כבלים של חיישנים לטיפול בהשראות, צימוד אלקטרוסטטי והולכה

כל דבר בעל אופי חשמלי העובר בכבל תעשייתי שאינו אות הוא רעש - הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות בתדרי רדיו (RFI) בצורה זו או אחרת. רכיבי האוטומציה של היום מתוכננים בשגרה למנוע רעש על ידי הגנה על אותות מפני הסביבה האלקטרומגנטית בה הרכיבים צפויים לפעול. אך מניעת דגרדציה של אותות מחייבת גם שילוב זהיר של מכונות אוטומטיות ... הכרוך לרוב בשילוב של פרקטיקות תכנון טובות ומומחיות בחיבוריות חשמלית.

איור 1: תתי-רכיבים ותתי-מערכות המוקדשים אך ורק למניעת EMI לובשים בדרך כלל צורה של מעגלי סינון או רכיבי חסימה (סיכוך) כגון ה סיכוך חוט נחושת מצופה בדיל צינורי המוצג כאן. (מקור התמונה: .Belden Inc‏)

במאמר זה נבחן שיטות תכנון עיקריות עבור:

• הפחתת יצירת EMI‏ מהרכיבים הפנימיים והחיצוניים
• הגברת חסינות (התנגדות) הרכיבים ל- EMI‏

יעדי התכנון העיקריים כאן הם להקטין למינימום את כל פליטות הקרינה הפנימיות עבור כל רכיב בתכן, כמו גם את רגישותו לפליטות מולכות חיצוניות. עבור האחרונות, חסינות אינהרנטית לפליטות בצימוד חיצוני חייבת להגן מפני אותות אלקטרוניים לא-רצויים המועברים באמצעות הולכה ישירה, השראות או צימוד קיבולי.

איור 2: גיליונות דביקות משככות-EMI סדרת AB5000 מבית 3M מכילות פתיתי מתכת לשיכוך EMI מוקרן מהתקנים ניידים וציוד צבאי. גיליונות סדרת AB6000 כוללות שכבות בידוד, שיכוך, סיכוך ושכבות לא-מוליכות עבור תכנים הזקוקים הן לסיכוך והן לשיכוך EMI - כולל טלפונים סלולריים, טיונרים והתקנים רפואיים. גיליונות סדרת AB7000 מצטיינים בהתקנים אלקטרוניים ובסביבתם הדורשים בקרת EMI ושיפור תקינות אותות של MHz‏ 50 עד GHz‏ 10‏. הגיליונות מפחיתים רעשי IC מוקרנים כמו גם EMI וערב-דיבור (Crosstalk‏) בתוך אלקטרוניקה ניידת ועל כבלים שטוחים וגמישים. (מקור התמונה: 3M‏)

איומים ספציפיים על איכות האותות

מרבית המאמצים הקשורים בתכנון ציוד אוטומציה תעשייתי מתמקדים במפרט רכיבים כגון מפעילים (Actuators‏) וחיישנים. אך נבדוק את האחרון: אם חיישנים הם האוזניים והעיניים של מערכות אוטומטיות, הכבלים הם מערכת העצבים המובילה את האותות למוח (או לבקר המכונה, כדי להמשיך את האנלוגיה). כבלים אלה נחשפים למקורות הפרעות פוטנציאליים שונים העלולים לפגוע בפונקציות בקרת המערכת.

איור 3: רכיבים חשמליים כגון חיישנים ומפעילים (Actuators‏) נבדקים באופן שגרתי עבור תאימות אלקטרומגנטית (EMC) ורגישות, אם כי לעתים מתעלמים מתפקידם של הכבלים והמחברים שלהם בשמירה ותמיכה בתאימות אלקטרומגנטית או EMC. מחברי כבלים מסוימים מאובטחים מכנית ומסככים אלקטרומגנטית קצות כבלים ומשמשים כמסנני EMI. בעזרת טכנולוגיית קבלים פלאנאריים, חלקם מסוגלים לסנן VHF, UHF, MF1, HF ותחומי EMI אחרים באמצעות C, CL, LC, L וטופולוגיות pi שונות. (מקור התמונה: Amphenol Industrial Operations)

אם חיישן, מפעיל או רכיב אחר מסתמך על עיקרון השראותי, קיבולי או אלקטרומגנטי לצורך גילוי ויצירת אותות, כל מעגלי PCB הכלולים במערכת זו ידרשו ככל הנראה סיכוך כמו גם משטחי הארקה נרחבים. האחרון מכוסה בפירוט במאמר DigiKey‏ סיכוך RF‏: האמנות והמדע של מניעת הפרעות. בנוסף, חוזק ותדר פליטות הסביבה הפוטנציאליות חייבים להיות ידועים או לפחות להיות מכוסים באמצעות תקן תעשייתי בשלב התכנון הראשוני. כמה דוגמאות של תחומי הפרעות נפוצים וצפויים כוללים:

• Hz‏ 50‏ או Hz‏ 60‏ - תדרי מתחי AC של הספקת-הכוח מרשת החשמל
• kHz‏ 4 עד kHz‏ 16 - כמו באפנון רוחב-פולס (PWM) מושרה-IGBT‏ מדוחפי VFD‏ עבור מנועים חשמליים
• GHz‏ 2.4‏ - פס התדרים לתעשייה, מדע ורפואה (ISM‏) עבור תקשורת אלחוטית

קראו עוד על יצירת שדות אלקטרומגנטיים על ידי מנועים, ממסרים, סולנואידים ומפעילים ועל המקרה הספציפי של הגנה על אפיקים טוריים RS-485 ממקורות EMI אלה במאמר DigiKey כיצד להגן על אפיקי RS-485 בסביבות תעשייתיות. תופעות אחרות של הפרעות כוללות נחשולים, טרנזיינטים מהירים ופריקה אלקטרוסטטית (כמו מ"חשמל סטטי" על אנשי המפעל בסביבות יבשות או כאלו ללא ריצוף אנטי-סטטי) וכן מכות ברק הנובעות ממזג אוויר קיצוני ליד המפעל.

איור 4‏: ל- Panel PC‏ PC1321BP‏ זה יש מסך-מגע קיבולי HMI. אלקטרוניקת הבקרה והמסך כוללים מסככים ואלמנטים אחרים למניעת RFI‏ מולך ומוקרן. (מקור התמונה: Maple Systems‏)

נבדוק את היישום הרועש-חשמלית של ריתוך קשת חשמלית. הריתוך ידוע לשמצה בייצור רעשים חשמליים ברוחב פס גבוה עקב:

• האנרגיה הגבוהה (הזרם) הקשור לתהליך הריתוך
• שינויי האימפדנס במהלך הריתוך

לכן ציוד ריתוך תעשייתי הפועל ליד כל קווי הספקת-כוח במפעל (או אפילו חולק הארקת קרקע עם ציוד אחר) יכול להפוך למקור EMI משמעותי ולהיצמד חשמלית עם התקנים אחרים - אפילו מאות מטרים משם. יש לכלול ציוד ואביזרים מיוחדים (במיוחד כבלים) בהתקנות כאלה כדי למנוע בעיות תפעוליות הקשורות ל- EMI.

מפרט ההתקנים ושגיאות התקנה שיש להימנע מהם

ברגע שהתקן מחובר בכבל למערכת האוטומטית הגדולה יותר, הוא יכול להציג תקשורת או התנהגויות ש-:

• רק נראות כקשורות ל- EMI‏
• קשורות למעשה ל- EMI‏

תסמינים של בעיות EMC יכולים לבוא לידי ביטוי כנפילת אות, יחס-אות-לרעש נמוך, הפרעות אותות וחוגי בקרה לא יציבים.

חיישנים המייצרים אותות אנלוגיים הם הרגישים ביותר לרעש, ולכן התקנים דיגיטליים דומים הם עדיפים לעיתים קרובות. אלו הם גרסות חיישנים המייצרים אותות דיגיטליים PWM, תדר או יציאה טורית שהם אטומים יותר ל- EMI. אזהרה אחת כאן היא שתדרי המיתוג הגבוהים של אותות דיגיטליים מסוימים יכולים לגרום ל- Ringing‏ (תנודות יציאת מתח או זרם) עם דעיכה אקספוננציאלית במעברים. Ringing‏ מסוג זה מתקנים לעתים קרובות באמצעות קבל ביטול-צימוד (Decoupling) קטן או נגד מנחית בקצה המקלט של מערכת החיישנים.

קראו עוד על ההבדל בין אותות התקנים אנלוגיים ודיגיטליים במאמר DigiKey‏ מודול למידה על ענייני כבלים.

במידת הזמינות, עדיפים חיישנים שיכולים להפיק יציאה דיפרנציאלית. חיישנים הפועלים באופן דיפרנציאלי (עם אות A בליווי האות ההפוך שלו /‏A‏) מונעים למעשה כל רעשי אופן-משותף (CM‏). מה שמקדם את חסינות EMI זו הלאה הם חוטי זוגות-מפותל אשר (כאשר הם מותקנים כראוי) קולטים רעש המושרה באותה מידה על שני החוטים לטובת דחיית רעש יעילה מקסימלית.

בצד האות של כבל החיישן, קיבוליות נמוכה היא קריטית עבור הקטנה למינימום של הרגישות ל- EMI. יתרון נוסף הוא שאותות עם קיבוליות נמוכה הנושאים נתונים מבוססי תדר יכולים לשמור בצורה הטובה ביותר על יציבותם של אותות דוחף היציאה עם שינוי תדר האותות. לעומת זאת, עודף קיבוליות יכול לגרום ל- Roll Off של האותות ולעתים להקטין את היציאה הכוללת אל מתחת לסף הגילוי. אפקט לסירוגין זה הוא לעיתים קרובות עדין למדי אך מאובחן בקלות עם אוסצילוסקופ.

בעולם מושלם, הכבלים מעבירים אותות הספקת-כוח וערכי ייחוס נקיים לחיישנים ולמפעילים. לאחר מכן הם מחזירים לבקר המערכת אותות סטטוס חיישן ומפעיל נקיים לחלוטין. ככל שזה נראה פשוט, כבלים המחוברים לחיישנים או למפעילים הם חלק משמעותי ופגיע במעגל החשמלי - ואזור עיקרי עבור רגישות EMI מוגדלת. הסיבה לכך היא שהם יכולים בנסיבות מסוימות להתנהג כמו אנטנות ארוכות.

טיפ לתכנון: התחשבו באובדן ההספק הנגרם כתוצאה מכבלים ארוכים במיוחד - כאלו העולים על 500 רגל בערך - במיוחד אם מוליכי הספקת-הכוח הם בקוטר של gage‏ 22 או קטנים יותר והזרם הוא של mW‏ 500‏ או יותר לכל התקן.

טיפ נוסף לחיבור נכון של חיישנים: יש להבין ולחבר בזהירות את המוליכים של צד הספקת-הכוח של הכבל ... חיבור אליו מתייחסים לרוב כמובן מאליו. עבור הרבה חיישנים ומפעילים, חיבור הספקת-כוח זה מספק ייחוס של 5 עד 28 וולט לדחיפת האותות שבסופו של דבר חוזרים לבקר. שני המוליכים של צד הספקת-הכוח של הכבל נקראים לעתים קרובות כוח והארקה. זה לא בהכרח נכון - ו- (אם תוויות אלה מציינות את גישת ההתקנה) יכולות להוביל לבעיות של הפרעות. נכון יותר יהיה לקרוא להארקה בצד הספקת-הכוח של החיישן הצד המשותף של האותות. הסיבה לכך היא שהחזרה של הספקת-הכוח מסתיימת בייחוס הפנימי של ספק-הכוח ... ולא בהארקה של המערכת. כאן, הארקה אמיתית קשורה לעיתים קרובות ל-:

• קיר הארון או
• תעלת חיווט שבהמשכה מובילה להארקת קרקע פיזית

הארקת קרקע זו יכולה לעיתים להיות בפוטנציאל שונה לעומת הצד המשותף של האותות. המשמעות היא שאם החזרה של האותות מחוברת ישירות להארקה, זרם יכול לזרום דרך קו הצד המשותף של האותות וליצור חוג הארקה - תוך קליטת רעשים לא-רצויים.

כמובן שכבל מסוכך במלואו יכול לשפר עוד יותר את תקינות צד הספקת-הכוח של התכן. סיכוך זה נותר בדרך כלל צף (לא מחובר) כדי לשמש ככלוב פאראדיי ולהגביל את ההספק המושרה בקווי הספקת-הכוח. אבל לפעמים ה- EMI הוא מספיק משמעותי כדי לחייב יותר מסתם סיכוך. פיתרון אחד הוא לחבר את מרזב (Drain) הסיכוך להארקת הקרקע בארון או בתעלה, המשמש כמסלול זליגה לכל עודף אנרגיה שעל הסיכוך לתוך ההארקה. רק לעתים רחוקות מומלץ לחבר סיכוך כזה בשני קצותיו מכיוון שקצה הציוד של הכבל נמצא לרוב בפוטנציאל שונה מקצה הספקת-הכוח, כלומר סיכוכים המחוברים בשני קצותיהם יכולים למעשה לגרום לזרימת זרם עודף. זה הדבר הבעייתי ביותר בזמן סופות ברקים כאשר פוטנציאל ההארקה יכול להשתנות במידה רבה ככל שמכות ברק פוגעות בקרקע ליד המפעל. במקרים שבהם מכלל כבלים נבנה בתוך-הבית, יש לנקוט באמצעי זהירות כדי להבטיח שהסיכוך מכסה את כל אורך הכבל ומתחבר לגוף המחבר - ומבטיח תקינות מקצה-לקצה של מאפייני סיכוך פאראדיי.

הערה אחרונה לשמירה על איכות אותות משוב: לאורך זמן מערכות אוטומטיות משופצות ומשודרגות לעיתים קרובות. בדרך כלל זה כולל הוספת התקנים לטובת יכולות מורכבות ומתוחכמות יותר. הסיכון הוא חיבור מספר מוגזם של התקנים להספקת-הכוח קיימת אחת ... מכיוון שזה עלול בתורו לגרום למפל מתח ולאותות שהולכים לאיבוד. זה מופיע כבעיה לסירוגין ונראה כמו נפילת האות עקב הפרעה הרסנית. ספקי-כוח עמוסים יתר על המידה הם שכיחים למדי, לכן בכל שדרוג, יש לוודא שספקי-הכוח הקיימים מסוגלים להתמודד עם העומס כאשר כל ההתקנים פעילים.

סיכום

גישות תכנון יסודיות ומחושבות היטב יכולות להניב פעולת התקן חסונה המתאימה לסביבות של אוטומציה תעשייתית. האזהרה היא שהתקנה נכונה של חיישנים ומפעילים דורשת התייחסות מדוקדקת לתוכניות החיבורים - ומניעת דגרדציה באיכות האות עקב EMI. ביצוע חיבורים סופיים עם כבלים ומחברים איכותיים יכול להבטיח פעולה חלקה בהתחלה ובמשך חיי המכונות האוטומטיות.