Laite mahdollistaa taajuusmuuttajan analogitulon ohjaamisen, jolloin esimerkiksi moottorin pyörimisnopeutta voidaan säätää syötetyn virtaviestin mukaan. Tietotekniikan opiskelija Mikael Fors on jatkanut laitteen kehitystä keskittyen erityisesti sähkömagneettisen yhteensopivuuden testaukseen ja laitteeseen tarvittaviin sähkömagneettisen yhteensopivuuden parannuksiin.
Virtaviestien merkitys ja sovelluskohteet
Teollisuuden automaatiossa ja mittaustekniikassa virtaviestit ovat keskeinen tapa siirtää signaaleja. Ne tarjoavat erinomaisen häiriösietokyvyn, mikä tekee niistä luotettavan ratkaisun pitkille kaapelivedoille ja vaativiin teollisuusympäristöihin, joissa esiintyy usein voimakkaita sähkömagneettisia häiriöitä. Yksi yleisimmistä virtaviestiformaateista on 0 mA – 20 mA, jota hyödynnetään laitteiden ohjauksessa ja valvonnassa.
Virtaviestien käyttöalueet kattavat useita eri teollisuudenaloja:
- Prosessiteollisuus: venttiilien ja pumppujen tarkka ohjaus.
- Energiateollisuus: generaattorien ja muuntajien valvonta.
- Lämpövoimalat: paine- ja lämpötilamittausten käsittely.
- Automaatio ja robotiikka: signaalinsiirto tarkkuutta vaativissa järjestelmissä.
Yksi virtaviestien suurimmista eduista on niiden parempi häiriösietokyky verrattuna jänniteviesteihin. Tämä tekee niistä luotettavampia erityisesti pitkien kaapelivedojen ja häiriöherkkien teollisuusympäristöjen kannalta. (PR Electronics 2024).
Kuvassa 1 virtaviestisyöttölaite ja kanavavirtojen mittaukset ja 250 Ω päätevastuksen jännitteet, kun silmukoiden virrat noin 20 mA. Lisäksi kuvassa 2 virtaviestisyöttölaitteen yksinkertaistettu lohkokaavio.
Kuten kuvasta 3 nähdään, laite on suunniteltu erittäin robustisti, missä galvaanisesti erotettu DC-DC teholähde SD-25B-24 oikealla ylhäällä ja teholähteen suojaukset on sijoitettu omalle piirikortille vasemmalla ylhäällä. Sekä teholähde että syöttöjännitteessä oleva häiriösuodatin ovat tarkoituksellisesti reilusti ylimitoitettuja tässä prototyypissä. Pääpiirikortti alhaalla on opiskelija opinnäytetyönä suunnitellut KiCAD-ohjelmalla ja piirikortti on piirilevytehtaalta tilattu ja opiskelija on juottanut piirikortin komponentit.
Mikä on sähkömagneettinen yhteensopivuus eli EMC (Electromagnetic Compatibility)?
Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) on kriittinen tekijä, kun elektronisia järjestelmiä otetaan käyttöön laitteen omaan käyttöympäristöönsä. EMC-testauksen tarkoitus on varmistaa, että laitteet toimivat häiriöttä sähkömagneettisessa ympäristössään ilman, että ne aiheuttavat häiriöitä muille laitteille tai kärsivät häiriöistä itse.
EMC-testauksessa arvioidaan laitteen sietokykyä ympäristön sähkömagneettisia häiriöitä vastaan sekä laitteen tuottamien häiriöiden voimakkuutta. Testausmenetelmät sisältävät sekä säteilevien että johtuvien häiriöiden sietotestausta ja mittaamisen. EMC-testit ja niiden vaatimukset määritellään laitteen käyttöympäristön mukaisesti ja tavanomaisimmat testit ovat:
- Radiotaajuisten häiriöiden säteily- ja sietotesti: Testeissä mitataan laitteen tuottamia häiriöitä 30 MHz – 1,0 GHz taajuusalueella ja kykyä sietää häiriötä 80 MHz – 1,0 GHz taajuusalueella. Tavoitteena on varmistaa, että laite ei aiheuta häiriöitä muille elektronisille laitteille.
- Johdettujen häiriöiden säteily- ja sietotesti: Testeissä mitataan laitteen tuottamia häiriöitä 150 kHz – 30 MHz taajuusalueella ja kykyä sietää häiriötä 150 kHz – 80 MHz taajuusalueella. Testi auttaa varmistamaan, että laite toimii luotettavasti myös häiriöalttiissa ympäristöissä.
- Staattisten purkausten sietotesti (ESD): ESD-testi arvioi laitteen kestävyyttä staattisia sähköpurkauksia vastaan. Tämä on tärkeää, koska staattiset purkaukset esimerkiksi kädestä voivat aiheuttaa vakavia vaurioita elektronisille komponenteille.
- Nopeitten transienttien ja purskeitten sietotesti (EFT, BURST): Tämä testi mittaa laitteen kykyä kestää nopeita sähköisiä häiriöitä, jotka voivat syntyä esimerkiksi kytkentätilanteissa. Testi auttaa varmistamaan laitteen toiminnan häiriötilanteissa.
- Syöksyaaltojännitteen sietotesti (SURGE): Surge-testi mittaa laitteen kestävyyttä suurjännitepiikkejä vastaan, joita voi syntyä esimerkiksi ukkosmyrskyjen aikana. Tämä testi on tärkeä laitteen pitkäaikaisen luotettavuuden kannalta.
- Magneettikentän sietotesti: Tässä testissä arvioidaan laitteen kykyä kestää magneettikenttiä, jotka voivat vaikuttaa laitteen toimintaan. Testi auttaa varmistamaan, että laite toimii luotettavasti myös magneettikenttien läsnä ollessa.
Sietotestien häiriöiden voimakkuudet ja emissiotestien raja-arvot määritellään esimerkiksi yleisissä standardeissa IEC 61000-6-2 Immunity for industrial environments, IEC 61000-6-4 Emission standard for industrial environments, joita sovellettu tämän virtaviestisyöttölaitteen testauksessa. (International Standard /EN IEC 61000-6-2), (International Standard /EN IEC 61000-6-4).
EMC-testaus
Laitteelle tehtiin sähkömagneettinen yhteensopivuuden testauksen suunnitelma IEC 61000-6-2 ja IEC 61000-6-4 standardien mukaisesti. Testit suoritettiin Vaasan Ammattikorkeakoulun EMC-laboratoriossa, jossa virtaviestilaite altistettiin teollisuusympäristössä esiintyville häiriöille. Testien lopuksi tulokset ja havainnot dokumentoitiin. Testien ollessa hylättyjä, kirjattiin havainnot ylös sekä tehtiin paikallisia korjauksia, jotka kirjattiin myös dokumentteihin parannusehdotuksiksi. Kuvassa 4 virtaviestisyöttölaite mittauskammiossa sisällä.
Ensimmäisessä testauksien tulokset osoittivat, että laite reagoi säteilevän siedon testissä tietyille taajuusalueille, erityisesti 95 MHz – 120 MHz, 240 MHz – 260 MHz ja 300 MHz – 350 MHz välillä ja johtuvan siedon testissä 600 kHz – 1,5 MHz välillä. Tämä aiheutti kuorman suuntaan virtaviestin 0,01 mA – 1,20 mA virran poikkeamia ja joissakin tapauksissa laitteen mikro-ohjaimen resetin eli nollauksen. Parannustoimenpiteinä käytettiin mm. ulkoisiin kaapeleihin ferriittejä ja laatikon maadoituksen parannusta sekä kuormitusvastuksia DAC:n lähtösignaaleihin piirikortilla. Kuvassa 5 näkyy ulkoisiin kaapeleihin lisättyjä ferriittejä sekä lisämaadoitus. Näiden toimenpiteiden jälkeen suoritettiin uudelleen testaus, mutta häiriöitä esiintyi edelleen tietyillä taajuusalueilla. Ongelmat saatiin kuitenkin paikallistettua ja ongelmat liittyivät erityisesti virtaviestikaapeleihin ja laitteen sisäiseen DAC-muuntimeen. Parannukseksi seuraavaa testausta varten vaihdettiin virtaviestikaapelit sekä minimoitiin sisäisien hyppylankojen mahdollisuus häiriintyä lyhentämällä niitä.
Ensimmäinen EMC-testaus on usein vasta lähtökohta laitteen sähkömagneettisen yhteensopivuuden arvioinnissa. On tavallista, että ensimmäisellä testauskierroksella laite ei täytä kaikkia vaatimuksia ja ei läpäise kaikkia testejä. Tämä johtuu siitä, että testaus paljastaa laitteen heikkoudet ja herkkyydet tietyille taajuusalueille ja häiriöille, joita ei välttämättä ole voitu ennakoida suunnitteluvaiheessa (William Tim, 2016).
Hylkäykset ensimmäisellä testauskierroksella ovat arvokkaita, koska ne tarjoavat tärkeää tietoa laitteen suorituskyvystä ja mahdollisista parannuskohteista. Testitulosten perusteella laaditaan parannussuunnitelma, joka voi sisältää esimerkiksi ferriittien lisäämistä, kaapelien suojausta, maadoituksen parantamista ja joskus jopa piirikortti tai laitekotelo joudutaan suunnittelemaan uudelleen. Näiden toimenpiteiden avulla laitetta optimoidaan ja testataan uudelleen, kunnes se täyttää kaikki EMC-vaatimukset.
Toisessa testauskierroksessa keskityttiin virtaviestikaapeleiden suojauksen parantamiseen. Alkuperäiset virtaviestikaapelit vaihdettiin uusiin kaksinkertaisesti suojattuihin väyläkaapeleihin. Tämä paransi laitteen sietoa merkittävästi säteilevien häiriöiden testeissä, mutta häiriöitä esiintyi edelleen tietyillä taajuusalueilla johtuvan häiriön sietotestissä, erityisesti 50 MHz – 80 MHz välillä. Vaikka teimme monia parannuksia, kuten esimerkiksi asensimme yhteismuotoisia suodattimia ja lisäsimme kondensaattoreita piirikortin virtaviestilähtöjen transienttidiodien rinnalle, häiriöt eivät täysin poistuneet johtuvien häiriöiden sietotestissä kyseisellä alueella.
Kolmannessa testauskierroksessa keskityttiin maadoituskaapelin reaktanssin vähentämiseen lyhentämällä maadoituskaapelia, sekä kokeiltiin ferriittejä, joiden impedanssi oli suuri juuri niillä taajuuksilla, joilla laite häiriintyi. Testaukset tehtiin kohdennetusti häiriöalueilla parannuksien vaikutusten toteamiseksi ja todettiin pientä poikkeamaa edelleen, mutta hyväksytyissä rajoissa, jolloin voitiin todeta kaikki testaukset hyväksytyiksi ja läpäistyksi. Kolmas EMC-testaus oli ratkaiseva vaihe virtaviestisyöttölaitteen sähkömagneettisen yhteensopivuuden arvioinnissa. Aiemmissa testauksissa tehdyt parannukset olivat vähentäneet häiriöitä, mutta eivät täysin poistaneet niitä. Laitteen testauksia jatkettiin opinnäytetyössä vielä optimoimalla pois mahdollisimman paljon muutoksia ja laite läpäisi kaikki testit. Aikaa näihin tuotekehitysvaiheen testauksiin käytimme noin kolme työpäivää.
Yhteenveto
EMC-testaus on prosessi, jossa alkuvaikeudet auttavat parantamaan laitetta. Ensimmäisissä testeissä havaittiin häiriöitä tietyillä taajuuksilla, mikä aiheutti virtaviestin poikkeamaa halusta arvosta ja laitteen mikro-ohjaimen nollauksia. Parannuksina lisättiin ferriittejä ja parannettiin maadoitusta, mutta häiriöt jatkuivat. Toisessa vaiheessa kaapelit vaihdettiin suojattuihin ja lisättiin suodattimia, mikä vähensi häiriöitä, mutta ei poistanut niitä kokonaan. Kolmannessa vaiheessa maadoitusta lyhennettiin ja häiriösuojauskomponentteja optimoitiin, minkä jälkeen laite läpäisi testit hyväksytysti pienillä poikkeamilla: lopulta laite saavutti vaaditun tason ja sopii teollisuuskäyttöön.
