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【實作實驗室】用一個元件搞定繼電器電磁干擾!

   
作者:實作派

不知各位是否有訊號被干擾的經驗?這幾天我發現我的記憶體有時會讀寫錯誤,接上示波器一看,哎呀!怎麼這麼熱鬧,好多不知打哪來的突波出現,經過了解原來是繼電器的 EMI 作怪。雖然這個電路是實驗性質的東西,但龜毛的我還是需要了解一下原因,並嘗試找到答案,畢竟在實際做產品時,這種現象一定會被客戶打槍。

被干擾的訊號

我的記憶體使用的是 I2C(以下寫作 I2C)介面,它是一種 IC 間的通訊協定,發射與接收端之間使用兩條訊號線做傳輸,一個是 Data、另一個是 Clock,傳輸細節請看這篇 I2C-協定用法原理簡介-晶片溝通的橋樑。把示波器接上之後,竟然看到訊號線上有非常多的突波,真是傷腦筋,萬一突波剛好出現在 I2C 資料的取樣點上,那豈不是就發生資料讀寫錯誤了,而且 I2C 的發射端 master 可能也不會發現資料有問題,因為接收端 slave 都有回應 ACK。當然,若被干擾的是 ACK 本身,就要看 master 是否有重送的機制,但通訊協定不是我這次關心的重點。

我的重點是,能否將干擾消除?這要兩方面來思考,一個是電路本身的設計要能夠抗干擾,一個是想辦法降低干擾源。

遭受電磁干擾的 I2C 訊號(圖片來源:實作派提供)

繼電器是干擾源

我的應用電路需要與繼電器搭配,雖然繼電器與應用電路是兩個獨立的個體,但是擺放位置卻因為實際需求而擺在一起,才爆出這個問題。由於繼電器切換的時候,會發出很大的撞擊聲,讓人很難不注意到它的動作。每當雜訊出現時,我都會聽到繼電器發出的滴答聲響,如此的時間巧合,讓我推測元凶就是繼電器。

如下圖,繼電器是利用電磁鐵來切換電流路徑的裝置,而電磁鐵是線圈繞的,所以它同時也是一顆電感,當電流啟動或切斷的那一瞬間,電感會產生非常高的感應電動勢來對抗這樣的改變,這個感應電動勢便會形成電磁波干擾其他裝置,稱為電磁干擾(EMI,Electromagnetic Interference)。

而波形內有這麼多的突波,並不是我按了很多次按鈕喔,而是我每按一次按鈕,裡面的簧片彼此接觸那瞬間會有局部微小的反彈現象,因此電流會產生劇烈的變化,造成電壓快速的上下彈跳 Bounce,直到簧片接觸穩定為止。

圖中的繼電器內寫著 12 VDC 的橫向柱狀體就是電磁鐵,根據規格它需要吃 75 mA 的電流來驅動 switch,與一般只吃不到 1 mA 的元件來相比,真的是個龐然大物。

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Author: StrongPiLab

實作派電子實驗室(StrongPiLab)是一個著重知識與經驗的實作交流媒體,提供工程師們理論外的實務經驗,主要傳達電子產品與家電用品的正確操作概念與生活小常識、解說各種測試手法的技巧。

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