¿Por qué las bujías de encendido del motor sin resistencia son tan potentes asesinos de la electrónica cerca de ellos?

Recreé la parte de la bobina de encendido de un pequeño Honda ICE (generalmente utilizado en cortadoras de césped o grupos electrógenos de kW de un solo dígito). Utilizo un motor eléctrico para hacer girar un volante extraído de un motor muerto, y he colocado la unidad de bobina de encendido como en el motor real, con bujía y todo. Obtengo chispas cuando el volante funciona a más de 500 RPM.

Físicamente, se ve así:

configuración del volante

También he adjuntado un dispositivo similar a Arduino, como este:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

La bobina de encendido está diseñada para funcionar así:

  • El cuerpo de la bobina (laminaciones) está conectado eléctricamente al bloque del motor (chasis).
  • Un cable bien aislado va hasta el casquillo de la bujía. El circuito se completa a través del chasis.
  • Hay un interruptor de parada del motor: cuando quieres apagar el motor, cierras el interruptor, lo que corta alguna señal del circuito de encendido. Nuevamente, el circuito se completa a través del chasis del motor.

En mi configuración, el chasis del motor es esta tira de metal donde descansa la bujía, y no tengo un interruptor de apagado (no necesito uno).

La señal al interruptor de apagado es de mucho menor voltaje (25-100V) y tiene una forma extraña, pero con algunos divisores y filtros de paso bajo la he acondicionado para un pin de entrada digital de un Arduino. El circuito de acondicionamiento de señal no debería importar mucho (ver más abajo), pero lo incluyo para que esté completo:

esquemático

simular este circuito

Mi dispositivo funciona con una batería de iones de litio + un LDO de 3,3 V.

Observo los siguientes resultados con el motor a 1000 RPM y una bujía sin resistencia:

  • Dispositivo Arduino no conectado eléctricamente al motor, pero físicamente cerca de la bujía - no afectado
  • Arduino conectado eléctricamente a la señal del interruptor de apagado, pero por lo demás lejos de la bujía: se reinicia continuamente, esencialmente en cada chispa
  • Solo los terrenos conectados (el cable azul) - lo mismo, se reinicia furiosamente

Si cambio la bujía por una resistida (Denso W20EPR-U), estoy observando

  • Dispositivo cerca de la chispa - no afectado
  • Conectado a la señal del interruptor de apagado - no afectado (puedo leer las RPM del motor)
  • Solo conexión a tierra: no se ve afectada (pero, por supuesto, no puedo leer las RPM del motor)

También tengo un chip GPS conectado al Arduino. Muestra un comportamiento similar (se reinicia furiosamente cuando se usa la bujía sin resistencia). Todas las fichas están debidamente pasadas por mayúsculas. El alcance de los rieles de alimentación no revela ningún problema técnico. El GPS, por supuesto, tiene una antena sensible, que supongo que capta mucho ruido.

Pregunta

¿Qué mecanismo hace que la MCU de Arduino se reinicie furiosamente cuando solo tengo los terrenos conectados? ¿Y por qué el cambio a una bujía resistida lo arregla tan bien? Además, ¿cómo protegerse contra la maldad de la chispa sin resistencia? ¿Es obligatorio el optoaislamiento?

EDITAR:

Respondiendo preguntas aclaratorias de @glen_geek:

  • el dispositivo se alimenta a través de una batería de iones de litio y un LDO de 3,3 V
  • nada más está conectado a él
  • He incluido el circuito de acondicionamiento de señal.
  • He agregado una foto de la configuración real (no se muestra el dispositivo en sí). Como puede ver, el cable más delgado que sale de la bobina de encendido pasa por un par de conectores de bala y llega a un cable de 4 hilos. El GND de las laminaciones (cable azul) está en el mismo cable. Los otros 2 hilos del cable no se utilizan. Así que no es par trenzado, pero tampoco son cables voladores.
En cualquier momento que esté lidiando con alto voltaje o un entorno de alto ruido. Una forma simple de hacer las cosas más fáciles y seguras es eliminar cualquier conexión directa a través de la cual el ruido pueda acoplarse. En su caso, un optoaislador sería una buena opción. Tiene las tierras conectadas, pero el voltaje es lo suficientemente alto y hay suficiente capacitancia perdida dentro de la placa para que aún puedan suceder cosas.
¿Qué alimenta al Arduino? ¿Qué más está conectado a Arduino? Muéstranos tu acondicionamiento de señal. ¿Está utilizando cables de par trenzado para conectarse a la bobina de encendido o dos cables "voladores"? Nos ha mostrado solo bloques básicos, y tal vez no haya mostrado los elementos críticos.

Respuestas (2)

Has redescubierto la forma más antigua de transmisores de radio: la vía de chispas .

Cada vez que se dispara la bujía, un impulso de corriente fluye a través de su circuito. Partes de su circuito actúan como una antena para irradiar parte de esa potencia. De su foto, supongo que esto es en gran parte inductivo, por lo que la transmisión sería predominantemente de inducción magnética de campo cercano .

Normalmente, esto se evita mediante el diseño de los componentes, ¡y el gran trozo de metal no duele!

Los cables de las bujías a menudo incorporan algo de supresión de EMI en la forma en que se enrolla el conductor, y algunos cables incluso están blindados. La chispa en sí generalmente está contenida dentro del bloque del motor, lo que no es una mala jaula de Faraday, y las corrientes de retorno fluyen hacia la bobina a través de una gran sección transversal de metal. Todo esto ayuda a reducir la radiación electromagnética, pero los hot rodders personalizados todavía tienen problemas con la EMI .

En su configuración, la chispa está expuesta y toda la corriente de retorno fluye de regreso a través de un camino relativamente estrecho. Ambos son sospechosos como antenas: el propio espacio en altas frecuencias y la larga tira de metal para frecuencias más bajas.

Ahora, ¿por qué la bujía de resistencia cambiaría las cosas? La resistencia crea una chispa más débil, lo que reduce el impulso de corriente y, por lo tanto, la señal de RF.

Sospecho que esto también, sin embargo, el mismo problema ocurre en un motor real (con la jaula de Faraday en su lugar). Pero creo que el plano de tierra de mi dispositivo actúa como una antena bastante buena en alguna frecuencia. Por cierto, ¿alguna idea de cómo eludir este comportamiento de la antena mediante modificaciones del circuito?
Lo siento, el diseño de antenas es un campo de estudio completo y resulta que crear una antena es más fácil que evitar que algo irradie. Sin un modelo detallado, el diseño de la antena generalmente implica mucho ensayo y error: el tamaño, la forma y los materiales son importantes. Como mencioné anteriormente, una gran parte del diseño se aplica a los cables de las bujías, por lo que podría hackear otro cable para que sirva como ruta de retorno. Otro enfoque es filtrar la señal, como lo está haciendo su bujía de resistencia; sin embargo, eso también afectará tu chispa.

Lo que probablemente sucede es que la bujía hace que el suelo rebote debido a corrientes absolutamente enormes y la resistencia residual del chasis. Si el chasis está hecho de chatarra o los pernos no son particularmente conductores, probablemente haya corriente circulando por todas partes.

El hecho de que el Arduino funcione cuando se coloca cerca de la bujía (distancia corta a la perturbación del suelo, por lo que la caída de voltaje es baja) sugiere que esto es lo que sucede (si el acoplamiento fuera magnético o radiativo, más cerca sería peor, no mejor).

Una bujía "con resistencia" simplemente limita la corriente que se puede descargar, lo que mantiene el rebote del suelo por debajo de un umbral que restablecería el Arduino.

Ahora, "Solo las conexiones a tierra conectadas" no deberían hacer que el Arduino se reinicie, ya que solo sería una conexión única y la electricidad debe seguir un circuito cerrado.

Sin embargo, ¿está SEGURO de que solo tiene conexiones a tierra? ¿No hay tornillos en alguna parte? ¿No hay otros pines? ¿Tus dedos no están tocando algo? ¿No hay ruta conductora a través de la resistencia de soldadura al chasis? Los pines de entrada también cuentan como conexión, tienen diodos a VDD y GND para purgar ESD que pueden polarizarse si el pin pasa por encima de VDD o por debajo de GND.

Y sí, un optoaislador probablemente sería una buena idea. Probablemente pueda hacer que esto funcione con SCR, BJT, MOSFET, etc., pero un optoaislador es probablemente el más rápido y fácil.

Buena suerte.

El hecho de que el Arduino funcione cuando se coloca cerca de la bujía. Lo siento, mi pregunta no estaba clara. Por cerca quise decir físicamente cerca de la chispa, pero no conectado eléctricamente de otra manera.
y sí, estoy seguro de que solo las tierras están conectadas eléctricamente. Solo hay dos cables que salen de la configuración del motor que hice, por lo que es bastante fácil asegurarse de esto.
¿Por qué las bujías de encendido del motor sin resistencia son tan potentes asesinos de la electrónica cerca de ellos?
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