Elektromagnetická kompatibilita (EMC)

1. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je schopnost zařízení, systému či přístroje vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů (přírodní či umělé), svou vlastní „elektromagnetickou činností“ nepřípustně neovlivňovat své okolí, tj. neprodukovat signály, jež by byly nepřípustně rušivé pro jiná zařízení (technická či biologická). a současně 1

2. Historie EMC • Vznikv šedesátých letech minulého století v USA. • Dlouhou dobu (10 až 15 let) předmětem zájmu jen odborníků ve vojenském a kosmickém průmyslu. • V sedmdesátých a osmdesátých letech postupný přesun zájmů i do všech oblastí civilního života. Hlavní důvody:  prudký rozvoj mikroprocesorové techniky (PC)  rozvoj celosvětových elektronických komunikací (zejména celoplošných – mobilních, satelitních) • Dnes je EMC neoddělitelnou součástí všech oblastí života (důvody technické, zdravotní, bezpečnostní a ekonomické) 2

3. Důvody pro respektování EMC • Velké a trvale stoupajícího množství elektrických a elektro-nických zařízení a spotřebičů od druhé poloviny 20. století. • Stále se rozšiřující využívané spektrum EM signálů v kmi-točtových pásmech prakticky od 0 Hz do stovek GHz. • Různá elektrická zařízení pracují na velmi odlišných úrovních výkonu; maximální poměr těchto výkonů může dosáhnout až 1020, tj. 200 dB.  velmi vysoká pravděpodobnost vzájemného rušení 3

4. Příklady nedodržení EMC a jejich důsledků • Zničení stíhacího letounu Tornado v roce 1984. Příči-nou bylo rušení elektronic-kého řídicího systému letad-la elmag. vlněním. Letadlo letělo v malé výšce nad vy-sílačem velkého výkonu v Holkirchenu u Mnichova. V důsledku selhání automatic-kého systému řízení se zřítilo. Hmotná škoda byla 100 miliónů marek. 4

5. Potopení britského křižníku Sheffield v r. 1982 během falk-landské války. Příčinou bylo ne-dodržení EMC mezi komunikačním zařízením lodi a jejím protiletadlo-vým rádiovým obranným systémem pro rušení cílové navigace nepřá-telských raket. Systém působil tak velké rušení rádiové komunikace, že musel být během rádiového spojení lodi s velitelstvím ve Velké Británii vypínán. A právě v takovém okamžiku odpálilo argentinské stíhací letadlo raketu Exocet, která křižník potopila. Křižník za několik miliard liber byl zničen, dvacet lidí přišlo o život.

6. Havárie rakety typu Persching II v SRN v důsledku elektrosta-tického výboje. Při převozu rakety byl její pohon neúmyslně od-pálen elektrostatickou elektřinou z okolní bouřky. • Havárie v hutích v USA v roce 1983. Příčinou havárie bylo rušení mikroprocesorového systému řízení jeřábu přenášejícího licí pá-nev s tekutou ocelí příruční vf. vysílačkou. Pánev se předčasně převrhla a rozžhavený kov zabil jednoho dělníka a čtyři další zranil. • Vyřazení systému dálkového přenosu dat na vesmírné stanici SpaceLab. Systém byl vyřazen z provozu napěťovým pulzem, který vznikl po zapnutí elektrického vysavače. Vysavač nebyl testován na EMC a přesto se ocitl na palubě kosmické stanice. 6

7. amatérské a občanské vysílání (CB) blízký FM vysílač domácí spotřebiče (vysoušeč vlasů, holicí strojek, vrtačka) blízký osobní počítač a jeho kabeláž elektrické otevírání garáže, bezdrátový zvonek apod. elektrický zvonek • Rušení televizního příjmu 7

8. E M C biologických systémů technických systémů  Cílem je posouzení vlivu EM polí na živé organizmy, zejména na člověka  Cílem je výzkum vzájemného působení a zajištění koexistence technických prostředků, přístrojů a zařízení. 8

9. EMC biologických systémů Dva druhy účinků EM polí na živé organizmy: Tepelné účinky– ohřev biologických tkání vystavených účinkům EM pole (velké intenzity). Netepelné účinky– déle trvající expozice polí s rela-tivně nízkou výkonovou úrovní. Potenciální vliv na centrální ner-vový systém, imunitní systém, krevní oběh, příp. genetické a karcinogenní účinky. Dlouhodobé výzkumy–velké rozdílyvinterpretaci účin-ků na organizmus tvorba tzv. hygienických norem 9

10. Nejvyšší přípustné hodnoty indukovaných proudů, absorbovaných výkonů a hustoty ozáření podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví ČR č. 1/2008 Sb. Vyhláška 1/2008 určuje rovněž způsoby, jimiž se splnění uvedených podmínek zjišťuje a vyhodnocuje. 10

11. Pro nejvytíženější kmitočtové pásmo 100 kHz – 10 GHz je mez SAR (Specific Absorption Rate – měrný pohlcený vý-kon) 0,4 W/kg pro zaměstnance pracující s vf. zařízeními a 0,08 W/kg pro ostatní osoby (pro obyvatelstvo). Tyto meze nesmí být překročeny při expozici (době působení) delší než 6 minut. V případě expozice jen malé části těla (např. působení mobilních telefonů) se meze SAR zvyšují na • 10 W/kg pro zaměstnance (20 W/kg pro ruce, chodidla a kotníky), • 2 W/kg pro ostatní osoby (4 W/kg pro ruce, chodidla a kotníky). Nejcitlivějším orgánem jsou oči, kde neprobíhá dostatečné chlazení krevním prouděním a může dojít např. k zákalu. 11

12. Typ SAR [W/kg] Nokia 6210 1,19 Siemens M35i 1,14 Siemens S35i 0,99 Nokia 3210 0,81 Nokia 8210 0,72 Ericsson T18s 0,61 Nokia 8850 0,22 SAR mobilních telefonů Prakticky žádný dnešní telefon normu nepřekračuje. Hodnotu SAR lze snížit pomocí planárních integrovaných antén, které jsou na zadní straně krytu telefonu a vyzařují pouze směrem od hlavy (na rozdíl od vnějších antén, kde se v hlavě pohlcovalo až 50 % výkonu. 12

13. Rušený objekt, Zdroj Přenosové prostředí,   přijímač rušení elmag. rušení elmag. vazba EMC technických systémů Základní řetězec EMC a příklady jednotlivých oblastí EM procesy v atmosféře elektrostatické výboje motory, spínače, relé energetické rozvody polovodičové měniče zářivky, pece, svářečky domácí spotřebiče rozhlasové a TV vysílače počítače, číslicové systémy vzdušný prostor zemnění energetické kabely napájecí vedení stínění signálové vodiče datové vodiče společná napájecí síť číslicová technika počítače měřicí přístroje automatizační prostředky telekomunikační systémy systémy přenosu dat rozhlasové přijímače televizní přijímače 13

14. Problematika měření a praktického posouzení EMC je pro konečné posouzení EMC daného zařízení rozhodující. • Měření elektromagnetické interference (EM rušení) ● měření EM rušení na vedení (napájecím, datovém aj.), ● měření EM rušení vyzařovaného zařízením do okolí, ● kontrola vyzařování prototypů a osazených desek plošných spojů. • Testování elektromagnetické odolnosti (imunity) ● odolnost vůči poklesům a přerušení napájecího napětí, ● odolnost vůči rychlým elektrickým přechodným jevům (burst), ● odolnost vůči elektrostatickým výbojům (ESD), ● odolnost vůči rázovým vysokoenergetickým impulzům (blesk), ● odolnost vůči magnetickým polím (spojitým, pulzním), ● odolnost vůči silným elektromagnetickým polím. 14

15. Měřicí a testovací pracoviště EMC – zkušebny EMC Od testování EMC na čipu mikroelektronických obvodů a elektronických součástek přes testování přístrojů a elektrických zařízení, 15

16. měření EM vyzařování a testování EM odolnosti automobilů a dalších dopravních prostředků, strojů a vozidel, 16

17. až po testy EMC vojenské techniky, letadel a kosmických sond. 17

18. Tři největší zkušebny EMC v České republice EZÚ – Elektrotechnický zkušební ústav Praha Český metrologický institut Praha – laboratoř 0221 TESTCOM VTÚPV – Vojenský technický ústav pozemního vojska Vyškov 18

19. Speciální aspekty a oblasti nasazení EMC se vzhledem k univerzálnímu významu EMC stále rozrůstají. • Vojenská a obranná oblast – jde o bojeschopnost složitých elektronických vojenských zařízení i v náročných bojových pod-mínkách a současně o vliv jejich elektromagnetické činnosti na okolní „civilní“ zařízení a systémy. Celá jedna oblast obrany státu, tzv. elektronický boj (včetně nově vyvíjených tzv. EM zbraní) není z tohoto pohledu ničím jiným, než narušováním EMC protivníkových komunikačních a vojenských elektronických systémů. Vojenská pracoviště věnují problematice EMC velkoupozornost od samého jejího vznikua majíobvykle „náskok“ předcivilnímsektorem. Vojenské normy EMC (MIL-STD) jsou přís- nější než odpovídající civilní předpisy. 19

20. mez odolnosti rezerva EMC mez vyzařování Základní pojmy EMC Mezinárodní elektrotechnický slovník ČSN IEC 50 kapitola 161 „Elektromagnetická kompatibilita“ 20

21. RUŠIVÉ SIGNÁLY A JEJICH ZDROJE přírodní (přirozené) umělé (technické), tzv. „man made noise“ funkční nefunkční (parazitní, nežádoucí) impulzní (mžikové) spojité kvazi-impulzní úzkopásmové širokopásmové nízkofrekvenční vysokofrekvenční (rádiové) 21

22. Impulzní (mžikové) a spojité rušení dle ČSN EN 55014 Jednorázová mžiková porucha a) jako nepřerušená řada impulzů s dobou trvání kratší než 200 ms b) jako seskupení jednotlivých impulzů netrvající déle než 200 ms Další porucha následuje až po době delší než 200 ms. 22

23. Nespojité rušení: dvě mžikové poruchy v intervalu 2 s vzdálené o více než 200 ms Spojité rušení: jedna mžiková porucha delší než 200 ms, dvě mžikové poruchy ve vzájemném odstupu menším než 200 ms, více než dvě mžikové poruchy v intervalu 2 s. 23

24. Způsob šíření Zdroj rušivých signálů Kmitočtové pásmo zářivka 0,1 Hz ÷ 3 MHz 100 Hz ÷ 3 MHz po vedení prostorem rtuťová výbojka 0,1 Hz ÷ 1 MHz po vedení kolektorové motory 2 Hz ÷ 4 MHz 10 Hz ÷ 400 kHz po vedení prostorem síťové vypínače 0,5 Hz ÷ 25 MHz po vedení výkonové spínače 10 Hz ÷ 20 MHz 0,1 Hz ÷ 20 MHz po vedení prostorem spínané síťové zdroje 0,1 Hz ÷ 30 MHz 0,1 Hz ÷ 30 MHz po vedení prostorem koronový výboj 0,1 Hz ÷ 10 MHz po vedení klopné obvody 15 kHz ÷ 1000 MHz prostorem Úzkopásmové a širokopásmové rušení • Úzkopásmové rušení je produkováno zejména „užitečnými“ signály rozhlasových a televizních vysílačů. • Širokopásmové rušeníprodukuje většina průmyslových rušivých signálů (spojitých, impulzních či kvazi-impulzních). Rovněž všechna přírodní rušení jsou svou podstatou širokopásmová. 24

25. Nízkofrekvenční a vysokofrekvenční rušení • Nízkofrekvenční rušení energetické(do 2 kHz); deformace napájecího napětí energetických sítí. akustické(do 10 kHz); ruší přenosové a komunikační systémy. • Vysokofrekvenční (rádiové) rušeníod 10 kHz do 400 GHz; zahrnuje prakticky všechny existující interferenční zdroje. Klasifikace rušení podle způsobu šíření • rušení šířené vedením(napájecím, signálovým, datovým atd.) • rušení šířené vyzařováním(prostorem). 25

26. ip is1 is2 up us1 us2 is1+ is2 Protifázové rušivé signály– proudy ip a napětí up(symetrická rušivá napětí, differential mode voltages) se projevují mezi jednotlivými vodiči vedení navzájem, tj. jsou přímo superponovány na užitečné (pracovní) napájecí či datové proudy a napětí na přenosovém vedení. Proudy ip mají v jednotlivých vodičích vedení stejný směr jako užitečné proudy, proti-fázové napětí uppůsobí přímo na impedanci užitečné zátěže. Soufázové rušivé signály– proudyisa napětíus(nesymetrická rušivá napětí, common mode voltages) se projevují mezi jednotlivými vodiči ve-dení a společnou zemí (společným zemním vodičem). Proudy is1ais2 mají v jednotlivých vodičích vedení stejný směr a uzavírají se „přes“ společnou zem průtokem parazitními kapacitami Cz. Vlivem nesymetrie systému část soufázového rušivého napětí us1–us2 působí přímo na impedanci Zz. Klasifikace rušivých signálů na vedení 26

27. Možné důsledky Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Impulzní Oscilační • atmosférický výboj • elektrostatický výboj • spínání zátěže • spínání kondenzátorů • spínání induktivní či kapacitní zátěže • přepínání vedení či kabelů • spínání kondenzátorů • ferorezonance • ztráta dat • možná poškození • namáhání izolací • ztráta dat • možná poškození • výpadky systémů 1 2 Průmyslová rušení • Rušivá napětí v energetické napájecí síti 27

28. Možné důsledky Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Harmonické a meziharmonické složky • nelineární zátěže • systémové rezonance • frekvenční měniče • poškozené zařízení • oblouková technika • přehřívání trans-formátorů, motorů, kabelů • výpadky systémů • blikání světel • komunikační interference 3 Šum Periodické pulzní rušení • řízené pohony • obloukové pece • fázové regulátory • spínané zdroje • poškozené zařízení • nekvalitní uzemnění • blízkost vf. zdroje • impulzní usměrňovače • ztráta dat • výpadky systémů • ztráta dat • výpadky systémů 4 5 28

29. Možné důsledky Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Přerušení napájecího napětí • obecné poruchy • selhání komponent • systémové ochrany • vypínače, pojistky • vypnutí systémů • možná poškození 6 Pokles napájecího napětí • připojování zátěží • start motoru • systémové poruchy • zkraty v síti • výpadky systémů • ztráta dat 7 Zvýšení napětí, přepětí • změny zatížení • poruchy v systému • nežádoucí přepínání • zkracování živostnosti • poškození zařízení 8 29

30. Možné důsledky Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Kolísání napájecího napětí • proměnná zátěž • zapínání-vypínání zátěže • obloukové pece • blikání světel • elektromechanické kmity zařízení 9 Nesymetrie trojfázového napětí • nesymetrická zátěž • zahřívání motorů • narušení funkce trojfázových měničů 10 Změny kmitočtu napájecího napětí • nevyváženost výkonu • chybně regulovaný generátor • selhání zařízení synchronizovaných frekvencí 11 30

31. Vysokofrekvenční oscilace při spínacích a rozpínacích procesech mechanických spínačů, stykačů, kontaktů a relé přechodový jev pilovitého průběhu- burst Oscilogramy rušivých napětí vznikajících na rozpojovaných kontaktech nízkonapěťového relé a vysokonapěťového spínače 31

32. Rušení z diodových a tyristorových usměrňovačů, měničů jsou opakovaně spínány velké proudy, takže vznikají rušivá napětí v podobě opakujících se impulzů, které značně defor- mují průběh napájecího napětí;rušení až do desítek MHz. Deformace síťového napětí vlivem diodového a tyristorového omezovače, usměrňovače či regulátoru 32

33. Rušení ze spínaných napájecích zdrojů Spínaný zdroj je napájecí zdroj řízený impulzy, které přerušova-ně spínají usměrněné a vyfiltrované síťové napětí. Síťové napětí 50 Hz se transformuje na požadované ss. napětí pomocí pomocného napětí s kmitočtem až stovek kHz. Tento vysoký kmitočet umožnuje použít menší transformátor a menší filtry na výstupu zdroje. Velikost výstupního napětí se reguluje pomocí šířkové modulace spínacích impulzů PWM. Protože spínací impulzy jsou strmé, vzniká velké množství harmonických a dochází k silnému vyzařování rušivých signálů. Velikost vyzařování závisí i na velikosti odběru z napájecího zdroje. Aby nedocházelo k rušivému ovlivňování vnější napájecí elektrické sítě je nutno vybavit zdroj účinnými filtry EMI. 33

34. Rušení od vnějších energetických vedení VN a VVN Koronový výbojse vytváří v silném a silně nehomogenním elektrickém poli v okolí hrotů, ostrých hran a vodičů velmi vysokého napětí VVN (110 kV). Velikost výbojů roste za vlhka (intenzivní sršení a praskot pod vedením VVN), není však příliš velká. Pro koronu jsou typické krátkodobě svítící rozvětvené kanálky. Zápalné napětí korony závisí na špičatosti ostří. Korona je neodstranitelnou vlastností vedení VVN.Korona ruší rádiový provoz hlavně na dlouhých a středních vlnách. Krátké vlny již ovlivňuje málo a velmi krátké vlny vůbec ne. 34

35. Kapacitní výbojevznikají na nedokonalém spojení kovových předmětů u vedení vysokého napětí 22 kV a 35 kV. Takovými místy jsou především kovové kloubové spoje závěsných izolátorů, u nichž se v důsledku koroze vytvoří izolační vrstvička a dielektricky se oddělí kovové části kloubového spoje. Po překročení di- elektrické pevnosti této vrstvičky či při jejím mechanickém narušení (při kývání izolátoru ve větru) dochází k jiskrovému výboji. Vznikajícírušení sahá až k 1 GHz, za sucha je větší, za vlhka někdy zcela mizí. Kapacitní výboje signalizují závady na vedení, dokonalé odruše-ní vyžaduje rozsáhlé a nákladné úpravy. Rušení lze odstranit pouze užitím jiné konstrukce izolátorů bez závěsného kloubu. 35

36. Napěťové (energetické) přepětí Rozmezí ničivé energie pro různé součástky a zařízení 36

37. Zdroje napěťového přepětí přírodní uměle vytvořené • Atmosférický výboj blesku (Lightning ElectroMagnetic Pulse –LEMP) _______________________ • Lokální elektrostatické výboje (ElectroStatic Discharge– ESD) • Spínací a rozpínací zařízení (vznik elektrického oblouku) _______________________ • Lokální elektrostatické výboje (ESD) 37

38. Atmosférický výboj blesku (LEMP) rušivý účinek až do vzdálenosti cca 4 km velikost proudového impulzu blesku až 200 kA spektrální rušení až do kmitočtu cca 100 MHz Proudový impulz při úderu blesku a jeho základní parametry 38

39. Účinek blesku nepřímý účinek přímý účinek (úder) 39

40. Lokální elektrostatické výboje (ESD) vznikají tam, kde se vyskytuje třecí pohyb mechanických částí (kovových a/nebo dielektrických – pevných, kapalných či plynných). Podmínky vzniku: • Pracovníciobsluhymajíne-vhodné oblečení z hlediskavznikuvysokéhoelektrosta-tickéhonapětí(umělémateriály). • Povrchy stolů, židlí, podla-hové krytiny jsou z umě-lých hmot s vysokým izo-lačním odporem. • V místnosti je nízká vlh-kost vzduchu. 40

41. Vznik lokálního elektrostatického výboje 15 kV Ekvivalentní kapacita těla má hodnotu 100 ÷ 200 pF, odpor „vybíjecí“ paže člověka je 100  až 2 k. Proudový impulz vybití elektrostatického náboje 41

42. Působení elektrostatického výboje na elektronické součástky a obvody Přímé působení (vybití) při přiblížení paže nebo nabitého nástroje Působení indukcí rušivého napětí Ur do galvanicky oddělených obvodů 42

43. antistatická, příp. vakuová pinzeta antistatický kryt na prsty antistatický sáček (obal) uzeměný antistatický povrch stolu uzemněný pásek na zápěstí antistatická nosná páska součástek uzemněný antistatický povrch podlahy Ochrana pracoviště před působením ESD Pracovník by měl být oblečen v oděvu z antistatického či přírodního materiálu (vlna), příp. též mít antistatickou (uzemněnou) obuv. 43

44. Spojité (kontinuální) rušení • Rozhlasové, televizní, příp. radarové vysílače • Vyšší harmonické složky v napájecí síti • Neveřejné radiokomunikační služby CB radio (Citizen Band radio) v pásmu 27 MHz: překračování povoleného vf. vyzařovaného výkonu. Rušivé spektrum výstup-ního signálu občanské radiostanice CB za zařazeným zesilovačem výkonu 44

45. Televizní a rozhlasové kabelové rozvody v pásmech 40 až 300 MHz Kmitočtové spektrum vyzařované TV kabelovým rozvodem na 6. kanálu při zkušebním obrazci v systému PAL 45

46.  E max [kV/m] H max [A/m] náběžná hrana [ns] kmitočtové spektrum dosah účinku LEMP 10÷100 100 ÷ 1000 100 ÷ 10000 1 kHz ÷ 5 MHz jednotky km NEMP 30÷100 100 ÷ 1000 5 ÷ 8 0,1 ÷ 100 MHz stovky až tisíce km Zvláštní rušení • Nukleární elmag. impulz (Nuclear ElectroMagnetic Pulse)NEMP Srovnání parametrů LEMP a NEMP 46

47. Rušení mimozemského původu geomagnetické bouře vlivem tzv. slunečního větru kosmické záření Spektrální rozložení a úrovně některých mimozemských interferenčních zdrojů 47