Problemas con el diseño del plano de tierra para conmutar relés en entornos de alto ruido

Estoy diseñando un relé de 8 canales controlado por PC usando un microcontrolador AVR.

Aquí, los relés están en el lado derecho de la placa y son controlados por el micro AVR en el lado izquierdo.

Las ocho salidas TTL de AVR están conectadas a un IC de par darlington de alta corriente como ULN2003A.

Puedo usar la interfaz USB o RS485 para conectar la placa con la PC.

Cada relé tiene una capacidad de conmutación de CA de hasta 7 A y hay ocho de ellos. Los relés se utilizan para controlar equipos eléctricos de CA.

PCB es material FR4 de doble capa.

Las capas verdes en la imagen de abajo representan el plano de tierra. La sección del microcontrolador AVR tiene un plano de tierra en ambos lados.

Diagrama de bloques

Quiero que el circuito funcione de manera confiable en un entorno de alto ruido sin reiniciar el micro AVR.

Tanto los controladores Micro como los de relé reciben alimentación de un único adaptador de CC de 12 V. 12 V CC a relés de 12 V y 5 V a micro a través de un regulador lineal.

Ahora mis preguntas son:

  • ¿Debo mantener el ULN2003 cerca de los relés , para que la longitud de las trazas de alta corriente que van al relé siga siendo corta y hacer que las líneas TTL de 5 V al ULN2003 sean largas o viceversa? ¿Cual es mejor?

  • ¿Tengo que extender el plano de tierra del microcontrolador debajo de las líneas TTL de 5 V que van hacia ULN2003 como se muestra en la imagen de arriba también o debo dejarlo sin un plano de tierra (solo debajo de las líneas TTL de 5 V)?

  • ¿Debo proporcionar un plano de tierra bajo ULN2003A IC y los contactos de CC del relé?

Se agradecen otras sugerencias sobre diseños de suelo adecuados.

Respuestas (1)

Una vez ayudé a un consultor que tenía circuitos integrados quemados, porque su PCB estaba ubicado a solo 40 milímetros de un bus de alimentación de 5,000 voltios que cambiaba 2,000 amperios en 1 microsegundo.

Se calculó la alteración en el plano del suelo, suponiendo bucles de 4" por 4" en el suelo, como

V = [MU0*MUr*Área/(2*pi*Distancia)] * dI/dT

que simplifica a

Vinduce = 2e-7 * Área/Distancia * dI/dT

e insertando números, tenemos

Vinduce = [2e-7 * 0,1 metro * 0,1 metro / 0,04 metros] * 2e+9 amperios/seg.

Vinduce (es decir, voltaje inducido en bucles en el plano de Tierra) = (2e-7 * 1/4) * 2e+9

Vinduce (de este autobús de 10 megavatios) es

100 voltios

Por lo tanto, debe identificar la tasa de cambio de las corrientes y calcular la cantidad de RUPTURA DE TIERRA que se puede generar.

Oh... ¿Cuánta credibilidad tiene esta matemática? 100 voltios alrededor de un bucle de 4"by4". Hice que el "consultor" hiciera un bucle de 1" por 1", conectado al cable coaxial; tenga en cuenta que esto es 1/16 del área que usé en las matemáticas, por lo que podríamos esperar 100/16 = 7 voltios.

¿Qué midió el consultor? 3 voltios o 4 voltios en algunos lugares de la PCB. Frente a los 7 voltios previstos. Para un bus plano de 2000 amperios (refrigerado por aire, recuerdo) ubicado a 4 cm de distancia.