EMC Sähkömagneettinen kytkeytyminen EMC - Kytkeytymistavat 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 0m) λ dimensions of source Physical influence Receiver
EMC - Sähkömagneettinen säteily Koostuu kahdesta kentästä: Sähkökenttä Magneettikenttä Molempien suunta poikittain kentän etenemissuuntaan nähden http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ EMC - Sähkömagneettinen kytkeytyminen Sähkömagneettinen säteily: Kaksi kenttätyyppiä: lähikenttä ja kaukokenttä "Storage field" ja "radiation field" Kentän tyypin määrittää Säteilylähteen ominaisuudet sähkökenttä vai magneettikenttä Lähteen ja vastaanottimen etäisyys tietyn etäisyyden jälkeen kentän komponentit tasoittuneet» komponenttien suhdetta kutsutaan aaltoimpedanssiksi Säteilylähdettä ympäröivä väliaine vaikuttaa kuinka nopeasti kentän komponentit tasoittuvat 2
EMC - Sähkökenttä Sähkökenttä Säteilylähteen impedanssi suuri => ei virtaa Esim. avoin johdin Sähkökenttä vallitseva kenttätyyppi lähietäisyydellä energia varastoitunut sähkökenttään ei virtaa => magneettikenttä vähäinen Lähikenttä: suuri E Kaukokenttä Lähikenttä: pieni H EMC - Magneettikenttä Magneettikenttä Säteilylähteen impedanssi pieni Esim. johdinsilmukka Magneettikenttä vallitseva kenttätyyppi lähietäisyydellä energia varastoitunut magneettikenttään alhainen jännite => sähkökenttä vähäinen Lähikenttä: pieni E Kaukokenttä Lähikenttä: suuri H 3
EMC - Lähikenttä Lähikentän ominaisuuksia Yleensä toinen kenttätyypeistä on vallitseva Säteilylähteen tyyppi määrittää kentän tyypin Sähkö- ja magneettikentän kentänvoimakkuuksien suhdetta on vaikea määrittää muuten kuin mittaamalla ne erikseen Säteilylähteen energia on varastoitunut lähikenttään => kenttä katoaa, kun lähde sammutetaan EMC - Lähikenttä Esimerkki: Näppärä insinööri asustelee voimalinjan vieressä ja päättää rakentaa piikkilanka-aidan tonttinsa ympärille. Hetken asiaa tuumailtuaan hän muistaa fysiikan ja elektroniikan opit ja päättää rakentaa aidasta induktiosilmukan kiertämällä eristettyä piikkilankaa useita kierroksia tontin ympäri tarkoituksenaan valjastaa tontilla vaikuttava muuttuva magneettikenttä hyötykäyttöön. Pitkällisen uurastuksen jälkeen hän onnistuu rakennelmassaan ja tyytyväisenä istuskelee iltaisin kuistilla ja ihailee kuinka pihavalot palavat ilmaiseksi. Mitähän Imatran Voima tuumaa tästä? Vai huomaavatko ne mitään? 4
EMC - "Pseudo"impedanssi Säteilyn tyyppiä lähikentässä voidaan arvioida "pseudo"impedanssin avulla " pseudo " impedanssi= dv dt di dt < 377 Ω => voimakas vaihteleva virta => magneettikenttä => induktiivinen kytkeytyminen > 377 Ω => voimakas vaihteleva jännite => sähkökenttä => kapasitiivinen kytkeytyminen EMC - "Pseudo"impedanssi Esimerkki: Operaatiovahvistimen tuloporttiin kytkeytyy häiriö läheisestä digitaalipiiristä. Logiikkapiirien jännitetasot ovat +4.5V ja +0.5V ja jännitteen nousunopeus on 0ns. Kuormaimpedanssin takia virranmuutos on 0mA => 0mA nousunopeudella 00ns. Kumpi kenttätyyppi on vallitseva ja mikä on häiriön kytkeytymistapa? 5
EMC - "Pseudo"impedanssi Esimerkki: Autotehtaan hitsausrobotin ohjauslogiikka toimii epäluotettavasti ulkoisen häiriön takia. Häiriön mahdollinen lähde on hitsauslaitteisto, joka generoi 20A ja 2V. Virran ja jännitteen nousunopeudet ovat samat. Kumpi kenttätyyppi on vallitseva ja mikä on häiriön kytkeytymistapa? EMC - Sähkömagneettinen säteily Kaukokenttä: Tietyn etäisyyden päässä säteilylähteestä sähkö- ja magneettikentän voimakkuudet tasoittuvat lähikentän vallitseva kenttä vaimenee nopeammin => sähkömagneettinen säteily http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ 6
EMC - Lähi- ja kaukokenttä Sähkökenttä vallitseva, korkeaimpedanssinen lähde Aaltoimpedanssi [Ω] Magneettikenttä vallitseva, matalaimpedanssinen lähde Suhteellinen etäisyys säteilylähteestä r = λ / 2π EMC - Sähkömagneettinen kytkeytyminen Kaukokentän ominaisuuksia Kentän komponenttien suhde tunnettu aaltoimpedanssi riippuu väliaineesta tyhjiössä ja ilmassa Z 0 377Ω Toinen komponenteista voidaan mitata ja toinen laskea Säteilykenttä kenttä säilyy (ja etenee v 3*0 8 m/s) vaikka lähde sammutetaan kentän energia jatkaa etenemistä vastaanottimella ei ole vaikutusta säteilylähteeseen Esim. TV-lähetys: Riippuuko tarvittava TV-aseman lähetysteho siitä kuinka moni kotitalous katsoo sillä hetkellä televisiota? 7
EMC - Sähköinen pituus Sähköinen pituus = fyysinen pituus / aallonpituus Concept of electrical lenght Electrical lenght = physical lenght / wavelenght Required in determing lenght of antenna both radiating and receiving antenna In near field we assume that electrical lenghts are short λ >> dimensions of source Dependent on the medium wavelenght of ratiation is dependent on the medium: λ 0 = wavelenght in vacuum λ = wavelenght in the medium λ 0 λ= ε r µ r EMC Kotelointi 8
EMC - Kotelointi Johtavalla materiaalilla voidaan vaikuttaa sähkömagneettisen säteilyn etenemiseen vaimentaa säteilylähde ehkäistä ulkoisen säteilyn pääsy kotelon sisään Nyrkkisääntö koteloinnista: Lähteen vaimentaminen suositeltavampaa ja tehokkaampaa kuin vastaanottimen suojaaminen EMC - Kotelointi Eri materiaalien suhteellinen johtavuus ja permeabiliteetti verrattuna kuparin johtavuuteen kuparin johtavuus: σ Cu = 5.82*0 7 [/Ω m] 9
EMC - Suojaustehokkuus "Shielding effectiveness" Kuvaa koteloinnin vaimennustehokkuutta säteilylähteen vaimennus ulkoisen sähkömagneettisen säteilyn vaimennus Kuvaa sähkö- tai magneettikentän voimakkuuden vaimenemista [db] E sähkökentälle: 0 S = 20log E magneettikentälle: H S = 20log H 0 E 0 & H 0 : alkuperäinen kentän voimakkuus E & H : suojaus läpäisevän kentän voimakkuus EMC - Suojaustehokkuus Mikä määrittää koteloinnin suojaustehokkuuden? kotelon materiaali kentän vaimeneminen riippuu kotelon materiaalin ominaisuuksista metalli vai muovi - kumpi tehokkaampi materiaali vaimennuksen kannalta? kupari vai alumiini kotelon materiaaliksi? kotelon "eheys" läpiviennit, aukot, saumat, tms. epäjatkuvuuskohdat usein määrittävä tekijä vaimennuksessa 0
EMC - Suojaustehokkuus Lisäksi vaimennukseen vaikuttaa säteilyn taajuus kentän tyyppi polariteetti ja kohtaamiskulma => Suojaustehokkuuden analyysissa käsitellään johtavasta materiaalista olevan tasopinnan vaikutusta etenevään sähkömagneettiseen säteilyyn analyysilla voidaan arvioida eri materiaalien vaimennusta EMC - Suojaustehokkuus Sähkömagneettinen säteily kohtaa johtavan pinnan kahden tyyppistä vaimennusta heijastus osa säteilyn tehosta heijastuu pinnasta heijastuneen tehon osuus riippuu materiaalista ja säteilystä vaimentuminen johdinmateriaalissa johtavassa materiaalissa etenevä sähkömagneettinen säteily vaimenee kokonaisvaimennus materiaalille on ylläolevien vaimennustyyppien summa S = A + R + B [db] R = heijastus [db] A = vaimentuminen materiaalissa, vaimennustekijä [db] B = moninkertaisista heijastumisista aiheutuva korjaustekijä [db] ohuet materiaalit pienentää suojaustehokkuutta voidaan jättää huomioimatta jos A > 9 db
EMC - Vaimennustekijä lähikentässä Johtavassa materiaalissa etenevän sähkömagneettisen kentän amplitudi vaimenee eksponentiaalisesti Vaimeneminen aiheutuu materiaalin indusoituvista virroista ja niistä aiheutuvista tehohäviöistä Etenevän säteilyn voimakkuus etäisyyden funktiona: E t δ δ = E 0 e H = H e t 0 E & H : kentän voimakkuus etäisyydellä t johdinmateriaalissa EMC - Vaimennustekijä lähikentässä Etäisyys jolla kentän voimakkuus vaimentunut 63% ( = e - ) = materiaalin tunkeutumissyvyys δ 2
EMC - Vaimennustekijä lähikentässä Vaimennustekijä: t A= 20 log(e) δ t A= 8.69 δ jos t δ => A 9 db t = suojan paksuus EMC - Heijastuminen lähikentässä Väliaineiden välisessä rajapinnassa tapahtuu heijastuminen ominaisimpedansseissa ero => heijastus signaalijohtimien impedanssisovitus Rajapinnan läpäisevän kentän voimakkuus: 2Z2 E = E0 Z + Z 2 Väliaine Väliaine 2 E 0 E E r = E 0 - E H 2Z = Z + Z Z : väliaineen ominaisimpedanssi Z 2 : väliaineen 2 ominaisimpedanssi 2 H 0 3
EMC - Heijastuminen lähikentässä Jos kotelon materiaali on metallia ja ympäröivä väliaine eriste ( = tyhjiö, ilma) => Z >> Z 2 & 2Z2 E = Z + Z 2 E 0 => suurin heijastuminen sähkökentälle tapahtuu ensimmäisessä rajapinnassa => sähkökentän heijastusvaimennukseen riittää erittäin ohut johdinmateriaali vain pieni osa alkuperäisestä kentästä läpäisee rajapinnan EMC - Heijastuminen lähikentässä Jos kotelon materiaali on metallia ja ympäröivä väliaine eriste ( = tyhjiö, ilma) => Z >> Z 2 & 2Z H= Z + Z 2 H 0 => suurin heijastuminen magneettikentälle tapahtuu toisessa rajapinnassa => kokonaisheijastumisvaimennus molemmille kentille sama magneettikentän vaimennuksessa ohuella materiaalilla heijastumisien monikerrat pienentävät heijastusvaimennuksen kokonaisvaikutusta 4
EMC - Heijastuminen lähikentässä Sähkökentän heijastuminen aaltoimpedanssi likiarvo : Z w e = 2πε f ε r r 0 heijastumisvaimennus : Magneettikentän heijastuminen aaltoimpedanssi likiarvo : Z R e σ r = 322+ 0 log 3 2 µ r f r = 2 πµ f µ r w m r 0 heijastumisvaimennus : R m = 4.6+ 0 log 2 fr σ r µ r EMC - Moninkertaiset heijastumiset Johdinmateriaalin sisällä tapahtuu moninkertaisia heijastumisia => heijastumisesta aiheutuva vaimennus pienenee Paksulla johdinmateriaalilla voidaan jättää huomioimatta vaimentuminen Ohuilla materiaaleilla saattaa vaikuttaa vaimennukseen erityisesti magneettikenttä esim. johtavasta materiaalista tehty pinnoite muovikotelossa Korjaustekijä : B 20log e t 2 = δ db t = suojan paksuus δ = tunkeutumissyvyys 5
EMC - Moninkertaiset heijastumiset Korjaustekijä ohuille suojille: EMC - Kokonaisvaimennus sähkökentälle Huom. lähikentässä Huomioidaan sekä heijastuminen että vaimennustekijä t A= 20 log(e) δ σ r R= 322+ 0 log 3 2 µ r f r Merkitsevä tekijä vaimennuksessa: alhaiset taajuudet : heijastuminen korkeat taajuudet : vaimennustekijä 6
EMC - Kokonaisvaimennus magneettikentälle Huom. lähikentässä Huomioidaan sekä heijastuminen että vaimennustekijä ja mahdollinen korjauskerroin t A= 20 log(e) δ 2 fr σ r R= 4.6+ 0 log µ r Merkitsevä tekijä vaimennuksessa: Vaimennustekijä taajuusriippuva matalataajuista magneettikenttää vastaan vaikea suojautua» ferromagneettiset materiaalit EMC - Magneettikentältä suojautuminen Ferromagneettinen materiaali "ohjaa" magneettikentän suojattavan kytkennän ohi 7
EMC - Kokonaisvaimennus lähikentässä Heijastumisen ja vaimennustekijän summa huomioi korjaustekijä Kokonaisvaimennus säteilyn taajuuden funktiona taajuus kasvaa => Heijastuminen pienenee - (suojan ominaisimpedanssi Z S kasvaa) => Vaimennustekijä kasvaa - (tunkeutumissyvyys pienenee) EMC - Heijastuminen kaukokentässä Heijastuminen kaukokentässä säteilyn aaltoimpedanssi tunnettu ( = 377Ω) heijastumisvaimennus : Z R= 20 log 4 w Z S Z W : aaltoimpedanssi : johdinmateriaalin ominaisimpedanssi Z S heijastusvaimennus : σ r R= 68+ 0 log µ r f 8
EMC - Esimerkki Laske suojaustehokkuus oheisissa tapauksissa Magneettikenttä f = khz suojan paksuus : mm materiaali : kupari lähteen ja vastaanottimen välinen etäisyys : m Sähkökenttä f = khz suojan paksuus : mm materiaali : kupari lähteen ja vastaanottimen välinen etäisyys : m Sähkömagneettinen säteily (Z W = 377Ω) f = khz suojan paksuus : mm materiaali : kupari Mikä on suojaustehokkuus jos f = 50Hz? EMC - Suojaustehokkuus Matalataajuiselta magneettikentältä suojautuminen vaikea Yli 0MHz taajuuksilla vaimennustekjijä merkitsevä Yleensä mikä tahansa ehyt ja kohtuullisen paksu metallipinta tarjoaa riittävän suojan => ongelmana suojan epäjatkuvuudet 9