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