EMC-DIREKTIIVIN ENSIMMÄISET KYMMENEN VUOTTA SUOMESSA

Transkriptio

1 Turvatekniikan keskus TUKES-julkaisu 6/2000 EMC-DIREKTIIVIN ENSIMMÄISET KYMMENEN VUOTTA SUOMESSA Jyri Rajamäki

2 Alkulause Tämä työ on tehty Turvatekniikan keskuksen Tuotevalvontayksikössä professori Jorma Kyyrän valvonnassa. Kiitän professori Kyyrää saamastani tuesta ja ohjauksesta. Kiitän työtäni avustaneita henkilöitä Turvatekniikan keskuksessa. Kiitokset erityisesti johtaja Reijo Mattiselle kannustuksesta, kommenteista ja lukuisista työn kehittämisehdotuksista. Kiitän osastosihteeri Monica Lönnforsia auttavaisuudesta ja monista pienistä palveluksista, joita hän työni kannalta on tehnyt. Kiitän ylitarkastaja Sanna-Mari Karjalaista EUtermeihin liittyvästä opastuksesta. Kiitän myös kaikkia muita TUKESlaisia kannustavasta ilmapiiristä. Lisäksi kiitän TkL Petteri Jokelaa Telehallintokeskuksesta avustuksesta telepuolen markkinavalvontaa käsittelevissä asioissa sekä Brian Forderia tiivistelmän käännöksen oikoluvusta. Viimeisenä vaan ei vähäisimpänä kiitän Merjaa kaikesta kannustuksesta, auttavaisuudesta, ymmärtäväisyydestä ja tuesta, jota häneltä olen saanut niin työpaikalla kuin kotonakin. Helsingissä Jyri Rajamäki 2

3 Sisältö ALKULAUSE...2 LISENSIAATTITYÖN TIIVISTELMÄ...7 ABSTRACT OF THE LICENCIATE S THESIS...8 KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET JOHDANTO EUROOPAN UNIONI JA EUROOPAN YHTEISÖ(T) MITÄ DIREKTIIVILLÄ TARKOITETAAN? TUOTTEIDEN EUROOPPALAISET VAATIMUKSET EMC-DIREKTIIVI TYÖN TAVOITTEET JA SISÄLTÖ SÄHKÖMAGNEETTINEN YHTEENSOPIVUUS EMC:N MÄÄRITELMÄ Sähkömagneettinen ympäristö Yhteensopivuusmarginaali Määritelmien tärkeimmät erot SÄHKÖMAGNEETTINEN HÄIRIÖ Luonnolliset häiriöt Tekniset häiriöt Häiriöiden muu jaottelu KAUKO- JA LÄHIKENTTÄ HÄIRIÖIDEN KYTKEYTYMISMEKANISMIT Galvaaninen kytkeytyminen Kapasitiivinen kytkeytyminen Induktiivinen kytkeytyminen Sähkömagneettinen säteily EMC:N HUOMIOIMINEN LAITESUUNNITTELUSSA [SEP97] EMC-MITTAUKSET Säteilevien häiriöiden mittaustavat Testauspalveluiden tarjoajat Suomessa EY-TUOTEDIREKTIIVIT VANHAT YKSITYISKOHTAISET TEKNISET DIREKTIIVIT UUSI LÄHESTYMISTAPA LAAJA-ALAINEN LÄHESTYMISTAPA UUDEN LÄHESTYMISTAVAN DIREKTIIVIT SÄHKÖ- JA ELEKTRONIIKKATUOTTEIDEN KANNALTA TÄRKEÄT DIREKTIIVIT Tuotteet, joille on EMC-vaatimukset sisältävä tuotedirektiivi Tuotteet, jotka on osittain rajattu pois EMC-direktiivin soveltamisalasta Tuotteet, joille on EMC-direktiivin kanssa rinnan sovellettava direktiivi VASTUUT Valmistaja Valtuutettu edustaja

4 3.6.3 Maahantuoja DIREKTIIVINMUKAISUUDEN OSOITTAMINEN CE-merkintä EY-vaatimustenmukaisuusvakuutus Sähkölaitteiden vaatimustenmukaisuuden osoittaminen Sertifiointi MARKKINAVALVONTA [MAT00] Markkinavalvonnan tavoitteet ja vaatimukset Valvonta- ja reaktiokeinot Markkinavalvonnan organisointi Suomessa ONGELMAT [LIU00A] EMC-DIREKTIIVI DIREKTIIVIN VOIMAANTULO EMC-DIREKTIIVIN KESKEISIMMÄT ARTIKLAT EMC-DIREKTIIVIN SOVELTAMINEN Direktiivin soveltaminen komponentteihin Direktiivin soveltaminen laitteisiin Direktiivin soveltaminen järjestelmiin Direktiivin soveltaminen laitteistoihin Direktiivin soveltaminen käytettyihin laitteisiin ja varaosiin VAATIMUSTENMUKAISUUDEN OSOITTAMINEN Yhdenmukaistettujen standardien noudattaminen Teknisen rakennetiedoston käyttö Radiolaitteiden tyyppihyväksyntä Järjestelmä tai laite, jolla voi olla vaihtelevia kokoonpanoja CE-MERKINTÄ JA VAATIMUSTENMUKAISUUSVAKUUTUS EMC-DIREKTIIVIIN YHTEISTYÖRYHMÄT EMC Working Party EMC think tank Markkinavalvontaviranomaisten yhteistyöryhmä Tarkastuslaitosten sateenvarjo-organisaatiot EMC-konsultti ja standardointi EMC-SLIM-työryhmä MRA-ryhmä EMC-DIREKTIIVIN TULEVAISUUDEN NÄKYMÄT EMC direktiivin soveltaminen ilmailun laitteisiin RTTE-direktiivi Mittauslaitedirektiivi SLIM [DG399], [Mat99] MITÄ SLIMIN JÄLKEEN? EMC-STANDARDIT STANDARDOINTIJÄRJESTÖT EMC-standardointijärjestöt EMC-STANDARDIEN HIERARKIA Perusstandardit Yleiset standardit

5 5.2.3 Tuotestandardit STANDARDITILANNE EUROOPASSA Perusstandardit Yleiset standardit Tuotestandardit Yhdenmukaistetut standardit Muut EMC-standardit EMC-STANDARDOINNIN KEHITTÄMINEN Sähkömagneettiset ympäristöt ja niiden suojelu häiriöiltä Sähkömagneettiset ilmiöt ja perusstandardit Yleiset standardit ja niiden suhde tuotestandardeihin Standardien suuri määrä, selkeys ja saatavuus PÄÄTELMÄT KANSALLINEN EMC-LAINSÄÄDÄNTÖ JA MARKKINAVALVONTAJÄRJESTELMÄ SÄÄDÖSPERUSTA EMC-MARKKINAVALVONTAVIRANOMAISET PÄTEVÄT LAITOKSET EMCEC OY FIMKO OY Telehallintokeskus KANSALLISET YHTEISTYÖELIMET EMC-yhteistyövaliokunta [EMC98] Vaara- ja häiriöjännitevaliokunta [VAA95] SÄHKÖTUOTTEIDEN MARKKINAVALVONTA Sähkötuotteet Tuotteiden vaatimustenmukaisuus Epäilyttävät laitteet testataan TUKESin reaktiokeinot Käytännön seuraamukset TUKESin valvonnan muodot TUKESin toimintamalli EMC-valvonnan erityispiirteet TELEPÄÄTE- JA RADIOLAITTEIDEN MARKKINAVALVONTA SUOMESSA Yleistä Telehallintokeskuksen markkinavalvonnasta Resurssit Tuoteryhmät Toimenpiteet Valvonnan kohdistaminen ja valvontamuodot Yhteistyö Markkinavalvonnan erityispiirteitä SÄHKÖLAITTEET EMC-VALVONNAN KOHTEENA VALVONTAKÄYNNIT MARKKINAVALVONTATESTAUKSET EMC-markkinavalvontatestaukset ja -kulut EMC-testaukset laiteryhmittäin

6 7.2.3 EMC-testausten tulokset Markkinavalvontatestien laskutukset ASIAKIRJAVALVONTA UPS-HANKE UPSien toimintaperiaate UPSien EMC-vaatimukset Tehdyt testit ja tulokset Tulosten tarkastelua Päätelmät ja reaktiokeinojen käyttö MIKROTIETOKONEHANKE Mikrotietokoneiden EMC-ominaisuuksia Mikrotietokoneiden EMC-vaatimukset Mikrotietokonehankkeessa käytetyt testausjärjestelyt Tulokset Syiden arviointi Miten tilanne korjataan? EMC-MARKKINAVALVONNAN ARVIOINTI JA KEHITYSKOHTEET MILLAINEN ON MODERNI VALVONTA? [AHV00] EMC-MARKKINAVALVONTA EUROOPASSA Valvontajärjestelmät Resurssit Reaktiokeinot ja niiden käyttö Kehitystarpeet ja -näkymät TUKESIN EMC-MARKKINAVALVONNAN ARVIOINTI Aiemmat arvioinnit Tulosten arviointi Menetelmän arviointi Kehittämisen arviointi TUKESIN EMC-MARKKINAVALVONNAN KEHITTÄMISTARPEET EMC-markkinavalvonnan tulosten mittaaminen Sähkötuotteiden reaktiokeinojen hyödyntäminen Riskianalyysityökalujen hyödyntäminen PÄÄTELMÄT YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET KULTTUURIEROT EMC-DIREKTIIVIN TOIMIVUUS EMC-MARKKINAVALVONTA TULEVAT TARPEET LÄHTEET LIITTEET LIITE 1. EMC-SLIM TYÖRYHMÄN SUOSITUKSET LIITE 2. EMC-MARKKINAVALVONTATESTIEN TULOKSET LAITETYYPEITTÄIN

7 TEKNILLINEN KORKEAKOULU LISENSIAATTITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Työn nimi: Jyri Rajamäki EMC-direktiivin ensimmäiset kymmenen vuotta Suomessa Päivämäärä: Sivumäärä: 131 Osasto: Sähkötekniikan osasto Professuuri: S-81 Teollisuuselektroniikka ja sähkökäytöt Työn valvoja: professori Jorma Kyyrä Työssä kootaan yhteen EMC-direktiiviin liittyviä asioita ja pohditaan, mitä direktiivi kymmenvuotisen historiansa aikana on käytännössä saanut aikaan. Työssä kuvataan Suomen EMC-markkinavalvontajärjestelmä ja kerrotaan tulokset, arvioidaan valvontaa ja esitetään sille kehittämiskohteita. EMC-direktiivin tarkoituksena on helpottaa tavaroiden vapaata liikkuvuutta ja ylläpitää riittävä sähkömagneettinen yhteensopivuustaso. EMC-direktiivi on osoittautunut yhdeksi kiistellyimmistä EY:n uusista määräyksistä. EY-komissio on julkaissut useita soveltamisohjeita vastauksena kritiikkiin ja epätietoisuuteen. Viimeisin 124-sivuinen EMC-direktiivin soveltamisohje on vuodelta 1997 ja lisäksi tarvitaan vuonna 1999 valmistuneen yleisen direktiivien täytäntöönpano-opas, jossa mm. vastuuasioita selkeytetään ja kerrotaan markkinavalvonnasta. Oppaat eivät kuitenkaan riitä ja direktiiviä ollaan uusimassa. Työssä esitetään näkemys siitä, mihin suuntaan EMC-direktiiviä ja sitä tukevia EMC-standardeja ollaan kehittämässä ja miten niitä pitäisi kehittää. TUKESin EMC-valvonta koostuu asiakirjavalvonnasta ja laitetestauksista. EMC-direktiivin aikana on testautettu 237 laitetta. Testautetuista laitteista yli puolet on täyttänyt standardit, vajaassa kolmasosasta on löytynyt pieniä puutteita ja noin 15 % on sisältänyt huomattavia puutteita ja laitteet on jouduttu vetämään pois markkinoilta. Laiteryhmittäin on kuitenkin suuria eroja. Tietotekniikan laitteet ovat selvästi ongelmallisin tuoteryhmä, tehoelektroniikan laitteet seuraavaksi ongelmallisin. EMC-valvonnan hankkeet onkin toteutettu mikrotietokoneille sekä tehoelektroniikkalaitteista keskeytymättömän tehonsyötön laitteille (UPS) ja taajuusmuuttajille. TUKESin markkinavalvonnan tehtävänä on riittävän sähkömagneettisen yhteensopivuustason ylläpitäminen ja sähkötuotekaupan toiminnanharjoittajien tasapuolisten kilpailuedellytysten turvaaminen Suomessa. Yhteensopivuustason ylläpitämisessä on ilmeisimmin onnistuttu, mutta tasapuolisuuden turvaaminen on hankalammin todennettavissa. Aina on mahdollista, että joku osapuolista kokee tulleensa kohdelluksi ankarammin kuin muut. Erityisesti tämä korostuu kun verrataan pien- ja keskisuurta teollisuutta suurteollisuuteen. Ympärillämme vallitsevat sähkömagneettiset olosuhteet muuttuvat koko ajan. Yhä useammat laitteet sisältävät mikroprosessoreja ja toisaalta langaton tiedonvälitys yleistyy. Näin häiriötoiminnat tulevat yhä todennäköisemmiksi ja vakavien onnettomuuksien ja taloudellisten vahinkojen riski kasvaa. Yksi EMC-lainsäädäntötyön tavoitteista on luoda normit, joiden puitteissa teknisen kehityksen mukanaan tuomat ongelmat voidaan hallita. Maailmanlaajuisten markkinoiden kehittyminen yhdenmukaistanee EMC-vaatimukset eikä EMC-lainsäädäntö siten voi pysyä EU:n sisäisenä asiana. AVAINSANAT: direktiivi, EMC, EMC-direktiivi, markkinavalvonta, laaja-alainen lähestymistapa, uusi lähestymistapa 7

8 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE LICENTIATE S THESIS Author: Jyri Rajamäki Name of the thesis: The First Ten Years of The EMC Directive in Finland Date: Number of pages: 131 Faculty: Electrical Engineering Professorship: S-81 Industrial Electronics and Electric Drives Supervisor: professor Jorma Kyyrä This thesis collects together matters connected with the EMC Directive and also the thesis considers what the Directive has in practise accomplished during it s ten-year history. The thesis describes the EMC market surveillance system in Finland and tells of the results, evaluates the surveillance and presents points needing to be developed within it. The EMC Directive is intended to make the free movement of products easier and to maintain a satisfactory level of electromagnetic compatibility. The EMC Directive has proved to be one of the most argued about of the new EC-decrees. The EU Commission has published several application guides in response to criticism and the lack of clarity of original. The latest 124-page EMC Directive Guidelines is from 1997 and additionally The New Approach Directive Implementation Guide from 1999 is also required to show where, among other things, matters of responsibility are clarified and market surveillance enlightened upon. The guides are, however, not enough and the Directive is being renewed. The thesis indicates which direction the EMC Directive and it s supporting EMC standards are being developed towards and how they should be developed. EMC monitoring by TUKES undertakes document control and product testing. Today, 237 products have been tested. Of these products over 50% have fulfilled standards; in one third there have been minor defects and 15% have contained considerable defects leading to products being withdrawn from the market. There are, however, big differences between product groups. IT products are clearly the most problematic product group, power electronic products are the second problem group. TUKES EMC surveillance projects have been carried out on microcomputers and on two power electronic product groups, uninterruptible power systems and frequency converters. The task of TUKES market surveillance is the maintenance of a satisfactory level of electromagnetic compatibility and to ensure fair conditions of competition for entrepreneurs in the field of electrical products in Finland. In the maintenance of compatibility-level we have succeeded, but assuring entrepreneurs of our lack of bias in certain cases has been harder. The electromagnetic environments around us change all the time. More and more products contain microprocessors and wireless information exchange tools become more general making disturbance activity even more likely and the risk of serious accidents and economical loss also increase. One of the aims of EMC legislation work is to create norms, within the limits of which the problems that come with the technical development can be controlled. The development of global markets will probably harmonise EMC requirements and therefore EMC regulations will not remain a matter just within the EU. KEY WORDS: directive, EMC, EMC Directive, market surveillance, global approach, new approach. 8

9 Käytetyt merkinnät ja lyhenteet ADCO ARP CB CEN Administrative Co-operation Working Group, markkinavalvontaviranomaisten yhteistyöryhmä autoradiopuhelin, analoginen matkapuhelinjärjestelmä Competent Body, valtuutettu tarkastuslaitos Comité Européen de Normalisation / European Committee for Standardization, Euroopan standardisoimiskomitea CENELEC Comité Européen de Normalisation Electrotecnique / European Committee for Electrotechnical Standardization, Euroopan sähköteknillinen standardisoimiskomitea CISPR International Special Committee on Radio Interference, kansainvälinen radiohäiriöitä käsittelevä erikoiskomitea DG Directorate General, Euroopan komission pääosasto dop date of publication, viimeinen kansallisen standardin julkaisupäivämäärä dow date of withdawn, ristiriidassa olevien kansallisten standardien viimeinen kumoamismääräaika ECACB European Community Asseciation of Competent Bodies, Euroopan yhteisön valtuutettujen tarkastuslaitosten yhdistys EMC Electromagnetic compatibility, sähkömagneettien yhteensopivuus EMCD EMC-direktiivi EMC-WP EMC Working Party of Governmental Experts EMP Electromagnetic pulse, sähkömagneettinen pulssi ESD Electrostatic discharge, staattinen purkaus ETA Euroopan talousalue ETSI European Telecommunications Standards Institute, eurooppalainen telealan standardisoimisjärjestö ETY Euroopan talousyhteisö EU Euroopan unioni EUT Equipment Under Test, testattava laite EY Euroopan yhteisö, Euroopan yhteisöt GSM Global System for Mobile communications, yleismaailmallinen digitaalinen matkapuhelinjärjestelmä GTEM Giga hertz transverse IEC International Electrotechnical Commission, kansainvälinen sähköalan standardisoimisjärjestö ISM Industrial, Science and Medical, teollisuuden, tieteen ja lääketieteen ISO International Organisation for Standardization, kansainvälinen standardisoimisjärjestö ITU International Telecommunication Union, kansainvälinen televiestintäliitto ITU-T International Telecommunication Union - Technology, ITU:n standardisointisektori KTM Kauppa- ja teollisuusministeriö KTMp Kauppa- ja teollisuusministeriön päätös LM Liikenneministeriö LVD Low voltage directive, pienjännitedirektiivi LVD-WP LVD Working Party of Governmental Experts 9

10 MJVP Mutual Joint Visit Programme, komission organisoima markkinavalvontaviranomaisten vastavuoroinen vierailuohjelma MRA Agreement on Mutual Recognition, testaustulosten, testauslaitosten jne. vastavuoroinen hyväksyminen NB Notified Body, ilmoitettu tarkastuslaitos NBEMC Notified Bodies - EMC, EMC-alueen ilmoitettujen tarkastuslaitosten järjestö NMT Nordic Mobile Telephone, pohjoismainen analoginen matkapuhelinjärjestelmä OJEC Offical Journal of the European Communities, Euroopan yhteisöjen virallinen lehti RF Radio Frequency, radiotaajuus-, radiotaajuinen RTTE Radio and Tele Terminal Equipment, radio- ja telepäätelaite RTTED Radio and Tele Terminal Equipment Directive, Radio- ja telepäätelaitedirektiivi SC Subcommittee, alakomitea SESKO Suomen sähköteknillinen standardisoimisyhdistys SESKO ry SFS Suomen standardisoimisliitto SFS ry SSC Spread Spectrum Clocking, kellotaajuuden modulointimenetelmä SLIM Simpler Legislation in Internal Market, sisämarkkinoiden lainsäädännön yksinkertaistaminen -hanke EU:ssa SRP Strategic Review Panel, EMC-standardien strateginen tarkastelupaneeli STM Sosiaali- ja terveysministeriö TC Technical Committee, tekninen komitea THK Telehallintokeskus TTKK Tampereen teknillinen korkeakoulu TUKES Turvatekniikan keskus TUVA Tuotevalvonta VANK Vaatimustenmukaisuuden arviointiasioita käsittelevä neuvottelukunta VHF Very High Frequency VTT Valtion teknillinen tutkimuskeskus YM Ympäristöministeriö 10

11 1 Johdanto 1.1 Euroopan unioni ja Euroopan yhteisö(t) Vuonna 1957 Alankomaat, Belgia, Italia, Luxemburg, Länsi-Saksa ja Ranska perustivat Rooman sopimuksella Euroopan talousyhteisön EEC:n, josta on kehittynyt nykyinen Euroopan unioni (EU). Vuosien varrella jäseniksi ovat liittyneet Britannia, Espanja, Irlanti, Kreikka, Portugali ja Tanska. Vuoden 1995 alusta jäseniksi liittyivät Suomi, Ruotsi ja Itävalta. Nykyisin Euroopan unionissa on siten mukana 15 maata. Islanti, Liechtenstein ja Norja ovat kytkeytyneet EU:n toimintaan ETAsopimuksen perusteella. Vuoden 1993 alusta jäsenmaat ovat muodostaneet neljän vapauden sisämarkkinat, joilla tavarat, palvelut, pääoma ja ihmiset voivat liikkua vapaasti. Suomen ulkomaankaupasta 60 prosenttia käydään EU-maiden kanssa. [Kaa00] Euroopan unionilla tarkoitetaan seuraavista kolmesta pilarista muodostuvaa kokonaisuutta [Pen97]: 1. pilari: Euroopan yhteisöt (yhteisnimitys Euroopan yhteisölle, Euroopan hiili- ja teräsyhteisölle ja Euroopan atomienergian yhteisölle) 2. pilari: yhteinen ulko- ja turvallisuuspolitiikka 3. pilari: yhteistyö oikeus- ja sisäasioissa. Termiä EU tulee käyttää vain puhuttaessa kokonaisuudesta. Yksittäisiä toiminta-alueita koskevat säännökset perustuvat yleensä Euroopan yhteisön eli EY:n perustamissopimukseen. Esimerkiksi sähköalan direktiivit kuuluvat ensimmäiseen pilariin, joten ne ovat EY-säädöksiä. Euroopan yhteisöjen komissio valmistelee ja toimeenpanee neuvoston ja Euroopan parlamentin päätöksiä ensimmäiseen pilariin kuuluvissa asioissa. Hallitusten välisenä yhteistyönä hoidettavissa toisen ja kolmannen pilarin asioissa komissiolla ei ole aloiteoikeutta. Siten on väärin puhua EU:n komissiosta; oikea termi on Euroopan yhteisöjen komissio tai epävirallisemmin Euroopan komissio tai pelkkä komissio. 1.2 Mitä direktiivillä tarkoitetaan? Direktiivi (Directive) on jäsenmaita sitova lainsäädäntöohje, jonka tavoitteiden mukaiseksi jäsenvaltion on muutettava lainsäädäntönsä määräajan kuluessa. Direktiivissä määritellään tavoitteet, mutta keinot jäävät jäsenvaltioiden itsensä päätettäväksi. EU:ssa on voimassa kaikkiaan yli 1450 direktiiviä [Kaa00]. Euroopassa on jo pitkään ollut käynnissä valtioiden välinen yhdentymisprosessi ja Euroopan unionin kehittyminen. Euroopan integraation yhtenä päätavoitteena on yhteisten sisämarkkinoiden toteuttaminen talouskasvun voimistamiseksi. Ensisijaisena tavoitteena on ollut purkaa jäsenmaiden välistä kaupankäyntiä haittaavat esteet. Käytännössä tämä on näkynyt Euroopan unionin neuvoston eli ministerineuvoston laatimina direktiiveinä. Kyseisessä elimessä kokoontuvat 11

12 jäsenvaltioiden ministerit eri kokoonpanoissa käsiteltävien aiheiden mukaan. Direktiiveillä velvoitetaan jäsenmaat noudattamaan yhteisiä pelisääntöjä. Direktiivit eli lainsäädäntöohjeet ovat EU:n päättämiä säädöksiä, joilla ohjataan sekä unionin jäsenmaiden että muiden Euroopan talousalueeseen (ETA) kuuluvien maiden lainsäädäntöä ja pyritään purkamaan kaupan teknisiä esteitä. Direktiivien vaatimusten ja menettelytapojen noudattamisella taataan tuotteelle vapaa liikkuminen ETAssa. Tuotedirektiivit perustuvat Euroopan yhteisön perustamissopimuksen artiklaan 95 [EY97], [EY93] ja [EY57]. Näillä direktiiveillä määritellään ne vaatimukset, jotka tuotteen on täytettävä. Jäsenmailla ei saa olla omia ankarampia vaatimuksia, tästä myös nimitys maksimidirektiivi. Käyttö- ja olosuhdedirektiivit puolestaan perustuvat perustamissopimuksen artiklaan 138. Näillä määritellään tuotantolaitosten ja vastaavien minimivaatimukset, jotka on otettava huomioon. Vaatimukset voivat olla ympäristönsuojelullisia, työntekijöiden olosuhteita ja turvallisuutta suojelevia, kuluttajien oikeusturvaa suojelevia jne. Kansalliset määräykset tällaisissa asioissa voivat olla direktiivejä vaativammat, tästä nimitys minimidirektiivi. Näillä direktiiveillä on tarkoituksena estää epäterve kilpailu ympäristön, työntekijöiden ja vastaavien kustannuksella. Direktiivien vaatimusten tunteminen on välttämätöntä Euroopan talousalueella tapahtuvassa toiminnassa. 1.3 Tuotteiden eurooppalaiset vaatimukset Euroopan talousalueella myytäville tuotteille on asetettu monenlaisia vaatimuksia. Ne koskevat tuotteiden ominaisuuksia, merkintöjä, pakkaamista, valmistusta, tuotteista annettavia tietoja, käyttöohjeita sekä tuotteiden testaamista, tarkastamista ja näistä annettavia todistuksia. Tuotteita koskevilla vaatimuksilla pyritään erityisesti ihmisten terveyden ja turvallisuuden, ympäristön sekä kuluttajansuojan turvaamiseen. [Kaa00] Kaupan teknisten esteiden poistamiseksi vaatimukset joko yhdenmukaistetaan tai tunnustetaan vastavuoroisesti. Vaatimusten yhdenmukaistamiseksi on ETAssa annettu lähinnä direktiivejä, mutta myös asetuksia (regulations) ja päätöksiä (decisions). Asetukset ovat sitovia ja välittömästi sovellettavia jäsenvaltioissa; päätökset puolestaan velvoittavat sitä, kenelle ne on osoitettu (jäsenmaan hallitusta tai yksityishenkilöä) sisältönsä määräämissä rajoissa [FIN99]. Jos tuotteesta ei ole eurooppalaista yleislainsäädäntöä, voivat jäsenvaltiot periaatteessa määrätä itsenäisesti teknisestä lainsäädännöstä. Kaikille tuotteille ei suinkaan ole ETAssa eikä jäsenvaltioissakaan asetettu lakisääteisiä vaatimuksia. [Kaa00] 1.4 EMC-direktiivi Euroopassa sähkölaitteiden häiriövaatimukset on määritelty EMC-direktiivillä. EMC-direktiivin kuten kaikkien EY-tuotedirektiivien ensisijaisena tarkoituksena on mahdollistaa ja helpottaa tavaroiden vapaa liikkuvuus Euroopan sisämarkkina-alueella. EMC-direktiivin vaatimusten lähtökohtana on, että sähkölaite ei saa aiheuttaa vahingollista sähkömagneettista häiriötä muille laitteille. Laitteiden pitää myös olla riittävästi häiriöltä suojattuja. 12

13 EMC-direktiivi asetettiin 1989, se astui voimaan 1992 ja vuodesta 1996 sen soveltaminen on ollut pakollista. EMC-direktiivi on siis julkaistu yli kymmenen vuotta sitten. Se on ollut voimassa yli kahdeksan vuotta ja pakollisenakin jo yli neljä vuotta. Vaikka direktiivin asettamisesta sen pakolliseen soveltamiseen oli aikaa yli kuusi ja puoli vuotta, tulivat direktiivin vaatimukset monille laitevalmistajille yllätyksenä. Vieläkään kaikki valmistajat ja maahantuojat eivät ole täysin tietoisia omista vastuistaan. Vaikka EMC-direktiivi on pituudeltaan vain seitsemän sivua, se on osoittautunut yhdeksi kiistellyimmistä EY:n uusista määräyksistä. Euroopan yhteisöjen komissio on julkaissut useita soveltamisohjeita vastauksena kritiikkiin ja epätietoisuuteen. Viimeisin EMC-direktiivin soveltamisohje on vuodelta 1997 ja se sisältää liitteineen 124 sivua [EUR97]. Tämä soveltamisohje vaatii vielä avukseen vuonna 1999 valmistuneen yleisen direktiivien täytäntöönpano-oppaan, ns. Blue Guiden [EUR99], jossa muun muassa vastuuasioita selkeytetään ja jossa markkinavalvonnasta puhutaan ensimmäistä kertaa. 1.5 Työn tavoitteet ja sisältö Työn tarkoituksena on antaa selkeä yhteenveto siitä, mikä EMC-direktiivi todellisuudessa on ja mitä se kymmenvuotisen historiansa aikana on Suomessa saanut aikaan. Työssä kerrotaan, mitä EMC-direktiivi niin toiminnanharjoittajilta kuin valvontaviranomaiseltakin vaatii, mitä Suomessa on markkinavalvontasektorilla tehty, miten valvonnassa on onnistuttu ja miten EMCmarkkinavalvontaa tulisi kirjoittajan mielestä edelleen kehittää niin Suomessa kuin Euroopassakin. Toisessa luvussa käsitellään sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen liittyviä käsitteitä ja teoriaa. Luvussa kerrotaan, miten eurooppalaiset ja amerikkalaiset ymmärtävät eri tavoin termin EMC sisällön. Luvussa esitetään lyhyesti tyypilliset sähkömagneettiset häiriöt ja näiden kytkeytymismekanismit. Lisäksi tarkastellaan, kuinka EMC tulisi huomioida laitesuunnittelussa sekä miten ja millaisia EMC-ominaisuuksia sähkölaitteista mitataan. Kolmannessa luvussa kerrotaan yleisiä asioita EY:n tuotedirektiiveistä, etenkin uuden ja laajaalaisen lähestymistavan direktiiveistä. Tarkastellaan lähemmin sähkö- ja elektroniikkalaitteiden kannalta tärkeimpiä direktiivejä sekä näiden suhdetta EMC-direktiiviin. Käsitellään eri elinkeinonharjoittajien vastuita ja velvollisuuksia sekä yleisesti uuden lähestymistavan direktiivien markkinavalvontaan Suomessa. Luvun lopussa esitetään tuotedirektiivien pahimmat ongelmat. Neljännessä ja viidennessä luvussa tutustutaan tarkemmin EMC-direktiiviin ja EMCstandardeihin. EMC-direktiiviä ja -standardeja käsittelevät eurooppalaiset yhteistyöryhmät ja järjestöt esitellään. Lukujen lopussa on katsaukset EMC-direktiivin ja -standardoinnin ongelmista ja tulevaisuudennäkymistä. Kuudennessa luvussa esitetään, kuinka EMC-direktiivi on saatettu osaksi Suomen kansallista lainsäädäntöä. Siinä esitellään valvontaviranomaiset, pätevät tarkastuslaitokset ja yhteistyöryhmät sekä kerrotaan, miten sähkötuotteiden sekä toisaalta telepääte- ja radiolaitteiden markkinavalvonta on Suomessa toteutettu. 13

14 Sähkölaitteiden pakollinen ennakkotarkastus päättyi Suomessa vuonna 1994, kun Suomi liittyi Euroopan talousalueeseen. Samalla EMC-direktiivi astui Suomessa voimaan. Seitsemännessä luvussa esitellään sähkölaitteiden EMC-markkinavalvonnan tulokset ennakkotarkastuspakon jälkeiseltä ajalta. Luvussa esitellään myös toteutetut EMC-markkinavalvontahankkeet sekä näiden tulokset. Kahdeksannessa luvussa esitetään modernin viranomaisvalvonnan periaatteet sekä arvioidaan Euroopan EMC-markkinavalvontaa. Luvun pääpaino on kuitenkin TUKESin EMCmarkkinavalvonnan arvioinnissa. Siinä pohditaan mm. miten TUKESin toiminta täyttää hyvän valvonnan periaatteet ja miten valvontaa voisi edelleen kehittää. Yhteenvedossa ja johtopäätöksissä muun muassa esitetään arvio EMC-direktiivin tavoitteiden täyttymisestä ja toimivuudesta sekä pohdiskellaan EMC-lainsäädännön ja valvonnan tulevia tarpeita. 14

15 2 Sähkömagneettinen yhteensopivuus Tämän kappaleen tarkoituksena on lyhyesti kuvata, mitä fysikaalisella ilmiöllä sähkömagneettinen yhteensopivuus, EMC (Electromagnetic Compatibility), tarkoittaa. Tässä kuvataan EMC:n keskeisimmät termit, EMC:hen kuuluvien keskeisten ilmiöiden teoreettista taustaa sekä käsitellään lyhyesti häiriöiden mittaamista. EMC:tä pidetään yleisesti melko vaikeana asiana. Kuitenkin se on aihe, johon kukaan sähköalalla työskentelevä ei ilmeisesti ole voinut olla törmäämättä. EMC:ssä ei silti ole kyse mistään uudesta asiasta, vaan häiriösuojaus on jo kauan ollut jollakin tavalla mukana sähkölaitteiden ja - järjestelmien suunnittelussa, rakentamisessa ja käytössä. EMC:stä onkin saatavilla runsaasti tietoa etenkin ulkomaisista kirjoista ja konferenssijulkaisuista sekä niin koti- kuin ulkomaisistakin lehtiartikkeleista. EMC-alan kotimaisia kirjoja ovat muun muassa [Ann97a], [Rei96], [Hup95], [Hal93] ja [Hal79]. 2.1 EMC:n määritelmä Sähkölaitteelta ja -järjestelmältä edellytetään turvallisuuden, luotettavuuden ja huollettavuuden lisäksi moitteetonta toimintaa muiden laitteiden kanssa sille tarkoitetussa toimintaympäristössä. Häiriöttömän toiminnan takaa samaan käyttöympäristöön tarkoitettujen laitteiden sähkömagneettinen yhteensopivuus eli EMC. Yhteensopivuus koostuu laitteiden lähettämien häiriöiden rajoittamisesta sekä laitteiden kyvystä sietää häiriöitä. Hyvälaatuinen sähkölaite ei kohtuuttomasti häiritse ympäristöään ja toimii moitteettomasti muiden laitteiden sitä häiritsemättä. Termille sähkömagneettinen yhteensopivuus on olemassa useita toisistaan eroavia määritelmiä. Karkeasti ottaen nämä eri määritelmät voidaan jakaa amerikkalaisiin ja eurooppalaisiin määritelmiin. Amerikkalaisen ymmärryksen mukaan sähkömagneettisesti yhteensopivalla laitteella ja järjestelmällä tarkoitetaan sellaista, joka ei häiritse toisia laitteita ja järjestelmiä, ei häiriinny toisista järjestelmistä tulevista häiriöistä eikä myöskään häiritse itse itseään. [Pau92] Eurooppalaiset puolestaan määrittelevät sähkömagneettisen yhteensopivuuden EMC-direktiivin artiklassa 4 seuraavasti: Laitteen ja järjestelmän kyky toimia tyydyttävästi sähkömagneettisessa ympäristössä aiheuttamatta kohtuuttomia sähkömagneettisia häiriöitä millekään muulle samassa ympäristössä olevalle Sähkömagneettinen ympäristö Kaikki ympäristöt ovat sähkömagneettisia, mutta sähkömagneettiset olosuhteet vaihtelevat eri paikoissa. Tästä syystä puhutaan sähkömagneettisista ympäristöistä, joissa tietyt laitteet on tarkoitettu toimiviksi. Sähkömagneettinen ympäristö koostuu säteilevistä ja johtuvista häiriöenergioista. Sähkömagneettisen ympäristön muutos voi aiheuttaa monenlaisia odottamattomia yllätyksiä, kuten öljyputkien korrodoitumista revontulten takia pohjoisilla alueilla [Ann97b]. 15

16 Jotta laitteet voisivat toimia normaalisti keskenään, tulee ne myös suunnitella siihen sähkömagneettiseen ympäristöön, jossa niitä käytetään. Esimerkiksi asunto- ja teollisuusympäristöön on määritelty erilaiset häiriötasot. Kaikki laitteet saadaan kussakin käyttöympäristössä keskenään yhteensopiviksi, kun huolehditaan, että: mikään laitteista ei aiheuta sovittua tasoa suurempia häiriöitä kaikkien laitteiden tulee sietää sovitun tasoiset häiriöt. Laitteen ympäristöönsä päästämäksi häiriöksi luetaan kaikki ne sähkömagneettiset ilmiöt, jotka eivät ole sen hyötykäyttöön tarkoitettuja. Häiriöt leviävät laitteesta toiseen joko johtimia pitkin tai säteilemällä. Esimerkiksi television kuvassa esiintyvät raidat, radion rätinä tai tietokoneen virhetoiminnat aiheutuvat muiden sähkölaitteiden häiriöpäästöistä Yhteensopivuusmarginaali Sähkömagneettisesti yhteensopivan laitteen (tai järjestelmän) kaksi peruselementtiä ovat: 1. laitteen itse ympäristöönsä aiheuttamat häiriöt eli häiriöpäästöt (emissiot) 2. laitteen kyky sietää ympäristössä normaalisti esiintyvät häiriöt (immuniteetti). EMC-standardeissa yhteensopivuuden lähtökohtana on yhteensopivuusmarginaali. Sillä tarkoitetaan päästö- ja sietovaatimusten välistä marginaalia jonkin riippumattoman muuttujan, esimerkiksi taajuuden, suhteen. Kun kaikki laitteet tässä ympäristössä sietävät vähintäänkin standardeissa määriteltyjen sietorajojen mukaiset häiriöt, eikä yksikään ympäristön laitteista aiheuta päästörajoja suurempia häiriöitä, vallitsee tässä ympäristössä sähkömagneettinen yhteensopivuus. Sietoraja on vastaavan ilmiön päästöraja lisättynä yhteensopivuusmarginaalilla. Sietotaso Yhteensopivuusmarginaali Sietoraja Päästöraja Päästötaso Määritelmien tärkeimmät erot Kuva 1. Yhteensopivuusmarginaali 16

17 Vaikka ensilukemalla amerikkalainen ja eurooppalainen EMC:n määritelmä vaikuttaa tarkoittavan kuta kuinkin samaa asiaa, on niiden välillä suuri ero sietovaatimuksissa. Amerikkalaisen ymmärryksen mukaan yhteensopivien laitteiden tulee sietää vain itsestään sekä toisista laitteista ja järjestelmistä tulevia häiriöitä, kun taas Euroopassa puhutaan kaikista laitteen sähkömagneettisessa ympäristössä esiintyvistä häiriöistä. Käytännön eron muodostavat luonnolliset häiriöt, lähinnä ukkosylijännitteet, ja elävistä olennoista tapahtuvat staattisen sähkön purkaukset. Nämä häiriölähteet kuuluvat useisiin sähkömagneettisiin ympäristöihin, mutta amerikkalaisen määritelmän mukaan ne eivät varsinaisesti kuulu EMC:n piiriin. 2.2 Sähkömagneettinen häiriö Sähkömagneettiset ilmiöt aiheutuvat sähkövarauksista ja niiden välisistä vuorovaikutuksista. Yksinkertaistaen voidaan sanoa, että sähkökenttä aiheutuu paikallaan olevista varauksista, magneettikenttä liikkuvista varauksista ja sähkömagneettinen säteily puolestaan kiihtyvässä liikkeessä olevista varauksista. Varaukset vaikuttavat aina toisiinsa riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat toisistaan. Käytännössä etäällä olevien varausten vaikutus toisiinsa on mitättömän pieni ja siten merkityksetön. [Ket97] Sähkömagneettisella häiriöllä voidaan tarkoittaa sekä sähkömagneettista häiriötekijää (electromagnetic disturbance) että sähkömagneettista häiriintymistä (electromagnetic interference, EMI) [SFS91]. Tässä työssä häiriöllä tarkoitetaan häiriötekijää. Sähkömagneettisella häiriötekijällä tarkoitetaan sähkölaitetta tai -järjestelmää häiritseviä sähkömagneettisia ilmiöitä. Näitä esiintyy kaikkialla. Sähkölaite aiheuttaa tyypillisesti jatkuvaa häiriötä, kun taas salamanisku on luonnon aiheuttama kertaluontoinen häiriö. Sähkömagneettisella häiriintymisellä tarkoitetaan sitä, että jossakin ympäristössä jonkin teknisen laitteen varaukset reagoivat toisiin varauksiin eri tavalla kuin laitetta suunniteltaessa on tarkoitettu. Koska kaikki varaukset vaikuttavat toisiinsa, myös kaikki sähkölaitteet ovat potentiaalisia häiriölähteitä toisille laitteille. Voidaankin sanoa, että sähkömagneettiset toimintahäiriöt ovat seurausta puutteellisesta suunnittelusta tai käyttövirheestä, koska varaukset eivät milloinkaan reagoi toisiinsa satunnaisesti. Sähkömagneettiset häiriölähteet voidaan jakaa kahteen ryhmään sen mukaan, aiheutuvatko ne luonnon ilmiöistä vai teknisistä järjestelmistä. Itse häiriöt voidaan sisältönsä puolesta jaotella monella eri tavalla Luonnolliset häiriöt 1. Salamointi Luonnon omista häiriölähteistä merkittävin on ukkonen. Ukkospilven läheisyydessä maan pinnalla on 1-10 kv/m suuruinen sähkökenttä. Salaman iskun aikana pilven varaus purkautuu aiheuttaen nopeasti muuttuvan sähkökentän, joka interferoi sähkölaitteiden johtavien osien kanssa. Myös salamaniskun suuri sähkövirta saa aikaan voimakkaan sähkö- ja magneettikentän ympärilleen, joka saattaa vaurioittaa suojaamattomia sähkölaitteita. Sähkölaite voi vaurioitua myös salaman 17

18 iskiessä pienen maadoitusimpedanssin omaavaan kohteeseen ja siitä syntyvän syöksyaallon kytkeytyessä sähköverkkoon. 2. Kosminen säteily Muita luonnon häiriölähteitä ovat kosmiset häiriölähteet. Sähkölaitteille haitallisimpia ovat avaruuden taustasäteily sekä auringonpilkut, jotka aiheuttavat häiriöitä erityisesti radiolaitteille Tekniset häiriöt Tekniset häiriöt eli ihmisen aiheuttamat häiriöt voidaan jakaa kahteen pääryhmään: tahattomasti ja tietoisesti synnytettyihin. 1. Tahattomat Tahattomasti synnytettyjen häiriölähteiden tarkoituksena ei ole säteillä ympäristöönsä sähkömagneettista energiaa. Tällaisia lähteitä ovat esimerkiksi loistevalaisimet, sähkömoottorit ja hitsauslaitteet. Sähkölaitteille haitallinen ihmisen aiheuttama häiriö on staattisen varauksen purkautuminen eli ESD (electrostatic discharge). Kuivalla ilmalla ja esimerkiksi tekokuitumateriaalivaatteiden hangatessa keskenään ihmiseen voi varautua yli 10 kv suuruinen potentiaaliero suhteessa metallikuoriseen laitteeseen. Ihmisen koskettaessa laitteen suojakuorta hänessä oleva varaus purkautuu laitteeseen. Laite saattaa vaurioitua heti tai siihen voi syntyä piilovika, joka ilmenee laitteen vanhetessa. 2. Tietoisesti synnytetyt Tietoisesti synnytettyjen häiriölähteiden todellinen toiminta perustuu sähkömagneettisen energian säteilemiseen ympäristöön. Tutka, matkapuhelin ja televisio ovat esimerkkejä tietoisesti synnytetyistä lähteistä, joiden toimintaperiaatteensa mukaisesti kuuluu säteillä sähkömagneettista energiaa ympäristöönsä. Niiden tarkoituksena ei kuitenkaan ole tahallisesti häiritä muita laitteita samassa ympäristössä. Sähkömagneettinen pulssi eli EMP (elctromagnetic pulse) tarkoittaa ydinpommin räjähdyksen yhteydessä syntyvää sähkömagneettista säteilyä. Pulssi aiheuttaa hyvin voimakkaan sähkökentän, jonka suuruus voi olla kv/m ja magneettikentän suuruudeltaan ka/m. Pulssin nousuaika on ns. EMP vaurioittaa suojaamattomat sähkölaitteet laajalta alueelta, jonka suuruus riippuu muun muassa räjähdyskorkeudesta ja pommin koosta. [Häk82] Häiriöiden muu jaottelu Sähkömagneettiset häiriöt voidaan jakaa esimerkiksi seuraaviin vastakkainasettelupareihin: Häiriösignaalin kesto: Kertaluontoinen häiriö eli transientti on yksi lyhytkestoinen jännite- tai virtapiikki, joka syntyy esimerkiksi ESD:stä tai releen koskettimen sulkeutuessa tai avautuessa. 18

19 Jatkuva häiriö on esimerkiksi tietokoneen prosessorin tarvitsema kellotaajuus, joka synnytetään erillisellä kideoskillaattorilla. Tietokoneen ollessa toiminnassa myös kellotaajuuden aiheuttamat häiriöt ovat koko ajan olemassa, sillä kideoskillaattori toimii aina kun tietokoneessa on virta päällä. Sähkömagneettisen häiriön eteneminen: Säteilevä häiriö etenee ilmassa säteilemällä. Johtuva häiriö on johtavassa materiaalissa, esimerkiksi kuparijohtimessa, etenevää sähkömagneettista häiriötä. Säteilymuodot: Eromuotoinen säteily (differential mode radiation) syntyy signaalijohdinsilmukassa kulkevasta virrasta. Kuvassa 2 on laaja virtasilmukka, joka säteilee ympäristöön eromuotoista säteilyä ja vastaanottaa säteilyä antennin tavoin. Eromuotoisen säteilykentän suuruus E on suoraan verrannollinen johdinsilmukan pinta-alaan, johdinsilmukassa kulkevaan virtaan ja virran taajuuden neliöön. [Ott88] Yhteismuotoinen säteily (common mode radiation) syntyy piirilevyllä eri pisteissä olevien potentiaalierojen vaikutuksesta. Yleensä yhteismuotoinen säteily syntyy kuvan 3 mukaisesti maadoituksessa olevasta potentiaalierosta eli jännitekohinasta [Ott88]. Piirilevyllä mahdollisesti olevaan I/O-liittymään kytketty johdin toimii antennina päästäen syntyneen yhteismuotoisen säteilyn ulos koteloidustakin laitteesta. Tällöin laitekotelo muodostaa lähettimen rungon, sisällä oleva kohiseva piirilevy itse lähettimen ja johdin dipoliantennin [Rei96]. Yhteismuotoisen säteilykentän suuruus E on suoraan verrannollinen taajuuteen f, johtimen (antennin) pituuteen l ja johtimessa kulkevaan yhteismuotoiseen virtaan I [Ott88]. Kuva 2. Eromuotoinen säteily piirilevyltä Kuva 3. Yhteismuotoinen säteily piirilevyyn kytketystä johtimesta Häiriösignaalin kaistanleveys: Laajakaistaisen häiriön spektri leviää laajalle taajuusalueelle. Tällainen syntyy erittäin nopeista virran tai jännitteen muutoksista. Kapeakaistainen häiriö on esimerkiksi radiopuhelimen lähettämä ja vastaanottama signaali. Signaalien jako 19

20 Häiriösignaali on ei-toivottu ilmiö, jonka puuttuminen ei huonontaisi laitteen toimintaa. Tavanomaisia esimerkkejä ovat huonosti vaimennetusta auton moottorista tai laturista tai sähköporakoneesta lähtevät signaalit, jotka näkyvät häiriönä TV:n kuvaruudulla tai rätinänä radiovastaanottimessa. Hyötysignaali on laitteen toiminnan kannalta välttämätöntä tai se voi olla laitteen toiminnan tarkoitus. Matkapuhelimen ja tukiaseman keskinäinen radiotaajuinen kommunikointi on esimerkki hyötysignaalista. Häiriösuojaus: Häiriönpäästö (emission) on sähkölaitteen synnyttämää sähkömagneettista häiriötä, joka saattaa heikentää muiden läheisyydessä olevien laitteiden toimintaa. Häiriönsieto (immunity) on sähkölaitteen kyky toimia sähkömagneettisessa ympäristössä häiriintymättä ja moitteettomasti. 2.3 Kauko- ja lähikenttä Sähkömagneettista säteilyä tutkittaessa on hyvä muistaa tarkasteltavan signaalin aallonpituuden λ ja taajuuden f välinen suhde: f c = λ, missä c km s (valon nopeus tyhjiössä) (1) Käsitteet kauko- ja lähikenttä määritellään häiriölähteen etäisyyden perusteella kuvan 4 mukaisesti. Kauko- ja lähikentän teoreettisena rajana pidetään suhteellista etäisyyttä r = λ /2 π pistemäisen lähteen tapauksessa. Jos etäisyys häiriölähteeseen on suurempi kuin λ /2 π, ollaan kaukokentässä. Jos etäisyys häiriölähteeseen on pienempi kuin λ /2 π, ollaan lähikentässä. Käytännössä kauko- ja lähikentän raja ei ole yksiselitteinen, vaan puhdas kaukokenttä saavutetaan vasta λ /2π huomattavasti suuremmilla etäisyyksillä. Aaltoimpedanssi Z 0 kuvaa sähkökentän E ja magneettikentän H suhdetta [Ott88]: Kuva 4. Kauko- ja lähikentän suhde [Ott88] 20

21 Z 0 = E / H (2) Kaukokentässä sähkö- ja magneettikentän suhde on vakio ja se on vapaassa tilassa suuruudeltaan likimain 377 Ω. Tällaista kenttää sanotaan sähkömagneettiseksi kentäksi. Sen suuruus vaimenee suoraan etäisyyden kasvaessa. Kun kaukokentässä tiedetään joko sähkö- tai magneettikentän suuruus, voidaan puuttuva laskea. Lähikentässä vaikuttavat sähkökenttä ja magneettikenttä erillisinä. Säteilylähteen ollessa suora johdin (monopoli- tai dipoliantenni) on säteilijän lähellä voimakas sähkökenttä ja olematon magneettikenttä. Edellä mainitussa tilanteessa Z 0 > 377 Ω. Etäisyyden kasvaessa vaimenee sähkökenttä suhteessa 1/ r 3 ja magneettikenttä suhteessa 1/ r 2. Kun säteilylähde on johdinsilmukka (silmukka-antenni), vallitsee lähellä säteilijää voimakas magneettikenttä ja olematon sähkökenttä. Edellä mainitussa tilanteessa Z 0 < 377 Ω. Etäisyyden kasvaessa vaimenee magneettikenttä suhteessa 1/ r 3 ja sähkökenttä suhteessa 1/ r 2. Lähikentässä sähkö- ja magneettikentän suhde on epämääräinen. Siten vain toisen ollessa tiedossa ei puuttuvaa voi laskea. 2.4 Häiriöiden kytkeytymismekanismit Sähkömagneettisessa ympäristössä olevat häiriöt eivät aiheuta sähkölaitteille ongelmaa, elleivät ne pääse kytkeytymään sähkölaitteisiin. Kun kuvan 5 häiriöketju katkaistaan esimerkiksi riittävällä koteloinnilla, sähkömagneettisista häiriöistä ei tule ongelmaa. Häiriölähde Kytkeytymistapa Häiriön vastaanotin Kuva 5. Häiriöiden kytkeytymisketju Sähkömagneettisten häiriöiden kytkeytymismekanismit ovat: 1) galvaanisesti, 2) kapasitiivisesti, 3) induktiivisesti ja 4) säteilemällä kytkeytyminen Galvaaninen kytkeytyminen Galvaaninen kytkeytyminen voidaan jakaa kytkeytymiseen johtumalla sekä kytkeytymiseen yhteisen impedanssin kautta. Johtumalla kytkeytyminen Johtumalla kytkeytyminen on kytkeytymistavoista suoraviivaisin. Häiriölähde voi olla esimerkiksi PC-tietokoneen hakkuriteholähde, joka muuntaa verkkojännitteen tietokoneelle sopivaksi. Jännitteen muunnoksen yhteydessä aktiivinen hakkuriteholähde kehittää nopeita transienttipiikkejä, jotka johtuvat muunnetun jännitteen mukana. Tietokoneen teholähde on häiritsevä osapuoli ja saastunutta sähköä käyttävät tietokoneen osat ovat häiriintyviä. 21

22 Yhteisen impedanssin kautta kytkeytyminen Kahden laitteen ollessa kytkettynä samaan tehonsyöttöön ja niiden runkojen ollessa maadoitettuina eri maadoituspisteisiin laitteiden runkojen välillä vallitsee potentiaaliero. Yhdistettäessä laitteet signaalijohdolla, jonka suojavaippa maadoitetaan laitteiden runkoon, syntyy laitteiden välille yhteinen impedanssi. Potentiaalierosta syntyneelle häiriövirralle on tällöin virtapiiri laitteesta toiseen yhteisen tehonsyötön nolla- tai maadoitusjohtimen kautta ja takaisin signaalijohdon suojavaippaa pitkin. Galvaanista kytkeytymistä voidaan vaimentaa valitsemalla sellaiset signaalikaapelit, joilla on pieni kytkentäimpedanssi sekä lisäämällä tehonsyöttöön verkkosuodatin (alipäästösuodatin) Kapasitiivinen kytkeytyminen Kahden eri potentiaalissa olevan pisteen välillä on aina sähkökenttä. Täten kahden eri potentiaalissa olevan johtimen välillä on aina sähkökenttä ja tällainen johdinpari toimii kuten kondensaattori. Esimerkiksi jännitteellisen verkkojohdon kulkiessa rinnakkain signaalijohdon kanssa syntyy näiden välille sähkökenttä. Sähkökentän vaikutuksesta verkkojohdossa mahdollisesti esiintyvät häiriöt kytkeytyvät signaalijohtoon. Jos verkkojohto syöttää esimerkiksi releellä ohjattua sähkömoottoria, syntyy moottorin käynnistyksessä ja sammutuksessa verkkojohtoon nopea transientti, joka kytkeytyy helposti signaalijohtoon suuren nousunopeutensa takia. Järjestelmä A C M Järjestelmä B U V U H Kuorma Tulo Vastaava piiri Kuva 6. Kapasitiivinen kytkeytyminen Kapasitiivisesti kytkeytyneen jännitteen kaava: U H = R 1 j 2π f C M + R U V (3) 22

23 U H = kapasitiivisesti kytkeytynyt jännite U V = häiritsevän johdon jännite C M = johtojen välinen keskinäiskapasitanssi R = signaalijohdon vastus f = kytkeytyneen häiriön taajuus Kun keskinäiskapasitanssin C M reaktanssi on häiriön taajuudella huomattavasti suurempi kuin R, yksinkertaistuu kaava seuraavaan muotoon: U H = 2π f R C M UV (4) Kaavasta 4 nähdään, että kytkeytyneen häiriön suuruus on suoraan verrannollinen taajuuteen, signaalijohdon vastukseen, johtojen keskinäiskapasitanssiin ja häiritsevän johdon jännitteeseen. Järjestelmän eri osien ja jopa erillisten järjestelmien välistä kapasitiivista kytkentää ei voida luonnollisestikaan kokonaan välttää, mutta johtimien ja muiden osien asemoinnilla voidaan vaikuttaa siihen, kuinka voimakkaasti ilmiö vaikuttaa järjestelmän toimintaan. Kapasitiivista kytkeytymistä voidaan vaimentaa valitsemalla sellainen signaalijohdin, jolla on pieni kytkentäimpedanssi, tai pienentämällä keskinäiskapasitanssia seuraavasti: kasvatetaan häiritsevän ja häiriintyvän johdon keskinäistä etäisyyttä käytetään signaalijohtona häiriösuojattua suojavaipallista johtoa maadoitetaan signaalijohdon suojavaippa häiritsevän taajuuden aallonpituuden λ 20 välein tai siirtämällä signaalijohto kulkemaan maatasoa pitkin kahdeskymmenesosan ( ) pienennetään häiritsevän- ja häiriintyvän johdon väliaineen permittiivisyyttä Induktiivinen kytkeytyminen Häiriöiden kytkeytyminen induktiivisesti tapahtuu magneettikentän vaikutuksesta. Induktiivisessa kytkeytymisessä häiriöt kytkeytyvät johdinsilmukoihin. Esimerkiksi verkkojohto, jossa kulkee virtaa, synnyttää ympärilleen 50 Hz taajuudella muuttuvan magneettikentän. Verkkojohdon kulkiessa rinnakkain signaalijohdon kanssa verkkojohdon ympärillä olevan magneettikentän vaikutuksesta verkkojohdossa olevat häiriöt kytkeytyvät signaalijohtoon induktiivisesti. Järjestelmä A Järjestelmä B Vastaava piiri Keskinäisinduktanssi M Kuva 7. Induktiivinen kytkeytyminen 23

24 Virralliseen johtimeen syntyvä magneettikenttä lasketaan kaavasta: H = I 2πr = B µ (5) H = syntyneen magneettikentän voimakkuus [A / m] I = häiritsevässä johdossa kulkeva summavirta [A]. Esimerkiksi parijohtimessa meno ja paluuvirran erotus r = etäisyys [m] B = vuontiheys [T / m 2 ] µ = permeabiliteetti [Vs / Am] Signaalijohtimeen indusoitunut jännite lasketaan kaavasta: u = - d B da dt = -m A dh dt A µ A = - 2π r di dt (6) u = indusoituneen jännitteen suuruus [V] A = johdinsilmukan pinta-ala [m 2 ] Induktiivisen kytkeytymisen vaimentamistapoja: käytetään signaalijohtona symmetristä parikierrejohtoa, jolloin paluu- ja signaalijohdin ovat tiukasti rinnakkain ja johdinsilmukan pinta-ala on pieni kasvatetaan häiritsevän ja häiriintyvän johdon keskinäistä etäisyyttä vältetään yhdensuuntaisia johdotuksia kierretään häiriintyvää laitetta horisontaalisesti asentoon, jossa magneettikenttä ei lävistä laitteen häiriölle herkkiä osia käytetään metalliputkea tai -laatikkoa eristämään häiriintyvä johdin häiritsevästä pienennetään virran nousunopeutta häiritsevässä johdossa tai laitteessa. 24

25 2.4.4 Sähkömagneettinen säteily Kun sähköisen järjestelmän taajuudet ovat pieniä, sisään syötettävä teho muuttuu lämpöhäviöiksi ja/tai varastoituu sähkö- ja magneettikenttään. Taajuuden kasvaessa järjestelmän toiminta muuttuu oleellisesti, sillä sisään syötettävä teho ei pelkästään muutu lämmöksi ja varastoidu kenttiin, vaan osa tehosta erkanee järjestelmästä säteilemällä. Ulkoinen sähkömagneettinen kenttä voi kytkeytyä suoraan sähkölaitteen sisäisiin johdinsilmukoihin. Sähkölaitteiden ulkoiset liityntäjohdot ovat myös potentiaalisia sähkömagneettisen kentän kytkeytymispisteitä. Liityntäjohdot toimivat antenneina ja säteilevät yhteismuotoista häiriöenergiaa. Ne sekä lähettävät että vastaanottavat sähkömagneettisia häiriöitä antennin resiprookkisuuden mukaisesti. Liityntäjohtojen säteilevän sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen on todennäköisintä häiriötaajuuden ollessa alle 200 MHz kun taas laitteen sisäiseen johdotukseen ja piirilevyssä oleviin silmukoihin sähkömagneettinen kenttä kytkeytyy todennäköisemmin häiriötaajuuden ollessa yli 200 MHz. Kytkentämekanismi on voimakkain, kun häiriön taajuus on sama kuin kaapelin resonanssitaajuus. Resonanssitaajuuden suuruus riippuu kaapelin pituudesta ja kaapeliin kytketyn kuorman reaktanssista [Wil92]. Johdon pituuden ollessa λ /4 siihen kytkeytyy parhaiten ympäristön sähkömagneettisia häiriöitä ja pituuden ollessa λ /2 johto on resonanssissa ja säteilee voimakkaimmin häiriöitä ympäristöön [Räi96]. Sähkölaitteen kotelossa olevat raot ja saumat toimivat kuten rakoantenni. Raot ja liityntäjohdot säteilevät ja vastaanottavat sähkömagneettisia häiriöitä samalla tavoin. Sähkömagneettisesta säteilystä aiheutuvien häiriöiden hallitseminen on yksi keskeisimmistä ja vaikeimmista EMC-ongelmista. Se vaatii syvällistä perehtyneisyyttä sähkömagneettiseen teoriaan. Joitakin säteilyn kytkeytymisen vaimentamiskeinoja ovat: pienennetään eromuotoista virtaa minimoimalla piirilevyssä ja sisäisessä johdotuksessa olevat silmukat vältetäänλ /4, λ /2 ja niiden kerrannaisten pituisia liityntäjohtoja sijoitetaan laite mahdollisimman tiiviiseen, metalliseen tai metalloituun laitekoteloon, joka on maadoitettu. 2.5 EMC:n huomioiminen laitesuunnittelussa [Sep97] Elektroniikkatuotteen suunnittelu tulee aloittaa perusteellisella systeemisuunnittelulla, jonka lähtökohtana on tuotemäärittelyt. Systeemisuunnittelun tuloksena syntyvät suunnitteluspesifikaatiot, jotka määrittelevät tulevan tuotteen ominaisuudet. Tuotteen käyttötarkoitus määrittelee ne vaatimukset ja standardit, jotka tuotetta koskevat. Tuotteisiin kohdistuvat määräykset ovat jatkuvasti kiristyneet ja kilpailijoiden patentit rajoittavat käytettävissä olevia ratkaisuja. Nämä seikat on otettava huomioon suunnittelun reunaehtoina alusta alkaen. Jos niistä huolehditaan vasta suunnittelun loppuvaiheessa, se johtaa valmistettavuuden, huollettavuuden ja kokonaiskustannusten kannalta epäedullisiin ratkaisuihin. 25