EMC Johdanto EMC. Miksi? Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät

Transkriptio

1 EMC Johdanto EMC Mitä tarkoittaa EMC? ElectroMagnetic Compatibility Sähköisen laitteen kyky toimia laboratorion ulkopuolella laite ei aiheuta häiriöitä muille lähietäisyydellä oleville laitteille laitteen toiminta ja luotettavuus ei kärsi ulkoisen häiriön takia Miksi? Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät Elektronisten laitteiden fyysinen koko ja tehonkulutus pienentynyt => signaalien tehotasot pienenevät Signaalien kellotaajuudet kasvavat 1

2 EMC - Esimerkki Mieti millaisia erilaisia häiriölähteitä lähiympäristöstäsi löytyy esim. luokkahuoneessa? todellisessa maailmassa? EMC - Häiriölähteet 3 päätyyppiä: Sisäiset häiriölähteet, kohina komponenttien ja aktiivisten piirien sisäinen kohina eivät yleensä aiheuta häiriöitä ulkopuolisiin laitteisiin signaali-kohinasuhde Ulkoiset häiriölähteet moottorit, kytkimet, digitaaliset laitteet, radiolähettimet Luonnossa syntyvät häiriöt esim. salama 2

3 EMC ja Viranomaismääräykset Lähes kaikkia sähköisiä laitteita koskee EMC-direktiivi Directive 89/336/EEC on electromagnetic compatibility The Council Directive 89/336/EEC of 3 May 1989 on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility (EMC Directive) governs on the one hand the electromagnetic emissions of this equipment in order to ensure that, in its intended use, such equipment does not disturb radio and telecommunication as well as other equipment. In the other the Directive also governs the immunity of such equipment to interference and seeks to ensure that this equipment is not disturbed by radio emissions normally present used as intended. EMC ja Viranomaismääräykset Manufacturers attest to the conformity of their equipment to the provisions of the Directive by establishing an EC declaration of conformity and affixing the CE Mark. The equipment can then be placed on the European market without further regulatory constraints in respect of the aspects covered by the Directive. 3

4 EMC ja laitesuunnittelu Erilaisia tapoja huomioida EMC: Tapa 1: EMC jätetään täysin huomioimatta laitteen suunnitteluvaiheessa Testausvaiheessa huomataan että laite toimii häiriölähteenä eikä täytä vaatimuksia Laite on jo toimitettu ja asiakaspalautteen perusteella ryhdytään tutkimaan laitteen EMC-ominaisuuksia => Käytettävissä olevat ratkaisut yleensä kalliita ja saattavat vaatia ei-toivottuja kompromisseja Esimerkkejä/kokemuksia ylläolevasta suunnittelumenetelmästä? EMC ja laitesuunnittelu Erilaisia tapoja huomioida EMC: Tapa 2: EMC osana laitesuunnittelua koko suunnitteluprosessin ajan elektroniikan suunnittelu mekaniikan suunnittelu, kotelointi kaapelointi prototyypitys EMC integroitu osa tuotetta Kumpi menettelytapa on mielestäsi yleisempi? 4

5 EMC - Häiriön kytkeytyminen Sähkömagneettisten häiriöiden esiintymiseen tarvitaan: häiriölähde kytkeytymismenetelmä vastaanotin Kytkeytyminen Häiriölähde Vastaanotin Ongelman ratkaisu: Määritä häiriölähde Määritä miten häiriö kytkeytyy Määritä vastaanotin EMC - Kytkeytymismenetelmät ElectroMagnetic environment (Noise sources) Nonelectrical noise sources (Temperature, chemical, etc.) Conductors Capacitive Inductive Wave propagation Galvanic coupling Electric field coupling Magnetic field coupling ElectroMagnetic field coupling Parametric coupling λ >> dimensions of source, usually f 30MHz (λ 10m) λ dimensions of source Physical influence Receiver 5

6 EMC - Häiriön kytkeytyminen 3 tapaa ehkäistä häiriöiden kytkeytyminen Vaimenna häiriölähde radiolähettimien tapauksessa mahdotonta Vaimenna häiriön kytkeytyminen ensin määritettävä miten häiriö kytkeytyy Suunnittele vastaanotin (=laite) siten ettei se ole herkkä altistumaan häiriöille kotelointi kaapelointi suodatus => optimi: yhdistä kaikki 3 tapaa laitesuunnittelussa EMC - Fysiikka häiriöiden taustalla Sähköoppia Perusyksiköitä Varaus Varausten välinen voima Sähkökenttä Potentiaalienergia Varattu kappale Kapasitanssi Keskinäiskapasitanssi 6

7 EMC - Fysiikkaa Sähkökentän vuo: Gauss: Minkä tahansa varautuneen kappaleen sähkökentän vuo suljetun pinnan läpi = 4πQ EMC - Fysiikkaa Sähkökenttä ja johtava pinta: johdin = varaukset pääsevät liikkumaan vapaasti varausten välinen voima vetää vastakkaismerkkiset (tässä tapauksessa negatiiviset) varaukset johtimen sisäpinnalle => positiiviset varaukset johtimen ulkopinnalle => sähkökentän kokonaisvuo säilyy johdinpinnan ulkopuolella Q -Q +Q Onko tällaisella (=maadoittamattomalla) koteloinnillla vaikutusta häiriöiden säteilyyn tai kytkeytymiseen? 7

8 EMC - Fysiikkaa Sähkökenttä ja maadoitettu johtava pinta: Q -Q V=0 Sähkökenttä maadoitetun johdinpinnan ulkopuolella? EMC - Fysiikka häiriöiden taustalla Magnetismi Perusyksiköitä Magneettikenttä Magneettivuon tiheys Induktanssi Faradayn laki 8

9 EMC - Fysiikkaa Faraday: Muuttuva magneettikenttä indusoi johdinsilmukkaan sähkömotorisen voiman, jonka suuruus on silmukan läpi kulkevan vuon muutosnopeus vastakkaismerkkisenä EMC - Esimerkki Salamaniskusta aiheutuu ukkosenjohtimeen virtapulssi, jonka suuruus on 100kA ja nousunopeus 0.5µs. Johtimen läheisyydessä 1 metrin etäisyydellä on muovikoteloitu laite, jonka piirilevyn käyttöjännite ja maajohdin muodostaa silmukan, jonka pinta-ala on 10cm x 10cm. Minkä suuruinen jännite johdinsilmukkaan indusoituu? Miten indusoitunutta jännitettä olisi mahdollista vaimentaa? 9

10 Sähkömagnetiikkaa EMC - Perusteita Aallonpituuden ja taajuuden välinen riippuvuus tyhjiössä: c = f λ c = 3 * 10 8 m/s Väliaineen vaikutus: v = c ε r λ= f c ε r EMC - Esimerkki Sähköinen signaali johdetaan ilmajohdinta pitkin järven yli. Johtimen pituus on 1km. Kuinka pitkä viive johtimesta aiheutuu? Törhö metsuri kaataa johdinpylvään toisella rannalla ja signaalijohdin putoaa veteen, jonka suhteellinen dielektrisyys ε r = 80. Muuttuko viive? Jos muuttuu niin miksi? 10

11 EMC - Kytkeytymismenetelmät Analyysi ja mallintaminen Tarkka ratkaisu vaatisi Maxwellin yhtälöiden ratkaisua Suunnittelun apuvälineeksi kehitetty malleja, joilla voidaan kuvata eri kytkeytymismenetelmiä Kytkeytyminen kuvataan vastaavalla sähköisellä komponentilla vaihteleva sähkökenttä kahden johtimen välillä: => keskinäiskapasitanssi vaihteleva magneettikenttä kahden johtimen välillä: => keskinäisinduktanssi Analyysissä oletetaan että sähköisten piirien fyysinen koko on pieni verrattuna signaalien aallonpituuteen 11