Estou trabalhando na integração de um sensor em uma plataforma automotiva, usando uma configuração de chassi padrão de 12v negativa. Estou tentando entender um fenômeno um tanto mítico que é conhecido como "mudança de terreno". Não fui capaz de explicar isso, mas minha intuição sugere que isso é razoável.
A maneira como foi "explicada" é a seguinte: dois pontos de referência no solo no veículo podem ser mantidos em algum potencial diferente por um período de tempo não especificado, devido a alguma forma de interferência de componentes vizinhos ou componentes que compartilham um pino de aterramento comum " "
Por exemplo, quando o ABS é acionado e uma quantidade significativa de corrente (centenas de amperes em alguns casos) é afundada em um pino de aterramento específico, o ponto de aterramento se torna uma referência instável. Outros componentes conectados a este pino podem sofrer oscilações de tensão nos pinos de entrada.
Minha pergunta é a seguinte: esse fenômeno é algo que realmente existe, ou é simplesmente um "conto de mulheres velhas" interno com pouca ou nenhuma base?
Se existe, como pode ser caracterizado e onde posso aprender mais? Quais são os princípios elétricos fundamentais em jogo aqui? Pode ser reduzido a um circuito modelo representativo? Qualquer experiência seria apreciada.
Respostas:
Bem, faça as contas. Se você afundar, digamos 100 A em um condutor de aço de 50 mm² de diâmetro, qual é a tensão acima de 10 cm desse condutor devido à resistência ôhmica?
Então, sim, Ohm está certo, e se você colocar muita corrente em algo que não seja um supercondutor, haverá uma diferença potencial.
Lei de Ohm
Além disso, seu exemplo de ABS destaca outro aspecto: se você tem algo que é uma carga comutada, não está colocando uma carga CC em seu condutor de terra, mas (também) uma carga CA.
A resistência para CA não é inerentemente a mesma que para CC - por exemplo, uma bobina ideal tem 0 Ω de resistência para CC, mas para CA tem Ω - ou seja, quanto maior a frequência, maior a eficácia resistência.jωL
Essas propriedades reativas dependem da forma geométrica do seu condutor - você pode até ter azar e, devido a uma freqüência elegante de ressonância de toda a bateria - cabo de alimentação - carga - sistema de retorno do chassi, você obtém um extremo de tensão exatamente na frequência seu ABS trabalha em.
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O que você está descrevendo, pelo que entendi, parece completamente razoável. As referências à terra geralmente podem mudar devido a um fluxo de corrente substancial e resistências finitas dos condutores em uso. Isso ocorre simplesmente devido à lei de Ohms.
Se você pode traçar uma analogia entre diferentes partes do chassi do carro para diferentes pontos de um traço de placa de circuito impresso, podemos comparar isso com as técnicas de aterramento usadas no design e no layout da placa de circuito impresso. Você pode estudar isso mais detalhadamente, examinando os diferentes esquemas de aterramento usados no design de placas de circuito impresso. Considere um esquema aterrado baseado em estrela usado para evitar exatamente o que você está descrevendo, embora em uma escala muito menor.
Se você aterrar todos os pontos nessa configuração, o fluxo de corrente devido a uma dessas conexões poderá "elevar" esse trilho em uma quantidade igual ao condutor Iin *, mas como todas as outras conexões nesse nó veem a mesma mudança, as coisas podem não ser assim. ruim, pelo menos no que diz respeito às medições relativas. No entanto, uma flutuação repentina nos trilhos ainda pode causar problemas na instrumentação, ou seja, um parâmetro comum em dispositivos como opamps e ADCs é a chamada taxa de rejeição da fonte de alimentação , especificada para levar em consideração essas instâncias.
EDIT 1:
Aqui está outra foto, ilustrando o ponto. Os dispositivos exatos da imagem podem ser ignorados e considerados como qualquer coisa que você realmente gosta:
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Isso está bem documentado> "conto de esposas velhas? NÃO. Tudo o que você sempre quis saber ... Fiação de veículo, mas teve medo de perguntar ..........
O problema é escalável, desde faixas nanosized até veículos movidos a motor. Para melhorar a imunidade, geralmente se usa fonte diferencial de energia trançada, o que significa retornos separados para a bateria e, para detecção, utiliza entradas diferenciais trançadas balanceadas. O problema no loop de corrente é o acoplamento em entradas desbalanceadas, que traduz o ruído do modo comum (CM) em um sinal de modo diferencial (DM). A escolha de usar um plano de aterramento, como o chassi do carro ou os fios separados, depende muito do comprimento do caminho, do nível de corrente e da interferência.
Por exemplo, a maioria das baterias de carros está próxima do motor de partida, mas em muitos veículos alemães (GLK350), a bateria está localizada sob a placa de piso traseira, mas o motor para e inicia a cada sinal vermelho. Então, em qual área você acha que eles usavam centenas de amplificadores?
Detalhes mais técnicos no nível do IC também se aplicam.
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Mesmo criador de gremlin, nome diferente
O fenômeno de "deslocamento da terra" a que você se refere é simplesmente outra manifestação do fato de os condutores terem uma impedância diferente de zero; portanto, quando duas correntes compartilham um caminho de retorno, a queda de tensão nesse caminho de retorno é (Ibigload + Isensitive) * Rcomgnd. Os EEs que trabalham em escalas menores conhecem esse gremlin-spawner como "acoplamento de impedância comum", mas é realmente a mesma coisa, como mostrado no esquema abaixo.
simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab
Observe que o nó chamado GND está a um volt completo do negativo da bateria! Isso claramente não é bom se nosso circuito sensível à esquerda não pode tolerar o deslocamento, ou pior, se Ibigload é realmente uma carga variável no tempo, então nossa parte sensível vê um GND que varia entre próximo ao ponto 0V real, ou seja, negativo da bateria e um volt completo!
A solução em um ambiente de baixa frequência é colocar os circuitos sensíveis à terra em estrela de volta a um único ponto 0V predefinido com seu próprio fio ou traço, como mostrado abaixo, para que quaisquer correntes altas que fluam em outras partes do sistema de aterramento não possam interferir com a operação do circuito sensível. Infelizmente, isso não é prático para todos os circuitos de um veículo inteiro por razões mecânicas e de custo de cobre, para que os projetistas de eletrônicos automotivos trabalhem o máximo possível ao projetar circuitos robustos de entrada de energia e transportar referências de sinais com sinais sensíveis. de confiar no retorno do chassi para eles.
simule este circuito
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Você tem os mesmos riscos em um PCB. A folha de cobre de espessura padrão (1 onça / pé ^ 2), com 35 mícrons ou 1,4 mils de espessura, tem resistência de 0,0005 ohms ou 500 micro ohms por quadrado. Qualquer tamanho quadrado. Medido a partir de lados opostos da praça, entrando em contato ao longo dos lados.
Assim, um Amp, através de 1 quadrado de folha, é de 500 microVolts. Ou 0.5uV para 1mA.
No entanto, um miliampere, fluindo de um lado para o outro de uma PCB quadrada, encontra muito mais de 500 micro Ohms, porque a corrente precisa se espalhar do ponto de entrada inicial de 1 mm e depois concentrar-se novamente para sair de um ponto de saída de 1 mm .
Pegue um quadrilátero, designe um quadrado no meio como "ponto de entrada atual" e esboce como a corrente se espalha nos oito quadrados ao redor do quadrado de entrada. E como a grade 5 * 5, em torno do 3 * 3, oferece ainda menos resistência, mas ainda é resistiva, a 500 microOhms / quadrado.
simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab
Qual tensão sai do OA2?
essa tensão de borda como e nossas pontas de prova do OA2 estão separadas por 1cm (1sqr). Espere 30uV * 1.000x = 30 miliVolts fora do OA2.= 1,25 m V / 45 s q r = 30 u V / s q r
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