Вторник, 17.07.2018, 02:40
Приветствую Вас Гость | RSS
Влияние ВЧ-помех на электронные счётчики.

 

В реальной жизни компании, использующие PLC- технологию, сталкиваются с проблемой низкой скорости передачи данных и слабой помехозащищенностью. Если первая проблема успешно решается и уже приняты спецификации-ориентиры, в которых определена скорость до 14 Мб/сек., то проблема помехозащищенности продолжает оставаться ключевой. Источниками помех являются галогенные лампы, различного рода высокочастотные преобразователи, некачественная бытовая аппаратура, а также переходные процессы, возникающие при коммутации мощных электроприборов, оборудованных электрическими двигателями. К тому же поиск источника помех является отдельной, весьма трудоёмкой задачей. Технические проблемы усугубляются правовыми и организационными. Принцип «мой дом – моя крепость» значительно осложняет поиск источника помех. Даже если помеха локализована, устранить ее практически очень сложно. Поэтому данный вид связи относят связь с негарантированной доставкой информации

Типовая блок-схема PLC-модема от TI.

  Существует и другой весьма важный для АСКУЭ показатель - погрешность передачи информации по линиям связи

При использовании в составе АСКУЭ счетчика электрической энергии, оснащенного телеметрическим выходом, информация об измеряемой электрической энергии передается по линии связи в виде последовательности импульсов, частота следования которых пропорциональна измеряемой электрической мощности. Погрешность передачи информации проявляется в этом случае как погрешность счета импульсов вследствие наличия помех и тепловых шумов в линии связи.

В случае передачи измерительной информации в цифровой форме от счетчика электрической энергии с цифровым выводом эта информация кодируется двоичным кодом. В передаваемом сообщении каждый бит информации представлен соответствующим сигналом. Приемник измерительной информации регистрирует наличие или отсутствие сигнала и тем самым - каждый передаваемый бит сообщения. Вследствие наличия помех и тепловых шумов в линии связи передаваемый сигнал может быть также искажен.

В литературе еще встречаются утверждения, что цифровые каналы связи не вносят дополнительные погрешности в результат измерения, потому что "цифровая информация и протоколы обмена имеют защиту от искажения помехами". На самом деле существует конкретное минимальное число искажений бит передаваемого сообщения, которое система контроля, реализованная в протоколе, может пропустить, - в этом случае говорят о необнаруженных ошибках. Этот недостаток присущ любому протоколу передачи информации. В настоящее время все разработчики АСКУЭ ориентируются на типовые технические требования к средствам автоматизации контроля и учета электроэнергии и мощности для АСКУЭ энергосистем, разработанные РАО "ЕЭС России". Они содержат требования к точностным характеристикам, которые должны определяться, в основном, классом точности счетчика электрической энергии, установленного на входе канала, требования к показателям назначения, программному обеспечению, устойчивости к внешним воздействиям и другие требования, необходимые для создания системы.

В электронном счетчике выполнение практически всех функций возложено на микроконтроллер. Он является преобразователем АЦП (преобразует входной сигнал с трансформатора тока в цифровой вид, производит его математическую обработку и выдаёт результат на цифровой дисплей.) Микроконтроллер также принимает команды от органов управления и управляет интерфейсными выходами.

Типичные помехи.

Источников помех, способных вызвать сбой или отказ устройства, существует бесчисленное множество. Однако наиболее часто встречаются следующие помехи:

  • Наносекундные помехи, вызванные срабатыванием механических контактов выключателей и реле. В зарубежной литературе этот вид помех называется EFT - Electric Fast Transients
  • Микросекундные помехи, связанные с работой реактивных элементов в цепях мощных нагрузок (зарядка конденсаторов, а также отдача энергии, накопленной в обмотках моторов, соленоидов, и пр.). В зарубежной литературе этот вид помех называется surge.
  • Помехи от электростатических разрядов, в основном – помехи, возникающие при касании "наэлектризованным" человеком различных электрических цепей. В зарубежной литературе этот вид помех называется ESD - Electrostatic Discharge.
  • Помехи, вызванные работой близкорасположенных радиопередатчиков
  • Помехи от мощных природных или искусственных источников энергии, прежде всего - от грозовых разрядов.

Существуют российские и международные стандарты, оговаривающие требования к электромагнитной совместимости (ЭМС). Стандарты аккумулируют многолетний инженерный опыт. Однако сами по себе стандарты являются тяжело усваиваемым материалом, малопригодным для непосредственного руководства при проектировании или анализе поведения устройств. Стандарты разработаны таким образом, чтобы при испытании устройств достаточно аккуратно имитировать реальные помехи.

Целесообразно все помехи разделить на три абстрактных типа:

  • НП: Наносекундные помехи
  • МП: Мощные помехи
  • РП: Радиочастотные помехи

Практически все реальные помехи могут быть представлены как комбинации этих трех абстрактных. Например, EFT помехи - это пачки наносекундных помех НП, а ESD - это комбинация одиночной НП и одиночной МП. Поэтому, если устройство устойчиво ко всем трем абстрактным типам помех, то с высокой степенью вероятности оно будет устойчиво и к реальным помехам, независимо от их происхождения.

Вопрос устойчивости к МП в большой степени является вопросом обеспечения надежности, пожаробезопасности и электробезопасности. Вопросы обеспечения устойчивости к МП и РП в данной статье не рассматриваются.

Наносекундные помехи.

Этот тип помех является причиной большинства сбоев. При всем своем разнообразии, наносекундные помехи обладают некоторыми общими свойствами:

  • Одиночная НП - это почти дельта-функция, у нее чрезвычайно широкий спектр, до гигагерц
  • НП имеет ничтожную энергию, в отличие от МП она, как правило, не "выжигает" радиоэлектронные устройства, а вызывает обратимый сбой
  • Сбоить могут только устройства, обладающие памятью, такие как микропроцессоры, счетчики, и пр. Для чисто комбинационных цифровых схем понятие "сбой" теряет смысл, т.к. они автоматически возвращаются в нужное состояние по окончании НП. Заметим, что аналоговые схемы тоже могут обладать "памятью" в виде емкостей или индуктивностей.

Чтобы лучше представить себе этот тип помех, полезно обратиться к стандарту МЭК 61000-4-4 (ГОСТ Р 51317.4.4-99).  В нем сказано, что EFT помехи должны имитироваться пачками треугольных импульсов.  Длительность переднего фронта у каждого импульса 5 нс, длительность импульса 50 нс на уровне 50%. Внутреннее сопротивление генератора импульсов 50 Ом, генератор должен быть заземлен.

Амплитуда НП-импульсов зависит от того, к какому классу по помехоустойчивости должно относиться испытуемое устройство, а также от того, куда подаются импульсы при испытании, см. табл 1. Возможны испытания и более жесткие, чем указанные в таблице, если это требуется по условиям эксплуатации прибора. Однако в подавляющем большинстве случаев перечисленных в таблице степеней жесткости достаточно. Самые легкие испытания применяются к бытовой технике, самые жесткие - к промышленным и бортовым устройствам.

Таблица 1. Амплитуды НП импульсов

Степень
жесткости
испытаний

Электропитание, заземление

Сигналы ввода / вывода

Амплитуда импульсов, кВ

Частота повторения, кГц

Амплитуда импульсов, кВ

Частота повторения, кГц

1

0.5

5

0.25

5

2

1

5

0.5

5

3

2

5

1

5

4

4

2.5

2

5

В линии питания и заземления тестовые НП импульсы инжектируются непосредственно, без развязки. С учетом достаточно низкого сопротивления генератора сигналов, величины импульсных токов, протекающих в цепях земли, могут достигать огромных величин. Импульсные токи НП, протекающие по земляным цепям устройства, создают заметные падения напряжений между различными земляными точками, это может вызвать сбой.

Приведем несколько примеров.

Пример 1

Поскольку длительность ложного тактового импульса намного меньше, чем длительность "настоящих" тактовых импульсов, внутренняя логика микропроцессора может придти в непредсказуемое состояние. Микропроцессор "зависнет", и не всякий встроенный сторожевой таймер сможет его сбросить, так как в некоторых микроконтроллерах сторожевые таймеры тактируются от общего генератора, и сами могут "зависнуть" после воздействи

Пример 2

Вход сброса микроконтроллера является еще одной цепью,  подверженной влиянию наносекундных помех. Нередко разработчики игнорируют этот очевидный факт и используют разветвленную цепь сброса, непосредственно подключенную к различным узлам на плате. Перекос земель между источником сигнала сброса (часто это супервизор питания) и микроконтроллером вызывает ложный сброс устройства.

Емкостные связи.

 Вспомним, что при испытании устройства на помехоустойчивость оно должно находиться на изолирующей подставке, на высоте 100 мм над сплошной земляной поверхностью. Иногда одной только емкости связи с землей бывает достаточно для сбоя устройства.

Разделение земель на чистую и грязную само по себе не уменьшает суммарную величину емкостной связи. Соотношение емкостей связи для чистой и грязной земель соответствует отношению их площадей.

Вполне очевидными методами борьбы с емкостными связями является перераспределение земель,  уменьшение площадей проводников и частичное экранирование.


Перекрестные помехи.

Помимо внешних источников наносекундных помех, различные узлы внутри устройства сами могут генерировать взаимные помехи.

Современные цифровые микросхемы, особенно БИС, тоже являются источниками НП. В момент переключения сотни и тысячи транзисторов внутри БИС меняют свои состояния, в результате сотни и тысячи паразитных емкостей перезаряжаются (например, емкости затворов в КМОП микросхемах). В результате через ножки земли и питания микросхем протекают импульсные токи наносекундной и суб-наносекундной длительности и большой амплитуды. Распространяясь по шинам земли и питания платы, эти токи несколько ухудшают суммарную помехоустойчивость устройства, но сами по себе, как правило, причиной сбоев не являются.

Для уменьшения вредного влияния этих токов, в цепи питания рядом с микросхемами ставят керамические развязывающие конденсаторы. Конденсаторы должны стоять как можно ближе к ножкам земли и питания, чтобы уменьшить размер контура, по которому циркулируют токи перезаряда.

Сказанное является прописной истиной. Тем не менее, достаточно часто приходится слышать такие высказывания: "мое устройство сбоит, я поставил больше конденсаторов в питание, а оно все равно сбоит". Складывается впечатление, что некоторые разработчики считают, будто развязывающие конденсаторы ставятся для защиты от внешних помех. Это, конечно, заблуждение. Как следствие такого заблуждения, иногда встречаются платы, где развязывающие конденсаторы стоят вдалеке от микросхем, хотя ничто не мешало поставить их гораздо ближе к выводам питания.

Кондуктивные помехи:

  • Гармоники, интергармоники
  • Системы передачи сигналов по сетям электроснабжения
  • Колебания напряжения
  • Провалы и прерывания напряжения
  • Разбаланс напряжения (в многофазных сетях)
  • Изменения частоты электропитания
  • Наведенные низкочастотные напряжения
  • Постоянный ток в сетях переменного тока
  • Непосредственно введенные или наведенные напряжения или токи
  • незатухающие колебания
  • модулируемые волны
  • Однонаправленные переходные процессы
  • Колебательные переходные процессы
  • Отдельные или повторяющиеся (пачки).

Деление помех на индуктивные и кондуктивные является условным. Классическим примером кондуктивной помехи является процесс распространения электрического сигнала по линии электропередачи. При этом линия является только волноводом, направляющей, по которой распространяется электромагнитная энергия. При этом вокруг линии создаются электрические, магнитные и электромагнитные поля, т.е. возникают излучаемые помехи. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так переменное электромагнитное поле способно создавать наводки напряжения на воздушных и кабельных линиях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. Наконец помехи по электрическим сетям разных напряжений через силовой трансформатор передаются индуктивным путём, хотя эти помехи считаются кондуктивными. Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи «проводземля» и «проводпровод». В первом случае («провод – земля») напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей. Во втором – между различными проводниками одной цепи (см. рис.3.1).

Обычно более опасными для аппаратуры являются помехи «провод - провод», поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал (рис. 1 а). Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех «провод – провод» и «провод – земля».

Помехи подразделяются на функциональные и нефункциональные источники помех.

Функциональные источники – это источники, которые вырабатывают и передают в окружающую среду электромагнитные волны с целью передачи полезной информации. Это прежде все радиопередатчики, генераторы высокой частоты для медицинских целей, микроволновые печи и др.

Нефункциональные источники – это устройства, при которых электромагнитный сигнал является «побочным продуктом». Помехи возникают в процессе выполнения заданных функций. Сюда относятся: помехи от люминесцентных ламп, сварочных аппаратов, схем выпрямления и др.

Рис. 1. Схема приложения помехи «провод-земля» (а) и «провод-провод» (б)

Помехи в электрических системах в зависимости от характера их протекания подразделяются на помехи установившегося режима и помехи переходных режимов.

Помехи установившегося режима возникают в нормальном режиме и длительно существуют. Сюда относятся устройства, служащие для производства, передачи и распределения электроэнергии и превращения ее в другие виды энергии, все разнообразие электрических и электронных устройств бытового назначения. Эти помехи носят периодический характер и располагаются в широком диапазоне частот: от нескольких герц до гигагерц.

Помехи переходных режимов возникают при изменении или нарушении нормального режима, могут носить апериодический характер и существуют ограниченное время. Причинами появления таких помех являются: короткие замыкания, коммутации холостых линий, конденсаторных батарей, трансформаторов и т.д.

Помехи подразделяются по их спектральным характеристикам. Во-первых, помехи делятся на узкополосные и широкополосные. К первым обычно относятся помехи от систем связи на несущей частоте, систем питания переменным током и т.п. Их отличительной особенностью является то, что характер изменения помехи во времени является синусоидальным или близким к нему. При этом спектр помехи близок к линейчатому (максимальный уровень – на основной частоте, меньший уровень – на частотах гармоник).

Широкополосные помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала. Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. Типичными широкополосными помехами являются:

- шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания;

- молниевые импульсы;

- импульсы, создаваемые при коммутационных операциях.

Другой спектральной характеристикой является область частот, в которой лежит основная часть спектра помехи. Условно принято делить все помехи на низкочастотные и высокочастотные. К первым обычно относят помехи в диапазоне 0 – 9 кГц. В большинстве случаев они создаются силовыми электроустановками и линиями. Высокочастотные узкополосные помехи (с частотой выше 9 кГц) обычно создаются различными системами связи. Высокочастотными являются все распространенные типы импульсных помех. Иногда также вводят понятия радиочастотной помехи (диапазон от 150 кГц до 1 – 2 ГГц) и СВЧ - помехи (порядка нескольких ГГц).


Разработчики микроконтроллеров придумали остроумную идею – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. Но такая компоновка ещё больше подвержена влиянию наносекундных помех....