Hai bisogno di aiuto per eliminare il rumore generato dai LED

Sono molto nuovo nell'elettronica, in electronics.SE.com e questo è il mio primo progetto, quindi abbi pazienza se alla mia domanda mancano alcune informazioni chiave (in tal caso, lascia un commento e proverò ad aggiungere i mancanti bit).

Ho costruito un dispositivo che controlla circa 500 LED su 106 canali diversi. Sostanzialmente il design è:

• 1 alimentatore commutato 24V 3A
• 1 regolatore di tensione che emette 5V
• 1 scheda di controllo che esegue un AVR ATmega168 (collegato al regolatore di tensione)
• 106 stringhe di LED (collegate alla barra di alimentazione a 24 V)
• 7 TLC5940 (16 canali ciascuno) affondano i driver per le stringhe di LED (questi affondano il rimanente di 24 V dai LED, ma la loro logica è alimentata dal regolatore 5 V).

Tutto funziona, ma sto riscontrando gravi problemi con il rumore che a volte provoca un ripristino imprevisto del mio dispositivo .

Grazie a un amico che ha un DSO, sono stato in grado di indagare sulla questione e questi sono i miei risultati ...

Il rumore è sulla barra di alimentazione a 5 V ed è piuttosto grande, l'oscillazione complessiva è di 2,55 V. I canali SPI sono tutti relativamente inalterati:

Il rumore sembra essere generato dai LED , non dai dati di trasmissione SPI (non esiste una correlazione evidente tra nessuno dei canali SPI e il rumore). In questo video (mi dispiace, non sono riuscito a trovare un modo per incorporarlo qui) puoi vedere che il numero di LED che sono accesi influenza l'ampiezza del rumore, mentre la loro intensità (controllata tramite PWM) influenza la lunghezza del rumore " burst "[maggiori dettagli sulla descrizione del video su YouTube].

La frequenza del rumore è ~ 8MHz , che è una frequenza che non uso (almeno non esplicitamente), dato che la mia scheda controller funziona a 16MHz e la mia SPI a 250KHz.

Durante i miei esperimenti, mi sono reso conto che il DSO ha rilevato il rumore anche quando era collegato solo il terminale di terra della sonda. Interpreto questo come un segnale che il rumore non è dovuto a un'instabilità dell'alimentazione a 5 V, ma a un potenziale oscillante a livello del suolo . Ho ragione?

Essendo totalmente nuovo nell'elettronica e senza una conoscenza formale nel campo, ho provato una serie di soluzioni "da Internet", è vero che senza essere al 100% avevano perfettamente senso nel mio scenario. Tra l'altro ho provato:

• per costruire un filtro passa-basso usando un resistore da 1Kohm e un condensatore da 100nF e posizionarlo sulla barra di alimentazione da 5 V, ma il rumore non è cambiato molto in ampiezza.
• per disaccoppiare la guida da 5 V con una varietà di condensatori diversi, inclusi alcuni di tantalio [varie classificazioni] (nessun effetto visibile)
• per disaccoppiare la linea di terra (ha fatto diventare il DSO banane)
• per mettere a terra i LED, la scheda TLC e il DSO su diverse parti dei miei circuiti, incluso il più "lontano" possibile (cioè collegandoli con fili separati alla porta di terra dell'alimentatore 24 V per evitare loop di massa) ... ma anche in questo caso non ho avuto fortuna.

Potrebbe anche essere che ho fatto quanto sopra nel modo sbagliato (cioè che la soluzione è una delle precedenti, ma che l'ho implementata in modo sbagliato) quindi - se ritieni che la soluzione sia una delle precedenti, non esitare a dirlo forse dandomi qualche direzione su come implementarlo "giusto".

Nota finale: a causa delle dimensioni fisiche del mio progetto, ho eseguito tutti i test utilizzando solo una delle mie schede TLC che ho rimosso con cura dall'impianto di perforazione e utilizzato alcuni LED di test individuali alimentati da una sorgente 5V. Tuttavia test meno accurati sull'intero impianto dimostrano che il comportamento nella "cosa reale" è coerente con le letture dei test.

Grazie in anticipo per il tuo tempo e supporto!

$\mu$$\mu$

Stai davvero utilizzando un alimentatore a 24 V con il TLC5940, quando la prima pagina del foglio dati TLC5940 indica chiaramente che la tensione massima assoluta sui pin di uscita è valutata a +18 V?

Rumore di 2,55 Vpp sulla barra di alimentazione a 5 V? È così grave che mi fa sospettare che forse non è reale - forse la tua barra di alimentazione a 5 V va bene, ma qualcosa sta producendo campi magnetici così forti che il filo dalla tua "sonda dell'oscilloscopio al tuo" ambito, che agisce come un'antenna, sta raccogliendo 2,55 Vpp di rumore.

Se fossi in te, i miei prossimi passi sarebbero:

1. Utilizzare un alimentatore inferiore a "17 V MAX Vo" menzionato a pagina 3 della scheda tecnica TLC5940 - Gli alimentatori 12 VDC e 15 VDC sono abbastanza comuni.
2. prova a ridurre il rumore magnetico riorganizzando i fili
3. aggiungere più filtri al regolatore 5V
4. leggere attentamente e provare ad applicare i suggerimenti per evitare il rumore .

rumore magnetico

Il tuo loop ad alta corrente va dall'alimentatore +12 VDC, a un'estremità delle catene LED, attraverso la catena LED, ai pin di ingresso TLC, ai pin di terra TLC, al connettore GND dell'alimentatore e fuori dal connettore +12 VDC di nuovo. Il campo magnetico generato da questo loop è l'area di questo loop (che puoi controllare disponendo i fili in modo diverso) moltiplicato per la corrente di questo loop (su cui hai poco controllo).

Cerca di ridurre al minimo l'area di questo loop. Valuta di interrompere questo loop in 2 parti:

Il circuito a bassa frequenza: una coppia di conduttori, in un cavo che va dall'alimentazione, a un grosso condensatore vicino al chip TLC, che collega più o meno direttamente quel condensatore ai connettori +12 VDC e GND sull'alimentatore. Anche il GND del chip TLC si è collegato a un'estremità di quel condensatore. (forse un grande tappo da 470 uF in parallelo con un tappo in ceramica da 10 uF).

Il circuito ad alta frequenza: una coppia intrecciata di conduttori, in un cavo che va dal chip TLC alla catena LED. Collegare l'uscita del chip TLC a un piccolo resistore (forse 10 Ohm?) E collegare l'altra estremità di quel resistore a un conduttore della coppia twistata. Collegare l'altro conduttore della coppia il lato +12 VDC del grande condensatore vicino al chip TLC.

Come ha sottolineato il chirurgo Rocket Surgeon, un filtro passa-basso potrebbe aiutare:

• Filtro passa-basso RC: un condensatore molto piccolo dal lato del cavo di quella piccola resistenza a GND potrebbe aiutare, ma un condensatore troppo grande ci confonderà la modulazione PWM
• filtro passa basso in ferrite: potrebbe essere utile un induttanza di ferrite attorno all'intero cavo o 2 sfere di ferrite, una intorno a ciascun conduttore della coppia intrecciata o entrambe.

Dal momento che può sembrare che il TLC non debba essere collegato a +12 VCC, è tutto facile cablare le cose in un modo che produca il circuito peggiore possibile: un "filo +12 VCC" discreto dall'alimentatore a 12 V CC nella parte superiore della catena LED, con spazio sufficiente per consentire a un uomo di stare tra quel filo e il percorso di ritorno (il percorso di ritorno attraverso la catena LED, quindi dalla parte inferiore della catena LED al TLC, quindi dalla terra del TLC pin all'alimentatore), con oltre un metro quadrato di area ad anello, producendo un sacco di rumore magnetico.

(forse un diagramma qui renderebbe questo più chiaro ...)

filtraggio del regolatore

L'alimentatore è davvero in grado di gestire così tanta corrente? Forse i cavi lunghi tra l'alimentatore e il resto del sistema non sono in grado di supportare gli impulsi rapidi?

Forse grandi oscillazioni sulla linea +12 VDC potrebbero essere accoppiate attraverso il regolatore 5V a causa dell'insufficiente CMRR, o forse anche la linea +12 VDC viene tirata così in basso che il regolatore 5V "scende" abbastanza in basso da ripristinare gli altri dispositivi ?

Prima farei un test rapido: guida il tuo regolatore + 5V da un secondo alimentatore (diciamo, un alimentatore +10 V) completamente indipendente dall'alimentatore +12 V che guida i tuoi LED, ad eccezione del GND che collega gli alimentatori .

Se un secondo alimentatore sembra risolvere il problema, forse un maggior filtraggio del regolatore consentirebbe al sistema di funzionare con un singolo alimentatore: forse è sufficiente aggiungere un piccolo resistore e un diodo nel percorso da +12 VCC al pin Vin del regolatore . Forse aggiungere anche condensatori più o più grandi dal pin Vin del regolatore a GND.

migliori tappi di disaccoppiamento

Se sai esattamente quali sono le frequenze di rumore, i migliori tappi di disaccoppiamento per sopprimere quelli che sono i tappi con l'impedenza più bassa a quelle frequenze. (L' impedenza effettiva dei condensatori fisici a quelle frequenze, non l' impedenza teorica calcolata da 1 / jwC). Si utilizza un "grafico di impedenza vs frequenza" che assomiglia a questo:

(da Tamara Schmitz e Mike Wong. "Scelta e utilizzo dei condensatori di bypass" .)

Tali grafici mostrano sempre che, a frequenze molto basse, i migliori valori di capacità sono i migliori; a frequenze molto alte, i pacchetti fisicamente piccoli sono i migliori.

Un vero grafico di impedenza vs frequenza è a pagina 61 del catalogo dei condensatori ceramici monolitici in chip Murata .

Il rumore non è casuale e sembra che squilli.

• In effetti il ​​circuito è una sorgente di impulsi ad alta frequenza con forte aumento / caduta caricati sul cavo induttivo con capacità di LED chiusi sull'estremità.

• Il cavo ha induttanza nella gamma nanohenry, microhenry

• La capacità è di circa pochi pF per LED

Quindi il suggerimento, risposta, può essere quello di aggiungere un filtro passa-basso tra uscita PWM e carico.