EMC. Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät

Transkriptio

1 EMC Johdanto

2 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

3 EMC - Esimerkki Mieti millaisia erilaisia häiriölähteitä lähiympäristöstäsi löytyy esim. luokkahuoneessa? todellisessa maailmassa?

4 EMC - Häiriölähteet 3 päätyyppiä: Sisäiset häiriölähteet, kohina komponenttien ja aktiivisten piirien sisäinen kohina eivät yleensä aiheuta häiriöitä ulkopuolisiin laitteisiin signaali-kohinasuhde Keinotekoiset häiriölähteet moottorit, kytkimet, digitaaliset laitteet, radiolähettimet Luonnossa syntyvät häiriöt esim. salama

5 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 ylläolevasta suunnittelumenetelmästä?

6 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

7 Designing for EMC

8 EMC - Häiriön kytkeytyminen Sähkömagneettisten häiriöiden esiintymiseen tarvitaan: häiriölähde kytkeytymismenetelmä vastaanotin Kytkeytyminen Häiriölähde Vastaanotin Ongelman ratkaisu: Määritä häiriölähde Määritä kytkeytymismenetelmä ja reitti Määritä vastaanotin

9 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

10 EMC - Häiriön kytkeytyminen 3 tapaa ehkäistä häiriöiden kytkeytyminen Vaimenna häiriölähde radiolähettimien tapauksessa mahdotonta Vaimenna häiriön kytkeytyminen ensin määritettänä kytkeytymismenetelmä ja reitti Suunnittele vastaanotin (=laite) siten ettei se ole herkkä altistumaan häiriöille kotelointi kaapelointi suodatus

11 EMC - Fysiikkaa Sähköoppia Perusyksiköt Varaus Varausten välinen voima Sähkökenttä Potentiaalienergia SI-yksiköt Varattu kappale Kapasitanssi Keskinäiskapasitanssi

12 EMC - Fysiikkaa Sähkökentän vuo: Gauss: Minkä tahansa varautuneen kappaleen sähkökentän vuo suljetun pinnan läpi = 4πQ

13 EMC - Fysiikkaa Sähkökenttä ja johtava pinta: johdin = varaukset pääsevät liikkumaan vapaasti varausten välinen voima vetää vastakkaismerkkiset (tässä tapauksessa negatiiviset) varaukset johtimen sisäpinnalle => positiiviset varaukset ulkopinnalle => sähkökentän kokonaisvuo säilyy johdinpinnan ulkopuolella Onko tällaisella (=maadoittamattomalla) koteloinnillla vaikutusta häiriöiden säteilyyn tai kytkeytymiseen?

14 EMC - Fysiikkaa Sähkökenttä ja maadoitettu johtava pinta:

15 EMC - Fysiikkaa Magnetismi Perusyksiköitä Magneettikenttä Magneettikentän tiheys Magneettivuo Induktanssi Faradayn laki

16 EMC - Fysiikkaa Faraday: Muuttuva magneettikenttä indusoi johdinsilmukkaan sähkömotoristen voiman, jonka suuruus on silmukan läpi kulkevan vuon muutosnopeus vastakkaismerkkisenä

17 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?

18 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

19 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?

20 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

21 EMC - Analysing electric circuits Time-varying magnetic field between two conductors and the equivalent circuit accurate numerical values for components are difficult to calculate H.W. Ott - Noise Reduction Techniques in Electronic Systems