Suojauksen perusteet Tarvitsetko apua järjestelmiesi asianmukaiseen suojaukseen? Tuemme sinua mielellämme suunnittelussa ja oikeiden komponenttien valinnassa.

Yhdestä jännitelähteestä (U) syötetään jännitettä käyttölaitteelle (Z) kaapeleiden kautta. Plus-- ja miinusjohtimien välillä syntyy jännite-eroja, joiden takia johtimien välille muodostuu sähkökenttä. Sellaisten johtimien ympärille, joissa kulkee virta, syntyy magneettikenttä (H). Sähkövirtariippuvuuden takia tähän magneettikenttään kohdistuu ajoittain vaihteluita. Koska vain harvoissa sovelluksissa on aikavakioisia virtoja, seurauksena on epäsäännöllisiä, magneettisia vaihtokenttiä. Kentät muuttuvat sähkömagneettisiksi signaaleiksi – eräänlaisiksi minilähettimiksi ja samanaikaisesti vastaanottimiksi. Jokainen johdin voi siis vaikuttaa haitallisesti muiden sähkö- ja elektroniikkalaitteiden toimintaan. Jotta nämä vaikutukset eivät olisi haitallisia laitteille ja järjestelmille, on kaapelit ja johtimet suojattava asianmukaisesti.

Galvaanista häiriötä esiintyy, kun kaksi virtapiiriä käyttää samaa kaapelia. Tämä on usein yhteinen meno-- tai paluujohto. Ensimmäisessä virtapiirissä (kuten kytkentätoiminnassa) esiintyvät virta- ja jännitevaihtelut aiheuttavat häiriötä toisessa virtapiirissä. Suojattujen mittaus-, säätö- ja ohjauskaapelien ja tiedonsiirtokaapelien virheellinen maadoitus voi myös aiheuttaa galvaanista häiriötä.

Häiriövaikutusten estäminen:

• Kytke yhteinen kaapeli mahdollisimman matalaohmisesti ja siten, että sen induktanssi on mahdollisimman pieni (käytä kaapeleita, joiden johdinpoikkipinta on riittävän suuri).
• Kytke virtapiirit niin kauas toisistaan kuin mahdollista.
• Pidä yhteiset tulojohdot mahdollisimman lyhyinä.
• Sijoita haarautumiskohdat mahdollisimman lähelle virtalähdettä.

Kapasitatiivisten häiriövaikutusten häiriömuuttuja on sähköjännite. Järjestelmän sähköiset vaihtovirtakentät aiheuttavat kapasitatiivisia häiriövaikutuksia ja siten häiriöitä. Kapasitatiivinen häiriövaikutus syntyy tyypillisesti silloin, kun kaksi pitemmälle matkalle rinnakkain asetettua kaapelia käyttäytyvät kahden vastakkaisen kondensaattorilevyn tavoin ja näin toimiessaan aiheuttavat oikosulun korkeataajuussignaaleille.

Häiriövaikutusten estäminen:

• Vältä kaapelien asettamista rinnakkain. Jos tämä on kuitenkin mahdotonta, pyri siihen, että kaapelit kulkevat rinnakkain mahdollisimman lyhyesti.
• Varmista, että etäisyys on mahdollisimman suuri häiriötä aiheuttavan kaapelin ja sen kaapelin välillä, jossa häiriötä esiintyy (vähimmäisetäisyys 60–100 cm).
• Käytä suojattuja tietoliikennekaapeleita ja mittaus-, säätö- ja ohjauskaapeleita (tee suojaus yksipuolisesti).
• Käytä kierrettyjä parikaapeleita.

Eräs induktiivisen häiriövaikutuksen syistä on magneettinen vaihtovirtakenttä. Sellaisen johtimen ympärille, jossa kulkee virta, syntyy magneettikenttä, joka ulottuu myös viereisiin johtimiin. Virranmuutos saa aikaan myös magneettikentän muutoksen, jonka takia viereiseen johtimeen indusoituu jännite.

Esimerkki: Jos kaksi kaapelia on asetettu rinnakkain 100 metrin matkalle ja 30 senttimetrin päähän toisistaan ja jos häiriötä aiheuttavassa johtimessa kulkee 100 A:n virta (50 Hz), johtimeen, jossa häiriötä aiheutuu, indusoituu noin 0,3 mV:n jännite. Jos virran muutos on vastaavanlaisessa tilanteessa 1 kA 100 μs:ssä, kyseiseen johtimeen indusoituu 90 mV:n jännite. Mitä nopeammin virta muuttuu ja mitä suurempi muutos on, sitä korkeampi on indusoitu jännite.

Häiriövaikutusten estäminen:

• Aseta vahvavirtakaapelit sekä tiedonsiirtokaapelit ja mittaus-, säätö- ja ohjauskaapelit vähintään yhden metrin päähän toisistaan.
• Jos kaapelit on asetettava rinnakkain, pyri siihen, että kaapelit kulkevat rinnakkain mahdollisimman lyhyesti.
• Induktiivinen vaikutus voi pienentyä noin 20-kertaisesti, jos käytät kierrettyjä kaapeleita.
• Käytä molemminpuolisesti suojattuja kaapeleita. (suojaus)

Kierretyt kaapelit
Kierrettyjen kaapelien käyttö pienentää induktiivista häiriövaikutusta, koska kierrettyjen säikeiden takia induktion suunta kääntyy aina päinvastaiseksi häiriökenttään nähden. Kytkentöjen estämiseksi tiedonsiirtokaapelin- tai mittaus-, säätö- ja ohjauskaapelin viereiset parit järjestetään eri kierrenousuihin. 30–50 mm:n kierrenousut ovat tyypillisimpiä. Vahvavirtakaapeleissa kierrenousu on johdinpoikkipinnan mukaan 200–900 mm.

Aaltohäiriövaikutuksessa aallot tai impulssit ulottuvat viereisiin tiedonsiirtokaapeleihin- sekä mittaus-, säätö- ja ohjauskaapeleihin. Aaltohäiriövaikutus syntyy myös silloin, kun virtapiiri ulottuu toiseen saman kaapelin piiriin. Galvaanisen, kapasitiivisen ja induktiivisen häiriövaikutuksen yhteydessä ohitetaan sähkösignaalien kulkuaika häiriötä aiheuttavassa kaapelissa ja kaapelissa, jossa häiriö esiintyy. Erityistapauksissa voi käydä niin, että häiriötaajuuden aallonpituus on kaapelipituuden suuruusluokassa. Vaikutus on otettava huomioon myös tällöin.

Häiriövaikutusten estäminen:

• Käytä suojattuja kaapelipareja ja kokonaissuojausta. (suojaus)
• Vältä virheellisiä mitoituksia koko kaapeloinnissa.
• Älä lähetä signaaleja, joissa on korkea signaalin taso, sellaisten signaalien kanssa samassa kaapelissa, joissa signaalin taso on matala.
• Käytä kaapeleita, jotka heijastavat ja vaimentavat vähän ja joissa on pieni kapasitanssi.

Häiriötä aiheuttavan kaapelin johtimettomat sähkömagneettiset aallot voivat myös vaikuttaa laitteisiin ja johtoihin. Häiriötä aiheuttava kaapeli on vapaa aalto H0, E0. Häiriön tyypin mukaan lähikentässä voi olla hallitsevana sähkökenttä tai magneettikenttä. Korkeat virrat synnyttävät etupäässä magneettikentän ja korkeat jännitteet etupäässä sähkökentän. Korkeataajuuksinen häiriöenergia leviää kaapeleissa, jotka on liitetty häiriölähteeseen ja mahdollistavat suoran säteilyn (>30 MHz). Lisäksi vieressä olevat tehokkaat lähetysasemat voivat aiheuttaa suuria kentän voimakkuuksia kaapelijärjestelmän sijainnissa ja vaikuttaa kaapeleihin häiritsevästi. Teollisuusyrityksissä suurimmat häiriöt syntyvät, kun induktiivisia kuormia kytketään pois. Tällöin syntyviä suuria, korkeataajuuksisia jännitteen vaihteluita kutsutaan purskeiksi. Purskeiden taajuusspektri voi olla 100 MHz.

Häiriövaikutusten estäminen:

• Käytä etä- ja lähikentissä suojauksia, joilla on hyvä absorbtio- ja heijastuskyky (kupari tai alumiini). Tällöin suojausten tulee olla johtavia ja mahdollisesti täysin yhtenäisiä sekä niissä tulee olla alhainen kytkentävastus ja hyvät suojauksen vaimennusarvot. (suojaus)
• Jos lähikenttä on suurimmaksi osaksi magneettinen (erityisesti korkeiden taajuuksien yhteydessä), käytä suojauksessa lisäksi MU-metallia tai amorfista metallia.

Häiriösuojatun kytkennän tyyppi määräytyy ensisijaisesti odotetun häiriövaikutuksen mukaan. Sähkökenttien syntymisen estäminen edellyttää suojauksen yksipuolista maadoitusta (1). Sen sijaan magneettisesta vaihtokentästä aiheutuvat häiriöt voidaan estää vain, kun suojaus toteutetaan molemmin puolin. Molemminpuolista suojausta (2) käytettäessä syntyy kuitenkin maasilmukka, johon liittyy tunnettuja haittoja. Etenkin vertailujännitteen galvaaniset häiriöt vaikuttavat haitallisesti hyötysignaaliin ja heikentävät suojausta. Asia voidaan korjata käyttämällä triaxial-kaapeleita (4), jolloin sisempi suojaus liitetään yksipuolisesti ja ulompi suojaus molemminpuolisesti. Galvaanisten häiriövaikutusten vähentämiseksi häiriösuojatun kaapelin toinen pää liitetään usein myös vertailujännitteeseen kondensaattorin kautta (3). Tämä katkaisee ainakin tasa-- ja pientaajuusvirtojen maasilmukan.

Seuraavassa on esimerkki suojaustoimien tehokkuudesta häiriövaikutuksia vastaan. Kuvattu asennus altistetaan 50 kHz:n taajuuksiselle magneettiselle vaihtokentälle kahden metrin pituudelta. Lähdössä mitattu häiriöjännite (0 dB) ilmoitetaan suhteessa häiriöjännitteeseen, joka mitataan, kun kaapelisuojaa (1) ei ole liitetty. Yksipuolisen suojauksen (2) yhteydessä ei tapahdu parannusta, koska kaapelisuoja ei tehoa magneettisissa häiriöissä. Molemminpuolinen suojaus (kuten kuvassa 3) vaimentaa häiriökenttää noin 25 dB. Kierretyn kaapelin (20 nousua/m) häiriöherkkyys (noin 10 dB) on asennuksessa (4) pieni jo ilman suojausta, koska kaapelin silmukoilla on kompensoiva vaikutus. Yksipuolinen suojaus (5) ei edelleenkään osoita parannusta. Vasta molemminpuolinen suojaus asennuksessa (6) parantaa vaimennusta noin 30 dB.