Was ist elektrisches Rauschen?
Elektrisches Rauschen tritt auf, wenn elektrische Signale unerwünschte Auswirkungen in den elektronischen Schaltungen des Steuersystems erzeugen. Der Begriff “elektrisches” Rauschen entstand mit AM-Funkgeräten, wenn das im Lautsprecher gehörte fremde “”Rauschen durch Blitzschlag oder andere Quellen von elektrischen Lichtbögen verursacht wurde.
Elektrisches Rauschen und seine Auswirkungen auf Regler sind sehr schwer zu definieren, geschweige denn geben genaue Regeln an, wie man verhindert. Die Geräuschempfindlichkeit ist ein Faktor in den neueren elektronischen Reglerdesigns. Die Mehrzahl der Rauschprobleme resultieren jedoch aus den Rohölverdrahtungspraktiken und -techniken, die die “Kopplung” oder Übertragung von elektrischem Rauschen in den Steuerkreis ermöglichen.
Wann ist es ein Problem?
Die Probleme, die sich aus einer elektrisch lauten Umgebung ergeben, sind schwer vorhersehbar. Ein häufiges Symptom ist ein unregelmäßiges System, ohne dass ein Problem beständig auftritt. Noch schlimmer ist, dass das System mehrere verschiedene Symptome aufweisen kann, wie z. B. schwankende digitale Anzeigen, leere digitale Anzeigen, Instabilität bezüglich Sollwert und Ausgänge, die sich unerwartet ein- oder ausschalten. Ein weiteres “Warnsignal”, das durch elektrisches Rauschen verursacht wird, ist, wenn die oberen oder unteren Grenzwerte ausgelöst werden und kein Grenzwertfehlerzustand vorliegt.
Warum ist elektrische Rauschempfindlichkeit ein Problem?
Wie genau ein Regler zwischen den gewünschten Systemsignalen und dem elektrischen Rauschen unterscheiden kann, ist ein guter Indikator für seine Rauschempfindlichkeit. Im Allgemeinen haben Hochleistungsregler, wie mechanische Relais oder Quecksilber-Verdrängungsrelais, eine geringe Rauschempfindlichkeit. Jedoch sind Leistungsregler, die elektronische Logik verwenden, insbesondere solche, die integrierte Schaltungen verwenden, geräuschempfindlicher.
Die Entwicklung aller elektronischen Halbleiterregler hat die Genauigkeit der Regelung verbessert und ihre Fähigkeiten erweitert. Diese Regler sind komplexer und arbeiten bei sehr niedrigen Leistungspegeln, was dazu führt, dass elektrisches Rauschen sie eher beeinträchtigt.
Woher kommt elektrisches Rauschen?
Unsere industrielle Welt ist voll von Geräten, die viele Arten von elektrischen Störungen erzeugen können. Eine typische Rauschquelle ist jedes Gerät, das sehr schnelle oder große Amplitudenänderungen in Spannung oder Strom verursachen oder erzeugen kann, wenn es ein- und ausgeschaltet wird.
Geräuschquellen:
- Schalter und Relaiskontakte für induktive Lasten wie Motoren, Spulen, Magnetspulen und Relais
- Thyristoren oder andere Halbleiterbauelemente, die nicht platzengebrannt sind (zufällig gefeuerte oder phasenwinkelgefeuerte Geräte)
- Alle Schweißmaschinen
- Schwerstromführende Leiter
- Leuchtstofflampen und Neonlichter
- Thermische Spannungen zwischen unterschiedlichen Metallen, die das Eingangssignal des Niederspannungs-Thermoelements beeinflussen
- Chemische Spannung, die durch Elektrolytwirkung zwischen schlecht angeschlossenen Leitungen und Verbindungskabeln erzeugt wird
- Thermisches Rauschen durch erhöhte Umgebungstemperaturen rund um die Schaltungselektronik
Rauschen könnte auch eingebracht werden, wenn der Steuerkreis die Option eines mechanischen Relaisausgangs enthält und verwendet wird, um Hochlastströme über zwei oder drei Ampere zu schalten. Dies stellt eine bedeutende Quelle für Rauschen dar, einschließlich induktiver Rauschen von der Spule und Kontaktlichtbögen, je nachdem, wie viel Leistung in den Regler eingebracht wird.
Wie kommt elektrisches Rauschen ins Spiel?
Die Steuerschaltungen müssen in Bezug auf das Gesamtsystem in einer elektrisch lauten Umgebung berücksichtigt werden. Die Eingangs- und Ausgangsleitungen des Sensors sowie die Stromquelle haben alle das Potenzial, den Steuerkreis mit einer Rauschquelle zu koppeln oder zu verbinden.
Abhängig von der Art des elektrischen Rauschens und seiner Intensität kann das Rauschen durch eine der folgenden vier Methoden mit anderen Geräten gekoppelt werden:
1. Gemeinsame Impedanzkupplung
Eine gemeinsame Impedanzkupplung tritt auf, wenn zwei Stromkreise einen gemeinsamen Leiter oder Impedanzen (auch gemeinsame Stromquellen) gemeinsam haben. Diese Art von Kupplung tritt häufig in Installationen auf, die einen langen gemeinsamen Neutralleiter oder Erdungsdraht haben. Ein Beispiel wären fünf Relaiskontakte, die fünf separate Magnete betreiben, bei denen der Schaltvorgang abhängig abläuft. Die Rücklaufleitungen aller Magnetspulen werden miteinander verbunden und fließen mit einem Leiter zurück zur Stromquelle.
Dieses Beispiel einer Impedanzkupplung hat eine Tendenz, Rauschen in Schaltungen zu induzieren, die kein Rauschen haben, oder das Rauschen von einem oder mehreren der Schaltungen, die die gemeinsame Leitung teilen, zu verstärken. Der beste Weg, um diese Art von Kupplung zu verhindern, besteht darin, die gemeinsame Leitung zu eliminieren und unabhängige Leitungen für jeden Rücklaufkreis zu verwenden.
Ein weiteres Störungsproblem, das mit der gemeinsamen Impedanzkupplung verbunden ist, ist ein Masseschleife. Erdschleifen treten auf, wenn mehrere Pfade für Erdströme vorhanden sind. Die Rücklaufleitungen des Magnetventils sollten nicht nur als unabhängige Leitungen zum gleichen elektrischen Potenzialpunkt geführt werden, sondern auch am gleichen physischen Punkt abgeschlossen werden.
Auf die gleiche Weise sollten Erdungsleitungen an denselben elektrischen und physischen Punkt zurückgeführt werden. Sicherheitserdung (Chassis-Erdung) sollte niemals Rückströme aufweisen.
2. Magnetische induktive Kupplung
Eine magnetische (induktive) Kopplung tritt in der Regel dort auf, wo Drähte parallel oder in unmittelbarer Nähe zueinander verlaufen. Dies geschieht, wenn die Leitungen von mehreren verschiedenen Stromkreisen zusammengebündelt werden, um die Systemverdrahtung ordentlich erscheinen zu lassen. Ohne ordnungsgemäße Kabeltrennung und Abschirmung führt die magnetische Kopplung jedoch zu schwerwiegenden Rauschproblemen in empfindlichen (Niederspannungspegel-)Schaltkreisen.
Der beste Weg, eine magnetische (induktive) Kopplung zu eliminieren, besteht darin, Leitungen von getrennten Stromkreisen in separaten Bündeln zu leiten, wobei besonders darauf geachtet wird, die AC- (Hochspannungs-) Leitungen von den DC- (Niederspannungs-) Leitungen getrennt zu halten. Wenn es überhaupt möglich ist, sollten verdrillte Kabelpaare und Abschirmungskabel (mit Anschluss der Abschirmung nur am Reglerende) verwendet werden, um die magnetische Rauschkopplung zu reduzieren.
3. Elektrostatische (kapazitive) Kupplung
Eine elektrostatische (kapazitive) Kopplung erscheint dort, wo Drähte parallel zueinander verlaufen, ähnlich wie bei der magnetischen Kopplung. Hier enden die Ähnlichkeiten. Die elektrostatische oder kapazitive Kopplung ist eine Funktion des Abstands, den die Drähte parallel zueinander verlaufen, des Abstands zwischen den Drähten und dem Drahtdurchmesser. Die effektivste Methode zur Reduzierung der elektrostatischen (kapazitiven) Kopplung ist die ordnungsgemäße Abschirmung der Kabelläufe. Auch hier wird die Trennung von Kabeln, die AC (Hochspannungspegel) tragen, und solchen, die DC (Niederspannungspegel)-Signale tragen, effektiv das Rauschen in empfindlichen Schaltungen reduzieren.
4. Elektromagnetische (Strahlungs-)Kopplung
Eine elektromagnetische (Strahlungs-)Kopplung tritt auf, wenn der Steuerkreis sehr nahe an einer Hochenergiequelle liegt, die in der Lage ist, eine Spannung magnetisch oder elektrostatisch zu induktieren. Häufige Quellen dieser Strahlung sind Fernseh- oder Radiosender.
In industriellen Anwendungen ist es nicht ungewöhnlich, dass Hochfrequenzstörungen in empfindliche Mess- oder Kommunikationsschaltungen gekoppelt werden, wenn die Verdrahtung in der Nähe von RFI-Quellen wie Leistungsschützen erfolgt. Andere potenzielle RFI-Quellen sind mechanische Relais, die elektrische Lichtbögen beim Schalten aufweisen, SCR-Leistungsregler, wenn sie mit der Phasenwinkel-Befeuerungsmethode betrieben werden, Motoren und vielem mehr. Es ist auch schwierig, sie zu eliminieren, wenn vorhanden, da die Abschirmung zu 100 Prozent abgeschlossen sein muss.
Hinweis: Der AC-Stromleitung sollte besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da sie eine Quelle für ungewöhnliche Arten von störungsbedingten Problemen in Steuerkreisen ist. Phänomene wie unsymmetrische Stromleitungen, Stromausfälle, Überspannungen, Blitzschlag und andere “”verschmutzte Eingangsleistung können dazu führen, dass die AC-Stromversorgungsleitung schwankt und vorübergehend unter die Betriebsspezifikationen für den AC-Eingang in den Steuerschaltkreis fällt.
Wenn die Art des Rauschens an der AC-Versorgungsleitung als rein elektrisches Rauschen identifiziert werden kann und es nicht dazu führt, dass der Netzspannungspegel sinkt, können Leitungsfiltergeräte erworben werden, um sich um die Probleme zu kümmern. Wenn jedoch Spannungsspitzen, Stromausfälle, unzureichende Kabelgröße usw. die AC-Leitungsspannung unter die vom Hersteller des Steuerkreises empfohlenen Pegel fallen lassen, besteht die einzige Lösung darin, die Verdrahtungsgröße oder die Spannungsverteilung zu korrigieren.
Möglichkeiten zur Vermeidung elektrischer Störungen
- Stellen Sie sicher, dass die Instrumente gemäß den Anweisungen des’ Herstellers ordnungsgemäß geerdet sind.
- Stellen Sie sicher, dass die Erdung gut ist
- Leiten Sie die Niederspannungsmessung und die Kommunikationssignale getrennt von der AC-Verdrahtung
- Verwenden Sie Halbleiterrelais (SSRs) anstelle von elektromechanischen Relais oder montieren Sie Relais von empfindlichen Instrumenten weg