Johtuvat häiriöt eli galvaanisesti kytkeytyvät häiriöt Tavoitteet Osaa selittää johtuvan häiriön synnyn ja kytkeytymismekanismin Tuntee maadoitukseen liittyviä keskeisiä käytäntöjä Tunnistaa yhteis-ja eromuotoisen johtuvan häiriön Tuntee keskeiset johdotukseen ja maadotukseen liittyvät suunnittelusäännöt EMC-ongelmien pienentämiseksi
Johtuvat häiriöt Johtuvat häiriöt on häiriönkytkeytymis-mekanismeista helpoiten ymmärrettävissä Johtuvan häiriön tapauksessa häiriö kytkeytyy kahden laitteen tai osan välillä johtavan, galvaanisen yhteyden kautta Tyypillisesti tämä johtava yhteys on maajohdin tai tehonsyöttöjohtimet Myös muiden edellä esitettyjen häiriökytkeytymismuotojen lopullinen häiriö on yleensä johtuva häiriö (esim. induktiivisessa häiriössä häiritsevä magneettikenttä saa aikaan häiriövirran/jännitteen johtimessa) Huom! Seuraavassa puhutaan signaalijohtimista, tarkoittaen yleisesti hyötysignaalia, joka voi tarkoittaa analogista tai digitaalista pientä signaalia tai vaikkapa sähkönjakeluverkon syöttämää tehoa
Johtuvat häiriöt, yhteinen impedanssi Kahden eri piirin välillä on aina impedanssia, oli kyseessä minkälaiset johtimet tahansa Tämä kahden tai useamman piirin yhteinen impedanssi aiheuttaa ongelmia, etenkin jos virtaa kulkee Jännitehäviö, Ohmin laki Piirien virtojen aiheuttamat jännitehäviöt näkyvät kaikissa piireissä yhteinen impedanssi Tarkastellaan esimerkkinä yksinkertaista piiriä, joka koostuu akusta, ideaalisesta kytkimestä sekä kuormitusvastuksesta R L Kytkentä häiritsee itse itseään akun sisäresistanssin ja johtimien impedanssin välityksellä, Z Kytkennän impedanssi (resistanssi, induktanssi ja kapasitanssi) aiheuttavat mm. värähtelyä kytkentätilanteessa Kuormitusvastuksen jännite ei myöskään saavuta jatkuvuustilassa akun jännitettä, vaan johdoissa ym. tapahtuu jännitehäviötä resistansseista, eli käytännön piirin häviöistä johtuen Z Akku R L U akku t
Yhteiset impedanssit Tyypillinen esimerkki on myös tilanne, jossa kahden tai useamman piirin maadoitus on suoritettu yhteisen maadoituksen avulla, esimerkiksi samalla johtimella ja saman kotelon kautta Esimerkissä kummankin piirin maavirrat kulkevat yhteisen maadoitusimpedanssin kautta Jos tarkastellaan piirin 1 maajännitettä, muuttuu se ajallisesti piirin 2 maavirran mukaisesti (ja päinvastoin) Häiriöt kytkeytyvät tässä tapauksessa piireistä toiseen yhteisen maaimpedanssin avulla Yhteiset impedanssit Piiri 1 Piiri 2 Piirin 1 "maajännite" Piirin 1 maavirta Piirin 2 maavirta Piirin 2 "maajännite" Yhteinen maadoitusimpedanssi
Yhteiset impedanssit Maadoitus on hyvin suuri häiriöiden välittäjä, sillä kuten aiemmin jo todettiin, ei varsinaista maata ole näkyvissä Tästä ei voi koskaa puhua liikaa, sillä vaikka lähes kaikki tietävät maadoituksen aiheuttavan häiriötä, kokeneetkin sunnittelijat ja asentajat tyrivät aina aiheen parissa!!!!
Hyvän maan löytäminen tuottaa tuskaa taru kertoo, että sellainen on olemassa, mutta mistään sitä ei oikeasti löydä Erilaisia maita Suojamaa (PE, kevi) Kotelomaa Signaalimaa Jakeluverkon maa Tehosyötön maa Maa (ground earth) ESD-maa Ukkosen suojamaa Häiriösuojamaa...
Yksi suuri myytti sähköisen ja elektronisen laitteen toiminnassa on väittämä, että kaikki laitteet tulee kytkeä yhteiseen, fyysiseen maahan (ground earth) virheettömän toiminnan aikaansaamiseksi EI PIDÄ PAIKKANSA, vrt. esim. lentokone, auto Toinen yleinen harhakäsitys on, että maa on kuin musta aukko, joka imee kaiken häiriön ja pahan itseensä sähköisessä laitteessa ja järjestelmässä Ei ime kaikkea mukisematta Välillä myös sylkee Levittää muihin laitteisiin Muista myös, että sähkövirta kulkee aina suljetun silmukan, mustaa aukkoa ei ole
Yksi harhakäsitys väittää, että on käytettävä mahdollisimman paksua johdinta maadoitukseen - liittyy osaltaan mustan aukon myyttiin Paksussa touvissahan häiriötkin menevät lähes vastuksetta maahan Mutta EI Maadoitusjohtimen muodostama silmukka sisältää induktanssia, joka vastustaa esimerkiksi suuritaajuisen signaalin/häiriön kulkua Maa pitää mieltää usein vain piirin/piirien paluujohtimeksi Huonossa tapauksessa saamaa paluujohdinta käyttää useampi järjestelmä elektroniikan piiri, sähkönjakeluverkko, salama Maassa (paluujohtimessa) on impedanssia, jonka johdosta muissa piireissä kulkevat virrat näkyvät toisissa piireissä Maadoitus muodostaa myös fyysisiä silmukoita ja suoria johtimia levittää häiriötä säteilemällä vrt. aiempi säteilyjuttu
Usein maadoituksen suunnittelussa joudutaan ottamaan huomioon muita asioita kuin pelkästään EMC Tärkeimpiä esimerkiksi sähköturvallisuuteen liittyvät asiat Osaltaan eri määräykset ja ohjeet sotivat toisiaan vastaan, mutta ongelmien tiedostaminen auttaa jo paljon maadoitusongelmia ratkaistessa Maadoituksen ongelmat esiintyvät niin elektroniikkasuunnittelussa kuin esimerkiksi kiinteistön sähkösuunnittelussa Vain koko on erilainen, sähkömagnetismin peruslait pätevät kummassakin tapauksessa yhtä lailla
Näin kertoo eräs ohje maailmalta, kuinkas teet: Maalla tarkoitetaan yleensä pieni-impedanssista johtavaa yhteyttä, joka toimii virtojen paluureittinä Maadoitus käytännön laitteissa on siten esimerkiksi johto, laitekotelo, johdinhässäkkä ym. jolla väistämättä on impedanssia Esimerkiksi sähkötekniikassa esiintyvä keltavihreä suojamaajohdin ei ole mikään kunnon maa, etenkään häiriösuojausmielessä
Maadoistus Maadoituksen kautta kytkeytyvät häiriöt lisääntyvät luonnollisesti piirien määrän lisääntyessä Piireillä voidaan tässä yhteydessä tarkoitettaa yksittäisiä, komponenttien muodostamia kokonaisuuksia yhdessä laitteessa tai eri laitteiden muodostamia kokonaisuuksia Yksittäisen laitteen aiheuttamat häiriöt omille sisäisille piireille on usein vielä mahdollista mallintaa ja hahmottaa Jos laitekokonaisuudella tarkoitetaan taas vaikkapa suuren tehtaan useiden neliökilometrien alueella olevaa instrumentointijärjestelmää, voi häiriöden kytketyminen olla hieman vaikeampaa hahmottaa Eräs tapa mallintaa maadoitusimpedanssin kautta tapahtuvaa häiriökytkeytymistä on esitetty seuraavassa kuvassa, jossa häiriöitä on kuvattu virtalähteellä
Yhteiset impedanssit I 1 +I 2 +I 3 U 1P U 2P I 2 +I 3 U 3P I 3 Z 1P Z 2P Z 3P 1 2 3 1 2 3 I 1 +I 2 +I Z I 3 I 2 +I 3 I 1 1 Z 2 Z 3 3 I 2 I 3 U 1G U 2G U 3G a) b) Esimerkkejä maa- ja tehonsyöttöjohtimien impedanssin kautta kytkeytyvistä häiriöistä Maadoitusimpedanssin vaikutuksia voidaan yrittää pienentää esimerkiksi tähtimäisellä maadoituksella, jossa jokaisella piirillä on oma maadoitusjohdin silmukan sulkemiseksi, kuva b Muita johtuvien häiriöiden lähteitä Yhteisen impedanssin kautta kytkeytyvien häiriöiden lisäksi johtuvia häiriötä kytkeytyy myös taivaalta, ts. induktiivisesti, kapasitiivisesti tai RF-säteilyn kautta Tällaisessa tapauksessa esimerkiksi maajohtimen muodostamaan silmukkaan kytkeytyy induktiivinen häiriö, jonka aiheuttama maavirta kytkeytyy piiriin galvaanisen yhteyden avulla
Johtuvat häiriöt DM / CM Johtuvat häiriöt voidaan jakaa differentiaalimuotoiseen (DM, eromuotoiseen, symmetriseen) häiriöön ja yhteismuotoiseen (CM, epäsymmetriseen) häiriöön Differentiaalimuotoisella (DM) häiriöllä tarkoitetaan häiriötä, joka voidaan mitata johtimien välisenä virtana tai jännitteenä Differentiaalimuotoinen häiriö kytkeytyy häirittyyn piiriin kuten piirin varsinainen hyötysignaali Eromuotoinen (DM) häiriökytketyminen Hyötysignaali Häiriösignaali
Yhteismuotoinen häiriö etenee signaalijohtimissa samanvaiheisena, eikä (suoraan) aiheuta johtimiin jännite-eroa Yhteismuotoinen häiriö voidaan mitata samanvaiheisena virtana tai jännitteenä signaalijohtimien ja maan välillä Yhteismuotoinen (CM) häiriökytketyminen Hyötysignaali Häiriösignaali Yhteismuotoinen häiriö Yleensä yhteismuotoinen häiriö ei ole välttämättä sinällään haitallinen Tällöin esimerkiksi vain kahden johdon potentiaali vaihtelee samassa tahdissa samanvaiheisesti Jos vastaanottava piiri reagoi vain näiden kahden johtimen väliseen jännite/virtaeroon, ei yhteismuotoinen häiriö ole häiritsevä Näin ideaalisesti käytännön piirit eivät yleensä kuitenkaan toimi
Yhteismuotoinen häiriö Yhteismuotoinen häiriö kytkeytyy piiriin siten, että sillä on ainakin yksi kytkeytymistie, joka ei ole signaalitie (esim. muu maa ) Haitallisin CM-häiriö on muuttuessaan eromuotoiseksi: epäsymmetria epäsovitus ylimääräiset kytkeytymistiet Johtuvat häiriöt Jotta johtuvilta häiriöiltä pystyttäisiin suojautumaan, täytyy pitää mielessä että kaikilla johtimilla on jokin impedanssi (MUISTA MAA!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!) Impedanssi koostuu yleensä resistanssista ja induktanssista, joka on yleensä määräävämpi Johtimessa kulkeva virta aiheuttaa johtimen impedanssissa jännitehäviön Tarvittaessa käytetään galvaanista erotusta, jossa galvaaninen yhteys katkaistaan vaikkapa muuntajan tai optisen komponentin avulla
MENO PALUU ajattelu signaalitiessä tulee ottaa vakavasti huomioon: jokaista johdotusta suunniteltaessa - virta ei koskaan mene vain yhteen suuntaan virta kohtaa aina matkallaan impedanssia Induktanssi kasvattaa impedanssia taajuuden kasvaessa virran kulkutien ei tulisi muodostaa pinta-alaltaan suurta silmukkaa johtimien tulisi olla mahdollisimman lyhyitä Jos yhteistä maata käytetään signaalin paluureittinä: Hahmottele paluuvirran kulku maajärjestelmässä (silmukka-ajattelu, impedanssi) Jos samassa maajärjestelmässä kulkee muita virtoja, arvioi niiden vaikutusta tarkasteltavaan signaaliin -impedanssit! ja jännitehäviöt Pyri pitämään sähköinen maa, suojamaa, signaalimaa ja kotelomaa omassa arvossansa, yhdistä nämä vain sopivasta pisteestä, jos yhdistät
Lähteet ja oheislukemistoa Perez, R. (ed.) Handbook of Electromagnetic Compatibility. 1995, Academic Press, Inc. Ott, H. W. Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd ed. 1988, John Wiley & Sons, Inc. Shen, L., Kong, J. Applied Electromagnetism. 3rd ed. 1995, PWS Publishing Company. Kettunen, L., Söderlund, L. EMC ja sähkömagneettinen kenttäteoria. EMClaitesuunnittelussa -seminaarimateriaali. Tampere 1995, EDUTECH Ellis, N. Electrical Interference technology, a Guide for Designers, Manufacturers, Installers and Users of Electrical and Electronic Equipment. Gambridge 1992, Woodhead Publishing Ltd. Spiazzi, G. Electromagnetic Compatibility in industrial Equipment. Luentomoniste, Department of Electronics & Informatics, University of Padova, Italia