SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Samankaltaiset tiedostot
SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

DEE Sähkötekniikan perusteet

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Magneettinen energia

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Sähkömagneettinen induktio

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Magneettikenttä ja sähkökenttä

14.1 Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait R 1. I 1 I 3 liitos + - R 2. silmukka. Kuva 14.1: Liitoksen, haaran ja silmukan määrittely virtapiirissä.

SMG-1400 SMG KENTÄT JA AALLOT 2 Kriteerit tenttiin Suuriniemi

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

a P en.pdf KOKEET;

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

DEE Sähkötekniikan perusteet

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Sähkömagnetismi (ENG2)

4. Gaussin laki. (15.4)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

DEE Sähkötekniikan perusteet

SMG-1400 Sähkömagneettiset kentät ja aallot II Tentti , Arvosteluperusteet

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

DEE Sähkötekniikan perusteet

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

VAASAN YLIOPISTO SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA: KAPPALE 1: JOHDANTO KAPPALE 2: AJAN MUKAAN MUUTTUVAT KENTÄT JA MAXWELLIN YHTÄLÖT

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

Sähkömagnetismi (ENG2)

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Aalto-yliopisto, sähkötekniikan korkeakoulu

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

ELEC-C3230 Elektroniikka 1. Luento 1: Piirianalyysin kertaus (Lineaariset vahvistinmallit)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

( ) ( ) ( ) ( ) SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 1(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus, EMC

EMC. Elektroniikan käytön voimakas kasvu mobiililaitteet, sulautetut järjestelmät

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka V + E = IR (8.1)

Sähkötekniikka ja elektroniikka

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

EMC: Electromagnetic Compatibility Sähkömagneettinen yhteensopivuus

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka vastus on R. Liitetään virtapiiriin jännitelähde V.

DEE Sähkötekniikan perusteet

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Kun järjestelmää kuvataan operaattorilla T, sisäänmenoa muuttujalla u ja ulostuloa muuttujalla y, voidaan kirjoittaa. y T u.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

2.2 Energia W saadaan, kun tehoa p(t) integroidaan ajan t suhteen. Täten akun kokonaisenergia W tot saadaan lausekkeesta ( )

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka V + E = IR (8.1)

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

KKT: log p i v 1 + v 2 x i = 0, i = 1,...,n.

FYSP1082/3 Vaihtovirtakomponentit

FYSA2010 / K1 MUUNTAJA

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

Transkriptio:

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas jari.kangas@tut.fi Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos Sähkömagnetiikka 2009 1

1 Maxwellin & Kirchhoffin laeista Piirimallin taustalla ovat seuraavat olettamukset: E dl = 0, D n da = 0, ja S S H dl = S J n da V V J n da = 0. Sähkötekniset ja laitteet ja niiden osakomponentit on karakterisoitu (luokiteltu/abstrahoitu) sähkömotoristen voimien ja virtojen avulla (niiden välillä on lineaarinen relaatio) Ensimmäisestä olettamuksesta seuraa, että jännite piirikomponentin yli on hyvin määritelty suure. Itse asiassa ensimmäinen olettamus takaa, että sähkökenttä on esitettävissä skalaaripotentiaalin avulla Jännitteestä on mielekästä puhua. 2

Piirimalli ei pysty kuvaamaan sähkömagneettisia aaltoja: ei varausten pakkautumista, sähkömagneettinen induktio ei ole mahdollista piirikomponenttien ulkopuolella. 3

Kirchhoffin lait voidaan johtaa seuraavasti: esitetään sähkömotoriset voimat komponenttien yli (alla k liittyy eri komponentteihin, vrt. esimerkiksi tasavirtapiiriin, kerroin c k = ±1 ja S on pinnan S reuna) E dl = c k u k = 0, tai S k e 1 e 3 e 2 u 1 = e 1 E dl u 2 = e 2 E dl u 3 = e 3 E dl u 1 + u 2 u 3 = 0 4

esitetään komponentin terminaaleihin liittyvät virrat (V on tilavuus, jossa ko. komponentti on ja V pinnan reuna): J nda = c k i k = 0, tai k K V e 1 V J n da = i 1 + i 2 i 3 = 0 e 2 e 3 V 5

Kysymys: Liittyykö piirimalliin tieto sähkölaitteen eri osista? Liittyykö piirimalliin tieto sähkölaitteen eri osien välisistä etäisyyksistä? Onko tässä mielestäsi jotain huomioitavaa EMC:tä ajatellen? 6

2 Laitteiden ominaisuuksien esittäminen (ideaalisten) piirikomponenttien avulla Käytetään apuna hajoita ja hallitse periaatetta; idealisoidaan käytännön tilanne, jolloin laitteen tai sen osan tietty ominaisuus voidaan esittää piirikomponenttien avulla. 2.1 Vastus Vastus voidaan kuvailla seuraavasti: johtavasta materiaalista tehty kappale, joka on eristetty terminaaleja lukuun ottamatta. Sähkökenttä (joka voidaan esittää potentiaalien erotuksena u = φ 1 φ 0 = E dl), aiheuttaa vapaiden varauksien c liikkeen. 7

Seurauksena on johtavuudesta ja kappaleen mitoista riippuva kokonaisvirta i = J n da vastuksen läpi. S J n = 0 φ 1 c φ 0 S Taajuuden on oltava riittävän pieni, että varausten pakkautumista ei tapahdu. Magneettikentän ja sähkömagneettisen induktion vaikutus huomioidaan jotain muuta kautta (tai oletetaan, että sitä ei tarvitse huomioida). Resistanssi R liittää virran i(t) ja jännitteen toisiinsa: u(t) = R i(t). 8

2.2 Kondensaattori Kondensaattori voidaan kuvailla seuraavasti: kahdesta johtavasta kappaleesta, jotka on eristetty toisistaan, koostuva laite. Alussa esitetyistä olettamuksista seuraa: johteissa on oltava itseisarvoltaan, mutta etumerkiltään eri suuret varaukset jokaisella ajan hetkellä, täten J n da = 0 pätee ja siitä V seuraa, että i a = i b = i. V V 1 i b Q c Q i a 9

Virranjatkuvuus: i = V 1 J n da = d dt Gaussin laki: Q = V 1 D n da. V 1 ρ dv = dq dt. Jännite: u = c E(Q) dl. Magneettikenttä huomioidaan jotain muuta kautta (tai oletetaan, että ei tarvitse huomoida). Vastaavasti johdinten resistanssit jätetään huomiotta (huomaa, että E on pieni hyvässä johteessa, mikä tukee tätä päätöstä). Jännite u(t) kondensaattorin yli riippuu kahdesta tekijästä: 1. Kerääntyneestä varauksesta Q(t). 2. Laitteen geometriasta ja materiaaliominaisuuksista. 10

V V 1 i b Q c Q i a Kapasitanssi C(u(t)) = Q(t) liittää jännitteet ja varaukset toisiinsa. 11

Kapasitanssi voidaan kuvata yhden reaaliluvun C avulla, joka liittää varauksen ja jännitteen Q(t) = Cu(t). Virta on varauksen derivaatta, i(t) = dq dt (t), mistä saamme i(t) = dq du (t) = C dt dt (t). 12

2.3 Kela Alussa esitetyt olettamukset tekevät induktanssin esittelemisestä hieman edellisiä tapauksia hankalampaa: tällöin huomoidaan magneettikentän vaikutus, jolloin (Faradayn lain perusteella) E ei välttämättä ole pyörteetön (eli E ei esitettävissä pelkästään skalaaripotentiaali avulla), mutta silti tarvitsisimme jännitteitä piirimallia varten. Niinpä joudumme toimimaan seuraavasti: 1. Valitaan riittävän iso tilavuus V joka sisälttä kaiken magneettivuon eli B n = 0 pätee V :lla. 2. Faradayn lain avulla c 1 +c 2 E dl = d dφ dt B nda = dt. S 13

c 2 u(t) i(t) c 1 S B n V V B n = 0 14

3. Induktanssi Li(t) = Φ(t) liittää virran i(t) ja magneettivuon Φ(t) toisiinsa. 4. Huomaa, että sähkökenttä on hyvin pieni hyvässä johteessa (kuten c 2 ) verrattuna eristeeseen (kuten ilma c 1 ), jolloin pätee, että c 1 E dl = dli dt Φ(t):n lauseke). = L di dt (t) (johon on sijoitettu 5. Huomaa, että u(t):n suunta on eri kuin c 1 :n suunta: u(t) = L di dt (t). 15

c 2 u(t) i(t) c 1 S B n V V B n = 0 16

2.4 Välitilinpäätös Olemme käsitelleet piirianalyysin perusteita: 1. Kirchoffin lait: KVL KCL 2. Lainalaisuudet eri piirikomponenteille: Resistanssi: u(t) = Ri(t) Kapasitanssi: i(t) = C du dt (t) Induktanssi: u(t) = L di dt (t) Piirikomponentteihin liittyvät ominaisuudet voidaan kuitenkin määritellä aikalailla eri tavalla käyttäen energiaa ja tehotasapainoyhtälöä Poyntingin teoreema avuksi. Tarkastellaan seuraavaksi, miten impedanssi voidaan tulkita niiden avulla. 17

3 Impedanssi Tarkastellaan ensiksi Poyntingin teoreemaa seuraavassa tapauksessa. 18

19

= Lähteen teho lämpöhäviöt + + Sähkökenttään varastoituneen energian muutos Magneettikenttään varastoituneen energian muutos Tarkastelualueesta sen reunan läpi siirtyvä teho Tämän järjestelmän tehotasapaino voidaan esittää seuraavasti. 20

Poyntingin teoreema: V E J dv = 1 2 d dt missä eri termit ovat: V (E D + H B) dv + V E H n da, 1. Tehon syöttö/kulutus, eli energian muutosnopeus sähkömagneettiseksi energiaksi (jostain muusta muodosta) tai päinvastoin. Ko. termi sisältää myös häviöt (kun E J > 0) ja tehonsyötön esim. akku (kun E J < 0). 2. Sähkökenttään varastoituneen energian muutos. 3. Magneettikenttään varastoituneen energian muutos. 4. Teho, joka siirtyy tarkastelutilavuudesta sen reunan läpi. Tarkastellaan seuraavaksi järjestelmää, jolla on konnektorit ja on muutoin sähkömagneettisesti eristetty. 21

terminaalit JÄRJES- TELMÄ Ei sähkömagneettista kytkeytymistä lopun reunan läpi Tässä tapauksessa kaikki (smg) teho on tuotu järjestelmään terminaalien kautta. Tällaisessa tapauksessa, järjestelmä voidaan kuva Thevenin Nortonin teoreeman perusteella: ekvivalenttisen lähteen ja impedanssin avulla. 22

Lähde Impedanssi Impedanssin reaaliosa vastaa lämpöhäviöitä, imaginaariosa puolestaan sähköistä tehoa (kapasitanssi) ja magneettista tehoa (induktanssi). On syytä huomata, että impedanssi on järjestelmän malli, kun se on karakterisoitu I:n ja U:n avulla Z = U I. 23

+ U I I Lähde Impedanssi Resistanssin voidaan ajatella kuvaavan järjestelmää, jolla ei (käytännössä) ole kykyä varastoida magneettista tai sähköistä energiaa. Kapasitanssin voidaan ajatella kuvaavan järjestelmää, jolla on kyky varastoida sähköistä energiaa, mutta ei magneettista energiaa, eikä siinä ole häviöitä Induktanssin voidaan ajatella kuvaavan järjestelmää, jolla on kyky varastoida magneettista energiaa, mutta ei sähköistä energiaa, eikä siinä ole häviöitä. 24

Piirit, jotka koostuvat vastuksista, kondensaattoreista ja keloista, vastaavat siis isomman järjestelmän osajärjestelmiä. Lähde + R L C Lähde + osajärj. osajärj. osajärj. 25