Che cos’è il rumore elettrico?
Il rumore elettrico si verifica quando i segnali elettrici producono effetti indesiderati nei circuiti elettronici del sistema di controllo. Il termine rumore “” elettrico ha avuto origine con le radio AM quando il “rumore” estraneo udito nell'altoparlante era causato da fulmini o altre fonti di archi elettrici.
Il rumore elettrico e i suoi effetti sui controllori sono molto difficili da definire, per non parlare di dare regole esatte su come prevenire. La sensibilità al rumore è un fattore importante nei progetti più recenti dei controllori elettronici. Tuttavia, la maggior parte dei problemi di rumore deriva da pratiche e tecniche di cablaggio grezzo che consentono l'“accoppiamento” o il trasferimento di rumore elettrico nel circuito di controllo.
Quando è un problema?
I problemi derivanti da un ambiente elettricamente rumoroso sono difficili da prevedere. Un sintomo comune è un sistema irregolare, senza evidenza di un problema che appare in modo coerente. Ancor peggio, il sistema può presentare diversi sintomi come indicatori digitali fluttuanti, indicatori digitali vuoti, instabilità di controllo circa il setpoint e l'attivazione o la disattivazione imprevista delle uscite. Un altro segnale “” di allarme causato dal rumore elettrico è quando i limiti alto o basso scattano senza alcuna condizione di guasto limite.
Perché la sensibilità al rumore elettrico è un problema?
La precisione con cui un controllore è in grado di distinguere tra i segnali di sistema desiderati e il rumore elettrico è un buon indicatore della sua sensibilità al rumore. In generale, i controller ad alta potenza, come i relè meccanici o i relè a spostamento di mercurio, hanno una bassa sensibilità al rumore. Tuttavia, i controller di potenza che utilizzano la logica elettronica, in particolare quelli che utilizzano circuiti integrati, sono più sensibili al rumore.
Lo sviluppo di tutti i controllori elettronici a stato solido ha migliorato l'accuratezza del controllo e ampliato le loro capacità. Questi controllori sono più complessi e funzionano a livelli di potenza molto bassi, il che rende più probabile che il rumore elettrico li influenzi.
Da dove proviene il rumore elettrico?
Il nostro mondo industriale è pieno di apparecchiature in grado di generare molti tipi di rumore elettrico. Una fonte di rumore tipica è qualsiasi apparecchiatura che può causare o produrre variazioni di ampiezza molto rapide o grandi di tensione o corrente quando viene accesa e spenta.
Fonti di rumore:
- Interruttori e contatti relè che azionano carichi induttivi come motori, bobine, solenoidi e relè
- Tiristori o altri dispositivi semiconduttori che non sono azionati a scoppio (dispositivi azionati casualmente o ad angolo di fase)
- Tutti i macchinari di saldatura
- Conduttori di trasporto di corrente pesante
- Luci fluorescenti e neon
- Tensioni termiche tra metalli dissimili che influenzano il segnale di ingresso della termocoppia a bassa tensione
- Tensione chimica prodotta dall'azione elettrolitica tra cavi mal collegati e cavi di interconnessione
- Rumore termico dovuto all'aumento delle temperature ambientali intorno all'elettronica del circuito
Il rumore può essere introdotto anche se il circuito di controllo include l'opzione di un'uscita a relè meccanica e viene utilizzato per commutare correnti ad alto carico su due o tre ampere. Ciò presenta una fonte significativa di rumore, compreso il rumore induttivo dalla bobina e l’arco di contatto, a seconda della quantità di potenza portata all’interno del controllore.
Come entra il rumore elettrico?
La circuiteria di controllo deve essere considerata in termini di sistema totale in un ambiente elettricamente rumoroso. Le linee di ingresso e di uscita dell'alimentazione del sensore, così come la linea della sorgente di alimentazione, hanno tutte il potenziale per accoppiare o collegare il circuito di controllo a una sorgente di rumore.
A seconda del tipo di rumore elettrico e della sua intensità, il rumore può essere accoppiato ad altre apparecchiature mediante uno dei seguenti quattro metodi:
1. Accoppiamento impedenza comune
L'accoppiamento comune dell'impedenza si verifica quando due circuiti condividono un conduttore o impedenze comuni (anche fonti di alimentazione comuni). Questo tipo di accoppiamento si verifica spesso in installazioni che hanno un lungo neutro comune o un filo di terra. Un esempio potrebbe essere cinque contatti relè che azionano cinque solenoidi separati in cui la commutazione funziona in modo dipendente. Le linee di ritorno di tutti i solenoidi sono collegate insieme e tornano alla fonte di alimentazione con un conduttore.
Questo esempio di accoppiamento di impedenza tende a indurre rumore in circuiti che non presentano rumore, o ad amplificare il rumore da uno o più circuiti che condividono la linea comune. Il modo migliore per prevenire questo tipo di accoppiamento è eliminare la linea comune e utilizzare conduttori indipendenti per ogni circuito di ritorno.
Un altro problema di rumore associato all'accoppiamento dell'impedenza comune è un circuito di terra. I loop di terra si verificano quando esistono più percorsi per le correnti di terra. Non solo le linee di ritorno del solenoide devono essere eseguite come conduttori indipendenti allo stesso punto di potenziale elettrico, ma devono anche essere terminate nello stesso punto fisico.
Allo stesso modo, le linee di messa a terra di sicurezza devono essere riportate allo stesso punto elettrico e fisico. La messa a terra di sicurezza (messa a terra del telaio) non deve mai trasportare correnti di ritorno.
2. Accoppiamento induttivo magnetico
L’accoppiamento magnetico (induttivo) generalmente compare quando vi sono fili paralleli o vicini tra loro. Ciò accade quando i fili di diversi circuiti sono raggruppati insieme per far apparire il cablaggio del sistema ordinato. Tuttavia, senza una corretta separazione e schermatura del filo, l'accoppiamento magnetico introdurrà gravi problemi di rumore nei circuiti sensibili (livello di bassa tensione).
Il modo migliore per eliminare l'accoppiamento magnetico (induttivo) è far passare i cavi da circuiti separati in fasci separati, prestando particolare attenzione a mantenere i cavi CA (livello di alta tensione) separati dai cavi CC (livello di bassa tensione). Se possibile, utilizzare cavi a doppino intrecciato e cavi schermanti (con terminazione dello schermo solo all'estremità del controller) per ridurre l'accoppiamento magnetico del rumore.
3. Accoppiamento elettrostatico (capacitivo)
L'accoppiamento elettrostatico (capacitivo) appare quando i fili sono paralleli tra loro, come l'accoppiamento magnetico. È qui che terminano le somiglianze. L'accoppiamento elettrostatico, o capacitivo, è una funzione della distanza tra i fili e la distanza tra i fili e il diametro del filo. Il modo più efficace per ridurre l’accoppiamento elettrostatico (capacitivo) è schermare correttamente i tratti dei fili. Anche in questo caso, la separazione dei cavi che trasportano segnali CA (alto livello di tensione) e quelli che trasportano segnali CC (basso livello di tensione) ridurrà efficacemente il rumore nei circuiti sensibili.
4. Accoppiamento elettromagnetico (radiazione)
L'accoppiamento elettromagnetico (radiazione) si verifica quando il circuito di controllo è molto vicino a una fonte ad alta energia in grado di induzione magnetica o elettrostatica di una tensione. Le fonti comuni di tali radiazioni sono le torri di trasmissione televisiva o radiofonica.
Nelle applicazioni industriali non è insolito che le interferenze a radiofrequenza siano accoppiate a circuiti di misurazione o comunicazione sensibili quando il cablaggio è vicino a sorgenti RFI come i contattori di potenza. Altre potenziali fonti di RFI includono relè meccanici che subiscono archi elettrici durante la commutazione, controller di potenza SCR quando azionati con il metodo di azionamento ad angolo di fase, motori e molti altri. È anche difficile da eliminare se presente, perché la schermatura deve essere completa al 100%.
Nota: prestare particolare attenzione alla linea di alimentazione CA perché è una fonte di problemi insoliti legati al rumore nei circuiti di controllo. Fenomeni come linee di alimentazione sbilanciate, brownout, sovratensioni di alimentazione, fulmini e altra alimentazione di ingresso “sporca” possono far oscillare la linea di alimentazione CA e scendere momentaneamente al di sotto delle specifiche operative per l'ingresso CA alla circuiteria di controllo.
Quando il tipo di rumore sulla linea di alimentazione CA può essere identificato come rumore puramente elettrico e non causa la caduta del livello di tensione di linea, è possibile acquistare dispositivi di filtraggio della linea per gestire i problemi. Tuttavia, se sovratensioni di alimentazione, brown-out, dimensioni del filo inadeguate, ecc. causano un calo della tensione della linea CA al di sotto dei livelli raccomandati dal produttore del circuito di controllo, l’unica soluzione è correggere le dimensioni del cablaggio o la distribuzione della tensione.
Modi per evitare il rumore elettrico
- Assicurarsi che la strumentazione sia correttamente messa a terra secondo le istruzioni’del produttore
- Assicurarsi che le messe a terra siano buone
- Instradare i segnali di rilevamento e comunicazione a bassa tensione separatamente dal cablaggio di alimentazione CA
- Utilizzare relè a stato solido (SSR) invece di relè elettromeccanici o montare i relè lontano da strumenti sensibili