Post on 25-Jan-2016
description
Elektromagnetická Elektromagnetická kompatibilita kompatibilita
ve fyzikálních experimentechve fyzikálních experimentech
Jiří Skála, KAE, ZČU v Plzniskalaj@kae.zcu.cz
ZČU v Plzni 2012
Osnova přednáškyOsnova přednášky
• Úvod do problematiky interferenčního působení• Galvanická rušivá vazba, způsoby omezování• Kapacitní rušivá vazba, způsoby omezování• Induktivní rušivá vazba, způsoby omezování• Vazba vyzařováním• Elektromagnetické stínění• Zemnění• Přípojná vedení - stíněné vodiče
ZČU v Plzni 2012
Obecné schéma EMCObecné schéma EMC
Přenosové prostředí,elektromagnetická
vazba
Zdrojelektromagnetického
rušení
Rušený objekt,přijímač rušení
Polovodičové měničePolovodičové měniče motory, spínače, relémotory, spínače, reléenergetické rozvodyenergetické rozvodyosvětlovací technikaosvětlovací technika
obloukové pece, svářečkyobloukové pece, svářečkydomácí spotřebičedomácí spotřebiče
počítače, číslicové systémypočítače, číslicové systémyatmosférické výbojeatmosférické výboje
elektrostatické výbojeelektrostatické výboje
Společná napájecí síť Společná napájecí síť napájecí vedení napájecí vedení signálové vodičesignálové vodiče
datové vodičedatové vodičevzdušný prostorvzdušný prostor
zemněnízemněnístíněnístínění
Měřicí přístroje Měřicí přístroje číslicová technikačíslicová technika
počítačepočítačeautomatizační prostředkyautomatizační prostředkytelekomunikační systémytelekomunikační systémy
rozhlasové přijímačerozhlasové přijímačetelevizní přijímačetelevizní přijímače
ZČU v Plzni 2012
Šíření rušeníŠíření rušení Vedením
prostřednictvím vodičů (rušivá napětí a proudy)
Vyzařováním prostřednictvím volného
prostoru (rušivé elmg. pole)
Symetrické rušeníSymetrické rušení(diferenční, protifázové)(diferenční, protifázové)
Nesymetrické rušeníNesymetrické rušení(souhlasné, soufázové)(souhlasné, soufázové)
IDM
IDM
ICM
ICM
Vazbou galvanická kapacitní induktivní
ZČU v Plzni 2012
Galvanická rušivá vazbaGalvanická rušivá vazba
Snížení galvanické vazby kompaktnost - krátká vedení velké průřezy vodičů napájecí vodiče blízko sebe zemní vodič ve tvaru plochy
dt
diLiRur
D,
R L
u u r
d
i
l&
Elektromagnetické rušivé vazbyElektromagnetické rušivé vazby
cmnH10L
D
lRDC
Hr
dlL
ln
ZČU v Plzni 2012
Snížení galvanické vazby hvězdicovité napájení
nevhodnénevhodné vhodnějšívhodnější
nevhodnénevhodné vhodnějšívhodnější
dostatečně dimenzovat zemní spojení
Snížení galvanické vazby neslučovat signály
galvanicky oddělit potenciály, oddělené napájení
nevhodnénevhodné vhodnějšívhodnější
nevhodnénevhodné vhodnějšívhodnější
ZČU v Plzni 2012
Kapacitní rušivá vazbaKapacitní rušivá vazba
2312
121max CC
Cuur
t
uCRu 11223r
max
&
&
&
D Q
CC 23
1
2
3
C 12u1
u rR 23
Elektromagnetické rušivé vazbyElektromagnetické rušivé vazby
Snížení kapacitní vazby kompaktnost - krátká vedení velká vzdálenost mezi ovliv. vodiči velká kapacita mezi ovliv. vodičem
a zemí (zemní plochy, prokládání zemními vodiči)
cmpF1C12
mF
r2
r4ddC
2212 /
ln
pomalé změny napětí malé výstupní odpory obvodů stínění ohrožených vodičů
(stavebních skupin)
Vzájemná kapacita – kruh. vodičůVzájemná kapacita – kruh. vodičů
ZČU v Plzni 2012
Induktivní rušivá vazbaInduktivní rušivá vazba
Hld
S1
2M
2
0
ln
1 2
u r
R 1u
R R 2
Mi
dt
diM
dt
dur
cosBSur
Elektromagnetické rušivé vazbyElektromagnetické rušivé vazby
Snížení induktivní vazby kompaktnost - krátká vedení velké vzdálenosti mezi ovliv. vodiči pomalé změny proudu malé obepínané plochy (smyčky)
Vzájemná indukčnost – kruh. vodičůVzájemná indukčnost – kruh. vodičů
Induktivní rušivá vazbaInduktivní rušivá vazba
Elektromagnetické rušivé vazbyElektromagnetické rušivé vazby
Snížení induktivní vazby kroucení vodičů kolmé roviny ovliv. obvodů stínění vedení a stavebních skupin
ZČU v Plzni 2012
Rušivá vazba vyzařovánímRušivá vazba vyzařováním
12
u rd
E
efrr hEu
Snížení vazby vyzařováním elektromagnetické stínění
d
P30Er ,
ZČU v Plzni 2012
hef – efektivní délka antény
AF = 1/ hef – anténní faktor
Stínění proti EM polímStínění proti EM polím
BRAS
Efektivnost stínění
ReflexeAbsorpce Mnohonásobný odraz
t
REFLECTION
MULTIPLEREFLECTION
ABSORPTION
E 1 , H 1
E 0 , H 0
dBH
H20
E
E20S
1
0
1
0 loglog
Efektivnost stínění
ZČU v Plzni 2012
Absorpční útlum AAbsorpční útlum A
Útlum absorpcí
~ tloušťce t~ permeabilitě μ~ měr. vodivost σ– roste s 2 mocninou
2dB
t69,8A
1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1 10
0
25
50
100
125
150
Frequency [MHz]
Abs
orpt
ion
loss
[dB
]
75
175
Steel3 mm thick
Steel0.5 mm thick
Copper0.5 mm thick
Copper3 mm thick
ZČU v Plzni 2012
Útlum odrazem RÚtlum odrazem R
04
1log20
r
R
Útlum reflexí
~ měr. vodivosti σ~ 1/permeabilitě μ~ vzdálenosti r (v blízkém poli)
1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1 10
0
25
50
100
125
150
Frequency [MHz]
Ref
lect
ion
loss
[dB
]
75
Copper
Aluminium
Steel
Hraniční vzdálenost – blízké, Hraniční vzdálenost – blízké, vzdálené polevzdálené pole
2
r
ZČU v Plzni 2012
Útlum mnohonásobným odrazem BÚtlum mnohonásobným odrazem B
t2t22
0
0
ZZ
ZZ120B
j
M
M eelog
Útlum mnohonásobným odrazem
~ tloušťce t~ hloubce vniku δ
Dobře vodivý materiál t >> δ → B = 0Tenká stínící přepážka t << δ → B = záporný – snižuje SPro absorpční útlum A > 9 dB → B zanedbat
S [dB] A [dB] + R [dB]
▼
ZČU v Plzni 2012
Celková efektivnost stínění SCelková efektivnost stínění S
Technologické netěsnosti snižují efektivnost stínění !
Průběh S pro nekonečně velkou stínící desku
ZČU v Plzni 2012
Vliv otvorů a technologických netěsností na S Vliv otvorů a technologických netěsností na S
a220
logS
Nlog
a220
S
d
t16
f
f1
t6,542
mmS
Kruhový otvor poloměru a
N kruhových otvorů s poloměrem a
Kruhový otvor s průměrem d a tloušťkou stěny tt
d
l
t227
l220 ,log
SPravoúhlá štěrbina délky l
ZČU v Plzni 2012
Konstrukční úpravy pro zlepšené stíněníKonstrukční úpravy pro zlepšené stínění
Konstrukce stíněného okna pro zobrazovací prvky
a) b)
Spoje dělených skříní a) s větším průnikem b) lepší provedení
TĚSNĚNÍ
ZARÁŽKA
SKŘÍŇ
VÍKO
Elektromagnetické těsnění – utěsnění vstupních kabelů
ČÁSTSKŘÍNĚ
TĚSNĚNÍ
STÍNĚNÍKABELU
KABELY
ELMG.TĚSNĚNÍ
SKŘÍŇ
STÍNÍCÍSUBSKŘÍŇ
ZOBRAZOVACÍPANEL
FILTR
PŘÍVODNÍVODIČE
SKLO S VODIVÝMPOVRCHEM (MŘÍŽKA)
ZČU v Plzni 2012
Elektromagnetické těsnění – detail spoje
Zásady konstrukce stíněníZásady konstrukce stínění
Volit dobře stínící materiál a jeho tloušťku dobré magnetické materiály pro stínění nízkofrekvenčních magnetických polí dobře vodivé materiály pro stínění vysokofrekvenčních elektrických polí
Výsledná efektivnost určena netěsnostmi malý počet netěsností (otvorů, štěrbin) velké množství malých otvorů lepší než jeden velký větší hloubka netěsnosti - větší útlum dobře propojené části stínění (uzemnění) dobře napojit stínění na přívodní vodiče
Elektromagnetická těsnění malý útlum pro nízké frekvence a magnetické pole závislost útlumu na stlačení dobře volit materiál (galvanická koroze)
Stíněná okna převládá útlum odrazem malý útlum magnetických polí
Vodivé nanášené povrchy malý útlum pod 1 MHz a magnetických polí
Cín < μ nestíní mag. pole
Zemnění systémuZemnění systému
„Zemnění je cesta s nízkou impedancí pro proud vracející se zpět ke zdroji.“
Jednobodové eliminuje společné impedance odstraňuje zemní smyčky pro nf vhodné do 1 MHz
ANALOGVÉOBVODY
ČÍSLICOVÉOBVODY
VÝKONOVÉ AINDUKTIVNÍ
OBVODY
NAPÁJECÍZDROJ
pro vyšší frekvence nevhodné zvýšení impedance zem. spoje dlouhé spoje - antény
ZČU v Plzni 2012
Vícebodové vhodné pro frekvence nad 10
MHz vhodné pro číslicové obvody
nevhodné pro analogové obvody vznik zem. smyček
1. číslicovýobvod
2. číslicovýobvod
3. číslicovýobvod
Hybridní jednobodové přímo (nf) vícebodové přes kapacity (vf)
vznik rezonancí
citlivéširokopásmové
obvody
citlivéširokopásmové
obvody
ZČU v Plzni 2012
Zemnění na DSP - zemní plochaZemnění na DSP - zemní plocha
0,1 1 10 100 10001m
10m
100m
1
10Z
f [MHz]
Cu spoj (l = 3cm, d = 0,5mm)
Cu plocha (t = 0,035)
Impedance zemního spoje a zemní plochy
Není dobrá zemní plocha !
ZČU v Plzni 2012
Stínění koaxiálních vodičůStínění koaxiálních vodičů
Vazební přenosová impedance stíněného kabelu
Ir – ruš. proud na vnější straně pláště stínění
Ur – podélný úbytek napětí na vnitřní straně pláště stínění
Kmitočtová závislost vazební impedance
lI
UZ
)(
)()(
r
rT
Kvalitní stínění koaxiálních vodičů• jednoduché stínění, pletený plášť, malá „oka“• dvojité stínění• plný (kompaktní) stínící plášť
ZČU v Plzni 2012
Přípojná vedení – stíněné vodičePřípojná vedení – stíněné vodiče
Uzemnění stínění vodičůUzemnění stínění vodičů
ZIS ZUU IS
Princip stínění pro kapacitní rušivou vazbu
Princip stínění pro induktivní rušivou vazbu
ZČU v Plzni 2012
Uzemnění stínění vodičůUzemnění stínění vodičů
Rozdělení proudů u stíněného vodiče pro induktivní rušivou vazbu
U1
I 1
IS
IG
R LL
U 1
SR
M
SR L
1I 1 L
I S
R GI G
IS / I 1
log f
1
R G / L S
20 dB/dek
(R G+R S)/L S
R G
R G+R S
Závislost poměru IS / I1 na kmitočtu
ZČU v Plzni 2012
Uzemnění stínění vodičůUzemnění stínění vodičů
Jednobodové uzemnění stínění proti induktivní rušivé vazbě (nízké kmitočty)
Různé způsoby připojení stíněnía) zdroj signálu je uzemněnb) příjemce signálu je uzemněn A
UZ
a)B
b)
ZU IS = I 1
I1
!
ZČU v Plzni 2012
Konstrukční provedení uzemnění stínění vodičůKonstrukční provedení uzemnění stínění vodičů
Nevhodné napojení stínění vodiče
KABELSTÍNĚNÍ
STĚNASKŘÍNĚ
KONEKTOR
Vliv zkroucené délky stínění na jeho impedanci
- 40
- 30
- 20
- 10
0
0,01 0,1 1 10 100f [MHz]
Z [dB]
l = 50 mm
15 mm
2x15 mm
pocelémobvodu
- 50
Správné napojení stínění vodiče na konektorovou hlavici
KABEL
STĚNASKŘÍNĚ
KONEKTORVODIVÉ SPOJENÍV ROZSAHU 360°
KOVOVÝKRYT
Správné a nevhodné napojení stínění vodiče na stínící skříň
Napojení kabelů do zařízeníNapojení kabelů do zařízení
Vhodné a nevhodné napojení vodičů do zařízení
Správné napojení vodičů do stíněného prostoru skříně
(vstupní panel)
FILTR
STÍNĚNÝPROSTOR
NESTÍNĚNÝPROSTOR
Co jsme z EMC nestihliCo jsme z EMC nestihli
Vnitřní konstrukce zařízení Odrušovací součástky Odrušovací filtry
ZČU v Plzni 2003
Děkuji za pozornostDěkuji za pozornost
ZČU v Plzni 2012
ZČU v Plzni 2003