Fenómeno de cambio de tierra automotriz

Estoy trabajando en la integración de un sensor en una plataforma automotriz, usando una configuración estándar de chasis negativo de 12v. Estoy tratando de entender un fenómeno un tanto mítico que se conoce como "cambio de terreno". No he podido explicar esto, pero mi intuición sugiere que esto es razonable.

La forma en que se ha "explicado" es la siguiente: dos puntos referenciados a tierra en el vehículo pueden mantenerse con un potencial diferente durante un período de tiempo no especificado debido a alguna forma de interferencia de componentes vecinos, o componentes que comparten un "espárrago de puesta a tierra común" ".

Por ejemplo, cuando se activa el ABS y una cantidad significativa de corriente (cientos de amperios en algunos casos) se hunde en un espárrago de tierra particular, el punto de tierra se convierte en una referencia inestable. Otros componentes conectados a este perno pueden experimentar oscilaciones de voltaje en sus pines de entrada.

Mi pregunta es esta: ¿es este fenómeno algo que realmente existe, o es simplemente un "cuento de viejas" interno con poca o ninguna base?

Si existe, ¿cómo se puede caracterizar y dónde puedo obtener más información? ¿Cuáles son los principios eléctricos fundamentales en juego aquí? ¿Se puede reducir a un circuito modelo representativo? Cualquier experiencia sería apreciada.

Mi pregunta es esta: ¿es este fenómeno algo que realmente existe, o es simplemente un "cuento de viejas" interno con poca o ninguna base?

Bueno, haz los cálculos. Si se hunde, digamos 100 A en un conductor de acero de 50 mm² de diámetro, ¿cuál es el voltaje de más de 10 cm de ese conductor debido a la resistencia óhmica?

Entonces sí, Ohm tiene razón, y si pones mucha corriente a través de algo que no sea un superconductor, habrá una diferencia potencial.

¿Cuáles son los principios eléctricos fundamentales en juego aquí?

Ley de Ohm

Además, su ejemplo de ABS resalta otro aspecto: si tiene algo que es una carga conmutada, no está poniendo una carga de CC en su conductor de tierra, sino (también) una carga de CA.

$j\omega L$

Tales propiedades reactivas dependen de la forma geométrica de su conductor: incluso puede tener mala suerte y, debido a que golpea elegantemente una frecuencia resonante de toda la batería - cable de alimentación - carga - sistema de retorno del chasis, obtiene un extremo de voltaje exactamente a la frecuencia su ABS funciona

Lo que está describiendo, según tengo entendido, parece completamente razonable. Las referencias a tierra a menudo pueden cambiar debido a un flujo de corriente sustancial y resistencias finitas de los conductores en uso. Esto se debe simplemente a la ley de Ohms.

Si puede establecer una analogía entre las diferentes partes del chasis de su automóvil en diferentes puntos en una longitud de trazado de PCB, podemos comparar esto con las técnicas de conexión a tierra utilizadas en el diseño y diseño de PCB. Puede estudiar esto más a fondo buscando diferentes esquemas de conexión a tierra utilizados en el diseño de PCB. Considere un esquema basado en estrellas para evitar exactamente lo que describe, aunque en una escala mucho más pequeña.

Si conecta a tierra todos los puntos en esta configuración, el flujo de corriente debido a una de esas conexiones puede "levantar" ese riel en una cantidad igual a Iin * Rconductor, pero como todas las otras conexiones en ese nodo ven el mismo cambio, las cosas podrían no ser tan malo, al menos en lo que respecta a las mediciones relativas. Sin embargo, una fluctuación repentina en los rieles todavía puede causar problemas en la instrumentación, es decir, un parámetro común en dispositivos como amplificadores operacionales y ADC es la llamada relación de rechazo de la fuente de alimentación , especificada para tener en cuenta estos casos.

EDITAR 1:

Aquí hay otra foto, que ilustra el punto. Los dispositivos exactos en la imagen se pueden ignorar y pensar como algo que realmente te gusta:

Esto está bien documentado> "¿Cuento de viejas? NO. Todo lo que siempre quiso saber ... Cableado de vehículos pero tenía miedo de preguntar ..........

El problema es escalable desde pistas de tamaño nanométrico hasta vehículos motorizados. Para mejorar la inmunidad, a menudo se usa un suministro de energía diferencial retorcido, lo que significa retornos separados a la batería y para la detección se utilizan entradas diferenciales retorcidas balanceadas. El problema en el bucle de corriente es que el acoplamiento en entradas no balanceadas traduce el ruido de modo común (CM) en una señal de modo diferencial (DM). La elección de usar un plano de tierra como el chasis del automóvil o cables separados depende en gran medida de la longitud del camino, el nivel de corriente y la interferencia.

Por ejemplo, la mayoría de las baterías de automóviles están cerca del motor de arranque, pero en muchos vehículos alemanes (GLK350), la batería se encuentra debajo del piso trasero, pero el motor se detiene y arranca en cada luz roja. Entonces, ¿qué suelo crees que solían cambiar varios cientos de amperios?

También se aplican más detalles técnicos a nivel de IC.

• Jeff Barrow, '' [ http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/41-06/ground_bounce.pdf Reducing Ground Bounce] '', (2007), Analog Devices
• Vikas Kumar, '' [ http://www.eetimes.com/electronics-news/4196917/Ground-Bounce-Primer Ground Bounce Primer] '', (2005), TechOnLine (ahora EETimes).
• '' [ http://www.pericom.com/assets/App-Note-Files/AN005.pdf Ground Bounce in 8-Bit High-Speed ​​Logic] '', Nota de aplicación Pericom.
• '' [ http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-640.pdf AN-640 Comprensión y minimización del rebote en el suelo] '', (2003) Fairchild Semiconductor, Nota de aplicación 640.
• '' [ http://www.altera.com/literature/wp/wp_grndbnce.pdf Minimizing Ground Bounce & VCC Sag] '', White Paper, (2001) Altera Corporation.
• '' [ http://www.ultracad.com/articles/g_bounce.pdf Ground Bounce parte-1 y parte-2 por Douglas Brooks] '', Artículos, Ultra Cad Design.

El mismo gremlin engendrador, diferente nombre

El fenómeno de "desplazamiento a tierra" al que se refiere es simplemente otra manifestación del hecho de que los conductores tienen una impedancia distinta de cero, por lo que cuando dos corrientes comparten una ruta de retorno, la caída de voltaje a través de esa ruta de retorno es (Ibigload + Isensitive) * Rcomgnd. Los EE que trabajan en escalas más pequeñas conocen a este generador de gremlin como "acoplamiento de impedancia común", pero en realidad es lo mismo, como se muestra en el siguiente esquema.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¡Tenga en cuenta que el nodo llamado GND está a un voltaje completo de la batería negativa! Esto claramente no es bueno si nuestra circuitería sensible a la izquierda no puede tolerar el desplazamiento, o peor aún, si Ibigload es realmente una carga que varía en el tiempo, por lo que nuestra parte sensible ve una GND que varía entre cerca del punto real de 0V, es decir ¡La batería negativa y un voltio completo lejos de ella!

La solución en un entorno de baja frecuencia es volver a conectar los circuitos sensibles a tierra a un único punto de 0V predesignado con su propio cable o traza como se muestra a continuación, de modo que cualquier corriente alta que fluya en otras partes del sistema de conexión a tierra no pueda interferir El funcionamiento del circuito sensible. Desafortunadamente, esto no es práctico para todos los circuitos en un vehículo completo por razones mecánicas y de costo de cobre, por lo que los diseñadores de electrónica automotriz trabajan lo mejor que pueden al diseñar circuitos robustos de entrada de energía y llevar referencias de señales con señales sensibles. de confiar en el retorno del chasis para ellos.

^{simular este circuito}

Tienes los mismos riesgos en una PCB. La lámina de cobre de grosor estándar (1 onza / pie ^ 2), con un grosor de 35 micras o 1,4 mils, tiene una resistencia de 0,0005 ohmios, o 500 micro ohmios, por cuadrado. Cuadrado de cualquier tamaño. Medido desde lados opuestos del cuadrado, en contacto a lo largo de los lados.

Por lo tanto, un amplificador, a través de 1 cuadrado de papel de aluminio, es de 500 microvoltios. O 0.5uV para 1mA.

Sin embargo, un miliamperio, que fluye de lado a lado de un PCB cuadrado, encuentra mucho más de 500 micro ohmios, porque la corriente tiene que extenderse desde el punto de entrada inicial de 1 mm, y luego concentrarse nuevamente para salir de un punto de salida de 1 mm .

Obtenga una almohadilla de cuadrilla, designe un cuadrado en el medio como "punto de entrada actual" y dibuje cómo se extiende la corriente, en los OCHO cuadrados que rodean el cuadrado de entrada. Y cómo la cuadrícula de 5 * 5, que rodea al 3 * 3, ofrece aún menos resistencia, pero aún es resistiva, a 500 microohmios / cuadrado.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Qué voltaje sale de OA2?