Moderní číslicové řídicí systémy vstupy, výstupy, připojení snímačů, problematika rušení (zpracoval P. Beneš) Řídicí systém obvykle „komunikuje“ s řízenou technologií prostřednictvím snímačů a akčních členů. Připojení těchto prvků může být provedeno nejrůznějším způsobem a topologií. Přesto se v průmyslové praxi prosadily určitá technická řešení, která zaručují spolehlivost, robustnost a samozřejmě také snadnou udržovatelnost celého systému. Prakticky vždy si ale můžeme proces měření jedné technologické veličiny (tlak, teplota, poloha, průtok …) transformovat na základní blokové schéma měřicího řetězce, uvedené na obr. 1, které je v principu platné i pro multiplexované nebo distribuované systémy. Snímač Čidlo
Přenosová trasa Úprava signálu
Řídicí systém I/O modul
PLC PC
Obr. 1. Základní blokové schéma měřicího řetězce Jednotlivé bloky mohou být samostatné, spojené nebo se naopak v měřicím řetězci vůbec nevyskytují, protože jsou součástí sousedního bloku a fyzicky je nelze vůbec rozlišit. Typické výstupní elektrické signály z bloku „Čidlo“, které představuje vlastní fyzikální převodník neelektrické veličiny na elektrickou jsou: 1) Změna odporu a. malá relativní změna – tenzometry b. velká relativní změna – potenciometry, kovové snímače teploty 2) Změna kapacity a. parametrické uspořádání – snímač hladiny, kapacitní mikrometr b. diferenční uspořádání – snímač polohy, kapacitní akcelerometr 3) Změna indukčnosti a. parametrické uspořádání – indukčnostní proximitní snímače b. diferenční uspořádání – indukčnostní snímač s malou vzduchovou mezerou c. transformátorové uspořádání – LVDT snímač polohy 4) Napětí a. malé ss, malé st – termočlánek, pH elektroda, fotodioda, eldyn. mikrofon, indukční snímače rychlosti b. velké ss – tachodynamo 5) Proud a. malý ss, malý st – fotodioda 6) Náboj a. piezosnímače, pyroelektrické snímače Elektronika snímače provádí úpravu signálu z čidla a mnohdy i korekci parazitních veličin. Typické unifikované výstupní signály na výstupu snímače, resp. vstupní signály I/O modulů řídicího systému, jsou následující: 1) Signál čidla bez úpravy – Pt100, Ni100, Ni120, termočlánky, tenzometrový můstek 2) Napětí – 0(1)-5 V, 0(2)-10 V, ±1 V, ±2 V, ±5 V, ±10 V 3) Proud – 0-20 mA, 4-20 mA
4) Frekvence a. harmonického signálu ±1 V, ±11 μA b. digitálního signálu TTL, ±12 V, ±20 mA 5) Pulsně šířková modulace (PWM) 6) Periodický signál – AM, FM modulace 7) Neperiodický signál a. počítačové sběrnice – I2C, SPI, MicroWire, RS232, RS485, RS422, GPIB, USB b. průmyslové sběrnice – HART, CAN, ASInterface, Profibus, FoundationFieldbus, LonTalk, Industrial Ethernet … Typické vstup-výstupní moduly moderních řídicích systémů mají následující varianty: Digitální vstupní moduly: Počet vstupních digitálních kanálů bývá typicky u jednoho modulu 8 nebo 16, logické úrovně vstupních napětí 5V, 12V, 24V, 48V, 120V, 230 V, vstupy mohou být charakteru zdroje nebo zátěže, se synchronním vzorkováním, se zachytáváním stavů, s reakcí na změnu logické úrovně atd. Pulsní vstupní moduly: Vstupy pro snímače s frekvenčním nebo PWM výstupem, příp. pro inkrementální snímače s kvadraturním výstupem Digitální výstupní moduly: osmi nebo šestnácti bitové, výstupem je obvykle tranzistor s otevřeným kolektorem, silové relé, proudový zdroj, napětí 24V apod. Analogové vstupní moduly: liší se - způsobem zapojení vstupního zesilovače na jednoduché, diferenční uzemněné, diferenční plovoucí - typu akceptovaného vstupní signálu 0(4)-20mA, 0(2)-10V, 0(1)-5V, ±0(2)-10V, ±0(4)-20mA, - přesnosti AD převodníku a rychlosti vzorkování - speciální vstupy pro snímače teploty Pt100, Ni100, Ni120, pro termočlánky, potenciometry, tenzometry Analogové výstupní moduly - napěťové výstupy ±10 V, rozlišení 12bit, 14bit - proudové výstupy 4-20 mA, 0-20 mA Požadavky na přenosovou trasu jsou většinou již ve specifikacích výrobce snímačů, příp. výrobce řídícího systému a u nejběžnějších snímačů jsou požadavky předmětem příslušných doporučení a norem. Typické způsoby připojení proximitních snímačů k řídicímu systému jsou na obr. 2
Obr.2. Způsoby připojení různých typů proximitních (limitních) snímačů (převzato z katalogu fy Balluff) Obdobně lze nalézt v katalozích výrobců a prospektech snímačů příklady zapojení analogových snímačů v dvou-, tří-, čtyř- a šesti-drátovém provedení, snímačů s rozhraním ICP, RS422, inkrementálních snímačů s kvadraturním výstupem atd. Mnohem obtížněji se však hledají informace, jak řešit případné problémy se vzájemným rušením, příp. jak vzájemné ovlivňování jednotlivých prvků minimalizovat. Této problematice se věnuje následující kapitola.
Princip vzniku interferenčního šumu a způsoby jeho potlačení (kapitola zpracována na základě Application Note AN-346 a AN-347 fy Analog Devices) Zkušení praktici velmi často řeší problémy s interferenčním šumem metodou přidávání blokovacích keramických kondenzátorů do všech možných míst elektronických obvodů, případně umístěním citlivého zařízení do kovové krabičky a přizemněním stínění. Velmi často to pomůže, naneštěstí však ne vždy a mnohdy dojde dokonce ke zvýšení rušení! Potom máme dvě možnosti – buď metodou „pokus – omyl“ nalézt nejvhodnější variantu, nebo identifikovat příčiny vzniku interferenčního rušení a mechanismus vazby rušení na citlivé obvody. Pouze na základě takto provedené analýzy je pak možné přijmou efektivní opatření. Typy šumů Každý elektronický systém obsahuje mnoho zdrojů šumu. V principu je můžeme rozdělit do tří skupin: - vnesený šum – šum, který je již obsažen ve zpracovávaném signálu - vlastní šum – šum spojený s fyzikální podstatou elektronických obvodů, tj. např. tepelný Johnsonův šum, výstřelový šum, praskavý šum apod. - interferenční šum – šum zanesený do obvodu z vnějších rušivých zdrojů, např. vyzařování spínaných zdrojů, počítače, tyristorové měniče, radiové vysílače, silové spínače atd. Další text se bude věnovat pouze poslednímu typu šumu, který je nejproblematičtějším typem šumu v systémech sběru dat a testovacích systémech. I když jeho vliv je nejvýraznější ve vstupních obvodech, žádnou část systému nelze považovat za imunní. Na druhou stranu je to ale jediný typ šumu, který lze účinně potlačit. Základní předpoklady Základní předpoklady pro platnost dále uvedených úvah a modelů jsou následující: - parazitní vazby lze simulovat diskrétními prvky, tzn. nejedná se o systém s rozprostřenými parametry. Tento předpoklad lze rovněž vyjádřit jako požadavek, aby rozměry obvodů byly malé ve srovnání s vlnovou délkou kmitočtů obsažených ve spektru rušivých signálů. - všechna elektrická pole jsou omezena na nejbližší okolí náhradních ekvivalentních kondenzátorů - všechna magnetická pole jsou omezena na nejbližší okolí náhradních ekvivalentních indukčností Pokud platí výše uvedené předpoklady, pak můžeme nahradit elektrické pole kondenzátorem a magnetické pole indukčností reprezentující vzájemnou magnetickou vazbu mezi zdrojem rušení a zkoumaným elektronickým obvodem.
Obr.3 Ekvivalentní obvod přenosu rušení mezi dvěma vodiči nad kovovou deskou Obr.3. ukazuje velmi jednoduchý příklad přenosu interferenčního rušení. Dva krátké vodiče jsou umístěny v malé vzdálenosti od sebe v blízkosti stínící plochy, která je připojena na zemní potenciál systému. Zjednodušený ekvivalentní elektrický obvod odpovídající uvedené topologii je na obr. 3 vpravo. Tento náhradní elektrický obvod lze již snadno řešit známými
standardními metodami pro analýzu lineárních obvodů a tím získat úplnou představu o jeho chování a vlivu jednotlivých komponent na výsledný přenos rušivého signálu. Základní principy Při přenosu rušení můžeme vždy nalézt následují tři části (viz. obr. 4): - zdroj šumu – přechodové děje, relé, magnetické pole apod. - vazební trasu – vzájemná kapacita, vzájemná indukčnost, společný odpor apod. - přijímač šumu – citlivé vstupní obvody, zesilovače, AD převodníky
Obr.4 Blokové schéma přenosu rušení Řešení problému s interferenčním rušením pak spočívá v minimalizaci nebo úplném zrušení jedné části. Typy interferenčního šumu Šum v systému může pocházet od velkého množství různých zdrojů. To mohou být například motory, počítače, napájecí zdroje, ale i neuzemněná stínění, společné zemní vodiče apod. K nejčastějším mechanismům vzniku a přenosu interferenčního rušení patří: - šum vznikající na společné impedanci - kapacitně vázaný šum - indukčně vázaný šum - šum přenášený po napájecím vedení - ostatní zdroje – radiové (AM, FM, GSM ...), triboelektrický jev Šum vznikající na společné impedanci Jak již napovídá název, tento typ šumu se vytvoří, pokud je nějaká impedance společná pro více obvodů, v praxi to nejčastěji bývá společná část zemnícího vodiče. Na obr. 5 je typický příklad takové situace, kdy výstup digitálního obvodu a vstup zesilovače jsou připojeny na společnou „zem“ s nenulovou impedancí Z.
Obr. 5 Rušení vzniklé na společné impedanci Proud procházející digitálním výstupem obvodu 1 pak vlastně představuje rušivý proud vytvářející na impedanci Z rušivé napětí pro vstupní zesilovač obvodu 2. Tento typ rušení je typický tím, že je synchronní se zdrojem rušení, tzn. má stejný opakovací kmitočet. Aktuální tvar je pak závislý na charakteru společné impedance Z. Je-li např. impedance Z čistě
odporová, je šumové napětí přímo úměrné procházejícímu proudu a má i stejný tvar (viz. obr. 6a). Jestliže má ale impedance Z komplexní charakter (náhradní schéma je RLC článek), pak bude mít generované šumové napětí opět stejný opakovací kmitočet, ale tvar bude mít odpovídající tlumené sinusovce se základním kmitočtem f = 1 / 2π LC a exponenciálním útlumem s dekrementem L/R (viz. obr. 6b).
Obr. 6 Rušivé efekty vznikající na společné impedanci Z Kapacitně vázaný šum Tento typ šumu je nejběžnější, pokud se v blízkosti citlivého obvodu s vysokým vstupním odporem nalézá vodič s vysokofrekvenčním signálem nebo vodič přenášející digitální signál s rychlými náběžnými a sestupnými hranami. Schéma působení parazitní kapacitní vazby odpovídající výše popsanému případu je uvedeno na obr. 7.
Obr.7 Parazitní kapacita přenáší rušení na vstup citlivé vysokoimpedanční části přijímače Typické hodnoty parazitní kapacity Cs jsou uvedeny v Tab.1. Tab. 1. Typické hodnoty vzájemné kapacity Popis uspořádání člověk stojící na izolaci proti zemi napájecí zdroj – st. vstup/ss výstup dvoudrátový stíněný kabel – vodiče proti sobě dvoudrátový stíněný kabel – vodič proti stínění koaxiální kabel kapacita mezi kontakty v konektoru oddělovací optočlen kapacita mezi vývody 0,5W rezistoru
Kapacita 700 pF 100 pF 130 pF/m 220 pF/m 110 pF/m 2 pF 2 pF 1,5 pF
Mezi běžné příklady projevů parazitní kapacitní vazby patří např. - TTL signál s typickou strmostí náběžné hrany 10 nanosekund vytvoří na vstupní impedanci 1 MΩ citlivého obvodu, který je kapacitně vázaný na TTL výstup parazitní kapacitou 0,1 pF, derivační impuls o velikosti 5V s časovou konstantou poklesu napětí 100 ns - přeslech mezi dvěma rovnoběžnými vodiči. Např. dva třímetrové vodiče vedené v bezprostřední blízkosti ve společném kabelu mají vzájemnou kapacitu okolo 400 pF. Jestliže na jednom z nich měříme signál s amplitudou 10V na kmitočtu 1 kHz,
-
pak pokud je druhý z nich připojen na vstup AD převodníku se vstupním odporem 10 kΩ, naměříme na něm 250 mV rušivé napětí !!! šum od spínaných zdrojů, zářivek, měničů, přicházející po sítovém napájecím vedení je přes kapacitu mezi primárním a sekundárním vinutím transformátoru dále šířen po napájení do slaboproudých částí obvodu.
Indukčně vázaný šum Silná magnetická pole lze nalézt v okolí silových vodičů, výkonných strojů, transformátorů, motorů apod. Princip rušivého působení je analogický s kapacitní vazbou, jak je ukázáno na obr. 8 a v tab. 2.
Obr. 8 Analogie mezi kapacitní a indukční vazbou Tab. 2. Srovnání kapacitní a indukční vazby Kapacitní vazba Indukční vazba Zdroj šumu změna napětí (dV/dt) změna proudu (dI/dt) Vazební prvek vzájemná kapacita vzájemná indukčnost Nositel šumu proud napětí Analogie s kapacitní vazbou nám dovolí pochopit rozdíly mezi kapacitně a indukčně vázaným šumem: - u indukčně vázaného šumu je generované šumové napětí v sérii se vstupními obvody přijímače, zatímco u kapacitně vázaného šumu se vytváří průchodem šumového proudu přes vstupní impedanci přijímače Z - zmenšováním vstupní impedance snižujeme šumový signál způsobený kapacitní vazbou, ale prakticky neovlivníme signál od indukční vazby. Napětí indukované do jednoho závitu ve střídavém magnetickém poli je dáno vztahem: U = 2πfBA cos φ (1) kde f je frekvence budícího harmonického magnetického pole, B je magnetická indukce, A je plocha smyčky a φ je vzájemný úhel siločar magnetického pole a plochy A. Na základě vztahu (1) vidíme, že snížení rušivého napětí je možné zmenšením magnetické indukce B, zmenšením plochy A nebo změnou úhlu mezi B a A. Vliv magnetické indukce B můžeme snížit zvětšením vzdálenosti od zdroje rušení. V případě, že smyčku tvoří vodiče, lze vliv magnetické indukce potlačit zkroucením těchto vodičů navzájem. Tím vzniknou malé plochy s opačnou orientací vůči magnetickému poli a indukované rušivé napětí se navzájem vyruší. Současně tím i minimalizujeme plochu A. Zmenšit rušivé napětí lze též vhodným vedením vodičů, nejlépe kolmo na silové vodiče tvořící zdroj rušivého signálu. Indukované napětí ve vodičích vedených paralelně je dáno vztahem: U = 2πfMI 2 (2) kde M je vzájemná indukčnost vodičů a I2 je proud vodičem tvořícím zdroj rušivého magnetického pole. Velmi důležitým praktickým závěrem výše uvedeného vztahu je požadavek připojovat stínění vodičů pouze na jedné straně. Příklad chybného připojení stínění je na obr. 9., třicet metrů dlouhý stíněný kabel je použit pro přenos nízkoimpedančního
vysokoúrovňového signálu na vstup AD převodníku. Stínění má typický sériový odpor 30 mΩ na jeden metr a vzájemnou indukčnost 1,8 μH/m a je chybně připojeno na zemní potenciál na obou stranách. Pokud předpokládáme rozdíl napětí v místech přizemnění stínění 1V/50 Hz, potom stíněním teče téměř 1A a šumové napětí indukované do středového vodiče je okolo 20 mV. To již představuje snížení efektivního rozlišení AD převodníku pod 9 bitů. Přitom předpoklad rozdílu zemních potenciálů 1 V je velmi mírný, v těžkém průmyslu lze běžně naměřit i desítky voltů.
Obr.9 Indukční rušení od proudu procházejícího přes stínění Šum přenášený po napájecím vedení Dalším typem interferenčního šumu je šum generovaný vypínáním induktivních zátěží – relátek, motorů, cívek apod. Přerušením proudu se energie skrytá v magnetickém poli transformuje na vysokonapěťový impuls o velikosti v jednotkách kV a frekvenčním spektrem od desítek kHz do jednotek MHz. Ten se dále šíří po napájecím vedení a současně se i vyzařuje ve formě vysokofrekvenčního rušení do okolí. Ostatní zdroje šumu Běžné koaxiální kabely generují při ohýbání vlivem triboelektrického jevu elektrický náboj, který se na vnitřní kapacitě kabelu transformuje na napětí. Generovaný šum je velmi závislý na způsobu pohybu kabelu a může dosahovat jednotek až desítek mV. Pro připojování např. snímačů vibrací je z těchto důvodů nezbytně nutné používat speciální kabely s potlačeným triboelektrickým jevem. Dalším zdrojem šumu spojeným s pohybem vodiče je šum generovaný pohybem vodiče v magnetickém poli, opět nejčastěji ve spojení s vibracemi měřeného systému. Posledním významným zdrojem interferenčního rušení jsou televizní a radiové vysílače, telekomunikační systémy, mobilní telefony apod. Naindukované vysokofrekvenční signály jsou na nelinearitách elektronických obvodů usměrněny a způsobují náhodné stejnosměrné drifty citlivých vstupních elektronických obvodů. Zásady správného stínění a zemnění
Stínění a zemnění lze považovat za nejúčinnější metody k potlačení interferenčních rušení. V dalším textu jsou rozebrány nejběžnější praktické situace a diskutována možná řešení. Obecně lze konstatovat, že stínění plní dva hlavní úkoly – první je omezení rušení pouze do nejbližšího okolí zdroje rušení. Druhý způsob využití stínění je k potlačení průniku rušivých signálů do citlivých vstupních obvodů systému. Princip potlačení kapacitně vázaného rušení Základní princip elektrostatického stínění je vysvětlen na obr. 10, náboj vzniklý v důsledku vnějšího rušivého elektrického pole se nemůže vytvořit uvnitř uzavřeného elektricky vodivého stínění.
Obr. 10 Náboj Q1 nemůže vytvořit náboj uvnitř stínění Konkrétní příklad využití tohoto principu je uveden na obr. 11 a obr. 12.
Obr.11 Ekvivalentní obvod kapacitní vazby
Obr.12 Ekvivalentní obvod kapacitní vazby se stíněním
Zdroj rušení Vn si lze představit např. jako digitální TTL výstup, Cs představuje parazitní vazební kapacitu a Z je vstupní impedance přijímače, tj. např. vstupní odpor přístrojového zesilovače. Rušivý šumový proud in procházející přes vazební kapacitu Cs má hodnotu in = Vn /( Z + Z Cs ) a na impedanci Z vytvoří rušivé napětí Vno = Vn /(1 + Z Cs / Z ) . Jestliže tedy vazební kapacita Cs = 2,5 pF, impedance Z je rezistor 10 kΩ a Vn = 5V na 1MHz bude výstupní šum 680 mV!! Z tohoto příkladu je zřejmé, že i velmi malá parazitní kapacita může mít zcela zásadní vliv na výsledné parametry měřicího systému. Z tohoto pohledu jsou nejkritičtější systémy pracující s velkými impedancemi (malými výkony) na vysokých kmitočtech a s vysokým rozlišením. Pokud do cesty mezi zdrojem a přijímačem rušení vložíme stínění, situace se změní jak je naznačeno na obr. 12. Za předpokladu, že stínění má nulovou impedanci se šumový proud ve smyčce A-B-D-A zvětší, za to ale ve smyčce D-B-C-D bude šumový proud nulový, protože v obvodu není žádný zdroj napětí. Ve výsledku se tak podařilo odstínit citlivý vstupní obvod od zdroje rušivého napětí Vn. Doporučení pro použití elektrostatického stínění 1) Elektrostatické stínění bude účinné pouze tehdy, pokud bude připojeno na referenční potenciál elektronických obvodů uvnitř stínění. Jestliže je referenční potenciál přizemněn, musí být stínění rovněž přizemněno. Obráceně ale, pokud referenční potenciál elektronických obvodů uvnitř stínění není přizemněn, nemá smysl zemnit stínění, naopak to situaci může ještě zhoršit 2) Stínění koaxiálního kabelu by mělo být připojeno pouze na jedné straně, nejlépe na referenční potenciál na straně snímače (zdroje signálu), viz. obr. 13.
Obr.13 Způsob správného zemnění stínění
3) Jestliže stínění koaxiálního kabelu musí být rozpojeno kvůli konektorům apod. je nutné jednotlivé segmenty navzájem pospojovat a k referenčnímu potenciálu připojit pouze na jednom místě, viz. obr. 14.
Obr. 14 Stínění musí být propojeno 4) Počet samostatných stínění v systému by měl být roven počtu nezávislých signálů, které mají být měřeny. Každý signál by měl mít vlastní stínění izolované od ostatních stínění a spojené pouze v místě referenčního potenciálu. Pokud existuje více referenčních potenciálů, je důležité každé stínění připojit na odpovídající místo, viz. obr. 15.
Obr. 15 Každý signál by měl mít vlastní stínění 5) Nepřipojujte stínění na referenční potenciál ve více místech. Případný rozdíl napětí vyvolá vyrovnávací rušivý proud, který se indukčně váže do vodivých smyček uvnitř stíněného prostoru, viz. obr. 16.
Obr. 16 Stínění nepřipojujte na obou stranách 6) S výjimkou případu uvedeného dále je nutné zabránit průchodu proudu stíněním. 7) Nedopusťte, aby na stínění bylo jiné napětí než na referenčním potenciálu, napětí na stínění by se kapacitně vázalo do obvodů ve stíněném prostoru. Toto je velmi často ignorovaná rada, přitom vazební kapacity jsou v těchto případech stovky pF a tomu pak odpovídají i velmi vysoké úrovně rušivých napětí zavlečených tímto způsobem do stíněného prostoru. 8) Pečlivě si rozmyslete, kudy se uzavírají rušivé šumové proudy zachycené stíněním. pokud jsou jednotlivá stínění na referenční potenciál připojena společným vodičem, velmi snadno do systému zavlečete problémy popsané v předchozí kapitole v části šum vznikající na společné impedanci. Obecně platí zásada připojovat stínění do jednoho bodu s referenčním potenciálem samostatným, co možná nejkratším vodičem s malou vlastní indukčností (měděný pásek).
Někdy je volba správného způsobu stínění obtížná a nelze jednoduše aplikovat výše uvedená doporučení.
Obr. 17 Systém s rozdílnými referenčními potenciály Například v situaci uvedené na obr.17. není na první pohled zřejmé, který je vlastně ten správný referenční potenciál. Mělo by být stínění zapojeno na referenční svorku měřicího přístroje (var. A), na zemní kolík přístroje (var. B), na zem zdroje signálu (var. C) nebo na referenční potenciál výstupu snímače (var. D)? • varianta A je špatně, protože šumový proud bude protékat stíněním, jak je ukázáno na ekvivalentním obvodu, viz. obr. 18a • varianta B je také špatně, ve výsledku se uplatní oba dva šumové zdroje, viz. obr.18b • varianta C je špatně, protože napětí VG1 opět vytvoří rušivé napětí mezi měřicími svorkami, podobně jako v předchozím případě, viz. obr. 18c. • varianta D je správně, oba rušivé zdroje jsou odstíněny, toto řešení je i v souladu s doporučením č.2, že stínění má být připojeno na referenční potenciál zdroje signálu. Obr.18 Ekvivalentní obvody pro různé varianty Princip potlačení indukčně vázaného rušení Potlačení vlivu rušivého magnetického pole je mnohem obtížnější úkol, protože magnetické pole vniká i dovnitř elektricky vodivým materiálem. Klasické stínění tak nemá téměř žádný vliv na indukčně vázané rušivé napětí. Intenzita magnetického pole uvnitř vodivého materiálu exponenciálně klesá, rychlost poklesu je závislá na kmitočtu, permeabilitě a vodivosti materiálu. Tloušťka materiálu, při které dojde k poklesu o 63%, bývá označována jako hloubka vniku a hodnoty pro typické materiály jsou uvedeny v tab. 3. Je zřejmé, že pro nejproblematičtější síťové kmitočty jsou standardní materiály málo účinné, proto se pro tuto kmitočtovou oblast používají stínění z vysoce magneticky vodivých materiálů, např. z permaloye. Mnohem efektivnější metodou než stínění je na nízkých kmitočtech snaha o minimalizaci rozměrů plochy smyček na straně přijímače, do kterých by se rušivé napětí mohlo indukovat, příp. optimalizací vzájemné topologie vodičů.
Tab.3. Hloubka vniku (v mm) v závislosti na frekvenci Kmitočet Měď Hliník Ocel 60 Hz 8.5 10.9 0.86 100 Hz 6.6 8.5 0.66 1 kHz 2.1 2.7 0.2 10 kHz 0.66 0.84 0.08 100 kHz 0.2 0.3 0.02 1 MHz 0.08 0.08 0.008 Doporučení pro potlačení indukční vazby 1) Umístěte citlivé obvody co možná nejdále od zdrojů rušivého magnetického pole 2) Zabraňte vedení vodičů paralelně s magnetickým polem, snažte se, aby magnetické pole bylo na vodiče kolmé. 3) Magnetické pole rušivého zdroje můžete pro vyšší kmitočty odstínit dobře magneticky vodivým materiálem 4) Pro vedení velkých proudů používejte kroucené vodiče. Jestliže jsou proudy v obou vodičích stejné, ale opačného směru, tak se magnetické pole navzájem vyruší. Pro správnou funkci je ale nezbytné, aby oba proudy byly opravdu stejné. To neplatí v případě, kdy část proudu se od zátěže vrací jinudy, např. zemní smyčkou, viz. obr. 19. Zemní smyčka může být např. u motorových měničů vyvolána i parazitními kapacitami vodičů proti zemi. Je proto vhodné snažit se vést vodiče co nejblíže uzemněné plochy.
Obr. 19 Správné a chybné zapojení pro napájení zátěže 5) Velmi vhodným řešením pro napájení izolované zátěže je použití koaxiálního kabelu dle obr. 20. Pokud je zpětný proud stíněním shodný s proudem středového vodiče, tak je výsledné vyzařované magnetické pole prakticky zcela potlačeno. Je důležité si uvědomit, že stínění zde plní zcela jinou funkci než v případě potlačení kapacitní vazby u elektrostatického stínění a není tím nijak porušena dříve uvedená zásada, že stíněním nesmí protékat proud. Tímto způsobem lze velmi efektivně potlačit například rušení vyvolané od napájecích vodičů digitálních obvodů.
Obr. 20 Využití stíněného koaxiálního kabelu pro napájení zátěže Závěr Byly popsány základní mechanismy vzniku interferenčních rušení a metody jejich potlačení. Nezbývá než připomenout, že mnohem efektivnější je počítat s rušivými vlivy již ve stádiu návrhu systému než následně hledat a odstraňovat koncepční chyby způsobující špatnou funkci systému. Shrnutí základních zásad a doporučení je přehledně uspořádáno v tab. 4
Tab.4 Zdroje rušení a možné způsoby potlačení šum vznikající na společné impedanci - korektní návrh napájecích obvodů - galvanické oddělení – transformátory, optočleny kapacitně vázaný šum - potlačení zdrojů šumu - vhodně použité stínění (velmi efektivní!) - minimalizace vzájemných parazitních kapacit indukčně vázaný šum - pečlivé vedení vodičů minimalizující vzájemnou indukčnost - stínění z materiálů s vysokou permeabilitou (permaloy) - zmenšení plochy smyčky přijímače (kroucený pár, vedení vodičů v blízkosti zemní plochy) - potlačení zdrojů rušení (kroucený pár, aktivní stínění) šum přenášený po napájecím vedení - omezovací prvky paralelně k vinutí - vypínání proudu při průchodu nulou - stínění - minimalizace parazitních kapacit ostatní zdroje - pevně připevněné vodiče - nízkošumové kabely - stínění proti vf rušení
