Tín hiệu quan tâm thường được trộn lẫn với tiếng ồn; đây là một cụm từ phổ biến thường áp dụng cho tiếng ồn ngẫu nhiên có nguồn gốc nhiệt. Điện áp tạp âm có thể được xác định bằng phổ tần số (công suất trên hertz) hoặc bằng phân bố biên độ của chúng. Một trong những loại nhiễu phổ biến nhất là nhiễu Gaussian trắng giới hạn dải, có nghĩa là tín hiệu có công suất trên mỗi hertz bằng nhau trong một số dải tần số và thể hiện biên độ Gaussian (hình chuông) khi nhiều phép đo tức thời về biên độ của nó là làm ra. Loại nhiễu này được tạo ra bởi một điện trở (nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist) và nó gây ra các loại phép đo nhạy cảm.
Nhiễu điện là gì?
Nhiễu điện xảy ra khi các tín hiệu điện tạo ra hiệu ứng không mong muốn trong các mạch điện tử của hệ thống điều khiển. Thuật ngữ “tiếng ồn điện” bắt nguồn từ đài AM khi “tiếng ồn” bên ngoài nghe được trong loa là do sét hoặc các nguồn hồ quang điện khác gây ra.
Nhiễu điện và ảnh hưởng của nó đối với bộ điều khiển rất khó xác định chứ chưa nói đến việc đưa ra các quy định chính xác về cách phòng tránh. Độ nhạy tiếng ồn là một yếu tố trong các thiết kế bộ điều khiển điện tử gần đây hơn. Tuy nhiên, phần lớn các vấn đề về tiếng ồn bắt nguồn từ các kỹ thuật và cách đi dây thô sơ cho phép “khớp nối” hoặc chuyển tiếng ồn điện vào mạch điều khiển.
Khi nào nó là một vấn đề?
Các vấn đề phát sinh từ môi trường nhiễu điện rất khó dự đoán. Một triệu chứng phổ biến là hệ thống hoạt động thất thường, không có bằng chứng về sự cố xuất hiện một cách nhất quán. Thậm chí tệ hơn, hệ thống có thể biểu hiện một số triệu chứng khác nhau như chỉ báo kỹ thuật số dao động, chỉ báo kỹ thuật số bị trống, điều khiển không ổn định về điểm đặt và đầu ra bật hoặc tắt đột ngột. Một “cờ đỏ” khác do nhiễu điện gây ra là khi giới hạn cao hoặc thấp ngắt mà không có tình trạng lỗi giới hạn.
Tại sao độ nhạy tiếng ồn điện là một vấn đề?
Mức độ chính xác của bộ điều khiển có thể phân biệt giữa các tín hiệu hệ thống mong muốn và nhiễu điện là một chỉ báo tốt về độ nhạy của nó với nhiễu. Nói chung, các bộ điều khiển công suất cao, chẳng hạn như rơle cơ học hoặc rơle dịch chuyển thủy ngân, có độ nhạy tiếng ồn thấp. Tuy nhiên, bộ điều khiển công suất sử dụng logic điện tử, đặc biệt là bộ điều khiển sử dụng mạch tích hợp, nhạy cảm hơn với nhiễu.
Sự phát triển của tất cả các bộ điều khiển trạng thái rắn, điện tử đã cải thiện độ chính xác của điều khiển và mở rộng khả năng của chúng. Các bộ điều khiển này phức tạp hơn và hoạt động ở mức năng lượng rất thấp, điều này làm cho tiếng ồn điện có nhiều khả năng ảnh hưởng đến chúng hơn.
Tiếng ồn điện đến từ đâu?
Thế giới công nghiệp của chúng ta có đầy đủ các thiết bị có khả năng tạo ra nhiều loại nhiễu điện. Nguồn nhiễu điển hình là bất kỳ phần nào của thiết bị có thể gây ra hoặc tạo ra những thay đổi biên độ rất nhanh hoặc lớn về điện áp hoặc dòng điện khi bật và tắt.
Nguồn tiếng ồn:
- Công tắc và tiếp điểm rơle vận hành các tải cảm ứng như động cơ, cuộn dây, cuộn dây điện từ và rơle
- Thyristor hoặc các thiết bị bán dẫn khác không được kích hoạt liên tục (thiết bị được kích hoạt ngẫu nhiên hoặc kích hoạt theo góc pha)
- Tất cả các máy hàn
- Dây dẫn mang dòng điện nặng
- Đèn huỳnh quang và đèn neon
- Điện áp nhiệt giữa các kim loại khác nhau ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào cặp nhiệt điện áp thấp
- Điện áp hóa học được tạo ra bởi tác động của chất điện phân giữa các dây dẫn được kết nối kém và cáp kết nối
- Nhiễu nhiệt do tăng nhiệt độ môi trường xung quanh mạch điện tử.
Tiếng ồn cũng có thể được đưa vào nếu mạch điều khiển bao gồm tùy chọn đầu ra rơle cơ học và được sử dụng để chuyển đổi dòng điện tải cao trên hai hoặc ba ampe. Điều này gây ra tiếng ồn đáng kể, bao gồm tiếng ồn cảm ứng từ cuộn dây và hồ quang tiếp xúc, tùy thuộc vào lượng điện năng được đưa vào bên trong bộ điều khiển.
Làm thế nào để tiếng ồn điện xâm nhập?
Mạch điều khiển phải được xem xét trên toàn bộ hệ thống trong môi trường nhiễu điện. Các đường đầu vào và đầu ra nguồn của cảm biến, cũng như đường nguồn điện, tất cả đều có khả năng ghép nối hoặc liên kết mạch điều khiển với nguồn nhiễu.
Tùy thuộc vào loại tiếng ồn điện và cường độ của nó, tiếng ồn có thể được ghép nối với các thiết bị khác bằng một trong bốn phương pháp sau:
1. Khớp nối trở kháng chung
Khớp nối trở kháng chung xảy ra khi hai mạch chia sẻ một dây dẫn hoặc trở kháng chung (thậm chí cả nguồn điện chung). Loại khớp nối này thường xuất hiện trong các hệ thống lắp đặt có dây trung tính hoặc dây nối đất chung dài. Một ví dụ sẽ là năm tiếp điểm rơle vận hành năm cuộn dây điện từ riêng biệt trong đó việc chuyển mạch chạy phụ thuộc. Các đường hồi lưu từ tất cả các solenoid được kết nối với nhau và chạy trở lại nguồn điện bằng một dây dẫn.
Ví dụ về khớp nối trở kháng này có xu hướng tạo ra nhiễu trong các mạch không có nhiễu hoặc khuếch đại nhiễu từ một hoặc nhiều mạch chia sẻ đường dây chung. Cách tốt nhất để ngăn chặn loại khớp nối này là loại bỏ đường dây chung và sử dụng các dây dẫn độc lập cho mỗi mạch hồi lưu.
Một vấn đề nhiễu khác liên quan đến khớp nối trở kháng chung là vòng tiếp đất. Các vòng nối đất xảy ra khi tồn tại nhiều đường dẫn cho dòng điện nối đất. Các đường hồi điện từ không chỉ nên được chạy dưới dạng các dây dẫn độc lập đến cùng một điểm điện thế, mà chúng còn phải được kết thúc tại cùng một điểm vật lý.
Theo cách tương tự, các đường nối đất an toàn phải được trả về cùng một điểm điện và vật lý. Nối đất an toàn (chassis ground) không bao giờ được mang dòng điện trở lại.
2. Khớp nối cảm ứng từ
Khớp nối từ tính (quy nạp) thường xuất hiện khi có các dây chạy song song hoặc ở gần nhau. Điều này xảy ra khi các dây từ một số mạch khác nhau được nhóm lại với nhau để làm cho hệ thống đi dây trông gọn gàng. Tuy nhiên, nếu không có lớp cách ly và che chắn dây thích hợp, khớp nối từ tính sẽ gây ra các vấn đề nhiễu nghiêm trọng vào các mạch nhạy cảm (mức điện áp thấp).
Cách tốt nhất để loại bỏ khớp nối từ tính (cảm ứng) là chạy các dây dẫn từ các mạch riêng biệt thành các bó riêng biệt, đặc biệt cẩn thận để giữ cho dây ac (mức điện áp cao) tách biệt với dây dc (mức điện áp thấp). Nếu có thể, nên sử dụng dây dẫn xoắn đôi và cáp che chắn (chỉ kết thúc màn chắn ở đầu bộ điều khiển) để giảm ghép nối từ tính của nhiễu.
3. Khớp nối tĩnh điện (điện dung)
Khớp nối tĩnh điện (điện dung) xuất hiện khi các dây chạy song song với nhau, tương tự như khớp nối từ tính. Đó là nơi những điểm tương đồng kết thúc. Khớp nối tĩnh điện, hoặc điện dung, là một hàm của khoảng cách các dây chạy song song với nhau, khoảng cách giữa các dây và đường kính dây. Cách hiệu quả nhất để giảm khớp nối tĩnh điện (điện dung) là che chắn đúng cách cho dây chạy. Một lần nữa, việc tách dây mang tín hiệu ac (mức điện áp cao) và dây mang tín hiệu dc (mức điện áp thấp) sẽ giúp giảm nhiễu hiệu quả trong các mạch nhạy cảm.
4. Khớp nối điện từ (bức xạ)
Ghép điện từ (bức xạ) xảy ra khi mạch điều khiển ở rất gần nguồn năng lượng cao có khả năng cảm ứng từ hoặc tĩnh điện của điện áp. Các nguồn phổ biến của bức xạ như vậy là các tháp phát sóng truyền hình hoặc đài phát thanh.
Trong các ứng dụng công nghiệp, không có gì lạ khi nhiễu tần số vô tuyến được ghép vào các mạch liên lạc hoặc đo lường nhạy cảm khi hệ thống dây điện ở gần các nguồn RFI như công tắc tơ. Các nguồn RFI tiềm năng khác bao gồm các rơle cơ học gặp hồ quang điện khi chuyển mạch, bộ điều khiển công suất SCR khi vận hành với phương pháp kích hoạt góc pha, động cơ và nhiều nguồn khác. Cũng rất khó để loại bỏ nếu có, bởi vì việc che chắn phải hoàn thành 100%.
Lưu ý: Cần đặc biệt chú ý đến đường dây điện xoay chiều vì đây là nguồn gây ra các loại sự cố bất thường liên quan đến tiếng ồn trong các mạch điều khiển. Các hiện tượng như đường dây điện không cân bằng, mất điện, tăng điện áp, sét và nguồn điện đầu vào “bẩn” khác có thể khiến đường dây cung cấp điện xoay chiều dao động và giảm xuống dưới mức thông số kỹ thuật hoạt động trong giây lát đối với đầu vào xoay chiều của mạch điều khiển.
Khi loại tiếng ồn trên đường dây cung cấp điện xoay chiều có thể được xác định là hoàn toàn là tiếng ồn điện và nó không làm giảm mức điện áp đường dây, thì có thể mua các thiết bị lọc đường dây để giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, nếu điện áp tăng đột biến, mất điện, kích thước dây không phù hợp, v.v., khiến điện áp đường dây xoay chiều giảm xuống dưới mức khuyến nghị của nhà sản xuất mạch điều khiển, giải pháp duy nhất là điều chỉnh kích thước dây hoặc phân phối điện áp.
Các cách tránh nhiễu điện
- Đảm bảo thiết bị được nối đất đúng cách theo hướng dẫn của nhà sản xuất
- Hãy chắc chắn rằng mặt đất là mặt đất tốt
- Định tuyến tín hiệu liên lạc và cảm biến điện áp thấp riêng biệt với hệ thống dây điện xoay chiều
- Sử dụng rơle trạng thái rắn (SSR) thay vì rơle điện cơ hoặc gắn rơle cách xa các thiết bị nhạy cảm
