Reducción del ruido LED PWM: ¿Cuál es la mejor opción?

Conducir un LED con un microcontrolador debería ser fácil. Pero al mirar el ruido, las cosas pueden volverse complejas...

Como indicador de voltaje instantáneo utilizado en una fuente de alimentación variable (que se utilizará para simular una matriz fotovoltaica del satélite diseñado por un estudiante), estoy usando algunos LED controlados por PWM (~ 31 KHz).

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Tras la primera revisión de la placa me he dado cuenta de que cada uno de los LEDs está generando 200 mVpp en la línea de 5V:

captura de pantalla de ruido

Mi pregunta: ¿cuál es la mejor manera de reducir este ruido? ¿Por qué?

De mi (pequeña) experiencia en diseño, podría llegar a las siguientes posibilidades. ¿Cuál es el más efectivo, teniendo en cuenta los componentes del mundo real (ESR en capacitores, etc.)? ¿Alguna otra sugerencia? ¿Una combinación de varios?

(Nota: cambiar la frecuencia PWM no es una buena opción porque esa misma señal controla otros dispositivos)

a) Condensador de desacoplamiento

esquemático

simular este circuito

b) Filtro de paso bajo

(La resistencia forma un filtro de paso bajo RC con la capacitancia de puerta del MOSFET, eliminando los componentes de alta frecuencia de la conmutación)

esquemático

simular este circuito

c) Amortiguador

esquemático

simular este circuito

¿Por qué estás conduciendo el LED a una frecuencia tan alta? No hay ruido que evitar como con un motor...
Esa misma señal se alimenta a un filtro de paso bajo para crear un voltaje analógico, que luego se amplifica y amortigua para simular la energía generada por un panel solar. Para lograr una buena salida para esa parte del circuito, la frecuencia debe ser lo más alta posible

Respuestas (2)

Su solución a) es buena, solo asegúrese de que el capacitor esté lo más cerca posible de la resistencia / LED / rama de transistor como sea posible. Comience con un valor de 100 nF y vea cómo funciona. Si la ondulación sigue siendo demasiado grande para su gusto, agregue un condensador electrolítico en paralelo a los 100 nF. El 100nF suprimirá los componentes de mayor frecuencia y el condensador electrolítico funcionará mejor para los componentes de menor frecuencia.

Como dice @ pjc50 en uno de los comentarios, una resistencia en serie de puerta como se muestra en b) también es una buena práctica para evitar el timbre. Personalmente elegiría un valor más bajo, digamos 100Ω. Suprimirá el timbre y evitará que el transistor pase demasiado tiempo en modo lineal (= disipando calor).

Aplicaría (a) y (b): (b) no hará mucha diferencia en la frecuencia de 31khz pero suprimirá el ruido de RF.
A correcto, no vi la diferencia entre b) y el circuito original antes. @ pjc50 tiene razón, aunque probablemente usaría una resistencia más pequeña (100 ohmios más o menos).
¿En qué aplicaciones se necesita el circuito amortiguador?
Un buen amortiguador iría sobre la carga misma, no sobre el interruptor. C1/Rlim es exactamente eso. No puedo pensar en una buena aplicación en este caso particular para tener la configuración c). Solo está desperdiciando energía en R1 aquí.

a) está cerca de mi primera opción. Con un valor adecuado de capacitor en su lugar, la corriente a través de la resistencia e inductancia del rastro debe ser casi constante, con muy poca ondulación.

Sin embargo, aún tendrá corriente de conmutación a través de Rlim. Además, el condensador debe dimensionarse como un paso bajo con una frecuencia de esquina inferior a 30 kHz, utilizando Rtrace y Ltrace.

Si coloca el capacitor de derivación después de Rlim, entonces la corriente a través de Rlim también es mayormente constante, y el capacitor de derivación puede ser más pequeño y/o tener una frecuencia de corte mucho más baja sin dimensionarlo excesivamente grande.

b) El 2N7000 tiene una capacitancia de entrada de 60pF, según la hoja de datos . La frecuencia 1/RC es de aproximadamente 1,7 MHz. Los rastros de PCB seguirán radiando RF.

c) Esto parece un circuito amortiguador destinado a salvar los contactos del interruptor del retroceso inductivo. No es realmente lo que necesita, y consumirá algo de energía y posiblemente aumentará el ruido de RF radiado, ya que estará cargando/descargando el capacitor en cada ciclo.

Así que mi voto es por un a) modificado con el condensador de derivación desde el ánodo del LED hasta la fuente del NMOS. Hacer que los cables sean lo más cortos posible.

Editar: un comentario hace un buen punto sobre el pico de corriente del capacitor en el primer pulso PWM, por lo que agregaré esto a mi respuesta:

Debo admitir que estaba pensando en un "estado estable" con el PWM ya funcionando, en cuyo caso la corriente y el voltaje serán constantes. Pero tiene razón, cuando se enciende por primera vez, ese capacitor se descargará a través del LED y el NMOS. Supongo que es un intercambio. Estaba tratando de seguir cambiando los transitorios en la menor cantidad posible de cables y componentes. Si puede encontrar un valor de C y un LED que juntos permitan esos picos de corriente iniciales sin daño, bien. Si no, entonces supuse que iría con b) y haría las interconexiones lo más cortas posible.

Cuando coloca el condensador de derivación solo sobre LED y NMOS, ¿qué limita la corriente del LED cuando se enciende el NMOS? El capacitor descargará toda su energía en el LED con bastante rapidez, estando limitado solo por la inductancia parásita.
Ese es un buen punto. Debo admitir que estaba pensando en un "estado estable" con el PWM ya funcionando, en cuyo caso la corriente y el voltaje serán constantes. Pero tiene razón, cuando se enciende por primera vez, ese capacitor se descargará a través del LED y el NMOS. Supongo que es un intercambio. Estaba tratando de seguir cambiando los transitorios en la menor cantidad posible de cables y componentes. Si puede encontrar un valor de C y un LED que juntos permitan esos picos de corriente iniciales sin daño, bien. Si no, entonces supuse que iría con b) y haría las interconexiones lo más cortas posible.