Jump to content

    
Sign in to follow this  
Pavel V.

Объединение "чистой" и "грязной" земель

Recommended Posts

Разрабатываю устройство, которое будет эксплуатироваться в автомобиле (в автобусе). Бортовая сеть имеет напряжение 24 В.

 

Контроллер - MSP430F2618.

 

Питание схемы осуществляется через DC/DC преобразователь с широким диапазоном входного напряжения (10-36 В). Поскольку контроллер должен считывать показания аналоговых датчиков, необходимо объединить землю устройства и бортовую землю. Вопрос в том - как грамотно это сделать?

 

Понятно, что разводить их надо отдельно и объединять где-то в одной точке. Может быть какой-то фильтр надо поставить между ними? Как обычно решается такая задача?

 

Если для дискретных входов/выходов вопрос легко решается опторазвязкой, для аналогового сигнала это сделать сложно.

 

Еще интересно как решается вопрос защиты дискретных и аналоговых входов.

 

На мой взгляд достаточно резистора + стабилитрона (Vстаб = Vcc) на землю. Понимаю, что стабилитрон будет вносить искажения в аналоговый сигнал, но вопрос особой точности не стоит, так что на это можно смело закрыть глаза.

 

Вход бортового питания вижу следующим образом:

 

Диод Шоттки -> Дроссель (100 мГн) -> Супрессор (39 В) -> Керам. конденсатор -> DC/DC

 

Правильно ли я все написал?

 

Заранее спасибо!

Share this post


Link to post
Share on other sites
Понятно, что разводить их надо отдельно и объединять где-то в одной точке. Может быть какой-то фильтр надо поставить между ними? Как обычно решается такая задача?

Непосредственно. Прямо так и решается. Соединяют. Безо всяких фильтров. Потому что фильтр, вообще-то, разъединяет, а вам надо объединять. :rolleyes:

 

Если для дискретных входов/выходов вопрос легко решается опторазвязкой, для аналогового сигнала это сделать сложно.

Опторазвязка фиолетово относится к вопросу объединения земель. Если земли объединены, опторозвязку сигналов можно использовать, а можно и не использовать. По обстоятельствам, включая личные предпочтения.

 

Есть системы, где земли обязаны быть развязаны, чаще всего - из соображений электробезопасности. В таких системах без гальванической развязки сигналов обойтись трудно. Но вам-то чего об этом печалиться, у вас ведь в 24-вольтовой системе нет таких требований.

 

На мой взгляд достаточно резистора + стабилитрона (Vстаб = Vcc) на землю. Понимаю, что стабилитрон будет вносить искажения в аналоговый сигнал, но вопрос особой точности не стоит, так что на это можно смело закрыть глаза.

Достаточно резистора и диодов на землю и питание. Ну, может, еще кондерчик на землю параллельно диоду. В отличие от стабилитрона, диоды вносят меньше "искажений" (погрешностей).

 

Вход бортового питания вижу следующим образом:

Диод Шоттки -> Дроссель (100 мГн) -> Супрессор (39 В) -> Керам. конденсатор -> DC/DC

 

Лучше поставить на входе автомобильный LDO, который выдерживает перемену полярности вх. питания и броски до 75 В.

Share this post


Link to post
Share on other sites

АК, спасибо за советы. Контроллер, насколько я знаю, имеет встроенные диоды на питание и землю - насколько целесообразно ставить к ним еще и внешние? Что будет в случае превышения напряжения на нескольких входах - не поплывет ли питание? Со стабилитроном мне более понятен результат.

 

Может быть диоды есть смысл ставить только на аналоговые входы (для уменьшения искажений сигнала), а дискретные защитить стабилитроном?

 

Про автомобильные LDO почитал, интересная вещь, возьму на заметку. К сожалению, для первых тестовых образцов у меня есть только готовые DC/DC преобразователи (конкретно - NSD10-12S3). Насколько они подойдут для данной задачи?

 

PS

А под фильтром я подразумевал дроссель между землями. Или хотя бы резистор.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Питание схемы осуществляется через DC/DC преобразователь с широким диапазоном входного напряжения (10-36 В). Поскольку контроллер должен считывать показания аналоговых датчиков, необходимо объединить землю устройства и бортовую землю. Вопрос в том - как грамотно это сделать?

 

Понятно, что разводить их надо отдельно и объединять где-то в одной точке. Может быть какой-то фильтр надо поставить между ними? Как обычно решается такая задача?

 

Если ваши датчики не имеют гальванической связи с корпусом автомобиля, то есть имеют свою землю, то самый оптимальный вариант - использовать common mode filter для подачи питания, как показано на рисунке. Такой фильтр обеспечит хорошую защиту от помех по питанию. Если же датчики соединены с корпусом автомобиля, то никакой фильтр ставить между землями нельзя ни в коем случае, иначе шумы от напряжения возвратного тока на этом фильтре (резисторе или катушке) приложатся ко входу датчиков.

Что касается второго вашего вопроса, то существует 2 типа защиты: ESD protection, и защита от низкочастотного перенапряжения. Для ESD ставятся специальные защитные диоды между каждым из сигнальных проводов и металлическим корпусом устройства, причем их катод должен быть подсоединен непосредственно к коробочке, причем если в этом месте земли разделены, то должен быть конденсатор между землями.

ДЛя защиты от низкочастотного перенапряжения можете повесить обычные clamping diodes непосредственно на входы ваших IC, между power gnd и vcc.

post-37440-1272130836_thumb.jpg

Share this post


Link to post
Share on other sites
Контроллер, насколько я знаю, имеет встроенные диоды на питание и землю - насколько целесообразно ставить к ним еще и внешние?

Недавно это обсуждали в теме "Защита от помех и статики кнопок". Встроенные защитные диоды обычно не предназначены для работы в таком режиме, они нужны для защиты чипов от электростатики при транспортировке и хранении. Даже для тех чипов, где изготовитель "разрешает" использовать эти диоды в рабочем режиме, их предельно-допустимый ток не превышает 20 мА. Для сравнения, копеечный BAV99 имеет постоянный ток 150 мА, а импульсный - 4.5 А (в течении 1 мкс).

 

Не говоря уж о том, что встроенные диоды "спускают" помеху в самую чувствительную ("cамую "чистую") землю схемы - в землю самого чипа.

 

Что будет в случае превышения напряжения на нескольких входах - не поплывет ли питание?

Для подстраховки поставьте TL431 на питание.

 

Со стабилитроном мне более понятен результат.

А мне - наоборот, со стабилитроном результат совершенно непонятен. С учетом высокого динамического сопротивления стабилитрона, а также разброса пробивного напряжения и разброса напряжения стабилизатора питания, результат со стабилитроном скорее всего будет непредсказуем.

 

для первых тестовых образцов у меня есть только готовые DC/DC преобразователи (конкретно - NSD10-12S3). Насколько они подойдут для данной задачи?

Они явно "не из той оперы": у них номинально 12 В входного, а у вас питание 24 В.

 

Бортовая сеть может "прыгать" в 2-3 раза (и более) при барахлящих контактах акуумулятора. Так что ваш DC-DC со своим 36 В макс. входного вряд ли долго проживет даже при 12-В бортовом питании. И защита супрессором не поможет: супрессор сдохнет первым.

 

И развязка, зачем она вам? Наверное, вам деньги девать некуда.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Если ваши датчики не имеют гальванической связи с корпусом автомобиля, то есть имеют свою землю, то самый оптимальный вариант - использовать common mode filter для подачи питания, как показано на рисунке. Такой фильтр обеспечит хорошую защиту от помех по питанию. Если же датчики соединены с корпусом автомобиля, то никакой фильтр ставить между землями нельзя ни в коем случае, иначе шумы от напряжения возвратного тока на этом фильтре (резисторе или катушке) приложатся ко входу датчиков.

Что касается второго вашего вопроса, то существует 2 типа защиты: ESD protection, и защита от низкочастотного перенапряжения. Для ESD ставятся специальные защитные диоды между каждым из сигнальных проводов и металлическим корпусом устройства, причем их катод должен быть подсоединен непосредственно к коробочке, причем если в этом месте земли разделены, то должен быть конденсатор между землями.

ДЛя защиты от низкочастотного перенапряжения можете повесить обычные clamping diodes непосредственно на входы ваших IC, между power gnd и vcc.

Датчики будут связаны с корпусом авто, т.к. тянуть один провод проще, чем несколько. Дело усугубляется тем, что это не легковой атомобиль, а автобус, и линии связи с датчиками могут составлять десятки метров. Наверное, в данном случае правильнее было бы сделать датчики интеллектуальными и связать по CAN или RS485, но, к сожалению, для изготовления первых демонстрационных образцов у нас очень мало времени..

 

А что значит "никакой фильтр ставить между землями нельзя ни в коем случае"? Необходимо использовать общую землю (одним полигоном), или все же два раздельных полигона, объединенные в одной точке?

 

Я читал статью на Сахаре "Помехоустойчивые устройства", автор пишет про разделительные резисторы где только можно.

 

А мне - наоборот, со стабилитроном результат совершенно непонятен. С учетом высокого динамического сопротивления стабилитрона, а также разброса пробивного напряжения и разброса напряжения стабилизатора питания, результат со стабилитроном скорее всего будет непредсказуем.

У меня все входы рассчитаны на датчики с выходом ОК, т.е. по сути перенапряжение для них не страшно. Хотется защититься "от дурака", на случай если какую гадость туда подключат. Вариант со стабилитроном привлекает минимумом компонентов (у меня 20 входов и лепить 40 диодов - это очень круто).

 

Кстати, еще вопрос - можно ли рассчитывать на внутренние подтягивающие резисторы, или лучше поставить внешние (более низкоомные)?

 

Они явно "не из той оперы": у них номинально 12 В входного, а у вас питание 24 В.

 

Бортовая сеть может "прыгать" в 2-3 раза (и более) при барахлящих контактах акуумулятора. Так что ваш DC-DC со своим 36 В макс. входного вряд ли долго проживет даже при 12-В бортовом питании. И защита супрессором не поможет: супрессор сдохнет первым.

 

И развязка, зачем она вам? Наверное, вам деньги девать некуда.

Я все понял, действительно ошибся.. Из того, что смог найти доступным в магазине - MAX5035 и LM5575 - какой вариант лучше? Второй чуть дешевле, но пока это не имеет значения.

 

По поводу развязки - по ТЗ, к счастью, развязка не требуется, так что это моя личная инициатива. Теперь понял, что ни к чему.

 

=AK=, Ariel, ребят, огромное спасибо за помощь, для меня это совершенно новая тема, а запустить прибор надо быстро.

 

 

Я вижу вот такие варианты входных цепей:

inputs.png

 

Какие плюсы/минусы у них?

 

По ходу дела возник еще вопрос - а как правильно подключать реле? Я взял реле на 24В, но напряжение в бортовой сети может гулять.. Броски, я думаю, фиг с ними (катушка проглотит кратковременные), а вот что делать при проседании питания? Для реле важна величина напряжения в момент срабатывания, отпускает оно при значительно более низких величинах..

 

Означает ли это, что по-хорошему надо иметь еще одно стабилизированное напряжение (скажем, 12В) для всякой ботвы типа реле?

Share this post


Link to post
Share on other sites
У меня все входы рассчитаны на датчики с выходом ОК, т.е. по сути перенапряжение для них не страшно.

Почему "не страшно"? Разве на этих входах нет встроенных защитных диодов на питание? Извините, сомневаюсь.

 

Вариант со стабилитроном привлекает минимумом компонентов (у меня 20 входов и лепить 40 диодов - это очень круто).

Упомянутый ранее BAV99 - это два диода в одном корпусе. Существуют и большее кол-во диодных пар в одном корпусе, например, защитные диоды для USB и т.п.

 

Кстати, еще вопрос - можно ли рассчитывать на внутренние подтягивающие резисторы, или лучше поставить внешние (более низкоомные)?

По-моему, это не играет рояли.

 

Я вижу вот такие варианты входных цепей:

На мой взгляд, оптимальная схема защиты такова:

post-2483-1272195473_thumb.png

 

Резистор R3 (величиной порядка 100 Ом или более) ограничит ток, протекающий через встроенные диоды МК. Только при его наличии основная часть тока помехи/перегрузки гарантировано будет "съедена" внешними диодами. Без него - никаких гарантий.

Share this post


Link to post
Share on other sites
не страшно. Хотется защититься "от дурака", на случай если какую гадость туда подключат. Вариант со стабилитроном привлекает минимумом компонентов (у меня 20 входов и лепить 40 диодов - это очень круто).

Вариант со стабилитроном может быть следующим. Стабилитрон или супрессор запитан от подходящего питания резистором и отводит помеху в необходимое место. При этом он приокрыт. Защищаемые цепи соединяются со стабилитроном подходящими диодами.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Датчики будут связаны с корпусом авто, т.к. тянуть один провод проще, чем несколько.

 

По поводу того что земля датчиков и земля автобуса - одна и та же, это не есть хорошо. Это значит что возвратный ток от автомобильного аккумулятора будет создавать помехи на входах предназначенных для датчиков. Но тут опять же, надо взвесить насколько эта помеха критична для вашей апликации. Подключите вход осциллографа между двумя удуленными друг от друга точками корпуса автобуса, и измерьте амплитуду помехи при работающем моторе. Я не знаю о каком сигнале идет речь, если он низкочастотный, то помехи можно сгладить конденсаторами на входах вашего процессора.

Из нарисованных вами вариантов входных цепей наиболее предпочтителен - с оптроном. Это значит что вы можете применить Common-Mode Choke как я нарисовал, и отделить землю устройства от корпуса автобуса. Если вы посмотрите на рис.8 статьи, на которую ссылаетесь, то это примерно то же самое: грязная земля по периметру платы - это корпус автобуса, островок с микропроцессором - это ваша плата, а перемычка между землями - это витки Common-Mode Choke. Недостаток оптронов - этот вариант дороже. Не забудьте что если применяете опторазвязку, то все входы и все выходы, выходящие наружу (кроме питающего напряжения) должны быть гальванически развязаны.

Если же бюджет не позволяет сделать опторазвязку, то примените для защиты входов Clamping Diodes как рекомендует gte. Но тогда земля вашего устройства должна быть хорошо соиденена с корпусом автомобиля; в тех местах где приходят сигналы от датчиков, индуктивность соединения должна быть минимальной.

Edited by rezident
Нарушение п.3.4 Правил форума.

Share this post


Link to post
Share on other sites
По поводу того что земля датчиков и земля автобуса - одна и та же, это не есть хорошо. Это значит что возвратный ток от автомобильного аккумулятора будет создавать помехи на входах предназначенных для датчиков.

Нет, это вовсе не значит, что возвратный ток будет создавать помехи. Таковые помехи будут возникать только в тех случаях, когда точки заземления датчиков и платы соединяются с корпусом машины в разных местах. В случае когда земли датчиков и платы сведены в одну точку, помех (погрешностей измерения) за счет обратных токов по корпусу машины - не будет.

 

если он низкочастотный, то помехи можно сгладить конденсаторами на входах вашего процессора.

Нет, конденсаторы не могут убрать погрешности, вызванные возвратными токами по корпусу машины, потому что продолжительность этих токов может быть сколь угодно большой. Это DC погрешности.

 

Из нарисованных вами вариантов входных цепей наиболее предпочтителен - с оптроном.

Вариант с оптроном требует прокладки двух проводов от датчика к плате. Поэтому он не имеет никаких преимуществ по сравнению с простейшим неразвязанным вариантом, в котором (изолированный) датчик подключен к плате двумя проводами. Оптрон имеет смысл применять только тогда, когда земля датчика по каким-то причинам сидит на шасси машины вдали от платы.

 

отделить землю устройства от корпуса автобуса.

Не имеет смысла.

Share this post


Link to post
Share on other sites

В случае когда земли датчиков и платы сведены в одну точку, помех (погрешностей измерения) за счет обратных токов по корпусу машины - не будет.

Правильно. Только насколько я понял автора, датчики и прибор находятся в разных местах автобуса, и его корпус он использует в качестве земляного провода

конденсаторы не могут убрать погрешности, вызванные возвратными токами по корпусу машины, потому что продолжительность этих токов может быть сколь угодно большой. Это DC погрешности.

Да, DC помехи конденсаторы убрать не могут, но их амплитуда в разы меньше амплитуды импульсных помех (например срабатывает реле) из-за индуктивности корпуса автобуса

Вариант с оптроном требует прокладки двух проводов от датчика к плате. Поэтому он не имеет никаких преимуществ по сравнению с простейшим неразвязанным вариантом, в котором (изолированный) датчик подключен к плате двумя проводами.

Оптрон не может, естественно, уменьшить помеху идущую по корпусу автобуса, но его применение позволит применить разделение земель, что в свою очередь хорошо для напряжения питания самого устройства, меньше будет импульсных помех между корпусом прибора и VCC, потому что Common Mode Choke их подавит. Впрочем, если эти помехе будут намного меньше помех приложенным к самим датчикам, то в оптроне нет особого смысла, вы правы.

Share this post


Link to post
Share on other sites
насколько я понял автора, датчики и прибор находятся в разных местах автобуса, и его корпус он использует в качестве земляного провода

Он использует шасси в качестве земляного только потому, что "тянуть один провод проще, чем несколько". Других причин не называлось. А вы предлагаете два провода к оптрону тянуть. Так зачем тогда оптрон? С двумя проводами и без оптрона можно прекрасно обойтись.

 

потому что Common Mode Choke их подавит.

Применять Common Mode Choke следует в тех случаях, когда ожидается значительная синфазная помеха. В данном приложении такой помехи ожидать не приходится. Поэтому применять Common Mode Choke бессмысленно.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Спасибо за обсуждение! Пока остановлюсь на варианте, предложенном =АК=, с двумя диодами. Кстати, вопрос - к какому питанию подключать диоды - к "грязному" или "чистому"?

 

И по поводу преобразователя MAX5035 - работал кто-нибудь с ним?

Share this post


Link to post
Share on other sites
к какому питанию подключать диоды - к "грязному" или "чистому"?

Проходная емкость обратносмещенных диодов мала, поэтому не будет особого вреда, если они подключены к "грязной" земле - помеха через них не пролезет. В этом, кстати, еще одно преимущество диодов над стабилитронами.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Спасибо за обсуждение! Пока остановлюсь на варианте, предложенном =АК=, с двумя диодами. Кстати, вопрос - к какому питанию подключать диоды - к "грязному" или "чистому"?

К грязному, если сможете выдержать допуск по допустимому напряжению на входах.

 

В этом, кстати, еще одно преимущество диодов над стабилитронами.

Нет никакого преимущества. Зачем садить стабилитрон на каждый вход? Достаточно один на группу + диоды.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this