1 EMC periaatteet ja käytäntö, prof. Teknillinen korkeakoulu Sähkö- ja Tietoliikennetekniikan osasto Sovelletun elektroniikan laboratorio Kurssin ohjelma 2 EMC-seikkojen huomioonotto suunnittelutyössä EMC-teoriaa Ideaaliset ja todelliset komponentit Signaalin aika- ja taajuusavaruusesitykset Siirtojohto Suojaus Maadoitus Johdotus Suodatus Painettu piirilevy Sähköstaattinen purkaus Ukkonen ja EMP EMC-määräykset 1
Systeemisuunnittelu Luennoitsija? on tuotteen suunnittelun lähtökohta 3 Magneettikuvauslaitteisto 4 2
MAGNEETTIKUVAUSLAITE 5 Gradientti (x,y,z) kw, ms ~10 mt/m tr~1ms Viritys (kw) ms Signaali (~ktr) ~10-50 ms Magneetti kw epästabiilisuus < 10-7 6 Ensimmäinen kuvauslaitteisto Otaniemessä 1980 3
7 Eräs ensimmäisistä pääkuvista 1981 8 Magneettikuvauslaite HYKS:ssä 1982 Suprajohdemagneetti 0,17 T Intel 8080 prosessori 4
9 OUTLOOK Magneettikuvauslaite, Picker Nordstar Oy, Helsinki 10 5
11 MITÄ TARKOITTAA EMC? EMC: Electromagnetic Compatibility Sähkömagneettinen yhteensopivuus EMC: ElectroMagnetic Compatibility Sähkömagneettinen yhteensopivuus 12 Ulkoiset häiriöt Laitteen normaali toiminta Syntyvät häiriöt Sisäiset häiriöt 6
Artikla 4: (vapaa käännös) 13 1. Laite on toteutettava siten, että sen synnyttämät sähkömagneettiset häiriöt mahdollistavat radio ja tietoliikennelaitteiden sekä muiden laitteiden toiminnan tarkoitetulla tavalla 2. Laite on toteutettava siten, että sillä on ominainen immuniteetti ulkoisia sähkömagneettisia häiriöitä vastaan. PÄÄVIESTEJÄ 14 EMC-seikat on otettava aina huomioon! EMC-ilmiöt ovat luontainen osa sähköön liittyvien tuotteiden toimintaa Hyvä EMC-suunnittelu ja -toteutus on merkittävä kilpailutekijä 7
Systeemisuunnittelu on tuotteen suunnittelun lähtökohta 15 Aiheet 16 Tuotteelle asetetut vaatimukset Laatu ja kustannukset - tuotteen hinta Tuotekehitysprojekti Sähkömagneettinen kytkeytyminen Silmukka: EMC-sunnittelun peruskohde EMC-silmä 8
Systeemisuunnittelu 17 Systeemisuunnittelu kiinnittää 80 % projektin kokonaiskustannuksista, vaikka siihen kuluu alle 20 % kokonaiskustannuksista Kaikki rajoitukset on otettava huomioon jo systeemisuunnitteluvaiheessa EMC-vaatimukset ovat otettava huomioon jo systeemisuunnitteluvaiheessa EMC-kysymykset edellyttävät EMC-silmää Yleiskatsaus 18 Direktiivit, Standardit Asiakasvaatimukset Tuotespesifikaatiot Testit Systeemisuunnittelu Laatu 80 % kustannuksista kiinnitetty Viivästymät markkinoille pääsyssä 9
SYSTEEMISUUNNITTELU 19 MINIMIVAATIMUKSET TURVALLISUUS MÄÄRÄYKSET, STANDARDIT MENESTYSTEKIJÄT ARVO ASIAKKAALLE LAATU KUSTANNUS TURVALLISUUSVAATIMUKSET STANDARDIT JA EMC-TASO ASETTAVAT TOIMINTARAJAT 20 TURVALLISUUS STANDARDIT TURVALLISUUS STANDARDIT EMC taso EMC taso KUSTANNUKSET KASVAVAT 10
21 Tuoko tiukempi EMC-taso paremman asiakastyytyväisyyden? Ovatko parannukset osoitettavissa? Voidaanko kustannukset siirtää tuotteen hintaan? Varaudutaanko paremmalla EMCtasolla tulevaisuuden muutoksiin? Markkinavoimat 22 Käyttökate PITÄÄ OLLA POSITIIVINEN Muuttuvat kulut Valmistuskulut Myyntikulut Toimituskulut Kiinteät kulut Investoinnit tuotantoon Markkinointikulut T&K kulut Hallinto 11
TIME-TO-MARKET A markkinoille B:n menetetty tuotto 23 A B A B markkinoille Aika EPÄONNISTUNUT TUOTEKEHITYSPROJEKTI 24 Useita spesifikaatioiden muutoksia TUOTE SPEKSIT TUOTEKEHITYSPROJEKTI I PROTO II PROTO III PROTO TESTIT MARKKINOLLE TULO 12
EPÄONNISTUNUT TUOTEKEHITYSPROJEKTI 25 Useita spesifikaatioiden muutoksia TUOTE SPEKSIT TUOTEKEHITYSPROJEKTI I PROTO II PROTO III PROTO TESTIT MARKKINOLLE TULO Tuntomerkit: Speksaus yhden miehen osapäivätyö Useita prototyyppejä Testejä ennen innovaation huippu Asiakkaalle maanantaikappaleita ONNISTUNUT TUOTEKEHITYSPROJEKTI 26 TUOTE SPEKSIT TUOTEKEHITYSPROJEKTI "SOFT-"I PROTO I PROTO TESTIT MARKKINOLLE TULO 13
ONNISTUNUT TUOTEKEHITYSPROJEKTI 27 TUOTE SPEKSIT TUOTEKEHITYSPROJEKTI "SOFT-"I PROTO I PROTO TESTIT MARKKINOLLE TULO Tuntomerkit: Speksaus usean asiantuntijan top-projekti Markkina-aluekohtaiset rajoitukset alusta lähtien mukana Tietokoneavusteisen suunnittelun käyttö Vähän prototyyppejä Testit rutiinilla lävitse Asiakkaalle laatutuote 28 Oleellinen osa tuotespesifikaatioita: Vastaus kysymykseen: Miten tuote liittyy ympäristöönsä? 14
DIGITAALINEN RANNEKELLO 29 MATKARADIO 30 15
31 SÄHKÖMAGNEETTINEN KYTKEYTYMINEN EMI: Electromagnetic Interference SÄHKÖMAGNEETTISEN KENTÄN VÄLITYKSELLÄ KYTKEYTYVÄT HÄIRIÖT V/m, A/m SYNTYVÄT SÄHKÖMAGNEETTISET HÄIRIÖKENTÄT db µ V/m, db µ A/m JOHTUMALLA KYTKEYTYVÄT HÄIRIÖT V, kv 32 SÄHKÖSTAATTINEN PURKAUS kv JOHTUMALLA LÄHTEVÄT HÄIRIÖT db µ V 16
33 Peruskohina Avaruusja luonnonilmiökohina Laitelähtöinen kohina N F N S N I KOKONAISKOHINA N T 34 Eri lähteiden kohinan teho db yli ktb (T = 290 K) 0 0 db 60 40 20 0-20 Ilmakehän kohina Laitelähtöinen kohina kaupunkiympäristössä Avaruuskohina Vastaanottimen kohina 10 100 1000 10 000 MHz 17
ELECTRO-SMOG 35 EMC-suunnittelun tarve kasvaa jatkuvasti! 36 Tiheämmät integroidut piirit, pienemmät komponentit Ohuet eristekerrokset Nopeammat logiikat ja prosessorit Nopeat väyläratkaisut Monimutkaisemmat ohjelmistot Kasvava tietokapasiteettitarve Matalat käyttöjännitteet pienemmät virrat Monikerroskovalevyt pienet luku/kirjoituspäät Nopeat, suurikapasiteettiset puolijohdemuistit Järjestelmien kasvava haavoittuvaisuus häiriöille Staattinen sähkö, verkkopiikit, RFI,... 18
Kustannukset Kustannusoptimi 37 Kokonaiskustannukset Laatukustannukset Komponenttija suunnittelukustannukset N P Määräykset Kokonaiskohina 38 Laitelähtöinen EMI on vain osa kokonaiskohinasta Luonnonilmiöiden aiheuttama EMI on usein merkittävä EMI:n vaimentamisen tasolla on kustannusoptimi Määräysten vaatimustaso < Optimitaso < Peruskohinataso 19
39 EMC-suunnittelun peruslähtökohta: Silmukoiden pinta-alojen minimointi Suojamaa Laitteen elektroniikka kytketty suojamaahan 40 Betoniraudoitus Laitteen elektroniikka kytkeytyy hajakapasitanssin kautta betoniraudoitukseen Suojamaan kytkennän kautta syntyy silmukka. 1 MHz taajuudella 1-100 pf:n impedanssi on 100 k - 1k.Ω 20
Tyypillisessä ruotsalaisessa kodissa on mitattu 50 Hz magneettivuon tiheyden olevan 40 nt (RMS). Muuntoaseman yläpuolella olevassa toimistossa on mitattu 1200 nt 50 Hz magneettivuon tiheys (RMS). 41 Mikä on kummassakin ympäristössä neliön muotoiseen silmukkaan indusoituvan sähkömotorisen voiman suuruus? Silmukan sivunpituus s= 0,1, 1 ja 10 m. Oletetaan silmukan taso kohtisuoraan magneettikentän suuntaan nähden. B A ~ Vn db V = dt s 2 n 42 B 40 nt 1200 nt 0.1m 1m 10m s 2 2 2 0.m 1 m 100m A 130nV 13 µ V 1,3mV 14 µ V 1,4mV 140mV Vn 21
Silmukan tehollisen koon pienentäminen 43 Lohkojen välinen galvaaninen yhteys muodostaa suuren silmukan Silmukan tehollisen koon pienentäminen Isolointi 44 Rajoitus Ei-galvaaninen yhteys 22
LOHKOJEN JA RAJAPINTOJEN MÄÄRITTELY 45 A K/ analogia A/D D Häiriöt K/ digitaali A A/D D Häiriöt 46 Esimerkki suuresta laitteistosta: Magneettikuvauslaite 23
DC Magneetin virtalähde Magneetti Gradienttikelat Signaalikela P Gradienttivirtalähteet Nousuaika < 1ms Toistotaajuus satoja Hz 47 Virityspulssi: kv, kw K Signaali µv, pw f: MHz Etuvahvistin Vaiheilmaisija + vahvistin f: khz A/D A/D Referenssitaajuus DATA Heräte RF Näyttö Herätepulssin ohjaus Magneetin virtalähteen ohjaus Taajuusohjaus Keskustietokone Gradienttiohjaus 48 ESIMERKKI ARVAAMATTOMASTA SILMUKASTA 24
MAGNETTIKUVAUS PALOVAMMAT L loop R loop 49 U C skin C air Cskin R skin R skin Radiology 1996; 200:572-575 50 PERUSMALLI HÄIRIÖN KYTKEYTYMISELLE 25
51 KYTKENTÄTIE HÄIRIÖLÄHDE KOHDEPIIRI Kytkeytymistavat 52 GALVAANINEN KAPASITIIVINEN INDUKTIIVINEN SÄTEILEMINEN 26
53 EMC-ilmiöiden hallinta 54 Teoria Ei hallittavissa Ei hallittavissa CAE Insinöörialue Käytäntö 27
EMC SILMÄ 55 Yhteenveto 56 EMC-huomioitava jo systeemisuunnitteluvaiheessa Huomioi kaikki rajoitukset Tuotteen käyttöympäristö on oleellinen suunnitteluparametri Tuotteen kokonaiskustannukset ovat oleellinen suunnitteluparametri EMC-suunnittelu vaatii monen tekijän samanaikaista huomioonottoa - EMC-silmää 28
Systeemisuunnittelu TAUKO! on tuotteen suunnittelun lähtökohta 57 29