O paskudztwach i czarodziejach

advertisement
Listy od Piotra
O paskudztwach i czarodziejach,
czyli zakłócenia w układach elektronicznych
część 2
Prezentowany cykl artykułów przeznaczony jest wyłącznie dla „analogowców“, czyli tych, którzy budują układy
analogowe, zarówno audio, jak i pomiarowe. Poniższego artykułu pod żadnym
pozorem nie powinni czytać ci, którzy
wykorzystują wyłącznie układy cyfrowe! „Cyfrowcy“ zajmują się dziedziną
Uwaga! Osoby niepełnoletnie
mogą przeczytać niniejszy artykuł
wyłącznie pod opieką wykwalifikowanych osób dorosłych!
Artykuł zawiera bowiem wiele
szokujących wiadomości, które mogą nieprzygotowanego odbiorcę pozbawić snu, doprowadzić do ciężkiego rozstroju nerwowego, a nawet do śmierci ze zmartwienia.
Wścibskie pole magnetyczne
Zapewne wiesz, że prąd płynący przez cewkę powoduje powstawanie pola magnetycznego. Nas interesuje teraz prąd zmienny
i zmienne pole magnetyczne. Oczywistym
jest, że pole magnetyczne jest wytwarzane
nie tylko przez typowe wielozwojowe cewki
według rysunku 9a, ale też przez cewki jednozwojowe – patrz rysunek 9b. Niech nie
ujdzie Twej uwadze, że cewką jednozwojową jest każdy zamknięty obwód, który tworzy pętlę o dowolnym kształcie – nie musi to
być pętla w kształcie okręgu – patrz rysunek
9c. Zapamiętaj raz na zawsze, że każdy zamknięty obwód, w którym płynie prąd
(zmienny)
jest
źródłem (zmienneRys. 9
go) pola magnetycznego. A w każdym
urządzeniu elektronicznym płyną prądy. I z natury prądy
te zamykają się w jakichś pętlach. Tym
samym każdy pracujący układ elektroniczny jest źródłem
pola magnetycznego, a właściwie sumy
wielu pól magnetycznych wytwarzanych przez poszczególne
obwody,
w których płynie
prąd. I w wielu wy-
28
nieporównanie łatwiejszą, a podane
dalej informacje mogłyby im poważnie
zaszkodzić, na zawsze odbierając spokój umysłu!
Artykuł powinni natomiast koniecznie
przeczytać wszyscy ci, którym wydaje
się, iż konstruktorem można zostać
w dwa tygodnie po zainteresowaniu się
elektroniką i po przeczytaniu kilku książek. Artykuł ten uświadomi im, że dobry
konstruktor musi zdobyć solidną dawkę
wiedzy teoretycznej i praktycznego
doświadczenia, a tego nie sposób osiągnąć ani w dwa tygodnie, ani nawet
w dwa miesiące.
padkach nie mamy wpływu na wielkość
wytwarzanego „przy okazji” pola magnetycznego.
Mamy oto kolejne ważne źródło zakłóceń
– właściwie każdy układ jest źródłem zakłóceń związanych z polem magnetycznym.
A teraz spójrzmy na sprawę z drugiej strony: jeśli w zmiennym polu magnetycznym
umieszczona jest cewka, to zaindukuje się
w niej napięcie. Prawdopodobnie nie jest Ci
obcy rysunek 10. Znany z podręczników
wzór na napięcie indukowane w takim pojedynczym zwoju czy też pętli może niektórych peszyć, niemniej musimy mu się
przyjrzeć bliżej, by wyciągnąć jak najbardziej praktyczne wnioski:
U = 2πfBAcosθ*10-8
Napięcie indukowane w takiej pętli zależy
od częstotliwości f, od indukcji B, czyli
mówiąc w uproszczeniu – od siły tego
(zmiennego) pola magnetycznego. Dla naszych rozważań ważniejsze są dwa ostatnie
składniki wzoru: indukowane napięcie zależy
od powierzchni pętli A oraz od kąta (θ - teta),
jaki tworzy płaszczyzna pętli z liniami sił pola magnetycznego, ściślej z wektorem indukcji. Może podany wzór wydawał Ci się zupełnie niepraktyczny, bo przecież zazwyczaj mamy do czynienia z cewkami wielozwojowymi. Tymczasem podana
zależność jest bardzo ważna właśnie przy omawianiu zakłóceń „magnetycznych”. Szczegóły nie są
istotne – kluczowe wnioski pokazuje rysunek 11.
Chwyciliśmy kolejnego byka za
rogi: mamy przyczynę kłopotów –
pola magnetyczne wytwarzane
przez wszelkie obwody, w których
płynie prąd i mamy potencjalne obwody zakłócane: odbiornikami są wszelkie
pętle, także te o nieregularnym kształcie (porównaj rysunek 9c). Chyba teraz nie zdziwisz się, jeśli w wielkim uproszczeniu przedstawię istotę problemu jak na rysunku 12 –
mamy tu do czynienia ze swego rodzaju...
transformatorem. Tak jest: każda pętla jest
rodzajem uzwojenia wtórnego, w którym
będzie indukować się pewne, zwykle niewielkie, napięcie. Wiesz już, że napięcie zakłóceń „magnetycznych” zależy od powierzchni pętli odbiorczej oraz kąta w stosunku do linii sił pola magnetycznego. Rysunek 12 sugeruje, że znaczenie ma także
współczynnik sprzężenia między obwodem
„nadawczym” a „odbiorczym”. Z tego punktu widzenia zwiększanie odległości między
nimi jest korzystne. O ile to możliwe, naprawdę warto zastosować zewnętrzny zasilacz, a nie transformator sieciowy, umieszczony we wnętrzu urządzenia. W czułych układach pomiarowych, mikserach i przedwzmacniaczach audio często jest to najprostszy i naprawdę skuteczny środek pozbycia się brumu
sieciowego. Z drugiej jednak strony, nie zawsze chodzi o wpływ transformatora sieciowego, a wtedy wzajemne oddalanie obwodów
czy bloków układu, paradoksalnie, może skutRys. 10
Rys. 11
Rys. 12
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Listy od Piotra
kować zwiększaniem powierzchni pętli prądowych „nadawczych” bądź „odbiorczych”.
Ponadto rysunek 12 pokazuje problem
w sposób bardzo uproszczony – w rzeczywistości mamy do czynienia z sumą wielu pól
magnetycznych, wytwarzanych nie tylko
przez pracujące układy, ale przede wszystkim przez prądy sieci energetycznej. Są to
nie tylko zmienne pola magnetyczne o częstotliwości 50Hz, ale też pola o częstotliwościach harmonicznych: 100Hz, 150Hz,
200Hz, 250Hz, itd. Ponieważ jesteśmy praktycznie otoczeni przewodami sieciowymi,
w których płyną prądy, pola magnetyczne
związane z siecią energetyczną są wręcz
wszechobecne. I tu leży przyczyna, dla której
często w czułych układach pomiarowych
oraz w układach audio pojawia się tak zwany
brum sieciowy. Z analizy rysunków 11 i 12
wynikają też ważne wnioski praktyczne,
przedstawione obrazowo na rysunku 13.
Każda pętla pracuje jako uzwojenie wtórne,
a wartość indukowanego napięcia wyznaczają parametry... geometryczne: powierzchnia
pętli oraz jej ustawienie względem linii sił
pola. I tu masz wyjaśnienie, dlaczego na
przykład w wielu urządzeniach audio poziom
brumu sieciowego zależy od rozmieszczenia
przewodów oraz kierunku ustawienia płytki
względem transformatora sieciowego. W dużej pętli z rysunku 13a może zaindukować się
napięcie – przydźwięk sieci – nawet o amplitudzie kilku czy wręcz kilkunastu miliwoltów.
Rys. 13
prób i błędów, która niestety, rzadko daje optymalne rezultaty. Tymczasem wystarczy zrozumieć problem i potem zwalczać go w sposób
przemyślany. Na przykład trzeba wiedzieć, że
„zwykłe” transformatory na rdzeniach EI są
źródłem silnego pola magnetycznego. Znacząco lepsze są transformatory na rdzeniach
zwijanych, a zdecydowanie najlepsze są
transformatory toroidalne, mające najmniejsze pole rozproszenia. Warto też mieć świadomość, że w obwodzie otwartej pętli
„odbiorczej” ani dodanie rezystancji szeregowej, ani równoległej nie pomaga zmniejszyć indukowanego napięcia – patrz rysunek
14. Rysunek 14b pokazuje też inną istotną
kwestię. Do tej pory zakładaliśmy, że pętla
(cewka) jest otwarta, nieobciążona i nie interesowała nas możliwość przepływu w niej
prądu. Tymczasem w rzeczywistości bardzo
często występują pętle zamknięte. W obwodzie zamkniętej pętli mogą występować jakieś oporności (rezystory, cewki), ale pętlą
może być też zamknięty łańcuch ścieżek czy
przewodów. Rysunek 15a pokazuje przykładową pętlę (np. pętlę obwodu masy). Rysunek 15b przedstawia schemat zastępczy,
gdzie indukcyjność L wynika z obecności pętli – cewki jednozwojowej o nieregularnym
kształcie, a rezystancja R to wypadkowa rezystancja ścieżek. Warto mieć świadomość,
że pod wpływem pola magnetycznego w takiej pętli mogą płynąć znaczne prądy i nawet
przy małej rezystancji R w czuczęstotliwość
łych układach pomiarowych
oraz audio nie można pominąć
napięć indukowanych między
50Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
punktami X, Y. Nie tylko z podanego powodu
należy unikać pętli ścieżek, zwłaszcza pętli
masy.
Wielu elektroników sądzi, że praktycznym lekarstwem na kłopoty z polem magnetycznym jest ekranowanie. Jest to pogląd
z gruntu fałszywy – ekranowanie w znikomym stopniu eliminuje zakłócenia „magnetyczne”. Szczegółowe wyjaśnienie nieskuteczności ekranowania byłoby skomplikowane. Chodzi o to, że biorąc rzecz w pewnym
uproszczeniu, pole magnetyczne po prostu
może przenikać przez metalowy ekran. Co
najgorsze w praktyce, najczęstszym źródłem
zakłóceń „magnetycznych” jest sieć energetyczna. A właśnie dla pola magnetycznego
o małych częstotliwościach cienkie blaszki
metalowe nie są żadną przeszkodą. Pole magnetyczne o częstotliwościach „sieciowych”
nie tylko łatwo w nie wnika, ale też łatwo
przenika na druga stronę. Owszem, pole magnetyczne jest tłumione w metalu, ale do
znaczącego stłumienia wymagana byłaby zastraszająco gruba blacha, wręcz pancerz.
O ile dla ochrony przez zakłóceniami przedostającymi się przez pole elektryczne wystarczy jakakolwiek metalowa blacha bądź folia
dołączona do masy, o tyle w przypadku pola
magnetycznego jest nieporównanie gorzej.
Tabela 3 pokazuje grubość ekranu, potrzebną do stłumienia pola magnetycznego o różnych częstotliwościach około 3 razy.
grubość ekranu w mm potrzebna do
stłumienia pola magnetycznego ok. 3-krotnie
miedź
aluminium
stal
9,3
12
1
6,6
8,5
0,66
2,1
2,7
0,2
0,66
0,84
0,08
0,2
0,3
0,02
0,08
0,08
0,008
Tabela 3
Zawsze znakomitym sposobem walki z polem
magnetycznym jest zastosowanie przewodów
w postaci najzwyczajniejszej skrętki – jak na
rysunku 13b. Skrętka powinna być stosowana
nie tylko w układach „odbiorczych”, jak na rysunku 13b, ale też w układach „nadawczych”,
czyli na przykład dobrze jest zwinąć w skrętkę
także wszystkie dłuższe przewody wiodące
prąd z transformatora do zasilacza. Rysunek
13 pokazuje problem pętli „odbiorczej” – ta
sama zasada obowiązuje w odniesieniu do pętli „nadawczych” – zawsze redukcja powierzchni pętli jest korzystna. Wielu elektroników nieświadomych istoty problemu uważa,
że wchodzą tu w grę zależności z pogranicza
magii. Tacy niezorientowani stosują metodę
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Rys. 14
Rys. 15
Tymczasem o skutecznym tłumieniu
można byłoby mówić, gdyby pole zostało
stłumione nie kilka, tylko kilkadziesiąt razy.
Nawet w przypadku stosunkowo dobrej blachy stalowej, grubość ekranu wymagana do
skutecznego stłumienia pola o częstotliwości
sieci wynosiłaby kilka milimetrów, co oczywiście jest nie do przyjęcia. A właśnie takie
częstotliwości są źródłem praktycznych kłopotów. Prawdą jest, że istnieje specjalny
stop, zwany mumetalem (µ-metal, mu-metal), który ma znacząco lepszą skuteczność
tłumienia niż stal. Mumetal jest jednak trudniej dostępny, wykonanie skutecznego ekranu jest kosztowne, a w ostatecznym rachunku także i ten materiał nie zawsze rozwiązuje problem.
Powyższe rozważania powinny Cię też
przekonać, że w układach o dużej czułości
obowiązkowo należy przeprowadzić analizę
układu pod katem minimalizacji promieniowania źródeł pola magnetycznego oraz
29
Listy od Piotra
minimalizacji pętli „odbiorczych”. Z uwagi
na liczne źródła i obwody odbiorcze zakłóceń oraz skomplikowany charakter zakłóceń, w artykule nie sposób podać szczegółowych recept. Przedstawione informacje
pokazują tylko istotę problemu, a do zdobycia rzetelnych umiejętności w zakresie walki
z zakłóceniami „magnetycznymi” niezbędne
jest praktyczne doświadczenie. Przypomnij
sobie maksymę popularną także w innych
dziedzinach życia: lepiej zapobiegać, niż leczyć. Zapamiętaj raz na zawsze, że najlepszym sposobem walki z zakłóceniami „magnetycznymi” jest eliminowanie oraz
zmniejszanie powierzchni pętli. W praktyce
oznacza to stosowanie możliwie zwartego
montażu, przewodów w postaci skrętki oraz
dobranie geometrycznego ustawienia kluczo-
wych obwodów względem siebie, a zwłaszcza względem transformatora zasilającego.
Zapomnij natomiast o ekranowaniu jako remedium na zakłócenia przenoszone przez pole magnetyczne. W dawnej literaturze bardzo
często pojawiało się zalecenie: umieścić
układ w ekranie wykonanym z puszki od
konserw. Choć dawne puszki do konserw
miały nie wiadomo dlaczego blachę kilkukrotnie grubszą od dzisiejszych puszek, i tak
0,1...0,2mm stali nie wystarczy. Także nieśmiertelna blacha z puszki po konserwach
(stalowa) praktycznie nie tłumi pola magnetycznego 50Hz. Jak wskazuje tabela 3, aby
stłumić zmienne pole magnetyczne 50Hz
dziesięciokrotnie, ekran miedziany czy aluminiowy powinien mieć grubość... tak jest,
około trzech centymetrów, a blachy stalowej
około 3mm! Dla naprawdę skutecznego stłumienia pola magnetycznego o częstotliwości
sieci blacha stalowa musiałaby pochodzić co
najmniej z transportera opancerzonego albo
z lekkiego czołgu. Wprawdzie wykorzystanie miękkich arkuszy mumetalu byłoby niezłym sposobem, jednak jest to sposób kosztowny, a dla hobbystów wręcz niedostępny.
Tym samym nie ma co się łudzić, że w warunkach amatorskich można wykonać skuteczny ekran dla pola magnetycznego małej
częstotliwości. Dlatego w tym wypadku zdecydowanie lepiej jest zapobiegać, niż leczyć.
Za miesiąc przeanalizujemy problem zakłóceń przenoszonych przez pole elektromagnetyczne.
Ciąg dalszy ze strony 21.
by nie powodował zwarć. Stanowczo odradzam stosowanie rezonatorów o niskich profilach, gdyż rozrzut parametrów jest w nich
duży, i łatwo o ich przegrzanie podczas lutowania. Kondensatory C2 i C3 należy wlutować na leżąco. W gestii wykonawcy leży zaprojektowanie płytki klawiatury, gdyż jej
układ zależeć może od typu zastosowanej
obudowy. W każdym razie ideałem byłoby,
aby przyciski znajdowały się na wysokościach ich opisu na wyświetlaczu LCD (pozycja 1, środek i pozycja 16). Rozmieszcze-
nie takie powoduje bardzo intuicyjne poruszanie się po funkcjach emulatora.
Układ złożony ze sprawnych elementów
od razu pracuje poprawnie. Jedynym w miarę krytycznym elementem jest rezonator
12MHz. Od jego wartości rzeczywistej i stałości parametrów zależy bowiem wierność
generowanego sygnału DCF-77.
Montaż i uruchomienie
Przedstawiona na rysunku 3 płytka montażowa została zaprojektowana w programie
EAGLE. Montaż elementów jest typowy
i nie ma w nim żadnych niespodzianek. Ponieważ płytka została zaprojektowana do złożenia z wyświetlaczem LCD w tzw. „kanapkę”, zalecam przylutowanie rezonatora kwarcowego od strony ścieżek, zabezpieczając
element ten odcinkiem taśmy izolacyjnej,
Piotr Górecki
Grzegorz Kaczmarek
[email protected]
Rys. 3 Schemat montażowy
Wykaz elementów
30
Rezystory
Półprzewodniki
R1,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,1kΩ
R3,R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Ω
R5 . . . . . . . . . . . .100kΩ (nie montować)
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-50kΩ
D2,D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . .dwubarwna LED
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7805
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .AT89C4051
Kondensatory
Inne
C1,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
C2,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/16V
C5,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33pF
C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF (1µF)
LCD . . . . . . . . . . . . .listwa goldpin 1*16
KLAWIATURA . . . . . . .listwa goldpin 1*4
Z1 . . . . . . . . . . . . . . . .listwa goldpin 2*4
X2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Download
Random flashcards
bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Pomiary elektr

2 Cards m.duchnowski

Prace Magisterskie

2 Cards Pisanie PRAC

Create flashcards