Wat is elektrische ruis?
Elektrische ruis treedt op wanneer elektrische signalen ongewenste effecten veroorzaken in de elektronische circuits van het besturingssysteem. De term “elektrische ruis” kwam voort uit AM-radio's toen het vreemde “geluid” dat in de luidspreker werd gehoord werd veroorzaakt door bliksem of andere bronnen van elektrische vonken.
Elektrische ruis en de effecten ervan op controllers zijn zeer moeilijk te definiëren, laat staan het geven van exacte regels over hoe te voorkomen. Geluidsgevoeligheid is een factor bij recentere elektronische controllerontwerpen. De meeste geluidsproblemen zijn echter het gevolg van ruwe bedradingspraktijken en technieken die “koppeling” of de overdracht van elektrische ruis naar het regelcircuit mogelijk maken.
Wanneer is het een probleem?
De problemen als gevolg van een elektrisch lawaaierige omgeving zijn moeilijk te voorspellen. Een veelvoorkomend symptoom is een grillig systeem, zonder bewijs van een probleem dat consistent verschijnt. Nog erger is dat het systeem verschillende symptomen kan vertonen, zoals fluctuerende digitale indicatoren, lege digitale indicatoren, controle-instabiliteit over instelpunt en onverwacht in- of uitschakelen van uitgangen. Een andere “rode vlag” veroorzaakt door elektrische ruis is wanneer hoge of lage limieten uitschakelen zonder limietfout.
Waarom is elektrische ruisgevoeligheid een probleem?
Hoe nauwkeurig een controller onderscheid kan maken tussen gewenste systeemsignalen en elektrische ruis is een goede indicator van de gevoeligheid voor ruis. Over het algemeen hebben hoogvermogenregelaars, zoals mechanische relais of kwikverplaatsingsrelais, een lage ruisgevoeligheid. Stroomregelaars die elektronische logica gebruiken, vooral die met geïntegreerde circuits, zijn echter gevoeliger voor ruis.
De ontwikkeling van alle elektronische solid-state controllers heeft de nauwkeurigheid van de besturing verbeterd en hun mogelijkheden uitgebreid. Deze controllers zijn complexer en werken op zeer lage vermogensniveaus, waardoor elektrische ruis meer kans heeft om deze te beïnvloeden.
Waar komt elektrische ruis vandaan?
Onze industriële wereld zit vol met apparatuur die vele soorten elektrische ruis kan genereren. Een typische ruisbron is elk apparaat dat zeer snelle of grote amplitudeveranderingen in spanning of stroom kan veroorzaken of produceren wanneer het in- en uitgeschakeld wordt.
Geluidsbronnen:
- Schakelaars en relaiscontacten die inductieve belastingen bedienen, zoals motoren, spoelen, elektromagneten en relais
- Thyristors of andere halfgeleiderapparaten die niet gebarsten zijn (willekeurig gebakken of fasehoekgebakken apparaten)
- Alle lasmachines
- Zware stroomvoerende geleiders
- Fluorescerend en neon licht
- Thermische spanningen tussen ongelijksoortige metalen die van invloed zijn op het ingangssignaal van het laagspanningsthermokoppel
- Chemische spanning geproduceerd door elektrolytenwerking tussen slecht aangesloten draden en verbindingskabels
- Thermische ruis door verhoogde omgevingstemperaturen rond de circuitelektronica
Er kan ook lawaai worden geproduceerd als het regelcircuit de optie van een mechanische relaisuitgang bevat en wordt gebruikt om hoge belastingsstromen over twee of drie ampère te schakelen. Dit vormt een belangrijke bron voor ruis, inclusief inductief geluid van de spoel en contactboog, afhankelijk van hoeveel stroom er in de controller wordt gebracht.
Hoe komt elektrische ruis binnen?
Het regelcircuit moet worden overwogen in termen van het totale systeem in een omgeving met elektrische ruis. De sensoringangs- en voedingsuitgangslijnen, evenals de voedingsbronlijn, hebben allemaal de mogelijkheid om het regelcircuit aan een ruisbron te koppelen of aan te sluiten.
Afhankelijk van het type elektrische ruis en de intensiteit ervan, kan ruis op een van de volgende vier manieren aan andere apparatuur worden gekoppeld:
1. Gemeenschappelijke impedantiekoppeling
Gemeenschappelijke impedantiekoppeling treedt op wanneer twee circuits een gemeenschappelijke geleider of impedanties delen (zelfs gemeenschappelijke stroombronnen). Dit type koppeling komt vaak voor in installaties met een lange gemeenschappelijke nul- of aardingsdraad. Een voorbeeld hiervan zijn vijf relaiscontacten die vijf afzonderlijke solenoïden bedienen waarbij het schakelen afhankelijk van elkaar verloopt. De retourleidingen van alle solenoïdes zijn met elkaar verbonden en lopen met één geleider terug naar de stroombron.
Dit voorbeeld van impedantiekoppeling heeft de neiging om ruis te veroorzaken in circuits die geen ruis hebben, of om de ruis te versterken van een of meer circuits die de gemeenschappelijke lijn delen. De beste manier om dit type koppeling te voorkomen is om de gemeenschappelijke leiding te elimineren en onafhankelijke draden voor elk retourcircuit te gebruiken.
Een ander ruisprobleem in verband met de gemeenschappelijke impedantiekoppeling is een aardlus. Aardlussen treden op wanneer er meerdere paden bestaan voor aardstromen. Niet alleen moeten de elektromagnetische retourleidingen als onafhankelijke draden naar hetzelfde elektrische potentiaalpunt worden geleid, maar ze moeten ook op hetzelfde fysieke punt worden afgesloten.
Op dezelfde manier moeten veiligheidsaardingsleidingen worden teruggebracht naar hetzelfde elektrische en fysieke punt. Veiligheidsaarding (chassisaarding) mag nooit retourstromen bevatten.
2. Magnetische inductieve koppeling
Magnetische (inductieve) koppeling verschijnt over het algemeen wanneer er draden parallel of dicht bij elkaar lopen. Dit gebeurt wanneer de draden van verschillende circuits worden gebundeld om de systeembedrading netjes te laten lijken. Zonder de juiste draadscheiding en afscherming zal de magnetische koppeling echter ernstige geluidsproblemen veroorzaken in gevoelige (laagspannings)circuits.
De beste manier om magnetische (inductieve) koppeling te elimineren, is door draden van afzonderlijke circuits in afzonderlijke bundels te laten lopen, waarbij er speciaal op wordt gelet dat AC-draden (hoog spanningsniveau) gescheiden blijven van DC-draden (laag spanningsniveau). Als het mogelijk is, moeten twisted pair-draden en beschermkabels (met de afsluiting van het schild alleen aan het uiteinde van de controller) worden gebruikt om magnetische ruiskoppeling te verminderen.
3. Elektrostatische (capacitieve) koppeling
Elektrostatische (capacitieve) koppeling verschijnt waar draden parallel met elkaar lopen, vergelijkbaar met magnetische koppeling. Dat is waar de overeenkomsten eindigen. Elektrostatische of capacitieve koppeling is een functie van de afstand die de draden parallel aan elkaar lopen, de afstand tussen de draden en de draaddiameter. De meest effectieve manier om elektrostatische (capacitieve) koppeling te verminderen, is om de bedrading goed af te schermen. Nogmaals, het scheiden van draden met AC-signalen (hoog spanningsniveau) en draden met DC-signalen (laag spanningsniveau) vermindert effectief de ruis in gevoelige circuits.
4. Elektromagnetische (stralings)koppeling
Elektromagnetische (stralings-) koppeling vindt plaats wanneer het regelcircuit zich zeer dicht bij een hoge energiebron bevindt die magnetische of elektrostatische inductie van een spanning mogelijk maakt. Veelvoorkomende bronnen van dergelijke straling zijn tv- of radiozendtorens.
In industriële toepassingen is het niet ongebruikelijk dat radiofrequente interferentie wordt gekoppeld aan gevoelige meet- of communicatiecircuits wanneer de bedrading zich in de buurt van RFI-bronnen bevindt, zoals stroomschakelaars. Andere mogelijke bronnen van RFI zijn mechanische relais die elektrische vlambogen ervaren tijdens het schakelen, SCR-vermogensregelaars wanneer ze worden gebruikt met de fasehoekafvuurmethode, motoren en nog veel meer. Het is ook moeilijk te elimineren indien aanwezig, omdat de afscherming 100 procent volledig moet zijn.
Opmerking: er moet speciale aandacht worden besteed aan de AC-voedingsleiding omdat deze een bron is van ongebruikelijke soorten ruisgerelateerde problemen in regelcircuits. Fenomenen zoals ongebalanceerde elektriciteitsleidingen, stroomuitval, stroompieken, bliksem en andere “vuile” ingangsvoeding kunnen ervoor zorgen dat de AC-voedingsleiding fluctueert en kortstondig onder de bedrijfsspecificaties voor de AC-ingang naar de besturingscircuits zakt.
Wanneer het type ruis op de AC-toevoerleiding kan worden geïdentificeerd als zuiver elektrische ruis en het lijnspanningsniveau niet daalt, kunnen lijnfilterapparaten worden aangeschaft om de problemen op te lossen. Als echter stroompieken, brown-outs, onvoldoende draadgrootte, enz. ervoor zorgen dat de AC-lijnspanning daalt tot onder de niveaus die door de fabrikant van het regelcircuit worden aanbevolen, is de enige oplossing het corrigeren van de bedradingsgrootte of de spanningsverdeling.
Manieren om elektrische ruis te vermijden
- Zorg ervoor dat de instrumenten goed geaard zijn volgens de instructies’van de fabrikant
- Zorg ervoor dat de grond goed is
- Leid laagspanningsdetectie- en communicatiesignalen afzonderlijk van de AC-voedingsbedrading
- Gebruik halfgeleiderrelais (SSR's) in plaats van elektromechanische relais of monteer relais uit de buurt van gevoelige instrumenten