1/7 S-108.3020 Elektroniikan häiriökysymykset Laboratoriotyö, kevät 2010 Häiriöiden kytkeytyminen yhteisen impedanssin kautta lämpötilasäätimessä Viimeksi päivitetty 25.2.2010 / MO
2/7 Johdanto Sähköisiä häiriöitä on kaikkialla ja niiden hallitseminen voi olla melko hankalaa. Monesti jopa jonkun laitteen 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 kytkeytymistä. 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 virta, 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, alkaa monesti kuulumaan hurinaa ja ilmetä jopa häiriöitä television kuvassa. 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 minimoimisessa. Joissakin sovelluksissa lämmitysvastus voidaan korvataan peltier-elementillä, jolloin stabiilin ja ympäristöä alemman lämpötilan lisäksi saadaan anturissa esiintyvää kohinaa vaimennettua. Työn laitteisto mallintaa yleistä tilannetta, jossa monet erityyppiset häiriöt yhdistyvät ja pilaavat laitteiston toiminnan, mikäli ratkaisuihin ei kiinnitetä huomiota. Lämpötilansäädin koostuu kahdesta osasta: ohjausyksiköstä ja etäyksiköstä. Ohjausyksikkö sisältää näytön, prosessorin, hakkuriteholähteen, AD-muuntimen ja tarvittavat näppäimet. Etäyksikössä on analoginen ja digitaalinen lämpötila-anturi, lämmitysvastus ja tuuletin mittausten nopeuttamiseksi. Yksikköjen välillä kulkee nippu johtoja, joissa kulkee digitaalisia signaaleja, hakkurilta tuleva vastuksen RL
tehonsyöttö, analogisen anturin lämpötilatieto sekä yhteinen maadoitus. Laitteisto saa käyttöjännitteen tavallisesta DC-verkkomuuntajasta. Kuvassa 3 on esitetty laitteiston lohkokaavio. 3/7 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 ( http://en.wikipedia.org/wiki/switched-mode_power_supply ), jolla voidaan säätää vastukselle menevää jännitettä. Säätö tapahtuu kytkimelle menevän pulssinleveyden (http://en.wikipedia.org/wiki/pulse-width_modulation eli PWM) mukaan. Tässä työssä pulssisuhde pidetään koko ajan 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 kytkentätaajuudella, jolla FETtiä ohjataan. Tässä laitteessa kytkentätaajuus voidaan valita väliltä 500 Hz 400 khz. Taajuutta kasvattamalla hakkurin ominaisuudet hieman muuttuvat. Suurempi taajuus mm. mahdollistaa fyysisesti pienemmät suodatuskomponentit, mutta varjopuolenaan tuottaa piiriin hankalasti hallittavan voimakkaan suurtaajuisen häiriön. Matalat taajuudetkaan eivät 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 etäyksikkö.
4/7 Kuva 4. Digitaalisen anturin kytkentä. Kuva 5. Analogisen anturin kytkentä. Kuva 6. Hakkuri ja kuormat.
5/7 Tutustu laitteeseen Kuvissa 7 ja 8 on esitelty laitteen tärkeimmät kytkimet ja ulostulot. Termostaattia ja hakkurin kytkentätaajuutta säädetään ohjelmallisesti alaosan näppäimillä. Kuva 7. 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. Laitteen Aloita -toiminto käynnistää lämpötilanmittauksen sekä kytkee etäyksikössä olevan FETkytkimen kiinni, jolloin lämmitysvastukseen kulkee virta ja punainen LED palaa. Kun vastuksen lämpötila on noussut termostaatilla määritettyyn lämpötilaan, lämmitys lakkaa ja LED sammuu. Lämpötilan mittaaminen ja vastuksen lämmitys keskeytetään Menu/set painikkeella. Vastusta voi jäähdyttää tuulettimella, jonka käyttökytkin on etäyksikössä. Näytöllä A: tarkoittaa analogisen ja D: digitaalisen lämpötila-anturin mittauslukemaa.
6/7 Kuva 8. Etäyksikkö. HUOM. Etäyksikön GND on laitteiden välisen maatasoeron mittausta varten, eikä siitä tule maadoittaa laitetta. Häiriösignaaleiden mittaukseen tarvitset oskilloskoopin ja yleismittarin.
7/7 Esiselostustehtävät 1) Tutustu hakkurityyppeihin esim. http://en.wikipedia.org/wiki/switched-mode_power_supply Virtalähteisiin kannattaa tutustua hieman yleisemmin: http://en.wikipedia.org/wiki/power_supply a) Mitä eroa on reguloidulla ja reguloimattomalla teholähteellä? b) Kolme perushakkurityyppiä koostuu vain kelasta, diodista ja kytkimestä. Mitkä nämä tyypit ovat? Piirrä näiden kolmen hakkurityypin kytkentäkaaviot ja kerro lyhyesti kuinka ne toimivat ja 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 ohmia.