간섭 신호 및 대응 방안
1 개요
간섭 전압과 간섭 전류는 측정 시스템 내부에서 발생하거나 외부에서 측정 시스템으로 전달될 수 있습니다. 일반적인 메커니즘은 다음 그림에 설명되어 있습니다.
특히 연결 케이블과 케이블 시스템은 범위가 넓기 때문에 간섭의 원인이 되거나 간섭에 노출되는 경우가 많습니다.
커플링 메커니즘은 간섭 변수가 간섭 소스에서 간섭 싱크로 전달되는 방식을 설명합니다. 다음 다이어그램은 가능한 커플링 메커니즘을 보여줍니다.
전도성 결합 메커니즘과 비전도성 결합 메커니즘은 기본적으로 구분됩니다. 전도성 간섭은 공유 회로 내에서 발생하지만, 전계 결합 간섭은 전기적으로 절연된 시스템 간에도 발생합니다.
2 전도성 커플링
2.1 갈바닉 커플링
갈바닉 결합은 공통 전압 소스와 공통 도체 트레이스 또는 공통 전선이 있는 회로에서 발생합니다.
3 비도전성 커플링
3.1 인덕티브 커플링
그림 4는 유도 간섭이 어떻게 발생하는지 보여줍니다: 예를 들어, 측정 라인이 인접한 고전압 라인에서 발생할 수 있는 시간 변화 자속을 통과하면 측정 라인에 전압이 유도되고, 이 전압은 측정된 전압 Vm과 직렬로 나타납니다. 유도된 전압으로 인해 전류가 측정 라인을 통해 흐릅니다. 또한 전류는 측정 증폭기의 입력 임피던스를 통해 흐르며 중첩된 간섭 전압으로 인해 실제 측정 전압이 왜곡됩니다. 이러한 유도 간섭은 측정 라인을 비틀면 크게 줄일 수 있습니다. 유도 전압은 구간별로 서로 상쇄됩니다. 물론 고전압 케이블과 측정 케이블 사이의 거리는 항상 가능한 한 크게 유지해야 합니다. 일반적으로 측정 케이블은 고전압 케이블에서 최소 1m 이상 떨어져 있어야 합니다. 마찬가지로, 고압 측의 순방향 도체와 복귀 도체는 처음부터 방해 자기장을 최대한 작게 유지하기 위해 결합해야 합니다. 거리가 충분하지 않아 더 이상 늘릴 수 없는 경우, 측정 케이블이나 측정 트랜스듀서를 투과성이 높은 금속 시트로 감싸서 자기 차폐할 수 있습니다. 고주파 자기장은 이미 알루미늄과 같은 비자성 도체 재료로 차폐할 수 있습니다.
고전압 라인과 측정 라인 사이의 유도 결합.
꼬인 케이블에서는 간섭 자기장에 의해 유도된 전압이 구간별로 서로 상쇄됩니다.
원칙적으로 다음과 같은 관계가 적용됩니다.
- 변화율이 커지면 측정 회로의 유도 전압이 커집니다. 현재 가 더 빠릅니다.
- 도체와 영향을 받는 측정 회로 사이의 커플 링 인덕턴스가 더 높으면 측정 회로의 유도 전압이 더 커집니다.
3.2 정전식 커플링
정전식 결합의 간섭 변수는 전기 전압입니다.
정전 용량 결합은 고전압 및 신호 도체와 같이 서로 다른 전위를 가진 두 개의 인접 도체 사이에서 발생합니다. 가장 넓은 의미에서 도체는 커패시터의 판을 나타냅니다.
전기장은 이러한 기생 결합 커패시턴스를 통해 전하가 한 회로에서 다른 회로로 전달되도록 합니다. 커플링 커패시턴스는 병렬로 연결된 고전압 및 신호 라인의 길이에 정비례합니다. 도체 사이의 거리가 멀어질수록 감소합니다.
V₂ 시스템에서 결합 된 고장 전압의 크기가 더 큽니다.
- 변화율이 클수록 전압
- 도체 1과 2 사이의 커플링 커패시턴스가 클수록 .
다음 그림 6은 케이블 스트레이 커패시턴스를 통한 용량성 간섭의 형성을 보여줍니다. 간섭 전류는 측정 전압 소스의 내부 저항을 통해 흐르고 전압 강하를 유발한 다음 측정 전압과 직렬로 유효해집니다. . 따라서 측정 전압 소스의 내부 저항이 낮고 고전압과 측정 라인 사이의 거리가 가능한 한 큰 경우(일반적으로 최소 1m 이상) 용량성 간섭을 낮게 유지할 수 있습니다. 측정 전압 소스가 플로팅(또는 접지 중심점이 있는 접지 대칭)인 경우 측정 라인과 접지 대칭, 즉 누설 저항이 동일한 경우 및 를 두 측정 도체와 접지 사이에 배치하면 두 도체가 접지에 동일한 간섭 전압을 전달하도록 할 수 있습니다(그림 6-B). 그러면 간섭은 두 도체 모두에서 '공통 모드 전압'으로 나타나고 측정 신호는 도체 간에 '차동 전압'으로 나타납니다. 그런 다음 차동 증폭기를 사용하면 거의 측정 신호만 포착되고 간섭 신호는 억제됩니다. 그림 6-C와 같이 측정 라인과 가능한 한 필요한 경우 측정 전압 소스 및 측정 증폭기에 접지 실드를 제공하는 것이 훨씬 더 효과적입니다. 이 경우 정전식으로 유도된 간섭 전류는 측정 도체에 도달하지 않고 차폐를 통해 흐르게 됩니다. 차폐 재료는 전도성이 높기만 하면 되며 강자성 특성은 필요하지 않습니다.
A. 전력선과 측정선 사이의 정전 용량 결합
B. 측정 신호 소스가 플로팅인 경우, 비틀림 및 접지 대칭(𝑹𝑬𝟏 = 𝑹𝑬𝟐 )을 사용하여 차동 간섭 전압이 발생하지 않도록 할 수 있습니다.
C. 접지된 실드는 측정 케이블에서 간섭을 차단합니다.
가능한 대응책은 여기에 요약되어 있습니다.
- 두 도체 사이의 거리 최대화
- 케이블을 접지 구조물에 밀착 설치
- 차폐 케이블, 정전기 차폐 삽입(접지 연결)
- 민감한 회로와 간섭 회로를 서로 분리하기
3.2.1 간섭 문제를 피하기 위한 Danisense 조치
3.2.1.1 DQ, DS, DL, DM, DL 시리즈:
전류 트랜스듀서의 하우징은 알루미늄으로 제작되어 원치 않는 고주파 간섭으로부터 보호합니다. 전류 트랜스듀서를 댄센스 DSUB 케이블로 댄센스 시스템 인터페이스 유닛(DSSIU)에 연결하면 하우징과 케이블 실드가 공급 네트워크의 접지에 전기적으로 연결됩니다.
DSSIU에서 측정 장치로 연결되는 실험실 케이블이 꼬이지 않고 큰 고리를 제공하지 않는지 확인하세요.
3.2.1.2 DT 시리즈:
하우징은 플라스틱과 알루미늄으로 제작되었습니다. 트랜스듀서 헤드는 동박으로 감싸져 있으며, 이 동박은 DSUB 연결을 통해 DSUB 케이블의 케이블 쉴드에도 연결됩니다. 케이블 실드는 DSSIU를 통해 네트워크 접지에 연결됩니다.
3.2.1.3 DR 시리즈:
트랜스듀서 헤드는 케이블 실드에 연결된 구리 호일로 감싸여 있습니다. 케이블 실드는 전자 제어 박스 내부의 공급 네트워크 접지에 연결됩니다.
때로는 알루미늄 하우징을 직접 접지하는 것도 도움이 될 수 있지만 여기에서는 접지 루프에 주의해야 합니다. 자세한 내용은 18페이지의 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다.
3.3 방사선
오늘날 스위칭 전원 공급 장치와 같은 비선형 부하는 전력망에서 고조파 왜곡을 일으킬 뿐만 아니라 전자기 방사의 원인이 되는 경우가 많습니다. 예를 들어 권선 부품에 의해 자기 표류장이 발생하고 펄스 전압이 높은 도체에 의해 전기 표류장이 발생합니다. 이러한 필드는 전류 트랜스듀서에 결합될 수 있습니다. 오실로스코프는 이러한 진동을 기록하는 데 사용할 수 있습니다. 기존 프로브를 사용하여 이 미량 방사선을 볼 수 있습니다. 프로브 팁은 접지 어댑터에 연결됩니다.
예를 들어, 이 방사선은 전류 트랜스듀서의 내부 구멍을 통과할 수 있으므로 2차 신호에서 인식할 수 있습니다.
위 이미지에서 약 3.33MHz의 진동을 볼 수 있습니다. 전류 트랜스듀서에는 출력에 저역 통과 필터가 없으므로 일반적으로 이러한 신호는 감쇠되지 않습니다. 오실로스코프 애플리케이션의 경우 고주파 간섭을 최소화하기 위해 입력 신호를 필터링할 수 있는 오실로스코프를 사용하는 것이 좋습니다.
또 다른 예는 그림 10에 나와 있습니다. 전원 공급 장치가 연결되지 않은 DS50UB-10V와 발굴된 하우징을 사용하면 BNC 연결을 통해 약 44MHz의 진동을 감지할 수 있습니다. 이 진동은 약 20mA 피크 투 피크의 1차 전류에 해당합니다. 측정은 표준 홈 오피스 책상에서 수행되었습니다.
간섭은 변압기의 지정된 대역폭인 500kHz를 벗어납니다. 한 자릿수 MHz 범위의 저역 통과 필터를 사용하면 이 간섭을 크게 줄일 수 있습니다.
3.3.1 간섭에 대한 추가 차폐
금속 실드는 전자기 방사선의 높은 주파수에서만 좋은 감쇠 특성을 보인다는 점에 유의해야 합니다. 다음 그림은 직경 20mm, 벽 두께 0.5mm인 원통의 감쇠 특성을 다양한 재질로 나타낸 것입니다.
저주파에서는 높은 투과성을 가진 소재를 사용하는 것이 좋습니다. 다음 표는 다양한 필드 유형에 따른 차폐 재료의 특성에 대한 개요를 제공합니다.
알루미늄 하우징이나 동박으로 모든 필드를 차폐할 수 있는 것은 아닙니다. 전류 트랜스듀서의 주 도체용 케이블 인입구에서도 바람직하지 않은 필드가 발생하여 전류 트랜스듀서의 각 철심에 자속을 유도할 수 있습니다. 이러한 이유로 일부 측정 설정에서는 전류 트랜스듀서를 접지된 금속 상자에 추가로 보관합니다. 전류 측정의 근거리에서 식별된 간섭원은 적절한 차폐 포일을 사용하여 차폐할 수도 있습니다. 이제 광범위한 잠재적 간섭 신호를 차폐할 수 있는 전기 및 자기 전도성 포일을 사용할 수 있습니다. 2
4 소음
특히 작은 신호를 측정할 때 오믹 저항이나 트랜지스터와 같은 전자 부품이 포함된 모든 회로에서 전자 노이즈가 발생한다는 것이 분명해집니다.
가장 중요한 두 가지 유형은 열과 샷 노이즈입니다.
4.1 열 소음
금속 도체 또는 저항기에는 수많은 자유 전자가 포함되어 있습니다. 열 운동은 자유 전하 운반체와 원자 사이에 충돌을 일으켜 일정한 에너지 교환을 일으킵니다. 이것은 또한 도체의 저항 특성을 설명합니다. 개방 회로에는 전류가 흐르지 않기 때문에 도체 내 전자의 무작위 이동은 도체를 따라 전압 변동을 일으켜 단자에서 노이즈 전압을 발생시킵니다.
존슨 또는 나이퀴스트 노이즈라고도 하는 열 또는 저항 노이즈는 온도와 저항 값에 비례합니다. 비례 상수는 볼츠만 상수 k로, 전하 캐리어에 공급되는 켈빈당 평균 열 에너지의 양을 나타냅니다. 열 노이즈는 주파수와 무관하지만 대역폭이 증가함에 따라 증가합니다. 노이즈는 종종 전력 스펙트럼 밀도 PSD(전력 스펙트럼 밀도) 또는 노이즈 파워(단위: W/Hz)로 설명됩니다. 모든 계산에는 유효 값을 사용해야 합니다.
4.2 샷 노이즈
전기적 샷 노이즈는 전류가 전위 장벽을 넘어야 할 때 항상 발생합니다. 샷 노이즈는 전체 전류 흐름이 개별 전하 운반체(전자 또는 정공)의 움직임으로 구성되고 각 전하 운반체가 이 장벽을 개별적으로 통과하기 때문에 발생합니다. 이는 균일하게 발생하는 것이 아니라 확률적인 과정입니다. 전반적으로 전류 흐름의 특정 변동은 거시적 수준에서도 관찰할 수 있습니다.
샷 노이즈의 크기는 흐르는 전류의 크기에 따라 달라지며 온도에 직접적인 의존성을 보이지 않습니다. 이것이 열 노이즈와 구별되는 특징입니다.
Danisense는 이미 저잡음 부품으로 특성화된 부품을 사용합니다. 측정 장치를 선택할 때는 신호 대 잡음비가 원하는 측정 결과를 얻을 수 있을 만큼 충분히 높은지 확인하세요.
측정 장치의 입력 채널의 대역폭을 제한하는 것도 의미가 있을 수 있습니다.
참고
1 한스 알브레히트 볼프스페르거: 전자파 차단: 이론과 실제 사례 (VDI 책) Gebundene Ausgabe - 25. April 2008