O Paskudztwach I Czarodziejach

Transcript

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