Elektronika 
 
Zakłócenia zasilania układów elektrycznych
Melin i Zefir
Gdy zaczynamy przygodę z elektroniką, nie zdajemy sobie sprawy jak istotne może być poprawne podłączenie zasilania lub masy czy też sposób w jaki prowadzimy sygnał. Często nasza wiedza z zakresu elektroniki pochodzi tylko ze szkoły, w której jeśli mówiło się coś o obwodach prądu zmiennego, to było tego na prawdę niewiele, a o pojemnościach indukcyjnościach i oporach pasożytniczych nikt nie próbował wspominać.

Pamiętam jakim było dla mnie zaskoczeniem gdy zobaczyłem sposób montażu głowicy UHF, która była złożona w metalowym pudełku mającym kilka przegródek, w których umieszczono jako cewki – kawałki drutu idące od jednej do drugiej ścianki (pudełka miały ściśle określone wymiary) a elementy elektroniczne były do nich lutowane w ściśle określonych miejscach. Cóż, prosty kawałek drutu dla bardzo wysokich częstotliwości – zachowuje się jak rezonator, a nawet najkrótsze proste przewody – mają znacząca indukcyjność. No ale to jest świat wielkich częstotliwości – takich gdzie wielkość układu elektronicznego jest porównywalna z długością fali. Dla fali akustycznej i jej elektrycznej reprezentacji nie ma to przecież znaczenia, ze względu na długość fali elektromagnetycznej odpowiadającej akustycznych częstotliwości mieści się w zakresie 18-18000km. To nie są długości fali które mogłyby odpowiadać rozmiarom naszego urządzenia. Dlatego indukcyjność ścieżek możemy spokojnie pominąć, podobnie jak pojemności pomiędzy poszczególnymi elementami i przewodami które mają wartość rzędy ułamka pikofarada.

Problemy mogą się jednak pojawić w dwóch przypadkach: przy układach cyfrowych i przy pracy z dużymi natężeniami prądu. W pierwszym przypadku, sygnały cyfrowe charakteryzują się skokowymi zmianami napięć – które zawierają także bardzo wysokie częstotliwości1, gdy pojemności i indukcyjności połączeń nie można zaniedbać – podobnie jak przenikania sygnałów do przewodów idących równolegle.

W przypadku drugim, któremu chciałbym poświęcić więcej uwagi – problemem są oporności przewodów, które nawet jeśli są bardzo małe, powodują stosunkowo duże spadki napięć przy dużych prądach. Do zrozumienia tego co się dzieje w obwodzie w takich warunkach – wystarczy nam wiedza wyniesiona ze szkoły. Musimy tylko zauważyć jedną rzecz – że niektóre odbiorniki prądu, przy tym samym napięciu zasilającym pobierają prąd o różnej wartości. Przykładem takich układów mogą być wzmacniacze mocy które przy mocy 10W, i obciążeniu 8Ω pobierają średni prąd 1A (szytowy 2A, minimalne – w zasadzie 0A). Jeśli z tego samego zasilacza będziemy zasilać także inne układy – na przykład przedwzmacniacz – to podłączenie układu zasilania będzie miało znaczenie. Przyjrzyjmy się dwóm przypadkom – połączenia

 

Jeśli potraktujemy przewody jako idealne przewodniki – nie ma tu problemu, ale jeśli zaznaczymy jeszcze oporności przewodów…

 

Sytuacja nieco się zmienia. Przerysujmy nieco nasz pierwszy schemat, a zauważymy, że układ A, będzie zasilany napięciem zmiennym – na napięcie zasilania nałożą się zakłócenia od układu B – pobierającego zmienny prąd.

Jeśli układ A pracuje jako wzmacniacz prądowy – tak jak końcówka mocy wzmacniacza akustycznego – nie ma problemu – bo jest niewrażliwa na zmiany napięcia zasilania. Podobnie – jeśli układ wzmacniacza napięciowego zbudowano na układzie wagi prądowej – czyli wzmacniacza różnicowego. Problem zaczyna się w przypadku gdy układ ten zawiera wzmacniacz napięciowy zbudowany na pojedynczym tranzystorze, którego baza jest polaryzowana napięciem zasilania. W takim wypadku zakłócenia przenikające przez przewód zasilania maja poważny wpływ na pracę wzmacniacza, i nawet niewielkie zmiany napięcia przekładają się na duże zmiany napięcia wyjściowego wprowadzając zniekształcenia nieliniowe lub powodując wzbudzenie układu który przestanie działać jak wzmacniacz a zaczyna jak generator – często poza zakresem częstotliwości akustycznych2

Rózne układy wzmaczniaczy: A - wzmaczniacz prądowy pracujacy w układzie powtarzania napięcia; B - wzmaczniacz róznicowy; C - Prosty wzmaczniacz napięciowy na pojedynczym tranzystorze

O ile zmiana poziomu napięcia zasilania nie jest czymś z czym nie można sobie poradzić, o tyle zmiana poziomu na masie poszczególnych modułów jest poważnym problemem, którego nie da się łatwo ominąć. Potencjał masy jest poziomem odniesienia sygnału i pozwolenie by ten poziom odniesienia „pływał” i miał różną wartość prowadzi do poważnych problemów. To dlatego we wzmacniaczach akustycznych tak dużo się mówi o poprowadzeniu masy wszystkich układów do jednego punktu – wspólnego punktu połączenia mas. Ponadto, wewnątrz każdego modułu połaczenia masy wykonywane są najgrubszymi przewodami lub najszerszymi ścieżkami - najlepiej takimi które obejmują jak największą powierzchnię płytki drukowanej.

Podobny problem możemy spotkać w układach z silnikami prądu stałego, które przełączając sekcje elektromagnesów włączają i wyłączają obciążenia o charakterze indukcyjnym – a więc takim w którym po włączeniu prąd zmienia się w czasie

Nie jest przy tym istotne, czy przełączania dokonuje się przy pomocy komutatora czy też na drodze elektronicznej. Zmiany poboru prądu, które w przypadku silników elektrycznych napędzających drony dochodzą do kilkudziesięciu amperów. To dlatego stosuje się do ich zasilania specjalne kable o bardzo niskim oporze i podłącza się je bezpośrednio do baterii, podczas gdy elektronika sterujące dronem jest wyposażona w filtr i stabilizator napięcia zasilania który nie dopuszcza do przenikania zakłóceń, które w przypadku układów cyfrowych, czułych jedynie na skrajne napięcia nie są aż takim problemem.


1
 Patrz: analiza Fouriera fali prostokątnej
2
 Dźwięk na wyjściu jest silnie zniekształcony a wzmacniacz mocy dość silnie się grzeje
 
Opinie
 
Facebook
 
  
26868 wyświetleń

numer 8/2016
2016-08-01

Od redakcji
Dla młodszych
Felieton
Fizyka
Literatura
Matematyka
Psychologia
Rozmaitości
Sztuka
Sztuka życia
Wakacje

nowyOlimp.net na Twitterze

nowy Olimp - internetowe czasopismo naukowe dla młodzieży.
Kolegium redakcyjne: gaja@nowyolimp.net; hefajstos@nowyolimp.net