-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Kevät 006 askari 3. Kierrettyyn pariin kytkeytyvä häiriöjännite uojaamaton yksivaihejohdin, virta I, kulkee yhdensuuntaisesti etäisyydellä r instrumentointikaapelin kierretystä parista. aske mikä on pariin kytkeytyvä häiriöjännite 00 metrin matkalla, kun a) r = 0, m ja I = 00 A (jatkuva virta), b) r = 0, m ja I / t = 0 ka / 0 µs (Verkon oikosulku). c) aske pitkittäinen häiriöjännite b) kohdan tapauksessa. Oleta parin etäisyys maatasosta 0,5 cm:ksi ja kaapelin vaipan toinen pää maadoitetuksi. Kestääkö laite? OHJE: käytä kaapelina Nokian JAMAK-instrumentointikaapelia, jolle on mitattu häiriöjännitteeksi pituusyksikköä kohden l f I µ V = 0, 008, [] I = A ja [] r = cm. 50 Hz r m d) Jos edellä oleva pari vie 0 V:n signaalia bitin siirtojärjestelmässä, niin aiheutuuko edellä olevissa tapauksissa virheitä? RATKAI a) ijoitetaan kaavaan I = 00 A ja r = 0, m = 0 cm. f I l = V V Hz 0 008 = 0 008 50 00 00, µ, = 08, µ 50 r 50 0 b) Poikittainen häiriöjännite johtuu kierretyn parin johtojen välisestä keskinäisinduktansista. l m = I ω. l
-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Kevät 006 Toisaalta l f I = 0, 008 50 Hz r µ V. m m 0, 008 µ V nh = = 0, 05, [] r = cm l r ω A m Johtimien väliin indusoituva jännite = di m dt m i t. i 0, 05 0 = m l = t 0 9 0 0 00 0 0 3 V 5 mv. c) Kaapeli A A i Johdinsilmukkaan indusoituva jännite µ, missä π r t µ µ = 4π 0 0 7 V s Am, pinta ala A= 0, 5 0 m 00 m= 0, 5 m ja etäisyys häiritsevästä johtimesta r = 0 cm. 7 3 4π 0 05, 0 0 = V = kv π 0, 0 0 Todellisuudessa jännitteen rajua nousua rajoittaa kaapelin ja maan välinen kapasitanssi. d) bittiä, max =0 V Vähiten merkitsevää bittiä vastaava jännite B = 0 V 44, mv. Tila voi muuttua kun häiriö aiheuttaa B suuruisen muutoksen, eli B h = =, mv. a)-kohdan tapauksessa ei häiriinny. b)-kohdan tapauksessa hetkellinen häiriö, jos laite kestää c)- kohdassa lasketun pitkittäisen jännitteen.
-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Kevät 006. Jännitepiikki kuormituksen muuttuessa Verkon samasta vaiheesta ottaa virtansa kaksi kuormituslaitetta. Kuorman K virta muuttuu 00 ma µs:ssa. aske pisteessä A näkyvä jännitepiikki. Johtimen induktanssi lasketaan kaavasta l d nh. l = 5 m, d = mm A 30 K K RATKAI Pisteessä A näkyy häiriö A, joka aiheutuu kuorman K nopeasta virranmuutoksesta ja johtimen induktanssista. di A = dt l 5000 = nh = nh = 5, µ H d 3 00 0 A = 5, 0 = 50 mv 0
-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Kevät 006 3. Häiriöiden suodatus digitaalipiirin tehonsyötössä Digitaalipiirien nopeat nousu- ja laskuajat generoivat häiriöjännitteitä johtimien induktansseihin. Tämän vuoksi suunnittelussa tulisi käyttää mahdollisimman lyhyitä tehonsyöttö- ja signaalijohtimia. Häiriöitä voidaan lisäksi vaimentaa kytkemällä piirin käyttöjännite- ja maadoitusnastan välille suodatinkondensaattori oheisen kuvan mukaisesti. Kondensaattori toimii energiavarastona, josta piirin nopeiden tilanmuutokset vaatimat virtapulssit saadaan häiritsemättä galvaanisesti muita piirejä. Kondensaattori myös pienentää tehonsyötön muodostamaa häiriövirtasilmukkaa (di), jolloin kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen piirin ja ympäristön välillä pienenee suodatinkondensaattori tulee siis kytkeä mahdollisimman lähelle piiriä. (ähde: ABB:n TTT-käsikirja 000/07). +V cc min di GND Digitaalipiirin tilanmuutos aiheuttaa tehonsyöttöjohtimeen 3 ma virtatason muutoksen 5 ns:ssa. a) Kuinka suuri on tästä johtimeen aiheutuva häiriöjännite kun johtimen induktanssi = 500 nh, eikä suodatinkondensaattoria ole? b) Mikä on tarvittavan suodatinkondensaattorin minimiarvo min, kun edellä mainitun tilanmuutoksen aiheuttama jännitemuutos ei saa ylittää 50 millivolttia, joka on muiden piirien sietoisuuden kannalta suurin sallittu arvo? RATKAI a) Ilman suodatuskondensaattoria johtimen induktanssiin indusoituva häiriöjännite di 3mA V N = 500 nh = 300mV dt 5ns b) uodatuskondensaattorin varastoimaa energiaa käytetään kompensoimaan nopeiden virtapulssien vaikutusta. Käytetään kapasitanssin määritelmää =Q/. Piirin
-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Kevät 006 aiheuttama virtamuutos on di ja siihen kuluva aika dt. Muutoksesta aiheutuva jännitemuutos (joka tässä tapauksessa on suurin sallittu) on dv. Tarvittavan suodatinkondensaattorin minimiarvoksi saadaan siis di dt 3mA 5ns min = = 300 pf dv 50mV Käytännössä laskuissa on otettava huomioon myös useiden tilamuutosten yhteisvaikutus. askettua kapasitanssin arvoa voidaan yleensä pitää myös suositeltavana arvona, sillä kondensaattorilla jonka kapasitanssi on suurempi, on myös alhaisempi toiminnallinen taajuusalue.
-08.300 Elektroniikan häiriökysymykset Kevät 006 4. Häiriöiden vaimennus läpivientikondensaattorilla Miten suuri läpivientikondensaattori tarvitaan D-johtoon, jos halutaan 80 db:n vaimennus 00 MHz:n taajuudella? (Verrattuna tapaukseen ilman kondensaattoria). Häiriögeneraattorin sisäinen vastus R = 60 Ω ja kuormitusvastus R = 60 Ω. R g R h RATKAI Häiriöjännite ilman kondensaattoria: Jännitteenjako: = h,0 g R + R mukana: h, = = g g j ω + jω j ω R + + jω R + R + j R ( ω ). 80 db:n vaimennus: h, 0 lg = 80 h, 0 R + R + R + jω R R jω = 0 + = 0 + R 4 4 8 ( ) 8 R = R = 60 Ω + π 0 60 = 0 0, 5 µ F