Tenga en cuenta que los diodos TVS unidireccionales también están disponibles, pero estallarían en la red eléctrica de CA. También puede probar la red snubber rc. Un condensador de 100 nF X2 (nominal de red) con una resistencia de 100 ohmios en serie debería ayudar, con el inconveniente de pasar 2,5 mA cuando el interruptor está apagado. ¿Qué cargas estás conduciendo?
Desafortunadamente, las cargas no se conocen. Pueden ser motores pequeños, relés de potencia que controlen motores grandes o maquinaria de muchos KW, o simplemente comandos a un sistema de automatización convencional, con termostatos, paletas, interruptores, etc. Una entrada Z alta, digamos una entrada de 220 V en un sistema de control (como un PLC), ¿funcionará con el circuito amortiguador?
Una cosa que me hace escéptico es que no he visto tales protecciones en otros sistemas. La mayoría de los diseños que he visto tienen relés simples. ¿Por qué en mi situación tengo este problema, mientras que otros no?
@ user3634713 Porque estaba cambiando una carga altamente inductiva (una bobina de contactor). Una carga resistiva como un calentador probablemente habría estado bien sin ninguna protección. Otro método para mitigar los transitorios sería agregar un detector de cruce por cero y solo cambiar los relés para que cambien de estado en el instante en que la corriente cruce por cero. Con cargas inductivas, esto sucede algún tiempo después de que el voltaje cruza cero. Si bien a menudo se omiten (dinero), algunas placas de relés tienen diodos MOV o TVS: i.imgur.com/riBf3g3.jpg
Por favor, vea mi pregunta actualizada. Instalé diodos TVS, pero el problema persiste. Parece que necesito una forma más efectiva de combatir esto.
@ user3634713 Eso no parece relacionado con el relé en absoluto, los plazos son demasiado cortos. La amplitud del pulso es de solo unos 2 V pico a pico, duran menos de 200 ns y se repiten una vez cada 700 nanosegundos aproximadamente. Parece ruido de conmutación de transistores de potencia de, por ejemplo, SMPS, inversores y similares. No digo que el problema de los relés ya no deba existir, pero lo que capturó con su alcance no está relacionado con los relés. El canal 1 es presumiblemente el riel de 5 V, pero ¿qué es el canal 2, el riel de 12 V acoplado a CA? ¿Sigue actuando el circuito de manera extraña al cambiar cargas inductivas con los relés?
Probado y esto solo sucede cuando el relé cambia. Esta no es una señal repetitiva. ¿Probablemente rebotes de relevos? Tenga en cuenta solo CH2, que está conectado al regulador de 5V.
@ user3634713 Confundí los canales en mi comentario, lo siento. Es demasiado rápido para ser un rebote de contacto, pero ahora que lo pienso, probablemente se deba a que los contactos se arquean durante la conmutación. ¿Tu circuito realmente funciona ahora? No siempre es necesario erradicar todo el EMC, pero si desea atenuarlo más, sería útil un amortiguador RC en paralelo con los diodos TVS. A 220 V 50 Hz debería ser adecuado un condensador de 100 nF y una resistencia de 120 ohm en serie. El condensador debe ser un condensador nominal de red "X2".
Parece que no hay más datos corruptos en mis autobuses. Solo me preocupa si el problema está resuelto o si esto funciona marginalmente. Voy a probar de nuevo con un motor de 2KW.
Interesante. Usó 2 motores diferentes y absolutamente ningún pico. Probé nuevamente con los relés, y los picos están aquí nuevamente. También probé varios relés para asegurarse de que no es el particular, sino todos iguales. ¿Qué tienen de especial los relés?
No me sorprendería si lo que está viendo son corrientes inversas provenientes de las cargas inductivas. Debe haber corregido el puerto COM para ir a +12V, pero no creo que haya actualizado la imagen de PCB. Pero a partir de eso, me pregunto si simplemente aumentar los anchos de seguimiento ayudaría. Y recuerde, la traza desde COM hasta +12 V debería ser la más amplia de todas. Por ejemplo, uso trazas de 60 mil para trazas de 3,3 A y trazas de 30 mil para trazas de 2,0 A. Finalmente, sus planos de tierra parecen estar bastante ranurados, y eso probablemente también debería corregirse.
@Pål-KristianEngstad Ya estableció que no se detecta interferencia cuando los relés funcionan sin carga, por lo que las bobinas de los relés no pueden ser la causa. El problema solo ocurre cuando OP cambia (típicamente altamente inductivo) cargas externas con los relés.
@jms Ya veo. Entonces, ¿tal vez sea un problema con su protección? Aunque dado que solo sucede en un momento particular, lo dudo.
Picos inducidos en PCB. ¿Problema de compatibilidad electromagnética?
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