3. Механизмы и пути связи и мероприятия по снижению их влияния
3.1. Гальваническая связь
Когда два электрических контура имеют общее сопротивление ZN (например, общий нулевой провод), то ток одного контура создает на сопротивлении ZN падение напряжения, которое проявляется в другом контуре как напряжение противофазной помехи (рис.3.1).
Рис.3.1 Возникновение противофазной помехи в электрических контурах с общим сопротивлением
Гальванические связи могут создаваться через сопротивления сетевых проводов или через систему защитных и заземляющих проводов.
3.1.1 Гальваническая связь через систему электроснабжения
Рассмотрим влияние гальванической связи на примере схемы питания постоянным напряжением нескольких потребителей (рис.3.2). Изменение тока одного из потребителей создает напряжение помехи uп из-за падения напряжения на общем сопротивлении проводов питания R и L, накладывающееся на напряжение источника питания.
Упрощенно напряжение помехи uп находится по формуле:
. (3.1)
Рис.3.2 Пример гальванической связи в схеме питания нескольких потребителей
Например, если R = 10 мОм, L = 0,5 мкГн, а изменение тока через общее сопротивление имеет форму, представленную на рис.3.3, с параметрами Δi = 1А, Δt = 0,1мкс, то напряжение помехи в соответствии с формулой (3.1) будет равно:
В.
Как известно, активное сопротивление проводника определяется по выражению:
,
где ρ – удельное электрическое сопротивление материала проводника, l и S – соответственно, длина и площадь сечения проводника.
Для уменьшения активного сопротивления проводника длина его должна быть как можно меньше, а сечение по возможности большим. При этом необходимо помнить, что с увеличением сечения проводника при больших скоростях Δi/Δt изменения тока все больше сказывается поверхностный эффект, что приводит к увеличению активного сопротивления. Однако, несмотря на это активная составляющая помехи R Δi при обоснованном выборе сечения проводника остается малой по сравнению с индуктивной составляющей L Δi/Δt.
Индуктивность линии с проводниками цилиндрической формы приближенно описывается выражением:
, (3.2)
где l – длина линии, d – диаметр провода, D – расстояние между осями прямого и обратного проводов.
Из приведенного выражения (3.2) следует, что для уменьшения индуктивности L и тем самым напряжения помехи uп необходимо как можно ближе располагать друг к другу прямой и обратный проводники.
Для снижения влияния гальванической связи через систему электроснабжения рекомендуются следующие мероприятия:
Выполнение общих соединений между несколькими потребителями с возможно более низким сопротивлением, особенно низкой индуктивностью. Для этого требуется, возможно, меньшая длина общих линий, большое сечение проводников, малые расстояния между проводами.
Гальваническая развязка, то есть устранение совместных проводов между различными контурами. Это осуществляется отказом от общих проводников нейтрали (рис.3.4,а), от использования проводов заземления, корпусов приборов, машин и технологических устройств в качестве проводов сигнальных цепей, выполнением системы питания компонентов устройств автоматизации в виде звезды (рис.3.4,б), раздельным питанием мощных электрических устройств, аналоговых и дискретных элементов (рис.3.4,в), которые потребляют сильно различающиеся мощности.
Разделение потенциалов, то есть устранение любых гальванических контактов между контурами при функционально связанных сигнальных и силовых цепях в частях, не предусматривающих обмен информацией. Если возможно, выполнять связь сигнальных и силовых контуров посредством оптопар или оптоволоконных линий.
Выбор скорости изменения тока Δi/Δt не большей чем требуется по условиям функционирования.
а)
б)
в)
Рис.3.4 Примеры неверной (слева) и удовлетворительной (справа) реализации мер по снижению помех в гальванически связанных контурах