S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö 1

Transkriptio

1 1/8 S Elektroniikan häiriökysymykset Laboratoriotyö 1 Häiriöiden kytkeytyminen yhteisen impedanssin kautta lämpötilasäätimessä TJ

2 2/8

3 3/8 Johdanto Sähköisiä häiriöitä on kaikkialla ja niiden hallitseminen voi olla melko hankalaa. Monesti jopa toisen osan hyötysignaali on toisaalla häiriö. Tärkeimmät häiriöt jaetaan seuraaviin ryhmiin: Sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen (etenevät kentät) esimerkiksi radiotaajuuksilla Kapasitiivinen kytkeytyminen (sähkökenttä) suuri-impedanssisiin piireihin Induktiivinen kytkeytyminen (magneettikenttä) johdinsilmukoihin Johtumalla kytkeytyminen maajohtimissa ja piirien yhteisissä impedansseissa Tässä työssä tutkitaan yhteisen impedanssin kautta johtuvaa eli galvaanista kytkeytimistä. Se aiheutuu yhteistä nollajohtoa kuormitettaessa kaksijohdinjärjestelmässä. Häiriö on varsin yleinen ja monille on varmasti tuttua, kun eri pistorasioissa olevia audiolaitteita yhdistellessä alkaa kuulua 50 Hz taajuinen verkkohurina. Lisäämällä johdinten poikkipinta-alaa tai vähentämällä pituutta saadaan häiriötä vähennettyä, mutta niin kauan kuin johdossa kulkee virtaa, muodostuu siihen jännite. Pysyvin ratkaisu hurinaan on korjata sähkönsyöttöä lisäämällä siihen maadoitus ja erottaa signaali laitteen käyttämästä nollasta, jolloin signaalin käyttämässä johdossa ei kulje enää suurta virtaa. Edellä kuvattu ratkaisu on melko massiivinen toteuttaa ja etenkin lyhyttä käyttöä varten käytännössä mahdotonta kustannusten takia. Yksinkertainen ratkaisu on tehdä signaaleista kelluvia, jolloin laitteiden välinen potentiaaliero ei aiheuta ongelmia. Tämä onnistuu helposti ja edullisesti pienellä signaalimuuntajalla, joka laitetaan johtojen väliin, laiteesta käytetään mm. nimitystä vaippavirranerotin. Monet laitteet voivat myös käyttää tiedonsiirtoon valokuituja, jolloin vältytään käytännössä kaikilta siirron aikaisilta sähköisiltä häiriöiltä, eivätkä tasoerot laitteiden välillä häiritse. Esimerkkinä voisi mainita tyypillisen kytkennän, jossa televisio, joka on yhdistetty antennin kautta maahan, liitetään kotiteatterivahvistimeen. Jos vahvistimelle tuodaan vielä maadoittamattomalta tietokoneelta ääni, niin alkaa monesti kuulumaan hurinaa ja ilmetä jopa häiriöitä televisionkuvassa. Tietokoneen kytkeminen optisesti eliminoisi ongelman esiintymisen. Vaihtoehtoisesti antenniin tai analogiseen audioliitäntään voisi laittaa vaippavirranerottimen. Laitteisto Työssä tutkitaan lämpötilansäädintä, jolla pyritään pitämään etäyksikön sisällä haluttu lämpötila. Vastaavia laitteita käytetään monissa mittaussovelluksissa esim. anturin, ledin tai kiteen lämpötilanvaihtelujen aiheuttamien epävarmuuksien minimoinnissa. Joissain sovelluksissa lämmitysvastus voidaan korvataan peltier-elementillä, jolloin stabiilin, ympäristöä alemman, lämpötilan lisäksi saadaan anturissa esiintyvää kohinaa vaimennettua. Laitteisto mallintaa yleistä tilannetta, jossa monia erityyppisiä häiriöitä yhdistyy ja pilaavat laitteiston toiminnan, mikäli ratkaisuihin ei kiinnitetä huomiota. Lämpötilansäädin koostuu kahdesta osasta: säätöyksiköstä ja etäyksiköstä. Ohjausyksikkö sisältää näytön, prosessorin, hakkuriteholähteen, ad-muuntimen ja tarvittavat näpäimet. Etäyksikössä on analoginen ja digitallinen lämpötila-anturi, lämmitysvastus ja tuuletin mittausten nopeuttamiseksi. Yksikköjen välillä kulkee nippu johtoja, joissa kulkee digitaalisia signaaleja, hakkurilta tuleva vastuksen RL tehonsyöttö, analogisen lämpötilatieto sekä yhteinen maadoitus. Kuvassa 3 on lohkokaavio

4 4/8 laitteista. näyttö A/D:n suodatus Digitaalinen lämpöanturi Näytönohjain Hakkurin suodatus A/D (sisäinen CPU:ssa) Lämmitysvastus ja suojaus CPU PWM ohjattu hakkuri Näppäimet Analoginen lämpöanturi Ohjausyksikkö Etäyksikkö Kuva 3. Laitteen lohkokaavio. Säätimen sisällä on hakkuriteholähde ( ), jolla voidaan säätää vastukselle menevää jännitettä. Säätö tapahtuu kytkimelle menevän pulssinleveyden ( eli PWM) mukaan. Tässä työssä pulssisuhde pidetään kokoajan poikkeuksellisen pienenä, eikä hakkuri juurikaan vaikuta ulostulevaan jännitteeseen muutoin, kuin lisäämällä siihen tyypillisen häiriönsä. Laitteessa olevaa kytkintä eli MOS-FETtiä ohjataan siis PWM-signaalilla, jonka muotona on suorakaideaalto, ja joka on tässä vain muutaman prosentin ajasta päällä. Hakkurin toimintaan ja ominaisuuksiin voidaan myös vaikuttaa taajuudella, jolla FETtiä ohjataan. Tässä laitteessa voidaan valita hakkuritaajuuksia väliltä 500 Hz 400 KHz. Taajuutta kasvattamalla hakkurin ominaisuudet hieman muuttavat, suurempi taajuus mm. mahdollistaa fyysisesti pienemmät komponentit, mutta varjopuolenaan tuottaa piiriin hankalasti hallittavan voimakkaan suurtaajuisen häiriön. Matalat taajuudetkaan ei ole täysin ongelmattomia. Kuuloalueelle sijoittuvat (<20 KHz) taajuudet häiritsevät käyttäjää etenkin tehokkaammissa laitteissa. Laitteiden välillä yhdessä kaapelissa kulkee kahdeksan johdinta, jotka on kierretty neljään pariin. Anturit on kytketty omiin pareihinsa, mutta kytkimien avulla anturit saadaan etäyksikössä kytkettyä yhteiseen maahan vastuksen RL ja tuulettimen kanssa. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty anturien kytkentä. Kuvassa 6 esitetään kuormat sekä hakkuri. Kuvissa vasemmalla on ohjausyksikkö ja oikealla on etäyksikkö.

5 5/8 Kuva 4. Digitaalisen anturin kytkentä. Kuva 5. Analogisen anturin kytkentä. Kuva 6. Hakkuri ja kuormat.

6 6/8 Tutustu laitteeseen Kuvissa 1 ja 2 on esitelty laitteen tärkeimmät kytkimet ja ulostulot. Termostaattia ja hakkurin taajuutta säädetään ohjelmallisesti alaosan näppäimillä. Kuva 1. Lämpötilasäätimen ohjausyksikkö. Laitteen valikossa liikutaan + ja näppäimillä. Arvon muuttamiseksi painetaan Menu/set painiketta, jolloin kursori alkaa vilkkua. Tällöin + ja muuttavat arvoa, arvo valitaan Menu/set painikkeella. Mittaus ja vastuksen lämmitys aloitetaan painamalla Menu/set painiketta Aloita valikon kohdalla. A: tarkoittaa analogista ja D: digitaalista anturia. Mittaus keskeytetään Menu/set painikkeella.

7 7/8 Kuva 2. Etäyksikkö. HUOM. Etäyksikön GND on laitteiden välisen maatasoeron mittausta varten, eikä siitä tule maadoittaa laitetta..

8 8/8 Esiselostustehtävät Materiaalia tehtäviin löytyy kurssin sivuilta: 1) Tutustu hakkurityyppeihin esim. Virtalähteisiin kannattaa tutustua hieman yleisemmin: Termit reguloitu ja reguloimaton olisi myös hyvä tuntea. Kolme perushakkurityyppiä koostuvat vain kelasta, diodista ja kytkimestä. Tässä työssä käytetään kytkimenä MOS-FETtiä. Piirrä näiden kolmen tyypin kytkentäkaaviot, nimeä ne ja kerro lyhyesti mihin niitä käytetään. 2) Kuvissa 4-6 on esitetty pääpiirteittäin laitteiden kytkentäkaavio ja osien välinen johdotus. a) Minkä tyyppinen hakkuri kuvassa 6 on kyseessä? b) Etsi ja tutustu anturien LM35 ja DS18S20 datalehtiin. Miten anturit antavat lämpötilatiedon? c) Laske paljonko AD muuntimelle menevä analoginen signaali vääristyy käytettäessä yhteistä maata vastuksen kanssa eli kun kuvan 5 GND kytkin on alhaalla? Anna tulos millivoltteina sekä vastaavana lämpötilana eli paljonko muutosta tulee asteina. RL on 47 ohmia, hakkurilta lähtee 14 V puhdasta tasajännitettä, paluujohtimen resistanssi on 0,5 ohm.