Maadoitus. Maadoitusta tarvitaan kaikissa elektronisissa laitteissa. Maadoitus voi olla muuhun elektroniikkaan nähden yhdistetty eristetty kelluva

Transkriptio

1 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 1/47 Käsitteitä Maadoitus Maadoitusta tarvitaan kaikissa elektronisissa laitteissa. Maadoitus voi olla muuhun elektroniikkaan nähden yhdistetty eristetty kelluva Maadoitus täytyy aina olla olemassa. Se sekoitetaan usein signaalien paluuvirtoihin ja -virtajohtimiin. Piirilevyn maadoitukseen on vain muutama eri maadoitustekniikka. Nämä liittyvät referenssikytkennän muodostaminen analogia- ja digitaalipiirien välille suuritaajuinen liitännän muodostamiseen piirilevyn paluutason (return plane) ja suojaukseen tarkoitetun ulkoisen metallikotelon välillä Maadoitus on yksi tärkeimmistä ja vaikeimmista tekniikoista piirilevysuunnittelussa, koska siihen vaikuttaa moni kontrolloimaton seikka: sitä ei ole helppo ymmärtää intuitiivisesti sille ei ole suoraviivaista määrittelyä sille ei ole tarkkaa mallitusta tai sitä ei voi tarkkaan analysoida. Maadoitus on eräs tärkeimmistä keinoista minimoida satunnaisen kohinan kytkeytyminen ja jakaa piiri eri segmentteihin Asianmukainen piirilevyn maadoitusmenetelmien käyttö ja kaapeloinnin suojaukset estävät suurimman osan kohina- ja häiriöongelmista. Hyvin suunniteltu maadoitussysteemi antaa suojaa interferenssi- ja häiriösignaaleita vastaan, ja se saadaan aikaiseksi lähes ilmaiseksi ilman komponentti- ja materiaalikustannuksia voidaan välttää häthätää kytkentään sijoitettavien ns. speksipeltien käyttö. Maadoitus tarkoittaa eri insinööriryhmille ja ihmisille eri asioita: logiikkasuunnittelijoille se tarjoaa referenssitason logiikkakytkennöille ja - komponenteille systeemi- ja mekaniikkainsinööreille maadoitus on piirejä liittyvä metallikotelo tai -kehikko

2 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 2/47 vahvavirtaihmisille se tarkoittaa suojamaata eli sitä kolmatta keltavihreää johtoa suojaamaan käyttäjää sähköiskuilta Maadoituksen kaksi pääaluetta ovat suojamaadoitus käsittää myös suojauksen salamointia ja sähköstaattista purkausta vastaan PE, Protective Earth, turvallisuusstandardi EN60950:2000 (Safety of information technology equipment) signaalijännitteen referenssimaa, signaalimaa Jos maa (ground) on yhdistetty pieni-impedanssisella johtimella maahan (earth), tarkoitetaan suojamaadoitusta signaalien maat voi olla kytketyt tai ne voidaan jättää kytkemättä maapotentiaaliin kahden em. eri maadoitusmenetelmän yhdistäminen voi olla soveltumaton johonkin sovellutukseen ja saattaa aiheuttaa EMC-ongelmia (ElectroMagnetic Compability). Suojamaadoitus pienentää tai estää kahden johtavan pinnan välisen jännite-eron syntymisen esimerkiksi tiskikone ja keittiön astianpesupöytä mitä enemmän liittymiä maahan, sitä parempi käyttäjän kannalta Signaalimaa on kaikille elektronisen laitteen osille referenssipotentiaali, johon jännitteitä verrataan. suurin sallittu jännite-ero voi joissain tapauksissa olla mv-tasoa tai pienempi. maapisteiden lukumäärä ja sijainti on tässä tapauksessa harkittava tarkoin, sillä väärin sijoitettu liitos tai läpivienti voi aiheuttaa huomattavia EMCongelmia. Maadoituksiin liittyy monia vääriä uskomuksia: esimerkiksi maan pitäminen hyvänä signaalivirran paluutienä ja että hyvä maa pienentää kohinaa. esimerkiksi kohinaisten rf-paluuvirtojen syöttäminen esim. maajohtimien kautta rakennuksissa on ok suojamaadoituksen kannalta, mutta ei signaalin kannalta. Virta vaatii paluutien, jotta syntyisi suljettu silmukka signaalilähteestä kuormaan ja takaisin usein huomioidaan suunnittelussa pelkästään DC- tai AC-käyttöjännitevirtaa eikä RF-virtaa

3 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 3/47 RF-virrallekin paluureitti on pakollinen, mutta paluureitin ei tarvitse välttämättä olla maapotentiaalissa Ilma ympärillämme ei ole maapotentiaalissa Analoginen maa on yleensä erotettu digitaalisesta tai kotelon maasta herkkien analogisten kytkentöjen häiriöiden minimoimiseksi systeemin kaikki virrat eivät tarvitse suojamaata tai signaalijännitteelle stabiilia referenssiä. esimerkiksi pienjännitteiset patterilla toimivat laitteet eivät tarvitse suojamaata koska vaaraa sähköiskusta ei ole Jotta systeemi toimisi vaatimusten mukaisesti, signaalimaa ei välttämättä saa olla sama kuin virran paluureitti signaalivirta ei siis saa aina kulkea maajohtimissa, paitsi tietyissä olosuhteissa Sovellutuksesta riippumatta (turvallisuus/signaalin referenssitaso) maajännite-eroja kahden piirin välillä on aina pienennettävä tai vältettävä jännite-erojen syntyminen kokonaan. Kun käsitellään maavirtoja, seuraavat perusasiat on pidettävä mielessä: kun virta kulkee äärellisen impedanssin läpi, siinä tapahtuu jännitehäviö Ohmin lain mukaisesti reaalimaailmassa ei voi olla nollapotentiaalia jokaisella virtajohtimella on lisäksi äärellinen induktanssi, joka aiheuttaa taajuudesta riippuvan jännitehäviön ja jännitepiikkejä johtuen virran muutoksesta eli di vt () = L dt virran on aina palattava lähteeseen paluureitti voi koostua useista poluista ja erisuuruisista virroista Kirchoffin laki: mikä menee myös tulee häiriövirrat saattavat huonosti suunnitellussa piirissä kulkea vaihtoehtoisia sellaisia paluureittejä pitkin, joita ei ole suunniteltu käsittelemään näitä virtoja

4 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 4/47 Esimerkki yhteisen maaimpedanssin aiheuttamasta kytkeytymisestä maarakenteessa: Kuvassa on kaksi moduulia kytketty metallilevyyn, koteloon tms. maadoitusta varten moduulit voivat olla analogia-, digitaalielektroniikkaa, moottoreita, yms. digitaalisysteemeissä käyttöjännitteistä otettu virta muuttuu aina kun logiikka vaihtaa tilaa analogiamoduulin paluuvirta voi koostua lf- (low frequency), hf- (high frequency), kapea- tai laajakaistaisesta signaalista moduulin #2 paluuvirta summautuu moduulin #1 paluuvirtaan resistiivisessä tai induktiivisessä paluujohdossa aiheutuu jännitehäviöitä ja moduulien maiden välille syntyy potentiaaliero moduulin #1 maapotentiaali vaihtelee moduulin #2 signaalin tahdissa moduulin #2 maapotentiaali on: ( ) ( ) V = I1+ I2 Z + I2 Z = Z I1+ Z + Z I2 2Gnd g1 g 2 g1 g1 g 2 Source Subsystem #1 Subsystem #2 Return -Z g1 + I1 -Z g2 + I2 ( I1+ I2) Zg1 I 2 Zg 2 Ground kyseessä on ns. monipistemaadoitus.

5 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 5/47 Esimerkki maajohtimessa olevan kohinan kytkeytyminen: V g Source V Ground system Z Z Z g I n Load + Z L V L + V n Kuvassa on esitetty usein tietoliikenteessä käytetty liitäntä, esim. sarjaliitäntä RS-232 lähteenä tietokone ja kuormana monitori tai modeemi kymmenien metrien etäisyydellä molemmille yhteinen maa on suojamaa, joka sijaitsee verkkojohdossa suojamaa on suuri-impedanssinen rf-taajuuksilla oletetaan, että ulkoisesta systeemissä olevasta lähteestä syntyy suojamaahan kohinavirta I n, joka on yhteinen kummallekin laitteelle jos kuormaimpedanssi Z L > paluujohdon impedanssi Z ja jännitejohdon impedanssi Z g maakohinan virran paluujohdossa aiheuttama signaaliin summautuva jännite V n kuormassa on Z Zg Vn = Vg Z + Z g -

6 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 6/47 Minkä tyyppinen maaimpedanssi yleensä on? väärä käsitys on olettaa, että maaimpedanssi olisi dc-potentiaalissa tai että se olisi resistiivinen kaikilla taajuuksilla. Suurilla taajuuksilla, > 30 MHz, suurin impedanssikomponentti on kuitenkin induktiivinen, ei resistiivinen tai pintaefektin (skin-effect) aiheuttama. resistiivinen ja pinta-efektin vaikutus on hyvin vähäistä induktanssiin verrattuna. esimerkiksi 20 mils:n levyinen johdin (= tuumaa = 0.5 mm) 100 MHz:n taajuudella: johtimen induktanssille hyvä approksimaatio on 15 nh/tuuma = 0.6 nh/mm johtimen induktiivinen reaktanssi X L on X = 2 π f L 380 mω /mm L Vastaavasti kyseisen johtimen resistanssi R on R ρ 17.2nΩ m = = 1.1 mω/mm l A 0.5mm 30μm Rf-taajuuksilla resistanssit yleensä voidaan unohtaa. Tuotetta suunniteltaessa huolellisen maan toteuttaminen ei yleensä vaadi muita ylimääräisiä kustannuksia, kuin hieman työaikaa. Hyvin suunniteltu maadoitussysteemi piirilevytasolta systeemitasolle parantaa tuotteen häiriönsietokykyä ja pienentää tuotteen itsensä aiheuttamaa häiriötä. myös tuotetta uudelleen suunniteltaessa kannattaa maadoitus miettiä uudelleen eikä luottaa kerran suunniteltu hyvin suunniteltu - periaatteeseen. Maadoitusta suunniteltaessa on hyvä kiinnittää huomio seuraaviin seikkoihin: minimoi tai pienennä virtasilmukat huolellisella layout-suunnittelulla, erityisesti rf-komponenttien osalta jaa piirilevy tai systeemi siten, että laajakaistaiset kohinaiset/häiriölliset piirit ovat erillään pientaajuisista piireistä suunnittele piirilevy tai systeemi siten, että eri lohkojen toisiaan häiritsevät paluuvirrat pysyvät erillään tai vaikuttavat toisiinsa mahdollisimman vähän valitse maadoituspisteet huolella siten, että kytkennän silmukkavirrat, maaimpedanssit ja johtimien impedanssit minimoituvat pidä maadoituksen läpi meneviä virtoja kohinana joka menee tai lähtee piiristä kytke hyvin herkät (= pieni kohinamarginaali) piirit stabiiliin maareferenssiin.

7 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 7/47 Sähkölaitteiden suojausmekanismit Suojausmekanismien tarkoituksena on suojata ihmisiä ja eläimiä haitallisilta sähköiskuilta. Jos kodinkoneen, kuten liesi, tiskikone, astianpesukone jne. kotelo on vaarallisen korkeassa potentiaalissa, loukkaantumisen tai hengenlähdön vaara on suuri. Sähköisku tapahtuu, kun virta kulkee ihmisen läpi Ihmisellä vaarallinen virtataso on luokka > 1 ma, jolloin esim. jännitteet noin 40 Vac ja 60 Vdc kuivissa olosuhteissa eivät ole ihmiselle vaarallisia. Suomessa Turvatekniikan keskuksesta, TUKES saa lisätietoja: EU:n pienjännitedirektiivi 2006/95/EY: Pienjännitedirektiivin kodifioitu versio on astunut voimaan Pienjännitedirektiivin asettamat vaatimukset ovat ennallaan. Direktiivissä sähkölaitteella tarkoitetaan kaikkia vaihtovirralla nimellisjännitealueella Vac ja tasavirralla nimellisjännitealueella Vdc toimivia sähkölaitteita, lukuun ottamatta liitteessä II lueteltuja laitteita ja ilmiöitä: o räjähdysvaarallisissa tiloissa käytettävät sähkölaitteet. o radiologisiin ja lääketieteellisiin tarkoituksiin suunnitellut sähkölaitteet. o tavara- ja henkilöhissien sähköiset osat. o sähkömittarit. o kotitalouskäyttöön tarkoitetut pistotulpat ja -rasiat. o sähköpaimenet. o radiohäiriöt. o laivoissa, lentokoneissa ja rautateillä käytettävät erikoissähkölaitteet, jotka täyttävät sellaisten kansainvälisten järjestöjen vaatimukset, joiden työskentelyyn jäsenvaltiot osallistuvat.

8 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 8/47 Peruseristetty sähkölaite Vanhanmallisella pistotulpalla liitettävässä laitteessa on peruseristys, joka suojaa käyttäjää laitteen jännitteisiltä osilta. Laitetta saa käyttää vain niissä tiloissa, joissa on vanhanmalliset maadoittamattomat pistorasiat. Vikatilanteessa laitteen kuori voi tulla jännitteiseksi ilman, että sitä voi havaita. Suojamaadoitettu sähkölaite Suojamaadoitetulla pistotulpalla liitettävän sähkölaitteen kosketeltavat metalliosat on kytketty keltavihreällä suojajohtimella maadoitukseen. Jos laite on kytketty suojamaadoitettuun pistorasiaan, kulkee virta mahdollisessa vikatilanteessa suojajohtimen kautta. Tällöin sulake palaa nopeasti ja viallinen laite kytkeytyy irti sähköverkosta.

9 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 9/47 Suojaeristetyt sähkölaitteet Suojaeristetyssä laitteessa on peruseristyksen lisäksi lisäeristys. Sen tarkoituksena on estää jännitteen pääsy kosketeltavissa oleviin osiin, jos peruseristys jostain syystä pettää. Suojajännitteiset sähkölaitteet Suojajännitteisiä laitteita ovat esimerkiksi sähkölelut. Muuntaja muuntaa verkkojännitteen (230 Vac) suojajännitteeksi (yleensä 12 V tai 24 V). Näin itse laitteen jännite jää niin pieneksi, että sen jännitteiset osatkaan eivät aiheuta hengenvaaraa.

10 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 10/47 Sähkölaitteen merkinnät Sähkölaitteen arvokilvestä selviää mm. laitteen valmistaja tai tuotenimi malli tai tyyppimerkintä jännite (V) virran kulutus (A) teho (W tai kw) IP-kotelointiluokkatunnus (suojausluokka) CE-merkki ja mahdolliset testauslaboratorioiden merkit Laitteessa voi olla myös merkinnät nimellistaajuudesta (Euroopassa 50 Hz ja esim. Pohjois-Amerikassa 60 Hz) sekä erilaisia varoitus- ja ohjekilpiä. Testauslaboratorion merkki laitteessa kertoo, että sen mallikappale on läpäissyt puolueettoman turvallisuustestauksen.

11 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 11/47 CE-merkki mahdollistaa tuotteiden vapaan liikkumisen Euroopan talousalueella. Se on valmistajan tai maahantuojan oma vakuutus siitä, että tuote on vaatimustenmukainen. Piirilevyn suunnittelussa on huomioitava mm. seuraavia seikkoja: tietoliikennepiirit toimivat joissain tapauksissa -48 V:n jännitteillä piirilevylle voidaan joissain tapauksissa tuoda ac-verkkojännite suoraan joissain (prosessi-) sovellutuksissa piirilevyllä olevat solenoidit ja releet ohjaavat joskus 115 V/230 V:n moottoreita. Chassis Pcb V 1 Z 1 Z 2 Kuvassa Z 1 on hajaimpedanssi (staray impedance) piirilevyn (PCB, Printed Circuit Board) ja sitä ympäröivän kotelon (Chassis) välillä. Kotelon ja maapotentiaalin välinen hajaimpedanssi on Z 2. Kotelon jännite V chassis voidaan laskea suoraan piirilevyllä olevasta jännitteestä V 1 hajaimpedanssien jännitejakona: V Z = 2 chassis Z1+ Z 2 mikäli piirilevyllä oleva jännite on riittävän iso, voi kotelon jännite nousta riittävän isoksi. vaikka kotelo on suojamaadoitettu keltavihreällä johtimella, ei pidä oikopäätä olettaa kotelon olevan turvallinen riittävän suuritaajuiset piirilevyllä olevat rf-signaalit eivät välttämättä maadoitettu suojamaajohtimen kautta, joka näkyy induktanssina. tarvitaan riittävän hyvä (pieni-induktanssinen) johdotus rfreferenssipisteeseen kotelon, kehikon tai jonkun muun metallirakennelman avulla. Yleensä suojamaata ei vaadita EMC-yhteensopivissa laitteissa. V 1

12 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 12/47 Signaalimaa Suurin osa EMC-yhteensopivuuden suunnittelusta liittyy maadoituksiin ja eri piirien maadoitusten yhdistämiseen Ohjaavan ja ohjattavan piirin täytyy olla samassa jännitereferenssissä toimintahäiriöiden välttämiseksi. logiikkapiireillä referenssitaso on yleensä 0 V:ssa. Mikäli referenssitasot eivät ole samat, mm. kohina- ja häiriömarginaalit pienentyvät ja mikäli ne ylittyvät, kytkentää saattaa aiheutua virhetoimintoja maakohinajännite (ground-noise voltage) yhteismuotoisia virtoja. Maalla (ground) yleensä tarkoitetaan vakiopotentiaalista solmupistettä, joka tarjoaa referenssipotentiaalin kahdelle tai useammalle kytkennälle. mutta esimerkiksi digitaali-, analogia- ja kotelon maa voivat olla aivan erillisiä. Termi maa ei huomioi paluureittiä, jota pitkin rf-taajuinen signaali palaa lähteeseen. rf-signaali valitsee aina reitikseen polun, jossa on vähiten impedanssia pienillä taajuuksilla, joilla R > ω L, signaali valitsee reitin, jolla on pienin resistanssin suurilla taajuuksilla, joilla R < ω L, signaali valitsee reitin, jolla on pienin induktanssi. Signaalimaalle parempi määritelmä on: pieni-impedanssisin reitti, jota pitkin signaali palaa lähteeseen. Virta on avain suunnitteluun, ei jännite. Jos jännite-eroa on kahden pisteen välillä, niiden välillä kulkee tällöin virta (= Ohmin laki) virran kulku maapinnalla määrää piirien välisen magneettisen kytkennän koska virta kulkeakseen vaatii suljetun silmukan, niin tämän seurauksena syntyy magneettikenttä. silmukan fyysinen pinta-ala määrää taajuuden, millä antenni säteilee ja virran suuruus säteilyn aiheuttaman häiriön tai kohinan amplitudin. Suunnittelijan on aina tuotteen suunnitteluvaiheessa mietittävä reitti, mitä pitkin rfvirta kulkee. pelkkä kytkennän toimivuuden varmistaminen simuloinneilla ei riitä, vaan yhdessä piirilevyn suunnittelijan kanssa mietittävä komponenttien sijoittelu ja johdotus, jotta virta saadaan ohjattua kulkemaan haluttua reittiä.

13 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 13/47 Signaalin maadoituksen määräävät: kehitettävä tuote sen toimintataajuus käytettävät logiikkapiirit piirien Input/Output-rakenteet käytettävät analogiset ja digitaaliset piirit ja sähköturvallisuus Signaalimaadoituksen periaate, missä kuorma on kytketty omaan referenssipisteeseen ja signaalilähde omaansa Maadoituksen kohinajännite V n aiheutuu häviöistä virran paluureitillä Maadoitusmenetelmiä yksipistemaadoitus sarjamuotoinen rinnakaismuotoinen yksipistehybridimaadoitus monipistemaadoitus monipistehybridimaadoitus hybridimaadoitus Mikä maadoitusmenetelmä on paras, riippuu sovellutuksesta monia menetelmiä voidaan käyttää samaan aikaan, jos suunnittelija hallitsee ja ymmärtää täysin virran meno- ja sen paluureitin.

14 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 14/47 Yksipistemaadoitus Yksipistemaadoituksessa on yksi ainoa maapiste, johon kaikkien lohkojen maapaluut on yhdistetty Tämä yksi yhteinen maapiste estää eri alilohkojen rf-virtoja jakamasta samaa yhteistä paluujohtoa eli kytkeytymästä toisiinsa yhteisen impedanssina kautta. Sarjamuotoinen (daisy chain) yksipistemaadoitus Module 1 Module 2 Module 3 I 1 I 2 I 3 L 1 V 1 L 2 V 2 L 3 V 3 I = I 1 + I 2 + I 3 Ground Plane Tämä on yleisimmin käytetty maadoitusmuoto yksinkertaisuutensa vuoksi alle 1 MHz:n taajuuksilla. Paitsi induktansseja maadoituslinjassa on resistiivisyyttä (resistansseja R 1 R 3 ei piirretty) ja hajakapasitansseista maata vasten LC:stä johtuen voi olla tietyillä taajuuksilla resonanssia. Eri moduulien maapisteiden jännitteet V 1, V 2 ja V 3 ovat: V = I + I + I ω L ( ) ( ) ω ( ) ω ( ) ( ) V = I + I + I L + I + I L V = V = I + I + I ω L + I + I ω L + I ω L Ei tulisi käyttää kytkennöissä, joissa eri moduulien tehotasot vaihtelevat laajalla alueella, koska suuritehoiset yksiköt aiheuttavat suuria maavirtoja, jotka häiritsevät helposti pienen tehotason yksiköitä. herkimmät asteet tulisi sijoittaa mahdollisimman lähelle yhteistä maapistettä eli moduuliksi 1 jne.

15 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 15/47 Rinnakkainen yksipistemaadoitus Module 1 Module 2 Module 3 L 1 I 1 V 1 I 2 I 3 L 2 V 2 L 3 V 3 Ground Plane Tämä on paras pienillä taajuuksilla, koska eri moduulien virrat eivät vaikuta toisien moduulien maapotentiaaliin. suuremmilla taajuuksilla maajohtimien impedanssit (resistansseja R 1 R 3 ei piirretty) saattavat olla hyvin suuria, jos johtimien sähköinen pituus on tarkalleen aallonpituuden neljänneksen pariton monikerta tällaiset maapiuhat toimivat tällöin myös hyvinä antenneina aiheuttaen EMC-ongelmia. johtimien pituus oltava aina < λ/20 impedanssin pitämiseksi riittävän pienenä ja estämään sähkömagneettinen säteily. haittana myös eri maajohtimien erisuuri impedanssi, mikä pahentaa maakohinajännitettä systeemeissä, joissa on monta piirilevyä eri moduuleita on liitetty yhteen yleensäkin eri maapiuhojen induktanssit olisi hyvä olla samankokoiset, jotta mahdolliset resonanssitaajuudet olisivat samat. magneettinen tai kapasitiivinen ylikuuluminen eri moduulien maajohtimien välillä maajohtimista piirilevylle maajohtimista koteloon ylikuuluminen riippuu paluusignaalin spektristä, yleensä suurempitaajuiset signaalit ylikuuluvat (säteilevät) helpommin mekaanisesti raskas toteuttaa, koska suuret systeemit vaativat paljon johtimien vetoja.

16 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 16/47 Yksipistemaadoitusta käytetään alle 1 MHz sovellutuksissa suuremmilla taajuuksilla johtimien induktanssi alkaa tulla merkittävämmäksi kuin resistanssi 1 MHz 10 MHz sovellutuksissa, jos pisin johdotus < 1/20 signaalin aallonpituudesta suurilla taajuuksilla ei ole olemassa sellaista käsitettä kuin yksipistemaadoitus. audiopiireissä analogisessa instrumentoinnissa 50 Hz- ja dc-jännitelähteissä laitteissa, jotka on pakattu muovikuoriin joskus myös erittäin suuritaajuisissa sovellutuksissa systeemin suunnittelijan on ymmärrettävä tarkoin kytkennän käyttäytyminen ja ongelmat (induktanssit eri paluujohtimissa) Monipistemaadoitus Suurtaajuus kytkennät tarvitsevat yleensä monta maadoituspistettä referenssitasoon maaimpedanssien pienentämiseksi monipistemaadoitus minimoi rf-maajohtimien induktanssia, koska maavirta jakaantuu monelle eri reitille, eli eri reittien maaimpedanssit kytkeytyvät rinnakkain. Module 1 Module 2 Module 3 V 1 V 2 V 3 R 1 R 2 R 3 L 1 L 2 L 3 I 1 I 2 I 3 Ground Plane Jos monikerrospiirilevyllä on maataso (tai -verkko) käytettävissä tai piirilevy on tukevasti liitetty tikattu (stitch) sähköisesti monesta pisteestä - johtavaan metallikoteloon, maajohtimien (tai johtojen) pituus tulee pitää mahdollisimman lyhyenä induktanssien minimoimiseksi.

17 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 17/47 Hyvin suuritaajuisissa kytkennöissä maajohtimien pituus tulee olla cm:n muroosina. Pientaajuisissa kytkennöissä monipistemaadoitusta tulee välttää, koska tällöin maavirrat kaikista piireistä kulkevat yhteisen maatason maaimpedanssin läpi. maatason impedanssia voidaan pienentää monikerrostekniikalla huomaa, että maatason paksuuden kasvattaminen ei auta, koska rf-signaali kulkevat pääasiassa johtimen pintakerroksissa pintailmiön takia. johtavan kerroksen päällystäminen kuparia johtavammalla pinnoitteella, kuten esim. hopea, pienentää impedanssia. Digitaalilogiikkaa tulee käsitellä kuten suurtaajuuspiirejä yleensäkin hyvä, pieni-induktanssinen maa on tarpeen levyllä, jossa on useampi digitaalipiiri maataso tai -verkko digitaalipiirilevyn käyttöjännite ja sen maa eivät sisällä suurtaajuuskomponentteja, joten ne voi toteuttaa yksipistemaatekniikalla. suuritaajuinen virta otetaan käyttöjännitteen suodatuskondensaattoreista. Hybridi- eli taajuusselektiivinen maadoitus Sekoitus yksi- ja monipistemaadoituksesta riippuen signaalin taajuudesta. Käytetään, kun piirilevyllä on lf- ja hf-taajuuksia tai yleensä monia eri taajuuksia Kapasitiivinen hybridimaadoitus pienillä taajuuksilla yksipistemaadoitus on dominoiva, koska kondensaattorit ovat suuria impedansseja. taajuuden kasvaessa maadoitus muuttuu vähitellen monipistemaadoitukseksi, koska kondensaattorit muuttuvat oikosuluiksi ja yksipistemaadoitusjohto induktiiviseksi

18 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 18/47 suunnittelussa ymmärrettävä ja tiedettävä kytkennässä olevat taajuudet ja maavirtojen haluttu kulkeutumisreitti Induktiivinen hybridimaadoitus Yleensä käytetään, kun esim. kotelo joudutaan turvallisuussyistä (suoja)maadoittamaan pienillä taajuuksilla, eli 50/60 Hz on päästävä kelojen läpi kelat yleensä isohkoja, ne on toteutettava jonkun magneettisesta materiaalista tehdyn sydämen ympärille. kelat estävät rf-virran kytkeytymästä koteloon sallien kuitenkin ac- ja dckytkennän siihen kelat pitävät rf-virrat piirilevyjen sisäisinä ja ohjaavat suurempitaajuisen virran pienintä impedanssia pitkin yksipistemaahan Piirilevysuunnitteluvaiheessa voidaan siis ohjata rf-paluuvirtoja keloilla ja kondensaattoreilla ohjataan rf-virrat optimaalista reittiä pitkin epäonnistunut suunnittelu voi toisaalta aiheuttaa emc-ongelmia laite on herkkä ulkopuolisille häiriölähteille laite häiritsee voimakkaasti ympärillä olevaa elektroniikkaa.

19 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 19/47 Analogisten ja digitaalisten signaalien maadoittamisesta Monet analogiset kytkennät ovat pientaajuisia sovellutuksia ja yleensä tällöin myös pienivirtaisia yksipistemaadoitus on optimaalinen näille herkille kytkennöille Maadoituksen päätarkoitus on estää suurien maavirtojen pääsy kohinaisista komponenteista (digitaalilogiikka, moottorit teholähteet, releet) analogiamaapolkuun. maasilmukoita on kuitenkin myös vältettävä kaikissa herkissä pientaajuisissa analogiakytkennöissä. Pientaajuisissa analogiapiireissä on helppo kontrolloida haluttuja ja ei haluttuja virtoja Kuinka hyvään maahan on panostettava, riippuu esimerkiksi siitä, onko operaatiovahvistimen tulossa 10 μv:n vai 10 V:n signaali. Digitaalilogiikka vaikuttaa analogiakomponentteihin kytkentäkohinan tai -häiriön kautta, joka syntyy kun logiikkapiiri vaihtaa tilaa sisäisen piirin tilanvaihto näkyy käyttöjännitteessä lähdön tilanvaihto aiheuttaa ylikuulumista ja näkyy myös käyttöjännitteessä nopea CMOS on pahimpia häiritsijöitä, dv/dt on suuri noin 5.4 V/ns herkissä kytkennöissä oltava erillinen maa analogia- ja digitaalipuolella A/D- ja D/A-muuntimissa yleensä omat maat analogia- ja digitaalipuolella, jotka yhdistettävä piirilevyllä vain yhdessä pisteessä joskus saatetaan tarvita täydellistä maiden erottamista galvaaninen erotus ns. erotusmuuntajalla tai optoerottimella Digitaalipiirien maadoittamisesta nopeissa digitaalipiireissä monipistemaadoitus on suositeltavaa suuritaajuisten virtojen takia tavoitteena on saavuttaa tasapotentiaalinen yhteismuotoinen referenssisysteemi yksipistemaadoitus ei toimi, koska parasiittiset suureet vaikuttavat maalinjoihin digitaalipiirien kohinamarginaali on kymmenistä satoihin millivoltteihin maasilmukat eivät yleensä ole ongelma digitaalipuolella niin kauan kuin pieni-impedanssinen maareferenssi on käytössä

20 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 20/47 Toimiva piirilevyn maadoitustapa Kun erityyppisiä kytkentöjä esiintyy samassa piirissä tai piirilevyllä, jokainen erikseen on maadoitettava sopivalla tavalla Kaikkien kytkentöjen maat sidotaan yhteen, yleensä ainoastaan yhdessä pisteessä herkälle analogiapuolelle oma yksipistemaa kohinaiselle elektroniikalle oma maa ja digitaalipuolelle monipistemaa maat kytketty yhteen vain yhdessä pisteessä piirilevyn liittimen lähellä

21 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 21/47 Käytännön pientaajuusmaa Käytännöllisin maadoitustapa pienillä taajuuksilla on sarja- ja rinnakkaismuotoisen yksipistemaadoituksen yhdistelmä. Yleensä tämä on kompromissi sähköisten kohinavaatimusten täyttämiseksi ja johdinvetojen liian kompleksisuuden välillä. Tarkoituksena on ryhmitellä johdotus sopivasti niin, että kytkennät, joiden tehotaso ja kohina vaihtelevat laajasti, eivät jaa samaa paluumaata. useampi pienitehotasoinen piiri voi jakaa saman yhteisen paluumaan, kun taas suuritehoiset piirit jakavat omansa. Monet systeemit vaativat vähintään kolme eri paluumaata, kuten oheisessa kuvassa on esitetty Signal ground (low-level circuits Noisy ground (relays, motors, high-power circuits) Hardware ground* (chassis racks cabinets) *Ac power ground connected to hardware ground when required Pienitehotasoisilla piireillä tai lohkoilla on oma signaalimaa, joka on erillään kohinaisesta maasta, jota käyttävät releet, moottorit jne. Kolmas maa on koteloita, kehikkoja jne. varten. Kaikki kolme maajohdinta tulee kytkeä toisiinsa ainoastaan yhdessä pisteessä. Tämä perusmaadoitustapa kaikissa laitteissa minimoi mahdollisten maadoitusongelmien esiintymisen.

22 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 22/47 Esimerkki yhdeksänraitaisen digitaalisen nauhurin maadoitusperiaatteesta. 9 Read amplifiers 9 write circuits Digital Interface logic Digital Control Logic Capstan Motor Circuit Upper reel Motor Circuit Lower reel Motor Circuit Noisy ground Power Supplies Relays & Solenoids Hardware ground Signal grounds Nauhurissa on kolme signaalimaata, yksi kohinainen maa ja yksi kotelon maa. Laitteiston herkimmät kytkennät, yhdeksän lukuvahvistinta on maadoitettu käyttäen kahta erillistä paluumaata, toiseen on kytketty neljä ja toiseen viisi vahvistinta. Yhdeksän suurempitehotasoista kirjoitusvahvistinta yhdessä digitaalisen liitäntä- ja ohjauslogiikan kanssa on kytketty omaan paluumaahansa.

23 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 23/47 Kolme moottoria ohjauspiireineen (releet ja solenoidit) on kytketty neljänteen kohinaiseen paluumaahan. näistä vetoakselin (capstan) moottorin piiri on herkimpänä kytketty lähimmäksi maadoituspistettä laitteiston maa maadoittaa kotelon Kaikki maat on kytketty yhteen vain yhdessä ainoassa paikassa, laitteiston teholähteessä. Laitteiston maat Suurissa systeemeissä elektroniikka on yleensä asennettu useampaan metallikoteloon, jotka täytyy turvallisuussyistä maadoittaa. Joissain systeemeissä kotelot palvelevat lisäksi piirien paluuvirtajohtimena, mikä voi olla usein hyvin häiriöinen ja sillä voi olla lisäksi suurehko resistanssi liitosten ja saumojen vuoksi. Oheisessa kuvassa on esitetty tyypillinen systeemi, jossa on elektroniikkaa liitettynä paneeleihin, jotka on puolestaan kytketty kahteen kehikkoon. Kehikossa 1 on oikeanlainen maadoitus, jossa paneeli on maadoitettu nauhalla kehikkoon. elektroniikan maa ei ole kontaktissa paneeliin tai kehikkoon.

24 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 24/47 tällä lailla kehikon kohinavirrat eivät pääse maahan elektroniikan maan kautta suuremmilla taajuuksilla osa kehikon kohinavirrasta voi kytkeytyä elektroniikan maahan kehikon ja elektroniikan välisen hajakapasitanssin kautta. hajakapasitanssi on siis pyrittävä minimoimaan jollain lailla. Kehikossa 2 on epäonnistunut asennus, missä piirin maa on yhdistetty kehikon maahan tätä liitosta voidaan tarvita suojaamaan kytkentää sähköstaattiselta purkaukselta. kehikon kohinavirrat voivat kulkeutua elektroniikan maahan, koska kytkennässä on maasilmukka pisteiden 1, 2, 3, 4 ja 1 välillä. Mikäli asennus ei mahdollista hyvää maakontaktia kehikkoon tai paneeliin on parasta hylätä kyseinen maadoitus ja sitten yrittää maadoittaa jollain toisella tapaa, tai varmistaa, ettei maadoitusta ole ollenkaan. älä koskaan luota, että liukuvetimet, saranat jne. ovat luotettavia maaliitoksia. mikäli maadoitus on epäluotettava, suorituskyky voi vaihdella systeemistä ja päivästä toiseen, satunnaisesti. Laitteiston maadoitukset toteutettuna juottamalla, hitsaamalla tai sulattamalla ovat parempia, kuin ruuveilla tai pulteilla toteutetut. mikäli erilaisia metalleja liittää toisiinsa, jotta ei synny korroosiota tai että ei synny galvaanista sähköparia. Huonosti toteutetut maaliitokset saattavat toimia erinomaisesti uudessa laitteessa, mutta saattavat olla salaperäisten vikojen syy myöhemmin laitteen ikääntyessä. Kun sähköisiä liitoksia tehdään metalliseen laitekoteloon, pinta pitää suojata korroosiota vastaan johtavalla päällysteellä. esimerkiksi alumiinin pinta pitää viimeistellä johtavalla (alodine) tai kromata. Alumiininpintaa ei saa eloksoida. Erityistä huomiota pitää kohdistaa saumoihin, kiinnityskohtiin ja aukkoihin.

25 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 25/47 Piirin yhden maan referenssi Koska kahden maapisteen potentiaali on harvoin sama, maapotentiaaliero kytkeytyy piiriin, jos se on maadoitettu useammasta kuin yhdestä pisteestä. Ohessa signaalilähde on maadoitettu pisteeseen A ja vahvistin pisteeseen B. Tässä vahvistinta kutsutaan kuormaksi. R C1 V cc V S R V IN C2 V IN = V G + V S A V G B Jännitelähde V G on pisteiden A ja B välinen maapotentiaalin ero. Vastukset R C1 ja R C2 ovat signaalilähteen vahvistimeen yhdistävien johtimien resistansseja. Vahvistimen tulossa on jännite V S + V G. Kohinan eliminoimiseksi toinen maapisteistä on poistettava. jos B poistetaan, vahvistimen on toimittava maadoittamasta jännitelähteestä helpompi on siis poistaa maapiste A myös differentiaalivahvistinta on mahdollista käyttää. Oheisessa kuvassa on esitetty muunnin, joka on liitetty vahvistimeen. Signaalilähde ja vahvistin on maadoitettu. Kuormavastus R L on vahvistimen tuloimpedanssi.

26 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 26/47 Jos R C2 << R S + R C1 + R L, niin kohinajännitteeksi V IN vahvistimen tulossa saadaan V R R V L C2 IN = G RL + RC1+ RS RC2 + RG Ekvivalenttisen kytkennän komponenttiarvoilla kohinajännitteeksi saadaan V IN = 99 mv. Signaalilähde voidaan eristää maasta lisäämällä impedanssi Z SG kuten oheisessa kuvassa on esitetty. Ideaalitapauksessa Z SG olisi ääretön, mutta vuotoresistanssit ja kapasitanssit pienentävät sen johonkin äärelliseen arvoon, tässä tapauksessa 1 MΩ:iin. Jos R C2 << R S + R C1 + R L, ja Z SG >> R C2 + R G, kohinajännite V IN vahvistimen tulossa on V R R V L C2 IN = G RL + RC1 + RS ZSG Vaimennusta maakohinaan aikaansaa toinen termi em. yhtälössä. Ekvivalenttisen piirin arvoilla laskettuna saadaan V IN = 100 μv, mikä on 120 db verrattuna jos signaalilähde on maadoitettu. Huomaa, että molemmissa tapauksissa anturin aiheuttama signaali vahvistimen tulossa V IS on likimain sama: RL VIS VS = 0.95 V S R + R L S

27 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 27/47 Vahvistimen suojaus Vahvistimet, joilla on suuri vahvistus, suojataan yleensä metallikotelolla ulkoisen sähkökentän aiheuttamia häiriöitä vastaan. Mihinkä tämä metallikotelo tulisi maadoittaa? Oheisessa kuvassa on esitetty hajakapasitanssit (parasitic/stray capacitance), jotka esiintyvät vahvistimen ja suojakotelon välillä. Shield C 1S C 1S C 2S C 3S C 3S C 2S Equivalent circuit Physical relationship Shield C 1S 1 2 C 3S 3 C 2S Shield connected to common Kuvasta huomataan, että hajakapasitanssit C 3S ja C 1S tekevät takaisinkytkennän lähdöstä tuloon. Mikäli tätä takaisinkytkentää ei eliminoida, vahvistin saattaa ruveta värähtelemään. Ainoa paikka, jolla takaisinkytkentä voidaan eliminoida, on vahvistimen maaterminaali (common terminal) kapasitanssi C 2S oikosuljetaan, mikä poistaa takaisinkytkennän. kytkentä voidaan tehdä, vaikka tätä terminaalia ei kytkennän maahan.

28 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 28/47 Kaapelivaippojen maadoitus Suojat ja kaapelit pientaajuisilla signaaleilla pitäisi maadoittaa ainoastaan yhdestä pisteestä, mikäli piirillä on yksipistemaa. Jos vaippa maadoitetaan useammasta pisteestä, kohina/häiriövirralla on kulkureitti. Mikäli käytössä on suojattu kierretty parijohto vaipan virrat saattavat kytkeä induktiivisesti eritasoiset jännitteet signaalijohtimiin ja ovat näin ollen kohinalähde. Koaksiaalikaapelissa vaipan virrat aiheuttavat kohinajännitettä aiheuttamalla R I jännitehäviön vaipan resistanssissa. Vaippa on siis maadoitettava yhdestä kohtaa, mutta mistä? Maadoittamaton anturi, maadoitettu vahvistin 1 V S C 2 Amp. 2 C 1 A B C 3 D C V G1 V G2 Jännitelähde V G1 esittää vahvistimen maapisteen (common terminal) potentiaalia maapotentiaaliin verrattuna ja V G2 on potentiaaliero kahden maapisteen välillä. Koska vaipalla on vain yksi maa vaipan ja signaalijohtimien väliset kapasitanssit C 1 ja C 2 aiheuttavat kohinan kytkeytymisen. Vaippa voidaan maadoittaa yhdestä neljästä eri kohdasta A, B, C tai D. Kohta A ei ilmeisesti ole hyvä, koska silloin vaipan kohinavirran on mahdollista virrata toisessa signaalijohtimessa. Virta aiheuttaa signaalijohdon impedanssissa jännitehäviön, joka on signaalin kanssa sarjassa.

29 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 29/47 Kohtien B, C ja D sijaiskytkennät ovat (signaalilähde jätetty piirtämättä) Connection B C 1 C 3 1 C 2 2 Connection C C 1 C 3 1 C 2 2 Connection D C 1 C 3 1 C 2 2 V G2 V G1 V G2 V G1 V G1 V G2 Mikä tahansa jännite-ero vahvistimen tuloissa 1 ja 2 on haitallinen kohinajännite. Maadoitustavassa B vahvistimen tulossa oleva jännite V 12 aiheutuu kohinajännitelähteistä V G1 ja V G2 kapasitiivisen jännitejaon seurauksena kondensaattoreissa C 1 ja C 2 : C V = V + V ( ) 1 12 G1 G2 C1+ C2 Eli tämäkin maadoitustapa on huono Maadoitustavassa C vahvistimen tuloon ei aiheudu jännitettä, eli V 12 = 0 riippumatta V G1 :n ja V G2 :n jännitteistä. Maadoitustavassa D vahvistimen tuloon aiheutuu jännite jännitelähteen VG1 ja kondensaattorien C 1 :n ja C 2 :n kapasitiivisen jännitejaon seurauksena: Siis yhteenvetona V = C V 1 12 G1 C1+ C2 Kytkennässä, jossa on maadoittamaton signaalilähde (anturi) ja maadoitettu vahvistin, tulojohdon suojavaippa pitää kytkeä aina vahvistimen maatuloon (common terminal), vaikka tämä tulo ei ole kytketty maapotentiaaliin.

30 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 30/47 Maadoittamaton vahvistin ja maadoitettu anturi 1 V S C 2 Amp. 2 A C 1 C 3 C V G1 B D V G2 Jännitelähde V G1 on signaalilähteen maapotentiaali verrattuna varsinaiseen maahan. Maadoitus kohdan C mukaan on huono, koska se mahdollistaa vaipan kohinavirran kulkeutumisen signaalijohtimeen. Muiden maadoitustapojen ekvivalenttiset kytkennät: Connection A C 1 C 3 1 C 2 2 Connection B C 1 C 3 1 C 2 2 Connection D C 1 C 3 1 C 2 2 V G2 V G1 V G1 V G1 V G2 V G2 Maadoitustavassa A vahvistimen tulojen 1 ja 2 välille ei muodostu millään V G1 :n ja V G2 :n arvoilla jännitettä, eli V 12 = 0. Tavalla B maadoitettuna häiriölähde V G1 aiheuttaa C1:n ja C2:n kapasitiivisessa jännitejaossa tuloon häiriöjännitteen V = C V 1 12 G1 C1+ C2

31 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 31/47 Maadoitus kohdan D mukaan saa aikaan sen että V G1 :n ja V G2 :n jännitteet summautuvat ja aiheuttavat kapasitiivisessa jännitejaossa kondensaattoreissa C 1 ja C 2 tuloon häiriöjännitteen V 12 : C V = V + V ( ) 1 12 G1 G2 C1+ C2 Siis mikäli signaalilähde (anturi) on maadoitettu ja kytketty maadoittamattomaan vahvistimeen tulojohdon vaippa täytyy aina kytkeä anturin maapinniin, vaikka tämä piste ei olisikaan maapotentiaalissa.

32 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 32/47 Suositeltavat maadoitustavat pienillä taajuuksilla toimivalle vahvistimelle, joka on kytketty suojavaipalla varustetulla kierretyllä parilla tai koaksiaalikaapelilla anturiin:

33 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 33/47 Kytkennät A D ovat maadoitettu vain joko anturin tai vahvistimen puoleisesta päästä. Kun piiri on maadoitettu molemmista päistään, kohinan pienentäminen on mahdollista vain jonkin verran, koska maapotentiaaleissa on eroja. Lisäksi syntynyt maasilmukka on alttiina magneettikentän aiheuttamille häiriöille. Jos sekä anturi ja vahvistin joudutaan maadoittamaan, suositeltava menettelytapa on esitetty kuvissa E ja F. Kuvassa F koaksiaalikaapelin vaippa on maadoitettu molemmista päistään, jotta maavirrat ohjattaisiin kulkemaan pieni-impedanssisen vaipan kautta eikä keskijohtoa pitkin. Kuvassa E suojattu kierretty parijohto on myös maadoitettu molemmista päistään, jotta osa signaalijohtimien virrasta ohjautuisi kulkemaan vaipan kautta. Mikäli suojausta kohinaa (häiriöitä) vastaan enemmän, on maasilmukka katkaistava jollain lailla: muuntaja, optoerotin tai differentiaalivahvistin. Maasilmukat Maasilmukat saattavat joissain tapauksissa olla kohinan tai häiriön lähde. erityisesti jos moni maapiste on kaukana toisistaan ja ovat kytketty acteholähteen maahan jos käytetään herkkiä analogisia piirejä. näissä tapauksissa tarvitaan menetelmiä poistamaan tai pienentämään maapolun kohinaa. Kahden piirin välinen maasilmukka aiheutuu kummankin paikallisen maan välisestä potentiaalierosta, josta voi aiheutua haitallista kohinajännitettä piireihin. Circuit 1 V N Circuit 2 Ground loop V G

34 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 34/47 Kohinajännitteen suuruus verrattuna signaalitasoihin on tärkeää, jos signaalikohinasuhde on niin huono, että suorituskyky heikkenee, jotain on tehtävä tilanteen parantamiseksi: toinen maapiste voidaan poistaa, jolloin kytkentä muuttuu yksipistemaadoitetuksi monipistemaan vaikutus voidaan poistaa tai ainakin pienentää isoloimalla piirit 1 ja 2 toisistaan: muuntajalla yhteimuotoisella kuristimella optoerottimella (optoisolaattorilla) balansoidulla piirillä taajuusselektiivisellä maadoituksella, eli hybridimaadoituksella. Muuntajalla galvaanisesti erotettu kytkentä V N Circuit 1 Circuit 2 V G maakohinajännite on nyt muuntajan käämien välillä kohinan kytkeytymistä aiheutuu jonkin verran käämien välisen parasiittisen kapasitanssin välityksellä, mitä voidaan pienentää käämien väliin asetettavalla suojalla yleensä erinomainen erotus, tuhansia voltteja, mutta muuntajat ovat isokokoisia niiden taajuuskaista on rajoitettu eivät mahdollista dc:n siirtoa ovat kalliita jos useampia signaaleja on siirrettävä, jokainen vaatii oman muuntajansa.

35 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 35/47 Yhteismuotoisella kuristimella suoritettu erotus V N Circuit 1 Circuit 2 V G muuntajalla toteutettu kuristin, joka päästää differentiaalisen signaalin läpi, mutta hylkii yhteismuotoista ac-signaalia useampia signaaleita voidaan siirtää saman muuntajasydämen ympärille käämittyjen eri käämien avulla Optoerottimella toteutettu galvaaninen erotus V N Circuit 1 Circuit 2 V G Optinen erotus joko optoerottimella tai kuidulla toteutettuna on erittäin tehokas menetelmä yhteismuotoisen kohinan poistamiseksi, koska se tehokkaasti katkaisee maapisteiden välisen metallisen johtavan reitin. sopii erityisen hyvin kytkentöihin, joiden potentiaaliero on useita kilovoltteja sopivat erityisen hyvin digitaalisiin signaaleihin eivät sovi kovin hyvin analogisiille signaaleille, koska niiden lineaarisuus ei aina ole riittävän hyvä joitain optisesti takaisinkytkettyjä lineaarisia optoerotinpiirejä löytyy kaupallisesti saatavana.

36 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 36/47 Balansointi Pienentää yhteismuotoisen signaalin vaikutusta, ei galvaanista erotusta yhteismuotoinen signaali aiheuttaa yhtä suuret virrat molempiin balansoidun piirin haaroihin balansoitu vastaanotinpää reagoi ainoastaan kahden tulon erojännitteeseen, siis kyseessä on differentiaalivahvistin mitä suurempi balanssi, eli impedanssi kummassakin haarassa mahdollisimman samat, sitä parempi yhteismuotoisen signaalin vaimennus CMRR (eli Common-Mode Rejection Ratio) taajuuden kasvaessa hajakapasitanssit ym. huonontavat haarojen symmetriaa => CMRR huononee. CMRR A d = = ACM differentiaalinen jännitevahvistus yhteismuotoinen jännitevahvistus jos yhteismuotoiset kohinajännitteet eroavat taajuudeltaan signaalista, hybridimaadoitusta voidaan käyttää. Muita erotustapoja Texas Instruments ISO721 kapasitiivinen erotus 4 kv peak erotus Mbit/s Silicon Labs SI8430/31/35 rf-erotus 2 kv rms erotus Mbit/s Magneto-resistiivinen erotus

37 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 37/47 Käytännön esimerkkejä Minimoi virtasilmukat: Väärin! Oikein! Signaalin paluujohdotuksen lisääminen ja suodatuskondensaattorien oikea käyttö koaksiaalikaapelin tilalla voidaan piirilevylle vetää signaalin paluujohto signaalin menojohdon vierelle. signaalin reitin pinta-ala pienenee ja induktiivinen kytkeytyminen signaalijohdotukseen pienenee signaalin paluuvirta ja dc-jännitteensyötön paluuvirta erillään häiriön tai kohinan kytkeytyminen yhteisen impedanssin kautta pienenee

38 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 38/47 Jaa piirilevy tai systeemi siten, että laajakaistaiset ja kohinaiset systeemit ovat erillään pientaajuisista systeemeistä Suunnittele piirilevy tai systeemi siten, että eri lohkojen toisiaan häiritsevät virrat pysyvät erillään Yhtenäinen maataso ei ole aina paras ratkaisu! Esimerkiksi 15 A:n virta, maatason paksuus 38 μm jännitehäviö 68 μv/mm

39 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 39/47 Nopea logiikka mahdollisimman lähellä liittimiään

40 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 40/47 Valitse maadoituspisteet huolella siten, että kytkennän silmukkavirrat, maaimpedanssit ja johtimien impedanssit minimoituvat Maalinjojen erottaminen maavirtojen vaikutuksien estämiseksi tähtimaadoitus vaatii ylimääräistä johdotusta

41 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 41/47 Vaipan maadoitus suurilla taajuuksilla Signaalin taajuuksilla alle 1 MHz vaippa pitää maadoittaa ainoastaan yhdestä kohdasta muussa tapauksessa saattaa syntyä verkkosähkön taajuuksilla suuria maavirtoja, jotka aiheuttavat piiriin kohinaa. yksipistemaadoituksessa ei synny myöskään maasilmukoita häiriöiden magneettinen kytkeytyminen pienenee Taajuuksilla > 1 MHz, tai kun kaapelin pituus on > λ/20 vaippa, joudutaan yleensä maadoittamaan useammasta pisteestä, jotta taataan vaipan pysyminen maapotentiaalissa. Toinen ongelma suurilla taajuuksilla ovat hajakapasitanssit, jotka aiheuttavat maasilmukan muodostumisen vaikeuttaa tai tekee mahdottomaksi eristyksen vaipan maadoittamattomassa päässä V S Amp. Stray capacitance Suurilla taajuuksilla ja digitaalipiireissä on yleensä tapana maadoittaa kaapelin vaippa molemmista päistä. Piiriin kytkeytyvä kohinajännite, joka aiheutuu maapotentiaalien eroista, voidaan yleensä suodattaa pois koska kohina- ja signaalitaajuuksien erot ovat yleensä suuret yleensä nämä häiriötaajuudet ovat teholähteen perustaajuudella tai sen harmonisilla taajuuksilla Taajuuksilla > 1 MHz pintailmiö (skin-effect) pienentää kytkeytymistä kohinavirta kulkee vaipan ulkopinnassa ja signaalivirta vaipan sisällä Koaksiaalikaapelia käytettäessä monipistemaadoitus muodostaa myös eräänlaisen magneettisen suojan suuremmilla taajuuksilla.

42 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 42/47 Kuvan hajakapasitanssi voidaan käyttää hyväksi kytkemällä pisteeseen oikea kondensaattori, joka muodostaa eräänlaisen hybridimaan. pienillä taajuuksilla kun kondensaattorin impedanssi on suuri, on kyseessä yksipistemaadoitus suuremmilla taajuuksilla kondensaattorin impedanssin pienentyessä muodostuu monipistemaadoitus tällainen maadoitustapa on usein hyödyllinen kytkennöissä, jotka toimivat hyvin laajoilla taajuusalueilla. Suojavaipat Kohinaa voidaan vaimentaa differentiaalivahvistinta paremmin käyttämällä vahvistinta, jossa on suojavaippa Suoja asetetaan vahvistimen ympärille ja pidetään vakiopotentiaalissa, mikä estää virran kulun balansoimattomassa lähdeimpedanssissa. Oheisessa kuvassa on vahvistinkytkentä, missä vahvistin on kytketty kierretyllä parilla maadoitettuun signaalilähteeseen V G on maapotentiaalien eroista aiheutuva yhteismuotoinen jännite R IN on vahvistimen tuloimpedanssi, jonka oletetaan olevan hyvin suuri

43 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 43/47 V S ja R S ovat signaalilähteen (anturin) differentiaalinen jännite ja sen lähderesistanssi Kapasitanssit C 1G ja C 2G ovat vahvistimen tulonnapojen ja vaipan hajakapasitansseja maahan Potentiaaliero V G aiheuttaa kaksi ei toivottua virtaa: Virta I 1 kulkee anturin lähderesistanssin R S ja kaapelin resistanssin R 1 kautta kapasitanssin C 1G läpi maahan virta I 2 kulkee kierretyn parin R 2 kautta ja kapasitanssin C 2G läpi maahan Mikäli nämä virrat näkevät erisuuren kokonaisimpedanssin, vahvistimelle aiheutuu differentiaalinen tulojännite. Mikäli vahvistimen ympärille asetetaan suoja, joka pidetään samassa potentiaalissa pisteen A kanssa, virrat I 1 ja I 2 menevät nollaksi, koska molemmat päät ovat samassa potentiaalissa: Hajakapasitanssit C 1 ja C 2 ovat nyt vahvistimen tulojen ja metallisuojan välisiä kapasitansseja. Vaippa poistaa siis differentiaalisen kohinajännitteen ongelmana on vain miten pitää vaippa pisteen A potentiaalissa?

44 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 44/47 Eräs ratkaisu tähän on esitetty ohessa Vahvistimen suoja on kytketty yhteen kierretyn parin suojavaippaan, jonka toinen pää on liitetty pisteeseen A. signaalilähteen maa (common) oletetaan kytketyksi pisteeseen A joten näiden välille ei synny häiriöitä mikäli signaalilähteen maan ja pisteen A välille voi syntyä häiriöitä, vahvistimen suoja tulee kytkeä kuvan esittämällä tavalla signaalilähteeseen, ei siis suoraan pisteeseen A. huomaa, että esitetty kytkentä ei riko mitään aiemmin esitettyä sääntöä sillä kaapelin vaippa on maadoitettu ainoastaan yhdestä pisteestä A tulokaapelin vaippa on kytketty vahvistimen maahan (common) ja suojakotelo vahvistimen ympärillä on myös kytketty vahvistimen maahan Suojatussa vahvistimessa mikä tahansa suojan sisällä oleva maapotentiaali, joka on potentiaalissa B kasvattaa tulojohtimien kapasitanssia maata vastaan jotta kytkentä toimisi oikein, vahvistimen sähkönsyöttö on järjestettävä akuista tai pattereista myös elektrostaattisesti suojattua muuntajaa käyttämällä sähkönsyöttö voidaan järjestää Mikään suojakotelon kohta ei saa olla kontaktissa pisteeseen B, muutoin suoja menettää tehonsa

45 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 45/47 Käytännön kytkennöissä on yleensä toinen suojakotelo suojakotelon ympärillä: Guard shield +V R 1 1 R S Shielded twisted pair R IN >> V S R 2 2 V G Amplifier common A B External shield or case No electrical connection between shields Ulompi suojakotelo on maadoitettu paikalliseen maapisteeseen B ja täyttää siten mm. sähköturvallisuusvaatimukset. Suojakoteloa yleensä tarvitaan, kun joudutaan mittaamaan hyvin pienitasoisia signaaleja milloin esiintyy hyvin suuria yhteismuotoisia signaaleja ja kaikki muita keinoja on käytetty pienentämään häiriöt Suojakoteloa voidaan käyttää sekä yksipäisen vahvistimen että differentiaalivahvistimen kanssa. Esimerkki Suojaamattomassa vahvistimessa R 1 = R 2 = 0, R S = 2.6 kω, C 1G = C 2G = 100 pf ja häiriö V G = 100 mv aiheutuu verkosta (50 Hz). Differentiaalinen häiriöjännite V N vahvistimen tulossa voidaan laskea olevan V R + R R S 1 2 N = G RS + R1+ Z1 G R2 + Z2G missä Z 1G ja Z 2G ovat kapasitanssien impedansseja: V (1)

46 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 46/47 Z 1 1 = Z = = j 2 π f C j 2 π pf 1G 2G 1G = -j31.8 MΩ. Sijoittamalla arvot yhtälöön (1) häiriöjännitteeksi saadaan R S 2.6kΩ 100mV 2.6kΩ VN = VG = 100mV RS + Z1 G Ω 2 + Ω MΩ ( 2.6k ) ( 31.8M ) 8.2 μv Mikäli kotelo vahvistimen ympärillä pienentää kummankin johdon kapasitanssia eli vahvistimen tuloista 1 ja 2 näkyy maata vastaan 2 pf:n kapasitanssi, eli Z 1 1 = Z = = j 2 π f C j 2 π 50 2pF 1G 2G 1G = -j MΩ. josta häiriöjännitteeksi V N saadaan R S 2.6kΩ VN = VG 100mV RS + Z1 G MΩ 0.2 μv eli parannusta saadaan noin 32 db. 2 pf:n hajakapasitanssi aiheutuu siitä, että suojaus ei koskaan ole täydellinen, muutoin hajakapasitanssit pienentyisivät nollaan eikä differentiaalista häiriöjännitettä olisi ollenkaan. Häiriöjännitteen amplitudi kasvaa taajuuden kasvaessa, koska kondensaattorien impedanssi pienenee: Rs 2.6k PARAMETERS: CG = 100pF C1G {CG} V1G VG VOFF = 0 VAMPL = 100mV FREQ = 50 0 C2G {CG} V2G 0 0

47 Laitesuunnittelu 2007: Maadoitus 47/47 Häiriösignaali 50 Hz:n taajuudella: 100mV 50mV 0V -50mV SEL>> -100mV 10uV V(V2G) 5uV 0V -5uV -10uV 0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms 24ms 28ms 32ms 36ms 40ms V(V1G)- V(V2G) Time Differentiaalisen häiriösignaalin vaimennus [db] taajuuden funktiona: Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz db(( V(V1G)- V(V2G))/ V(V2G)) Frequency