Bảo vệ các đường tín hiệu chống lại nhiễu điện từ

Trong môi trường công nghiệp năng động ngày nay, các thiết bị điện tử, hệ thống dây tín hiệu điều khiển và nguồn điện cũng như các thiết bị nhà máy, quy trình dây điện khác thường tương tác để tạo ra các vấn đề về nhiễu hoặc nhiễu điện từ (EMI) có thể làm suy giảm các tín hiệu đo lường và điều khiển quan trọng. Các kỹ thuật nối đất và bảo vệ thích hợp có thể giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ những vấn đề này và duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.

Ba yếu tố cơ bản được yêu cầu để tồn tại vấn đề nhiễu nhiếu sóng cáp: Nguồn nhiễu để tạo ra tiếng ồn, thiết bị nhận bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn, kênh ghép nối giữa nguồn và thiết bị nhận. Mục tiêu của tương thích điện từ là giảm thiểu, chuyển hướng hoặc loại bỏ một trong ba yếu tố cần thiết cho vấn đề nhiễu.

Khớp nối điện dung tránh tạo nhiễu

Bất kỳ phần nào của thiết bị nhà máy hoặc hệ thống dây điện đều có thể tạo ra điện tích hoặc điện thế, có thể được biểu thị bằng điện áp. Nếu điện tích này thay đổi thì một điện trường thay đổi được tạo ra có thể ghép nối điện dung với thiết bị hoặc hệ thống dây điện khác. Nhiễu kết hợp điện dung có thể được mô hình hóa dưới dạng dòng điện. Loại nhiễu này chiếm ưu thế khi mạch hoặc đầu cuối có trở kháng cao vì điện áp nhiễu tạo ra ở máy thu là dòng nhiễu.

Một cách dễ dàng và hiệu quả để giảm thiểu nhiễu kết hợp điện dung là sử dụng biện pháp che chắn bảo vệ cáp bằng các thiết bị chống từ. Tấm chắn là bề mặt có điện thế Gauss hoặc bề mặt tương đương, trên đó điện trường có thể kết thúc và quay trở lại mặt đất mà không ảnh hưởng đến các dây dẫn bên trong.

Việc che chắn chỉ có hiệu quả chống lại điện trường nếu nó cung cấp một đường trở kháng thấp đến mặt đất. Một tấm chắn nổi không bảo vệ chống nhiễu. Vẫn còn một điện dung nhỏ giữa nguồn nhiễu và vật dẫn do tấm chắn không hoàn hảo, lỗ trên tấm chắn bện và quan trọng nhất là do chiều dài của dây dẫn vượt ra ngoài tấm chắn. Cần phải chú ý đến những ký sinh trùng còn sót lại này để tránh rò rỉ những tấm chắn.

Vị trí chính xác để kết nối tấm chắn tĩnh điện là điện thế tham chiếu của mạch điện chứa trong tấm chắn. Điểm này sẽ khác nhau tùy thuộc vào việc cả nguồn và bộ thu đều được nối đất hay cái này hay cái kia được thả nổi. Điều quan trọng là chỉ nối đất tấm chắn tại một điểm để đảm bảo rằng dòng đất không chạy qua tấm chắn. Trong hầu hết các ứng dụng, lá chắn mặt đất không được ở điện áp so với điện thế chuẩn của mạch điện. Nếu đúng như vậy, thì điện áp này có thể được ghép với dây dẫn được bảo vệ. Ngoại lệ là khi sử dụng các tấm chắn bảo vệ, trong đó tấm chắn được cố ý giữ ở một tiềm năng để ngăn dòng điện chạy trong trở kháng nguồn không cân bằng. Lá chắn bảo vệ thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng cực kỳ nhạy cảm hoặc khi yêu cầu từ chối chế độ chung cao.

Điện dung giữa hai vật dẫn tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng. Do đó, một cách đơn giản khác để giảm hiện tượng ghép điện dung là tăng khoảng cách giữa cáp nạn nhân và cáp nguồn. Nó luôn luôn là một ý tưởng tốt để định tuyến cáp chẳng hạn như dây điện đầu vào, dây điều khiển động cơ, và dây điều khiển rơ le tách biệt khỏi các loại cáp như đường I/O tương tự, đường I/O kỹ thuật số hoặc kết nối LAN.

Khớp nối quy nạp

Khi một sợi cáp mang dòng điện, một từ trường sẽ được tạo ra. Hướng của từ trường này đối với dòng điện chạy trong một dây dẫn thẳng dài có thể được hình dung bằng cách sử dụng quy tắc bàn tay phải. Với ngón cái tay phải hướng về hướng của dòng điện, các ngón tay sẽ chỉ hướng của đường sức từ. Hãy tưởng tượng những từ trường phức tạp tồn tại gần máy móc điện năng hoặc nơi có nhiều dây cáp được định tuyến trong một khay chung. Định luật Lenz phát biểu rằng dòng điện có thể được tạo ra để chạy trong vật dẫn bằng cách di chuyển chúng trong một từ trường. Tương tự, một từ trường thay đổi sẽ tạo ra dòng điện trong một vật dẫn đứng yên nằm trong trường. Vì hầu hết hệ thống dây điện đều được cố định tại chỗ, các dòng điện thay đổi là nguyên nhân thông thường gây ra hiện tượng ghép từ.

Ghép từ khó giảm hơn nhiều so với ghép điện dung vì từ trường có thể xuyên qua các lá chắn dẫn điện. Hai dạng phản xạ và hấp thụ, đặc trưng cho cách thức hoạt động của lá chắn. Suy hao phản xạ liên quan đến tỷ số giữa trở kháng sóng điện từ và trở kháng của tấm chắn. Sự mất hấp thụ tỷ lệ thuận với độ dày của tấm chắn và tỷ lệ nghịch với độ sâu của lớp da vật liệu che chắn. Nó cao nhất ở tần số cao và giảm nhanh ở tần số thấp.

Có những cách khác để giảm nhiễu ghép từ tính ngoài việc che chắn. Điện áp do đường sức từ cắt vòng dây gây ra trong một vòng dây có thể suy ra từ Định luật Faraday.

Đưa ra giả định chung rằng mật độ từ thông (B) thay đổi theo thời gian hình sin, giống như đối với dòng điện xoay chiều, và B không đổi trên diện tích (A) của vòng lặp.

Bảo vệ đường dây cáp

Một đường dẫn trở kháng thấp đến mặt đất là điều cần thiết để đạt được lợi ích che chắn tối đa. Lõi dây kết nối từ tấm chắn đến đất có điện cảm, dẫn đến trở kháng tăng theo tần số. Loại kết nối này sẽ hoạt động ở tần số dưới 10KHz nhưng nó sẽ gây ra sự cố ở tần số cao hơn. Việc sử dụng các kết nối ngắn với diện tích mặt cắt ngang lớn sẽ giảm thiểu điện cảm của dây cáp, nhưng kết nối tốt nhất là tiếp xúc 360 ° giữa tấm chắn và đầu nối hoặc khung máy.

Các tấm chắn điện từ cung cấp các giải pháp giảm tiếng ồn tốt nhất nhưng chúng khó sản xuất. Thay vào đó, hầu hết các loại cáp đều được bảo vệ bằng cách bện dây để cải thiện tính linh hoạt, độ bền. Các tấm chắn bện kém hiệu quả hơn các tấm chắn rắn vì chúng chỉ cung cấp độ che phủ của cáp từ 60% đến 98%. Giảm hiệu quả phổ biến hơn ở tần số cao, nơi các lỗ trên bện lớn so với bước sóng. Để có khả năng che chắn tối đa, độ tin cậy và dễ sử dụng, có sẵn các loại cáp với các tấm chắn kết hợp sử dụng cả lớp rắn và lớp bện.

>>>Có thể bạn quan tâm: Dây cáp điều khiển chống nhiễu Sangjin Việt Nam 8C x 1.5 mm2

Nối đất

Trong môi trường công nghiệp, hệ thống nối đất mang tín hiệu và dòng điện trở lại, tạo thành tham chiếu cho các mạch tương tự và kỹ thuật số, loại bỏ sự tích tụ điện tích và bảo vệ con người và thiết bị khỏi sự cố và sét. Bất kỳ dòng điện nào trong hệ thống nối đất đều có thể gây ra sự khác biệt về điện thế. Sét đánh hoặc các sự kiện thoáng qua khác có thể tạo ra mức chênh lệch tiềm năng hàng trăm đến hàng nghìn vôn. Hệ thống nối đất phải được xem xét ngay từ đầu để mạch hoặc hệ thống hoạt động trong môi trường dự kiến ​​và vượt qua các yêu cầu về nhiễu, phát xạ và an toàn.

Việc nối đất thích hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tần số và trở kháng liên quan, độ dài của cáp yêu cầu và các vấn đề an toàn. Khi thiết kế nối đất hoặc xử lý sự cố tiếp đất, trước hết cần xác định dòng điện chạy qua đâu. Khi một số loại cơ sở cùng tồn tại, dòng điện có thể không quay trở lại theo đường dẫn giả định.

Loại nối đất mong muốn nhất cho các ứng dụng tần số thấp là nối đất đơn điểm. Hai ví dụ được thể hiện trong Hình 4. Nên tránh kết nối nối tiếp, hoặc chuỗi nối tiếp, khi có liên quan đến mạch điện hoặc cáp nhạy cảm vì dòng điện trở lại từ ba mạch chảy qua trở kháng nối đất chung liên kết các mạch. Mặt đất?? điện thế của mạch 1 không chỉ được xác định bởi dòng điện trở lại của nó thông qua trở kháng Z 1 mà còn bởi các dòng điện trở lại từ mạch 2 và mạch 3 qua cùng một trở kháng. Hiệu ứng này được gọi là ghép trở kháng chung và là một phương tiện chính để ghép nhiễu.

Mặt đất được ưu tiên là kết nối song song. Nó thường khó hơn và tốn kém hơn để thực hiện vì số lượng dây liên quan. Trước tiên, xác định khả năng chống nhiễu kết hợp trở kháng chung của mạch khi lựa chọn giữa các cấu hình nối đất này. Hầu hết các hệ thống sử dụng kết hợp cả hai cấu trúc liên kết.

>>>Xem thêm: Làm thế nào để phân biệt cáp điều khiển và cáp đồng trục?