Yhteismuotoiset häiriöt ja maalenkit

Petteri Aimonen

Omatekoisen moottoriohjaimen kakkosversio oli menestys, ainakin kotipöydällä testattuna. Mutta kun kytkin sen kiinni varsinaiseen ohjaus-PC:hen, ilmestyi jostain sähköisiä häiriöpulsseja sotkemaan koko homman. Selvittelyn jälkeen syyksi paljastui pieni puute maadoituksessa ja siitä seurannut yhteismuotoinen häiriö. Sähkömagneettiset häiriöt ovat hyvin monimutkainen aihe, johon törmää arkielämässäkin aina silloin tällöin. Esittelen tässä joitakin tapoja miten niitä voi selvitellä.

Sähköiset häiriöt voidaan jaotella yhteismuotoisiin ja eromuotoisiin. Näistä eromuotoiset ovat melko selkeitä: häiriö kulkee samaa reittiä kuin esimerkiksi laitteen virransyöttö tai signaalikaapeli. Yhteismuotoiset häiriöt sen sijaan menevät yhtä kaapelia pitkin yhteen suuntaan, ja jatkavat eteenpäin jotain muuta reittiä – monesti reitin varrella on myös kapasitiivista kytkeytymistä tai esimerkiksi sähköverkon suojamaajohdin. Niimpä etenkin audiolaitteiden yhteydessä on alettu puhumaan maalenkeistä, joita koitetaan katkaista galvaanisella erotuksella tai vähentää niiden vaikutusta käyttämällä differentiaalisia signaaleita.

CNC-jyrsimessä häiriönsieto on paljon suurempi: audiosignaaleissa 0.001 voltin häiriö kuuluu jo selvästi, mutta CNC:n digitaalisignaaleissa edes 1 voltin häiriöpiikki ei vielä riitä muuttamaan signaalin tilaa. Toisaalta käytettävät tehot ja taajuudet ovat myös korkeampia. Jostain ilmestyi moottoriohjaimen signaaleihin yli 2 voltin häiriöpiikkejä kun moottoria ajoi täydellä 48 voltin jännitteellä.

Koska ohjaussignaalit on optoerottimilla eristetty virransyötöstä, voisi äkkiseltään ajatella etteivät tehosähköpuolen häiriöt pääse signaalijohtimiin. Kuitenkin minkä tahansa lähekkäin olevien johtimien välillä on kapasitanssia. Samassa kaapelissa kulkeville johtimille kapasitanssi on yleensä 100pF/m luokkaa. Testailujen jälkeen häiriön reitti lopulta selvisi. Juurisyy oli siinä, etten ollut vielä maadoittanut moottorin runkoa. Kun moottoriohjain pätki moottorille kulkevaa 48V syöttöä PWM-signaalin tahdissa, aiheutti moottorin käämien ja rungon välinen kapasitanssi sen, että runko heilui 0 ja 24 voltin välillä. Moottori puolestaan oli betonilattialla, josta on aika hyvä kapasitiivinen kytkeytyminen maahan.

Sähkövirta, mukaanlukien häiriöt, kulkee aina silmukassa. Aina moottoriohjaimen ulostulojännitteen muuttuessa kapasitanssien kautta kulki lyhyt mutta nopea häiriövirtapiikki moottorin kautta maahan. Mitä reittiä virtasilmukka sulkeutuu? Virtalähteessä on jonkin verran kapasitanssia maahan, joten osa häiriövirrasta palaa sitä kautta. Matkalla tapahtuu kuitenkin jännitehäviötä, jolloin virransyöttöjohdinten jännite suhteessa maapotentiaaliin nousee n. 100 nanosekunnin ajaksi. Tämä jännitepiikki puolestaan löytää hajakapasitanssin kautta reitin viereisiin signaalijohtimiin, joista puolestaan on maadoitetun PC:n kautta helppo reitti maahan.

Tällaisen häiriökytkeytymisen selvittäminen oskilloskoopin jännitemittauksella on erittäin tuskastuttavaa. Jos mittaat mitkä tahansa kaksi erillään olevaa kohtaa kytkennästä, näet saman häiriöpulssin enemmän tai vähemmän voimakkaana. Jos taas mittaat vierekkäiset pisteet joiden välillä on vain lyhyt matka johtoa, ei näy minkäänlaista häiriötä. Hämmennys johtuu jännitemittauksen luonteesta: se on oikeasti virtamittaus, jossa sähkölle tarjotaan uusi reitti oskilloskoopin läpi ja mitataan kuinka suuri virta sitä kautta kulkee. Samalla kuitenkin kytkennän toiminta muuttuu, eikä nähdä mitä reittiä virta alunperin kulki.

Häiriöiden selvittämiseen paljon kätevämpi on suora virtamittaus. Vaihtovirralle, jollaista myös häiriöpulssit ovat, voidaan käyttää virtamuuntajaa. Näitä myydään valmiina ja kalibroituna, mutta yksinkertaisen mallin voi tehdä itse: otetaan ferriittirengas ja kytketään oskilloskoopin mittapään johdin sen läpi. Nyt ferriittirenkaan läpi voi viedä yhden tai useamman johtimen, ja oskilloskooppi mittaa näissä kulkevien virtojen summan. Vaihtamalla johtimien suuntia tai kiertämällä ne renkaan läpi useamman kerran voidaan tehdä myös vähennys- ja kertolaskuja – tällä periaatteella toimii myös 60-luvun ferriittirengasmuisti. Häiriöiden selvityksessä riittää kuitenkin seurata virran reittiä ja tutkia kulkeeko se samaa reittiä takaisin vai jostain muualta.

Virtamuuntajalla on helppo selvittää onko häiriö yhteismuotoinen vai eromuotoinen. Eromuotoinen häiriö näkyy kun mitataan yhtä johdinta kaapelista, mutta katoaa jos mitataan koko kaapelin virtaa – eri suuntiin kulkevat virrat kumoavat muuntajassa toisensa. Yhteismuotoinen häiriö puolestaan näkyy jokaisessa yksittäisessä johtimessa sekä vielä voimakkaampana koko kaapelissa, koska eri johtimien virrat ovat samansuuntaisia ja summautuvat.

Mittaamalla jokaisen kaapelin voi näin selvittää yhteismuotoisen häiriövirran koko reitin. Tässä tapauksessa tajusin ongelman jo havaittuani virransyötölle menevässä kaapelissa yhteismuotoisen häiriön, ja varmistin sen yksinkertaisella testillä. Alla olevassa videossa oskilloskooppi mittaa virtakaapelin yhteismuotoista virtaa. Häiriöpulssi katoaa, kun kosken moottoriohjaimen maadoitetulla jäähdytyselementillä moottorin runkoa.

Ongelman korjaus tässä tapauksessa on maadoittaa moottorin rungon lisäksi signaalikaapelien suojamaat jo kytkentärasiassa. Näin mahdollisimman suuri osa häiriövirroista kulkee suojamaajohtimessa varsinaisten signaalijohtimien sijaan.

Jätä kommentti