This slideshow is based on the following books and articles: David A. Weston, Electromagnetic Compatibility Principles and Applications, Second Edition,

Az előadások a következő témára: "This slideshow is based on the following books and articles: David A. Weston, Electromagnetic Compatibility Principles and Applications, Second Edition,"— Előadás másolata:

1 This slideshow is based on the following books and articles: David A. Weston, Electromagnetic Compatibility Principles and Applications, Second Edition, 2001, Marcel Dekker Inc. Dieter Stoll, Elektromágneses zavarvédelem - Műszaki Könyvkiadó, 1980 Lessons In Electric Circuits - Volume II Chapter 8 - Filters - www.ibiblio.org Dag Björklöf, Shielding for EMC - www.ce-mag.com The Fourier Series - www.vislab.usyd.edu.au Villamos Energetika III. kötet - Budapest, 1994 Csatolások, árnyékolás, szűrők, túlfeszültség elleni védelem

2 UV 10 nm 1,2x10 2 3  10 16 Röntgen Elektromágneses sugárzások frekvenciatartománya Statikus 0 Mikro- hullám 1 mm 3  10 11 1,2x10 -3 Frekven -cia (Hz) Hullámhossz Foton energia (eV) RF 1 m1 km 3  10 5 3  10 8 1,2x10 -6 1,2x10 -9 10 5 km ELF 10 2 km 3  10 0 3  10 3 1,2x10 -11 Nem ionizálóIonizáló Földmágnesesség Energiaátvitel (50 Hz)Mikrohullámú sütő 2,45 Ghz Mobiltelefon 900 Mhz Infravörös 760 nm 1,7 Látható fény 380 nm 3,1

3 50 Hz Geomágn. Szubharm. Felharm. 2 kHz 30 MHz 1 GHz URH, TV 12 GHz Műholdas adás 3000 GHz Infravörös sugárzás Látható fény 20 kHz 150 kHz Hosszú Közép Rövid hullám RFILFIEMPESD, 5 nsNEMP, 100 nsLEMP, 50 ms Akusztikus zavarásRádiózavarásTV zavarás f Elektromágneses zavarok (EMI) frekvenciatartományai Mobiltelefon

4 Zavarforrások Frekvencia spektrum szerint:Frekvencia spektrum szerint: –Keskenysávú –Szélessávú FésűsFésűs FolytonosFolytonos –Tranziens Zavarkicsatolás módja szerint:Zavarkicsatolás módja szerint: –Vezetett –Sugárzott

5 Keskenysávú zavarok ›Rádió, TV adók ›Rf hevítők ›Rádiótelefonok stb.

6 Szélessávú zavarok Sávkorlátozott sztohasztikus folyamatok Pl.: beszéd villamos szikra

7 Szélessávú zavarok Fésűs spektrum ›Periódikus kapcsolók ›Digitális berendezések

8 Kapcsoló üzemű tápegység mért zavarai

9 Tranziens zavarok T  / T< 10 -5 Gyors, de ritka impulzusok 

10 Impulzus jellegű zavarok Paraméterek:- U:Csúcsérték, - T h :Felfutási idő, - T f : félérték-idő,

11 Az EM hatások időbeli lefolyás szerinti osztályozása A zavar időbeli lefolyása Impulzusszerű, időbeli lefolyása adott Ismétlődő, periodikus: vonalas Foruier spektrum Nem periodikus: folyamatos Fourier spektrum Folyamatos, frekvencia- spektruma adott

12 Elektromágneses zavarások modellje

13 A csatolás általános modellje

14 Galvanikus csatolás Galvanikus zavaró hatások az áramkörök közös impedanciáin keresztül jönnek létre. A zavaró jellemző az áram.

15 Galvanikus csatolás közös vezetéken Megszüntetése: Z cs  0, vagyis a közös vezeték hosszának csökkentése: Galvanikus csatolásmentesítés (a galvanikus kapcsolat a két áramkör között egy pontra korlátozódik) Közös vezetéket tartalmazó áramkörök. Pl. közös nullavezeték

16 Galvanikus csatolás A csatolóimpedancia: ohmos ellenállásokból, induktivitásokból és kapacitásokból állhat. Kis frekvenciákon (kHz tartomány alatt) az ohmos ellenállások (vezetékek) többnyire a rajtuk átfolyó áram frekvenciájától függetlennek vehetők. Nagyobb frekvencián az ellenállás a szkinhatás miatt növekszik. Egy L induktivitás X L reaktanciája (váltakozóáramú ellenállása) lineárisan nő a frekvenciával: jX L = j  L = j2  fL A kapacitív reaktanciák frekvenciafüggése az alábbi képlettel írható le: jX C = 1/(j  C) = 1/(j2  fC)

17 Galvanikus csatolás Ohmos ellenállás frekvenciafüggése szkinhatás miatt:

18 Galvanikus csatolás Vezetékek induktív reaktanciája: A vezeték sugara mm nagyságrendű, a vezetéktávolság cm nagyságrendű

19 Galvanikus csatolás Galvanikus csatolás megszüntetése és csökkentése: Csatolóimpedanciák korlátozása Pl.: - közös vezetékek ohmos ellenállásának csökkentése elegendően nagy huzalkeresztmetszettel - vezetékinduktivitások csökkentése a közös áramút vezetékhosszainak csökkentésével, az oda és visszavezető huzalok kis egymás közti távolságával, egyenes vonalú huzalvezetéssel.

20 Galvanikus csatolás Galvanikus csatolás megszüntetése és csökkentése: Galvanikus csatolásmentesítés 1. rendszer 3. rendszer 2. rendszer 4. rendszer Jelek Visszatérő vezeték Helytelen megoldás

21 Galvanikus csatolás Galvanikus csatolás megszüntetése és csökkentése: Galvanikus csatolásmentesítés Az áramkörök egyetlen ponton kapcsolódnak galvanikusan. (különböző áramkörök pontszerű összekötése) 1. rendszer 3. rendszer 2. rendszer 4. rendszer Jelek Visszatérő vezeték

22 Galvanikus csatolás Galvanikus csatolás megszüntetése és csökkentése: Potenciálelválasztás Felesleges összeköttetések elkerülése, pl olyan eszközök használatával, melyek a következő elvek valamelyike alapján működnek: - elektromechanikus elv (relék); - elektromágneses elv (transzformátorok); - optoelektronikus elv (optoelektronikai csatolások).

23 Közeltéri csatolások Kapacitív csatolás Induktív csatolás H E d12 d1d2 d1,d2,d12 << zavar /2 

24 Kapacitív csatolás - Zavarforrás (Q) az 1 és 2 vezető felületek között, U 01 belső feszültséggel és Z b belső impedanciával - Zavarvevő (V): a 3 és a 4 vezető felületek, illetve a köztük lévő Z v impedancia. A kapacitív zavarások váltakozó villamos terek útján kerülnek a zavaró áramkörből a zavart berendezésbe. A zavaró jellemző a feszültség.

25 Kapacitív csatolás Kapacitív csatolás megszüntetése és csökkentése: Zavaró és zavart rendszer megfelelő kialakítása - A zavaró rendszert úgy kell kialakítani, hogy a feszültségváltozások nagysága és meredeksége lehetőleg kicsi legyen. - A zavart rendszer lehetőleg kis impedanciájú, nagy zavartávolságú áramkörökből álljon. - A két rendszer mindegyikét kis terjedelemben és helyileg a másiktól elkülönítve kell felépíteni.

26 Kapacitív csatolás Kapacitív csatolás megszüntetése és csökkentése: A kapacitív csatolások csökkentése - Csatolókapacitások csökkentése nagy távolságokkal, rövid vezetékekkel, párhuzamosan futó vezetékek elkerülésével. - A zavaró elektromos terek hatását a zavarvevőn és/vagy a zavarforráson alkalmazott árnyékolással csökkenteni - A becsatolt zavarjelek kompenzálják egymást, ha a csatolókapacitások elektromosan szimmetrikusak.

27 Kapacitív csatolás Kapacitív csatolás megszüntetése és csökkentése: Árnyékolás kapacitív befolyás ellen

28 Kapacitív csatolás A szimmetria feltétele: C 13 :C 23 =C 14 :C 24 Kapacitív csatolás megszüntetése és csökkentése: Szimmetrizálás - vezetékek négyes csoportosítása - a vezetékek sodrása (1 a 2-vel és 3 a 4-gyel)

29 Induktív csatolás - A 01 zavaró áramkörben i 1 áram  1 mágneses fluxust hoz létre. - A 02 zavarvevő áramkör a zavarforrás  1 fluxusával kapcsolódik. Az induktív zavarások egy zavarforrás váltakozó mágneses tere által indukált feszültségként keletkeznek a zavarvevőben. Okuk a zavarforrás áramának változása. u CS = -M k di 1 /dt

30 Induktív csatolás - Vezetékek sodrása Az induktív csatolás csökkentése: - Szimmetrikus elhelyezés - A vezetékhurkok által körülhatárolt felület csökkentése és a kölcsönös távolság növelése h h<<s 1 2 3 4 - Mágneses tér árnyékolása

31 Vezetéken terjedő hullámzavarás - Zavarforrásként egy, az 1 és 2 vezeték között haladó, U 12 vezetékfeszültséggel és I árammal jellemezhető elektromágneses hullám az E elektromos és H mágneses teret állítja elő; - Zavarvevőként a 3 és 4 vezetékekre az 1 és 2 vezetékek között haladó hullámnak mind ez elektromos mind a mágneses erővonalai hatnak. A vezetékek egymással a Z 12 … Z 34 rész-hullámellenállásokon keresztül kapcsolódnak. Ha a vezetékek továbbra is egymás közel- terében vannak, de hosszabbak a hullámhossz tizedénél, akkor csatolt tápvonalként viselkednek. Ekkor a csatolást a kölcsönös impedanciák írják le. Napjainkban az egyre gyorsabb működésű számítógépekben akár a nyomtatott áramköri panelen is előfordulhatnak ilyen jellegű csatolások. U12U12 24 E H U34U34 Z 12 Z 24 Z 34 Z 13 Z 14 Z 23 13 I

32 Vezetéken terjedő hullámzavarás

33 Intézkedések a vezetéken terjedő hullámzavarás ellen: A zavaró és a zavart rendszert térbelileg egymástól el kell választani, az erősáramú és a gyengeáramú kábeleket külön kell vezetni; Vezetéken terjedő hullámzavarás - Megfelelő telepítés: - Árnyékolás - Szimmetrizálás Az elektromágneses tér korlátozása a terjedés irányára merőlegesen (zavaradón), vagy árnyékolóval olyan irányba terelése, hogy a zavarérzékeny berendezést elkerülje (a zavarérzékeny helyen). Z 13 :Z 23 =Z 14 :Z 24

34 Árnyékolás: Vezetéken terjedő hullámzavarás Árnyékolás minősége: Z CS = U 0 /I

35 Szimmetrizálás: Vezetéken terjedő hullámzavarás Z 13 :Z 23 =Z 14 :Z 24 Megoldások: - jelvezetékek különböző sűrűségű sodrása - földszimmetrikus vezérlés - vevőként differenciaerősítő alkalmazása

36 Távoltéri csatolás - Síkhullám Csökkentése: árnyékolás d1 d12 d2 D12 >> zavar /2  H E

37 Távoltéri csatolás A sugárzási zavarás elve: - Zavarként egy, a zavarforrásból kiinduló, szabad térben terjedő, E 0 elektromos és H 0 mágneses térerősségű hullám. - Zavarvevőként két vezeték (3 és 4), amelyekre mint antennára hat az E 0 és a H 0. A két vezeték képezhet hurkot is.

38 Távoltéri csatolás Sugárzási zavarás elleni árnyékolás: - A zavarforrás és a zavarvevő között a zavarforrástól r távolságban d vastagságú fém vagy villamosan vezető árnyékolóernyő helyezkedik el. Az ernyő az előtte levő H 0 és E 0 térerősségeket a vevőn H 1 és E 1 értékre csökkenti.

39 Zavar terjedés Az EM zavarok terjedés szerinti osztályozása U zavar ~ I zavar ~ H zavar ~ E zavar ~ S=ExH Kapacitív Induktív Vezetéken CsatolássalSugárzással Egyéb pl. ESD, LP

40 Zavar terjedés Vezetett Az EM zavarok terjedés szerinti osztályozása Sugárzott Vezetéken Felharmonikus torzítás Frekvencia- ingadozás Feszültség ingadozás kimaradás aszimmetria Csatolással LFI kapacitív induktív konduktív földelőn föld- potenciálon H (B) mágneses tér pl. távvezeték H tere E villamos tér pl. távvezeték E tere S = E x H EM tér pl. RFsugárzás

41 A nemkívánt jelenségek és zavarforrások típusai az IEC TC 77 és a CENELEC TC 110 alapján a csatolás sugárzott és vezetett formájának figyelembevételével: Vezetett kisfrekvenciás zavarjelenségek Harmonikusok és interharmonikusok Jelző rendszerek Feszültségingadozás Feszültségesés és kimaradás Feszültség asszimetria Teljesítmény-frekvencia ingadozás Indukált kisfrekvenciás feszültségek Egyenáramú összetevő a váltakozóáramú hálózaton Sugárzott kisfrekvenciás tér hatások Mágneses tér Elektromos tér kvázistacioner vagy tranziens Vezetett nagyfrekvenciás zavarjelenségek Vezetett nagyfrekvenciás áram vagy feszültség Periodikus tranziens, ami egyszeri, vagy ismételt (burst) Aperiodikus tranziens, ami egyszeri vagy ismételt (burst) Sugárzott nagyfrekvenciás tér hatások Mágneses tér Elektromos tér Elektromágneses tér folyamatos hullám tranziens jel (egyszeri vagy ismételt) Elektrosztatikus kisülés (ESD) Nukleáris elektromágneses impulzus (NEMP)

42 Az EMC biztosításának alapjai Zavarkibocsátási szint Zavarkibocsátási határérték Zavartűrési szint Zavartűrési határérték Zavartűrési tartalék Zavarkibocsátási tartalék Összeférhetőségi tartomány Zavarás szintje Független változó Kompatibilitási szint

43 Az EMC probléma kezelésének folyamata Zavarforrás behatárolása Zavarás mértéke Berendezésre gyakorolt hatás Védelmi módszerek

44 A zavarás csökkentése -a kibocsátás csökkentése -a csatolás csökkentése -a zavartűrés növelése

45 E H E H E H Árnyékolás Villám ESD Az árnyékolás megakadályozza a nem kívánt EM terek, és zavarások bejutását a védett EM zónába, illetve az onnan való kijutásukat.

46 1. Zóna Elektromágneses védettség szerint különböző szinteket illetve zónákat különböztethetünk meg, mely zónák között fizikai vagy geometriai határokat lehet kijelölni. 0. Zóna 2. Zóna Az EMC megközelítésének zónás elve

47 Egy belső zóna árnyékolását az őt közvetlenül körülvevő zóna referencia földpontjához kell csatlakoztatni, egy ennél kijjebb levő zónával való közvetlen összekötése nem megengedhető. Az árnyékolás zónás elve

48 Faraday-kalitka. A zár vezető felületen az elektromos térerő töltésmegosztást hoz létre. A megosztott töltések a külső erőtérrel ellentétes irányú teret generálnak, mely kiegyenlíti a külső erőteret. Elektromos tér árnyékolása E [V/m] EgEg

49 A nagy permeabilitású anyagok egy kis reluktanciájú (kis mágneses ellenállású) utat jelentenek a mágneses tér számára, így belsejükben a mágneses tér erőssége lecsökken. Mágneses tér árnyékolása HkHk HbHb gömbre: a á = 20 lg (H k /H b ) = 20 lg(1+  r d/2r 0 ); (d << r 0 ) d r0r0

50 A jól vezető, vékony fémben a váltakozó mágneses tér áramot indukál, mely maga körül a gerjesztő térrel ellentétes irányú mágneses teret hoz létre. A zárt felületen belül a az örvényáram gerjesztette tér lerontja külső teret. Mágneses tér árnyékolása H k (j  ) I(j  ) H g (j  )

51 Az árnyékoló felületén levő szakadások, rések (apertúrák) megakadályozzák az indukált áramok folyását, így csökkentve az árnyékolás hatásosságát. Apertúrák az árnyékolásban

52 Shielding Effectiveness Mit jelent a shielding effectiveness? Az árnyékoló csillapítása Az árnyékoló nélkül fennálló térerősség és az árnyékoló alkalmazásával az árnyékoló után kialakuló térerősség aránya. (Az árnyékoló előtti és mögötti térerősségek aránya.) Mértékét általában dB -ben adják meg. Kisebb érték gyengébb árnyékolást jelent. (elektromos térre)

53 L Shielding Effectiveness E H E H H E E H SE =R dB + A dB + B dB

54 Behatolási mélység Az árnyékolási csillapítás függ a felhasznált árnyékoló anyagától, illetve a behatolási mélységtől. A behatolási mélység (szkin mélység) Azt a távolságot jelenti, ahol az anyagban a térerő 1/e -ad részére csökken a külső erőtérhez képest (  37%) Így a behatolási mélység 3-szorosán a csillapítás közel 100 %-os A frekvencia növekedésével a behatolási mélység csökken Ami nagyobb csillapítást tesz lehetővé Rádiófrekvencián a behatolási mélység általában kicsi Egy frekvenciafüggő, anyagra jellemző tulajdonság

55 A behatolási mélység függ a: Frekvenciától Permeabilitástól Konduktivitástól A következőképpen számolható: Behatolási mélység

56 Az EM tér az abszorpció miatt exponenciálisan csökken az anyagban, a behatolási mélységgel (  azonos d távolságban 1/e -ad részére. Az abszorpciós csillapítás az árnyékoló anyagában fellépő energiaveszteségből adódik. EM hullámok árnyékolása Abszorpciós csillapítás

57 EM hullámok abszorpciós csillapítása acél és réz esetén esetén a frekvencia függvényében, 0,5 és 3 mm-es árnyékolóvastagság mellett. EM hullámok árnyékolása

58 A reflexiós csillapítás a beérkező hullámok visszaverődésével jön létre. A visszaverődés mértéke attól függ, hogy mekkora az eltérés a külső tér Z 0 és az árnyékoló impedanciája Z s között. EM hullámok árnyékolása Reflexiós csillapítás

59 A teljes árnyékolási csillapítás az abszorpciós és reflexiós csillapítások összege (dB). (A többszörös visszaverődésből adódó csillapítás elhanyagolható) EM terek árnyékolása

60 Egy fém felület mellet jórészt érintő irányban kialakuló mágneses tér (H) egy nyíláson keresztülhatolva áramot indukálhat a fém felület túloldalán levő vezetékben. Árnyékolás a gyakorlatban

61 Az elektromos tér behatolhat az árnyékoló felületén levő nyíláson, feszültségváltozást létrehozva az árnyékoló túloldalán levő vezetőben. Árnyékolás a gyakorlatban

62 Több kis nyílás esetén jobb árnyékolás érhető el, mint egyetlen nagyobb kialakításával. Ha nyílásokként rövid csőtápvonalakat alkalmazunk, akkor ezeken a csőtápvonal vágási frekvenciájánál kisebb frekvenciájú hullámok nem jutnak át (a szabadtéri hullámhossz nagyobb a csőtápvonal határhullámhosszánál). Árnyékolás a gyakorlatban

63 Az kábelárnyékolást a készülékárnyékoláshoz a lehető legszorosabban kell csatlakoztatni. Árnyékolás a gyakorlatban

64 Egy árnyékolt csatlakozó esetén sokkal jobb árnyékolási hatásfok érhető el egy szoros csatlakozással (b ábra), mint egy laza, vezetékkel való összekötéssel (a ábra). Árnyékolás a gyakorlatban

65 Kimondja, hogy egy tetszőleges egy dimenziós, periódikus f(x) függvény kifejezhető különböző periódusidejű szinusz és koszinusz függvények lineáris kombinációjaként. A FOURIER TÉTEL

66 Szűrők Szűrő f 0 dB a [dB] Aluláteresztő a [dB] 0 dB f Felüláteresztő f a [dB] 0 dB Sáváteresztő a [dB] 0 dB f Sávzáró Hasznos jel + zajHasznos jel Zaj

67 A szűrők a különböző frekvenciájú hullámokat más-más csillapítással engedik át. Szűrők f Az alsó ábrán látható egy sáváteresztő szűrő ideális, illetve valós karakterisztikája. Ideális Valós f a [dB] 0 dB

68 Egy egyszerű szűrőkarakterisztika fő jellemzői Frekvencia Csillapítás a [dB] 0 dB Beiktatási csillapítás Határfrekvencia -3 dB -nél (fél teljesítmény)

69 Aluláteresztő szűrők

70 Példa aluláteresztő szűrő alkalmazására

71

72 Felüláteresztő szűrők

73 Példa felüláteresztő szűrő alkalmazására

74 Sáváteresztő szűrők AluláteresztőFelüláteresztő Bemeneti jel Kimeneti jel Kiszűri a túl nagy frekvenciájú jeleket Kiszűri a túl kis frekvenciájú jeleket

75 Sáváteresztő szűrők

76 Sávzáró szűrők Aluláteresztő Felüláteresztő Bemeneti jel Kimeneti jel Átengedi a kis- frekvenciás jeleket Átengedi a nagy- frekvenciás jeleket

77 Sávzáró szűrők

78 Szűrők rezgőkörrel Sáváteresztő szűrő soros rezgőkörrel

79 Szűrők rezgőkörrel Sáváteresztő szűrő párhuzamos rezgőkörrel

80 Szűrők rezgőkörrel Sávzáró szűrő soros rezgőkörrel

81 Szűrők rezgőkörrel Sávzáró szűrő párhuzamos rezgőkörrel

82 Szűrők

83 Túlfeszültségek elleni védelem Villámáram levezető

84 Villámáram-levezető felépítése és működése 1. Gyújtás a megszólalási feszültségen 2. Az ív áthidalja az elektródák közötti távolságot 3. Az ív az elektródák közül kifelé halad 4. Az ív az ütközőlemezen részekre szakad 5. Részívek kialakulása 6. Letörés és a részívek kialvása

85 Villámáram-levezető

86 Túlfeszültségek elleni védelem Túlfeszültség-korlátozó

87 Szikraközök Túlfeszültség levezetők

88 Szikraközök jelleggörbéi Túlfeszültség levezetők

89 Fém-oxid varisztor Túlfeszültség levezetők

90 Fém-oxid varisztor működése Túlfeszültség levezetők

91 Túlfeszültség-levezető készülékek összehasonlítása

92 3 lépcsős túlfeszültség-védelem

93 Védőkészülékek elhelyezése

94 Példa: ISDN hálózat MABETRAB UFBK-M-ISDN-NT D-TR1/ISDN... WT-RJ 45... CBT 2M-2ISDN NT U k0 CT 10 10-5/ISDN