Sähköjärjestelmien nopean kehityksen myötä elektroniset jännitteennäyttimet (EVT) ovat olennaisia mittalaitteita sähköjärjestelmissä. Niiden suorituskyvyn vakaus ja luotettavuus ovat ratkaisevia sähköjärjestelmien turvallisen ja vakauden toiminnan kannalta. Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC), joka on yksi EVTeihin liittyvistä keskeisistä indikaattoreista, on suoraan yhteydessä laitteen kykyyn toimia normaalisti monimutkaisissa sähkömagneettisissa ympäristöissä sekä siihen, aiheuttaako se sähkömagneettista häiriintä muille laitteille. Syväpohjainen tutkimus ja suunnittelu EVTeihin liittyvään EMC-ominaisuuteen on erittäin tärkeää parantamaan sähköjärjestelmien kokonaisvakautta ja turvallisuutta.
1 Elektronisten jännitteennäyttimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden yleiskatsaus
1.1 Sähkömagneettisen yhteensopivuuden määritelmä ja vaatimukset
Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) viittaa laitteen tai järjestelmän kykyyn toimia normaalisti ilman häiriintä tietyssä sähkömagneettisessa ympäristössä eikä aiheuttaa sietämätöntä sähkömagneettista häiriintää muille asioille ympäristössä. EVTeillä on säilytettävä vakaa mittauskyky monimutkaisissa sähkömagneettisissa ympäristöissä eikä ne saa aiheuttaa sähkömagneettista häiriintää muille laitteille. Siksi EVTeiden suunnittelussa ja valmistuksessa on otettava huomioon EMC-ominaisuus ja laadittava sopivat suoja- ja varotoimet.
1.2 Elektronisten jännitteennäyttimien toimintaperiaate
EVTeet käyttävät sähkömagneettisen induktioperiaatetta ja tarkkuismittausteknologiaa muuttaakseen sähköjärjestelmissä olevia korkeajännite-signalteita alijännite-signalteiksi. Ne koostuvat yleensä ensimmäisestä anturista, toisesta muuntokierrosta ja signaalinkäsittelyyksiköstä. Ensimmäinen anturi vastaa korkeajännite-signaalien muuntamisesta vähäisiin sähkö/volt-signalteihin, jotka ovat verrannollisia ensimmäiseen jännitteeseen; toinen muuntokierros muuntaa vähäiset signalit standardi-digitaalisiin/analogisiin signalteihin; signaalinkäsittelyyksikkö parantaa mittauksen tarkkuutta ja vakautta suodattamalla, vahvistamalla ja kalibroimalla. EVTeitä voi olla erilaisia muodoissa, kuten yksikanavan/monikanavan jännitteiden mittaukseen tarkoitettuja elektronisia jännitteennäyttimiä, yksikanavan/monikanavan virran mittaukseen tarkoitettuja elektronisia virranmittareita tai integroituja muuntajia, jotka mitaavat yksisuuntaisen jännitteen, virran ja vastaavan tehon samanaikaisesti, kuten kuvassa 1 näkyy.
1.3 Sähkömagneettisen häiriintä ja sähkömagneettisen herkkyys analyysi
EVTeet ovat alttiita ulkoiselle sähkömagneettiselle häiriintälle, kuten salaman iskujen ja kytkentätoimintojen väliaikaisille ylikirjoille, jotka voivat aiheuttaa ongelmia, kuten mittausvirheiden kasvun ja epävakaita dataa; samaan aikaan EVTeiden itse tuottamat korkeataajuisten harmonisten ja sähkömagneettisten säteilyjen voivat häiritä muita sähkölaitteita. Siksi EVTeiden suunnittelussa on täysin harkittava sähkömagneettisen häiriintä ja sähkömagneettisen herkkyys kysymyksiä, ja otettava käyttöön hillitsemis- ja suojaustoimenpiteitä.
EVTeiden EMC-ominaisuuden testaus on avainasemassa sen varmistamisessa, että ne toimivat stabiilisti ja tarkasti todellisessa käytössä. Se keskittyy häiriintäkestävyyteen ja luokittelee arviointiperusteet luokkiin A ja B häiriintätestitulosten vakavuuden mukaan:
2 Elektronisten jännitteennäyttimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden ominaisuustestien analyysi
2.1 Testisisältö ja arviointiperusteet
Luokka A: Vaatii, että kun EVTeihin kohdistuu sähkömagneettinen häiriintä, mittaus tarkkuus pysyy määrittelemässä rajassa, ja ulostulojännite on yhtenevä todellisen arvon kanssa eikä vaikuta sähköjärjestelmän valvontaan ja hallintaan.
Luokka B: Sallii tilapäisen mittauskyvyn (osan, joka ei liity suojaan) laskun EVTeissä, mutta se ei saa vaikuttaa suojatoimintojen toteuttamiseen, ja laitteeseen ei tarvitse nollata/uudelleenkäynnistää; ulostulojännite on pidettävä hallinnassa 500V sisällä välttääksesi häiriintää sähköjärjestelmässä.
2.2 Konduktoidun häiriintätestit
Konduktoidun häiriintä leviää johtavia reittejä, kuten johtoja ja metalliputkia, kautta ja on yksi pääasiallisista sähkömagneettisista häiriintä, joihin EVTeet joutuvat. Se sisältää kaksi testityyppiä:
Elektroniikan nopea transitorinen/purkaus testi: Simuloi transitori-häiriintä (laaja taajuuspektri) silloin, kun induktiiviset kuormat, kuten relaidit ja kontaktorit, katkaistaan. Soveltaa nopeatransitorisen purkauksen EVT:hen, havaitsee ulostulojännitteen vakauden ja tarkkuuden, ja arvioi häiriintäkestävyyttä.
Surge (vaikutus) immuunisuustesti: Simuloi kytkentätoimintojen ja salaman iskujen aiheuttamat väliaikaiset ylikirjat/ylikirjoitukset (suuri energia ja lyhyt kesto). Soveltaa tietyllä amplitudilla surgen jännitteen EVT:hen testatakseen laitteen kestokykyä ja suorituskyvyn vakauden.
2.3 Radioidun häiriintätestit
Se sisältää neljä testityyppiä eri sähkömagneettisten ympäristöjen häiriintä simuloimiseksi:
Verkkotaajuinen magneettikenttä immuunisuustesti: Soveltaa tietyllä intensiteetillä verkkotaajuista magneettikenttää EVT:hen, havaitsee ulostulojännitteen vakauden ja tarkkuuden, ja arvioi häiriintäkestävyyttä verkkotaajuista magneettikenttäympäristössä.
Dämpitty heilahtava magneettikenttä immuunisuustesti: Simuloi dämpitty heilahtava magneettikenttä (nopea heikentyminen ja korkea taajuus), joka syntyy, kun korkeajännite-aseman erottaja vaihtaa busseja. Soveltaa vastaavaa magneettikenttää EVT:hen testatakseen mittausominaisuuden vakautta.
Pulssi magneettikenttä immuunisuustesti: Simuloi pulssi magneettikenttä (nopea nousu ja korkea huippuarvo), joka syntyy, kun salama osuu metalliosiin. Soveltaa pulssimagneettikenttää EVT:hen tarkistaakseen, onko laitteen eristyskyky ja mittaus tarkkuus vaarantunut.
Radiofrekvenssi radioidun sähkömagneettisen kentän immuunisuustesti: Simuloi teollisen sähkömagneettisen lähteen, radiolähetysten/mobiiliviestintäverkkojen parasitoidun säteilyn. Soveltaa radiofrekvenssillä sähkömagneettisen kentän tietyllä intensiteetillä EVT:hen, havaitsee ulostulo signaalin vakauden, ja arvioi häiriintäkestävyyttä.
3 Elektronisten jännitteennäyttimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden suunnitteluperiaatteet
3.1 Piirisuunnitteluperiaatteet
Kiiltävä maasuunnittelu: Käytä kiiltävää maateknologiaa eristääksesi piirisignaalireitit kotelosta, estoaksesi häiriintävirtauksen koppeluksen kotelosta signaalipiiriin, vähentääksesi melua ja parantaaksesi signaalin tarkkuutta ja vakautta.
Järkevä johtojärjestely: Optimoi virtalähteiden, maiden ja signaalijohtojen asettelua. Vähennä johtojen rinnakkaisjakautumista ja minimoi johtojen välisen koppeluhäiriintä menetelmin, kuten kerrostetty johtaminen ja ortogonaalinen johtaminen.
Suodatuskytkimen suunnittelu: Määritä suodatuskytkimet moduulin virtalähteen syöttöpuolelle. Valitse kytkimet kapasiteettiarvon, jännitekestävyyden ja taajuusominaisuuksien perusteella suodattaaksesi virtalähteen tuomat korkeataajuisten melun ja häiriintä.
Matalan logiikan suunnittelu: Anna etusija matalan logiikan laitteille (kuten 3.3V-tason laitteille) välttääksesi tarpeettomia korkeita logiikan tasoa, vähentääksesi piirin energiankulutusta ja korkeataajuisten häiriintä syntymistä.
Nousu/laskuajan hallinta: Valitse hitaimpi mahdollinen nousu/laskuaika, jonka piirifunktio sallii, hillitäksesi tarpeettomia korkeataajuisten komponenttien syntymistä, vähentääksesi korkeataajuista melua piirissä ja parantaaksesi signaalin vakautta ja tarkkuutta.
3.2 Sisäisen rakenteen suunnitteluperiaatteet
Täysin suljettu suojakerroksellinen rakenne: Kotelon kuori käyttää täysin suljetun suojakerroksellisen suunnittelun, varmistaakseen hyvän yhteyden ja maan jokaisella pinnalla, estääksesi ulkopuolisen sähkömagneettisen kentän häiriintä ja suojellaksesi sisäisiä sähköpiirejä.
Näkyvän johtojen minimointi: Lyhennä näkyvien johtojen pituutta kotelossa optimoimalla asettelua ja järkevästi sijoittamalla komponentteja vähentääksesi sähkömagneettista säteilyä ja koppeluhäiriintä.
Johtojen ryhmäsitominen: Sitomaa johtoja signaalityypin mukaan (erottele digitaaliset ja analogiset signaalit) ja pidä niitä tietyllä etäisyydellä vähentääksesi johtojen välisen vaikutuksen ja parantaaksesi signaalin selkeyttä ja tarkkuutta.
Johtava liima yhdistämisessä: Käytä johtavaa liimatetta yhdistämään kotelon rajapinnoilla varmistaaksesi sähköisen yhteyden ja suojakerroksen tehoa, vähentääksesi kosketusresistanssia ja parantaaksesi suojakerroksen tehokkuutta.
4 Strategiat elektronisten jännitteennäyttimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden parantamiseksi
4.1 Virtaliitoksen häiriintävastainen suunnittelu
Asenna virtasuodattimet: Valitse sopivat virtasuodattimet EVT:n nimittäjätehoon ja työympäristöön, ja asenna ne lähelle virtasyöttöä suodattaaksesi korkeataajuisten melun ja väliaikaiset pulssit ja varmistaaksesi virtan puhtauden.
Ota käyttöön päällekkäinen virtasuunnittelu: Määritä useita virtamoduuleja. Kun yksi moduuli epäonnistuu, muut moduulit nopeasti ottavat virran toimituksen hoitaakseen, parantaen virtantuksen luotettavuutta, häiriintävastaisuutta ja EVT:n kokonaisvakautta.
Vahvista virtajohtojen suojakerroksen ja maan: Käytä suojakerroksellisia kaapeleita ympäröidäksesi virtajohtoja vähentääksesi sähkömagneettista säteilyä ja koppeluhäiriintä; varmista hyvä maayhteys johtoihin, jotta häiriintävirtaukset voidaan ohjata maahan, ja vältä kahingoittaa EVT:tä.
4.2 Signaaliliitoksien elektrostaattinen levottomuuden suoja
Asenna tilapäishäiriintä absorboivat laitteet: Valitse sopivat tilapäishäiriintä absorboivat diodit (TVS), variistorit ja muut laitteet. Nämä laitteet voivat nopeasti absorboida energiaa elektrostaattisessa levottomuudessa, hallita jännitettä turvallisella tasolla ja suojella sisäisiä sähkökomponentteja.
Ota käyttöön differentiaalisen signaalinsyöttömenetelmä: Jaa signaali positiiviseen ja negatiiviseen kanavaan differentiaaliseen siirtoon. Käytä kanavien välisen signaalin erotusta poimimaan tehokasta tietoa, vastustaaksesi yhteisvärimäistä häiriintä, parantaaksesi signaalinsyöttön laatua ja vähentääksesi elektrostaattisen levottomuuden häiriintä.
4.3 Kotelon suojakerroksen tehon optimointi
Valitse korkean permeabiliteetin materiaalit: Anna etusija korkean permeabiliteetin materiaaleille, kuten teräslevylle, kotelon valmistukseen, vahvistaaksesi magneettikentän suojakerroksen kykyä, absortoida ja levittää magneettikentän energiaa, ja vähentää häiriintä EVT:n sisälle (metallien suhteellinen permeabiliteetti on esitetty taulukossa 1).
Optimo kotelorakenteen suunnittelua: Ota käyttöön täysin suljettu suojakerroksellinen rakenne varmistaaksesi hyvän yhteyden ja maan jokaisella kotelon pinnalla ja vahvista suojakerroksen tehoa.
Vahvista kotelon maan käsittelyä: Varmista luotettava maayhteys kotelon ja maan välillä, jotta häiriintävirtaukset voidaan ohjata maahan, ja paranna suojakerroksen tehokkuutta.
5 Yhteenveto
Tässä artikkelissa on tehty syvällistä tutkimusta EVTeiden EMC-ominaisuudesta, ehdotettu periaatteita piirisuunnittelun ja sisäisen rakenteen suunnittelun näkökulmasta, ja laadittu strategioita, kuten virtaliitoksen häiriintävastainen suunnittelu, signaaliliitosten elektrostaattinen suoja, ja kotelon suojakerroksen optimointi. Tavoitteena on parantaa EVTeiden häiriintävastaisuutta ja vakautta monimutkaisissa sähkömagneettisissa ympäristöissä, varmistaa niiden tarkka ja luotettava jännite-signaalien mittaus sähköjärjestelmissä, ja luoda vankka perusta sähköjärjestelmien turvalliseen ja vakaaseen toimintaan.
