Picos inducidos en PCB. Problema de EMC?

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Diseñé la siguiente PCB, donde después de probar un problema grave (¿relacionado con EMC?)

Esta placa alberga una STM32F103 placa de desarrollo.

A la derecha de la PCB, hay 6 termistores conectados para medir varias temperaturas, que durante todas las pruebas se conectaron directamente a la PCB, sin ningún cable largo. En la parte inferior de la PCB hay 7 relés, SANYOU SRD-S-112D , que son manejado desde el ULN2003A sobre ellos. El diodo del ULN2003A está correctamente conectado, y no hay ningún problema con el EMF posterior de los relés. No se realizaron otras conexiones durante las pruebas.

Mientrasestabaprobandolaplacasinnadaconectadoalosrelés,todofuncionacomoseesperaba.

Luegoconectéunrelédered(220V)aldeabordo.Porlotanto,laconexiónesULN2003A=>reléabordo=>relédered.Yaquíempezaronlosproblemas.Cadavezqueelreléde220Vcambiadeestado,recibopicosderuidoexcesivosenlaPCB.LosdatosdeI2Cestándañados,losdatosdelregistrodedesplazamientoquecontrolaelULN2003Atambiénestándañados,etc.Elproblemaesmásgravecuandoelrelésedesactiva.

LaPSU,laPCBytodoslosinstrumentosusadosestánconectadosatierracorrectamente.Lafuentedealimentaciónestáaislada,conlatomadetierradeCCconectadaatierra.SepruebanlosrelésabordoymiDMMinformadeOLentreelcontactoylabobinaparatodos.Apartedelaconexiónatierra,nadamásconectaeléctricamenteelreléderedyelPCBaprueba.

Conectémiosciloscopioyobtuvelasiguientetraza.Elcanal2eselsuministrode+12VdelaPCB.Estospicosseobservan6msdespuésdequecambielasalidadelULN2003A,porloquecreoqueesteeselmomentoenqueelreléabordodebecambiardeestadoylabobinadelreléde220Vparainiciar/detenerelfuncionamiento.

EstospicossepuedenobservarencualquierpuntodelaPCB,encualquierniveldetrazayvoltaje.

¿Quéesexactamenteloqueestácausandoesto?¿Cómopuedocombatirlo?¿Cómopuedodeterminarsiestospicoslleganamicircuitoatravésdelafuentedealimentaciónoatravésdelaire,yencadacasocuáleslasolución?

Comohefabricadounpequeñolotedeestostableros,meinteresanlassolucionesparaquefuncionenynoparadesecharlas,ylassolucionesparaimplementarenlapróximarevisión.

Sepuedenrealizarmáspruebas,porfavorpregunteenloscomentarios.

EDIT:

Segúnlarecomendacióndelarespuesta,instaléunTV1.5KE400CAenelcontactodelreléabordo.Puedodecirqueayudóunpoco,perodefinitivamenteelproblemapersiste.

Aquíestálasalidadelreguladorde5VantesdelTVS:

Yaquíestádespués:

EDIT 2:

Como se ve en el esquema, hay una salida en serie, para encadenar más registros de cambio y relés. He conectado una placa de este tipo en esta salida. Está hecho en un tablero de cinta, así que no tengo ningún esquema a mano, pero es un simple 74HC595 conectado a un ULN2003A. Solo el mismo circuito que en la placa principal. Al realizar la misma prueba (relé de red conectado, al contacto del relé de la placa de expansión), los picos son mucho más graves y el sistema deja de responder por completo, con datos en todos los buses (I2C y SPI) totalmente corruptos.

Intenté agregar diodos TVS en todo (bobina de relé, contacto de relé, bobina de relé de red, contacto de relé de red), pero no hice absolutamente nada.

    
pregunta user3634713

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Mientras tiene diodos de marcha libre en las bobinas del relé, no tiene ningún tipo de atenuación de picos en los contactos del relé. Los contactos necesitan supresión transitoria por la misma razón que los transistores de impulsión de bobina.

La inductancia de cualquier carga que esté cambiando puede causar un gran transitorio de voltaje (varios kilovoltios) con un tiempo de subida muy rápido cuando se abre el contacto del relé. Luego, los transitorios se acoplarán capacitivamente e inductivamente al resto del circuito (y con el tiempo destruirán los relés). Estos picos son de naturaleza esporádica, ya que su magnitud varía con la cantidad de corriente que fluye en el instante en que se abren los contactos. A veces verá varios picos más pequeños cuando se cierra un relé, debido a que los contactos rebotan unas cuantas veces antes de que finalmente se establezcan.

Para suprimir estos picos, hay varias opciones que pueden usarse solas o combinadas para casos más difíciles:

  • Una red de supresor RC no eliminará el transitorio, pero incluso con una resistencia bastante grande, lo hará de manera significativa. reducir el tiempo de aumento de voltaje, reduciendo en gran medida el EMF radiado y acoplado capacitivamente. Tiene el inconveniente de que pasa una pequeña cantidad de corriente alterna, incluso cuando el contacto está abierto.

  • Un diodo supresor de voltaje transitorio bidireccional está diseñado para comenzar a conducir una corriente significativa una vez que el voltaje sobre ella alcanza un cierto secreto. Se activan extremadamente rápido (normalmente en el rango de picosegundos), pero se vuelven costosos cuando se disipan altas energías transitorias y las clasificaciones superiores a 500 V son raras. Ejemplo: P6KE440CA

  • Los varistores de óxido de metal están disponibles para mayores clasificaciones de potencia y voltaje que los diodos TVS, pero son inferiores en Tiempo de respuesta (rango de nanosegundos). También tienen el inconveniente de tener una vida útil limitada a unos pocos miles de activaciones, y les gusta fallar en corto, lo que requiere protección externa. Hoja de datos de ejemplo

  • Los tubos de descarga de gas contienen un gas que se ioniza cuando el voltaje alcanza un cierto nivel, permitiendo que los electrodos dentro del dispositivo se arqueen entre sí. Solo están disponibles para grandes corrientes y voltajes, y se degradan con el tiempo.

  • Conmutación síncrona. Ya que está cambiando AC, la corriente cruza cero 100 o 120 veces por segundo. Si logra cronometrar la activación del relé de forma correcta, puede (teóricamente) abrir el relé sin que la corriente fluya a través de él. Necesitaría un detector de cruce por cero de voltaje de la red y una programación significativamente más compleja para lograrlo, y solo sería posible con retardos de apertura y cierre de relé constantes y predecibles. El probable cambio de fase entre la tensión y la corriente también debe tenerse en cuenta.

respondido por el jms

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