Wykład VI-VII

Metody minimalizacji zaburzeń

elektromagnetycznych

PLAN WYKŁADU

PLAN WYKŁADU

1.

Informacje ogólne

2.

Ekranowanie

3.

Uziemianie

4.

Filtracja

5.

Separacja obwodów

6.

Zastosowanie elementów tłumiących przepięcia

7.

Przykłady zastosowań

8.

Zalecenia projektowe dla pakietów elektronicznych

9.

Literatura

Informacje ogólne

Informacje ogólne

Skuteczność zastosowanych środków i sposobów w celu

minimalizacji

zaburzeń elektromagnetycznych (EM) zależy m.in. od następujących

czynników:

- przeprowadzenia rozpoznania w zakresie identyfikacji źródeł

zaburzeń (ich rodzaju i natężenia),

- przeprowadzenia rozpoznania w zakresie sposobu przenikania

zaburzeń i oddziaływania na elementy i układy,

- przeprowadzenie rozpoznania wśród sygnałów użytecznych

występujących w danym urządzeniu,

- poznania właściwości elementów stosowanych do minimalizacji i

właściwego ich wyboru oraz zastosowania.

Można wyróżnić trzy główne metody redukcji zaburzeń:

- zmniejszenie natężenia emisji zaburzeń w źródle,
- pogorszenie transmisji zaburzeń,
- zmniejszenie wrażliwości odbiorników na zaburzenia.

Środki i sposoby minimalizacji zaburzeń

Środki i sposoby minimalizacji zaburzeń

elektromagnetycznych

elektromagnetycznych

Główne sposoby i środki:



ekranowanie obudów, pakietów, kabli i przewodów,



uziemianie dla bezpieczeństwa i uziemianie sygnałów,



filtracja sygnałów,



separacja obwodów,



stosowanie elementów przeciwprzepięciowych,



stosowanie elementów odsprzęgających,



właściwie wykonana konstrukcja urządzenia w tym
odpowiednio zaprojektowane płytki drukowane.

Stosując te środki i sposoby wpływamy jednocześnie na ograniczenie
nadmiernej emisji EM wyrobów oraz na zwiększenie ich odpornością

na

zaburzenia EM.

Ekranowanie

Ekranowanie

1.

Ekranowanie polega na metalicznym rozdzieleniu dwóch

obszarów przestrzeni w celu zmniejszenia stopnia przenoszenia

pola EM z jednego obszaru do drugiego.

2.

Ekranować można pojedyncze elementy, pakiety, kompletne

urządzenia, a także przewody, kable i linie transmisyjne.

3.

Ekranowanie może być stosowane do źródła zaburzeń,

odbiornika lub do obu jednocześnie.

4.

Najczęściej na ekrany używa się takich materiałów jak:

aluminium, miedź, stal miękką i mumetal (stop Ni-Fe-Cu-Cr).

Stosowane są też tworzywa metaliczne, taśmy i powłoki

metalizowane.

5.

Niezbędnym warunkiem skuteczności ekranowania jest dobre

połączenie ekranu z punktem odniesienia (potencjałem ziemi).

Połączenia te powinny być możliwie krótkie i niskoimpedancyjne.

 

Ekranowanie

Ekranowanie

6.

Efektywność ekranu zależy od częstotliwości zaburzeń EM,

odległości od ich źródła i rodzaju pola (elektryczne, magnetyczne lub

elektromagnetyczne – fala płaska). Określa się ją jako stosunek

natężenia pola przed ekranem do natężenia pola za ekranem.

7.

Ekranowanie pól magnetycznych jest trudniejsze niż pół

elektrycznych, gdyż pole magnetyczne wnika do wnętrza materiału

przewodzącego. Głębokość tego wnikania zależy m. in. od rodzaju

materiału, natężenia i częstotliwości pola zaburzającego.

8.

Najlepszymi materiałami na ekrany dla pól magnetycznych niskiej

częstotliwości są materiały magnetyczne, w tym przede wszystkim

stal.

9.

Jako ekran przeciwko polom elektrycznym, falom płaskim i polom

magnetycznym dużej częstotliwości najlepiej stosować dobry

przewodnik.

Z

P

E

E

E

S

log

20



Z

P

H

H

H

S

log

20



Ekranowanie

Ekranowanie

Ekranowanie stosuje się w celu redukcji wpływu

niepożądanych pól na urządzenia, które w

wyniku oddziaływania tych pól mogą ulec

uszkodzeniu lub zniszczeniu.

Aby uzyskać optymalną skuteczność ekranowania,

należy szukać kompromisu pomiędzy

wymaganiami technicznymi ( łatwy dostęp do

danego urządzenia a względami ekonomicznymi i

estetycznymi

Rodzaje i zadania ekranów

Rodzaje i zadania ekranów

Ekranami nazywamy przegrody metalowe o dobrej

konduktywności  oraz przenikalności

elektrycznej  i magnetycznej  , wykonane w

postaci ścian, siatek, zwojów zwartych, których

zadaniem jest ochrona przed zewnętrznymi

polami elektrycznymi, magnetycznymi lub

elektro-magnetycznymi, względnie ochrona

przestrzeni otaczającej przed wydostaniem się

pola poza określony obszar

Ścianka ekranu

t

Absorbcja (A)

H

1

E

1

P

1

Fala padająca

(

0,



0

)

Przenikanie

H

2

E

2

P

2

(

0,



0

)

Odbicie

(R)

Rodzaje i zadania ekranów

Rodzaje i zadania ekranów

Pod względem przeznaczenia ekrany dzielimy na

elektryczne, magnetyczne i

elektromagnetyczne



Ekrany elektryczne nie dopuszczają pola

elektrycznego do obszaru chronionego; mogą być

metalowe lub zbudowane z dielektryka.



Ekrany magnetyczne są to obudowy albo boczniki

zbudowane z blach lub masywnych materiałów

ferromagnetycznych, mających na celu

odprowadzenie strumienia magnetycznego od

obszaru chronionego.



Ekrany elektromagnetyczne są to obudowy lub

ściany, zwoje zwarte wykonane z materiałów

dobrze przewodzących, odpychające zmienny

strunie magnetyczny na zasadzie reakcji pola

prądów wirowych.

Rodzaje i zadania ekranów

Rodzaje i zadania ekranów

Rozróżniamy ekrany podłużne ( wzdłuż linii pola) i

poprzeczne ( prostopadłe do linii pola)

Z uwagi na skuteczności ekranowania, ekrany

dzielimy na:



zamknięte takie, w których pole magnetyczne lub

elektromagnetyczne może przedostać się na drugą

stronę ekranu wyłącznie drogą przenikania przez

jednorodną ścianę;



otwarte to takie, w których główna część pola

może przedostać się na przeciwległą stronę np.

okrążając ścianę



półzamknięte w których pole przechodzi na

przeciwległą stronę ekranu obydwiema, wcześniej

wymienionymi drogami

Uziemianie ekranów kabli i przewodów

Uziemianie ekranów kabli i przewodów

1. Ekran nigdzie nie podłączony – jedynie ograniczenie różnicowego

przesłuchu pojemnościowego między parami przewodów roboczych.

Jest on zupełnie nieskuteczny dla zakłóceń zewnętrznych.
2. Ekran podłączony na jednym końcu - może służyć jedynie do ochrony

symetrycznej linii sygnałowej od pola elektrycznego małej częstotliwości

(< 1 MHz). Przyłączenie z jednej strony nie dopuszcza do przepływu w

ekranie prądów małej częstotliwości (np. o częstotliwości sieci), które

mogłyby wprowadzać zaburzenia do przewodów sygnałowych.

Uziemienie w jednym punkcie eliminuje również pętle uziemienia ekranu

i związane z tym sprzężenie magnetyczne. Przyłączenie jednostronne

jest nieskuteczne w ochronie od zewnętrznych pól elektrycznych w. cz.

3. Przyłączenie obustronne ekranu - skutecznie redukuje zakłócenia

asymetryczne wielkiej częstotliwości. Dla długich kabli może być wtedy

wymagane uziemienie ekranu w miejscach odległych o 1/20 długości fali.

Uziemianie

Uziemianie

1.

Uziemianie jest to punkt lub płaszczyzna ekwipotencjalna,

służąca jako miejsce odniesienia dla obwodu lub urządzenia.

2.

Uziemianie przeprowadza się głównie dla bezpieczeństwa oraz

dla dostarczenia ekwipotencjalnego odniesienia dla sygnałów.

W obu przypadkach następuje minimalizacja zaburzeń.

3.

Uziemianie sygnałów może być:



jednopunktowe (szeregowe lub równoległe), stosowane

głównie dla układów pracujących w zakresie częstotliwości

< 1 MHz.



wielopunktowe, stosowane na ogół dla częstotliwości > 10

MHz.

4.

Uziemianie wykonane niewłaściwie może stać się źródłem

dodatkowych zaburzeń.

Filtry w obwodach zasilania

Filtry w obwodach zasilania

1.

Filtry w obwodach zasilania tłumią sygnały zaburzające w obu
kierunkach. Najczęściej są to filtry dolnoprzepustowe,
wykonywane dla obwodów jedno i trójfazowych.

3.

Filtry są na ogół budowane z kondensatorów i elementów
indukcyjnych (dławików).

4.

Podstawowe parametry filtrów to prąd i napięcie robocze oraz
charakterystyka tłumienności.

Filtry w obwodach sygnałowych

Filtry w obwodach sygnałowych

1.

Zadaniem filtrów w liniach sygnałowych jest tłumienie

zaburzeń przewodzonych o częstotliwościach leżących poza

pasmem użytecznym.

2.

Filtry te mają znacznie mniejsze wartości dopuszczalne

napięć i prądów roboczych niż filtry dla obwodów zasilania.

3.

Budowane są z dławików i kondensatorów oraz ewentualnie

z koralików ferrytowych.

4.

Jednym ze stosowanych praktycznie rozwiązań jest

umieszczanie

elementów filtrujących w kształcie walców lub pastylek w

samych

złączach oraz podstawkach.

Elementy separujące obwody

Elementy separujące obwody

Transformatory i transoptory

Transformatory i transoptory

Transformatory

1.

Stosowane są głównie do separacji w obwodach zasilania urządzeń.

2.

Ograniczają zaburzenia przewodzone o częstotliwościach do kilku

MHz.

3.

Tłumią zaburzenia symetryczne i niesymetryczne w obu kierunkach.

4.

Aby zmniejszyć wpływ pojemności pasożytniczych między

pierwotnym a

wtórnym uzwojeniem stosuje się ekrany elektrostatyczne lub

uziemione

przewodzące płaszczyzny.

Transoptory

1.

Są przyrządami półprzewodnikowymi, zapewniają

optoelektroniczną izolację obwodów elektrycznych.

2.

Umożliwiają pracę przy stosunkowo dużych szybkościach

przełączania układów.

Elementy tłumiące zaburzenia - kondensatory

Elementy tłumiące zaburzenia - kondensatory

1.

Kondensatory przeciwzakłóceniowe stosowane są głównie do

tłumienia sygnałów niepożądanych w obwodach zasilania

stało

i zmienno-prądowych. Wchodzą one w skład filtrów

sieciowych.

Typy kondensatorów:

- X1, X2 (do tłumienia zaburzeń symetrycznych),
- Y1, Y2 (do tłumienia zaburzeń niesymetrycznych).

2.

Istnieją różne typy kondensatorów stosowanych w różnych

warunkach pracy (pasmo tłumionych częstotliwości, poziom i

rodzaj zakłóceń).

3.

Kondensatory mają ograniczony zakres częstotliwości pracy z

powodu rezonansów własnych.

4.

Połączenie równoległe różnych typów kondensatorów

rozszerza zakres częstotliwości tłumionych zaburzeń.

Elementy tłumiące zaburzenia

Elementy tłumiące zaburzenia

Dławiki i koraliki ferrytowe

Dławiki i koraliki ferrytowe

Dławiki

1.

Dławiki stosuje się do tłumienia zaburzeń przewodzonych w liniach

zasilania i sygnałowych.

2.

Parametry dławików: indukcyjność, dobroć, rezystancja dla prądu stałego,

prąd

znamionowy, częstotliwość rezonansu własnego.

3.

Dławiki powietrzne lub z rdzeniami otwartymi są źródłem zaburzeń na skutek

występowania rozproszenia pola magnetycznego, ale także jest to element

wrażliwy na zaburzające pola magnetyczne, gdyż skupia to pole.

Koraliki ferrytowe

1.

Koraliki ferrytowe są to specjalne rodzaje dławików umieszczanych wokół

przewodów. Są one przeznaczone do tłumienia zaburzeń przewodzonych o

częstotliwościach > 1 MHz.

2.

Koraliki ferrytowe stosuje się głównie w układach szerokopasmowych.

Umieszcza się je np. w obwodzie bazy tranzystora w. cz., na przewodach

zasilających wzmacniaczy i generatorów i na długich przewodach między

szybkimi układami cyfrowymi. Przeciwdziałają one zaburzeniom

przenoszonym

drogą przewodzenia oraz wzbudzeniom drgań pasożytniczych.

Elementy tłumiące przepięcia

Elementy tłumiące przepięcia

1.

Służą do zabezpieczania urządzeń i układów elektronicznych

przed sygnałami impulsowymi o dużej amplitudzie i energii.

2.

Instaluje się je najczęściej na wejściu obwodów zasilania oraz

sygnałowych, równolegle do chronionego obwodu.

3.

Typowe elementy do tłumienia przepięć to odgromniki, warystory,

diody półprzewodnikowe i tyrystory.

4.

Parametry elementów tłumiących przepięcia:

• napięcie zadziałania,
• napięcie ograniczenia,
• czas odpowiedzi,
• prąd upływu w warunkach roboczych,
• pojemność pasożytnicza,
• zdolność absorbowania energii,
• sposób uszkadzania się.

Elementy tłumiące przepięcia - odgromniki

Elementy tłumiące przepięcia - odgromniki

1.

Odgromniki są przeznaczone głównie do pracy w obwodach

prądu

przemiennego stanowiąc zabezpieczenia pierwotne.

2.

Odgromnik gazowy składa się z pary elektrod zamkniętych w

hermetycznej obudowie wypełnionej gazem szlachetnym.

3.

W stanie ograniczenia napięcie na odgromniku wynosi około 20V i

jest praktycznie niezależne od wartości przepływającego przez

niego

prądu (10 – 1000 A).

4.

Odgromnik w stanie uszkodzenia stanowi zwarcie.

5.

Zalety odgromników:

- możliwość odprowadzenia bardzo dużych prądów

udarowych (do kilkudziesięciu kA),

- mała pojemność własna (kilka pF),
- symetryczna charakterystyka prądowo-napięciowa,

6.

Wady odgromników:

- długi czas zadziałania (około 1 s),
- stopniowe pogarszanie się parametrów po kolejnym udarze.

Elementy tłumiące przepięcia - warystory

Elementy tłumiące przepięcia - warystory

1.

Warystor jest elementem nieliniowym o impedancji zależnej od wartości

przyłożonego napięcia.

2.

Warystor poddawany przepięciu zmniejsza swoją impedancję od stanu

rozwarcia do stanu dużej przewodności.

3.

Po wystąpieniu przepięcia warystor ogranicza jego amplitudę i przejmuje

część

energii wyładowania, wydzielając ją w postaci ciepła.

4.

Przepływ zbyt dużego prądu przez warystor może spowodować jego

uszkodzenie. Uszkodzony warystor najczęściej stanowi rozwarcie.

5.

Zalety warystorów:

- zdolność pochłaniania bardzo dużych prądów udarowych (kilkanaście kA),
- bardzo duża szybkość działania (kilka ns),
- szeroki zakres napięć roboczych,
- symetryczna charakterystyka prądowo-napięciowa.

6.

Wady warystorów:

- duża pojemność własna (40 – 40000 pF),
- degradacja parametrów wynikająca ze starzenia się i kolejnych udarów,
- stosunkowo duże gabaryty.

Elementy tłumiące przepięcia - diody

Elementy tłumiące przepięcia - diody

1.

Do tłumienia przepięć najczęściej stosuje się diody z efektem

lawinowym (transile). Używa się również diod Zenera.

2.

W wyniku uszkodzenia dioda taka stanowi zwarcie.

3.

Zalety diod:

- bardzo duża szybkość działania (kilkaset ps),
- szeroki zakres napięć roboczych (od kilku do kilkuset V),
- bardzo małe odchyłki amplitudy ograniczonego napięcia,
- bardzo duża niezawodność.

4.

Wady diod:

- duża pojemność własna,
- mała wartość pochłanianej energii (około 1 J),
- na ogół niesymetryczna charakterystyka napięciowo-

prądowa (choć są wykonania dwukierunkowe).

Odsprzęganie zasilania

Odsprzęganie zasilania

Stosuje się w celu niedopuszczenia do sprzężeń zaburzeń w

układach

zasilania prądem stałym. Do realizacji tego celu wykorzystuje

się filtry

RC lub LC.

Przeciwdziałanie skutkom wahań napięcia

Przeciwdziałanie skutkom wahań napięcia

zasilania oraz zapadom, zaników i zmianom tego

zasilania oraz zapadom, zaników i zmianom tego

napięcia

napięcia

1. Stosuje się podtrzymanie zasilania za pomocą:

• zasilaczy bezprzerwowych (UPS),
• baterii i akumulatorów,
• kondensatorów o dużej pojemności w obwodach zasilania

prądu stałego.

2. Stosuje się też układy zapewniające powrót urządzenia do

ostatnio

realizowanej funkcji.

3. Istotną właściwością układów podtrzymujących zasilanie jest

szybkość zadziałania po wystąpieniu zaniku napięcia zasilania.

Przeciwdziałanie wprowadzaniu składowych

Przeciwdziałanie wprowadzaniu składowych

harmonicznych prądu do obwodu zasilania

harmonicznych prądu do obwodu zasilania

Eliminacja harmonicznych prądu zasilania:

1.

Układy pasywne:

- filtry złożone z elementów L, C i R,
- układy linearyzujące odbiornik.

2.

Układy aktywne:

- układy kompensujące harmoniczne prądu,
- układy linearyzujące odbiornik.

Przykłady zastosowań

Przykłady zastosowań

Uniwersalny filtr dla obwodów zasilania sieciowego

Przykłady zastosowań

Przykłady zastosowań

Zabezpieczenie obwodów wejściowych układów scalonych

przed zaburzeniami impulsowymi

Układy analogowe Układy cyfrowe

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

EM

EM

Zalecenia dotyczące wyboru elementów

•

Miniaturyzować pakiety np. stosując elementy w

technice montażu

powierzchniowego.

•

Stosować układy scalone o niskim poborze mocy

oraz posiadających kilka

wyprowadzeń zasilania i masy.

•

Stosować układy scalone o podwyższonej

odporności na zaburzenia EM.

•

Stosować jak najmniejszą liczbę generatorów

sygnałów zegarowych, dobrze

jest zapewnić możliwość wyłączania tego

sygnału, gdy nie jest używany.

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

EM

EM

•

Dołączać kondensatory odsprzęgające do końcówek

zasilania każdego układu scalonego oraz do obwodów

tranzystorów pracujących z dużą szybkością

przełączania (o pojemności od 10 nF do 100 nF).

•

Dołączać do wyprowadzeń cewek przekaźników

elektromechanicznych diod tłumiących przepięcia.

•

Eliminować przepięcia, które mogą wystąpić przy

pomocy warystorów i diod.

•

Ekranować te elementy elektroniczne lub podzespoły,

które mogą emitować zaburzenia lub są na nie

szczególnie podatne.

•

Montować rezonatory kwarcowe możliwie najbliżej

układów, z którymi one współpracują.

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

EM

EM

Zalecenia dotyczące prowadzenia ścieżek

•

Prowadzić ścieżki w najprostszy sposób i

możliwie najkrócej.

•

Nie umieszczać obok siebie ścieżek

przewodzących sygnały o małej amplitudzie oraz

duże prądy lub sygnały o stromych zboczach.

•

Rozmieścić obwody na płytce drukowanej

zależnie od ich rodzaju i częstotliwości pracy.

Rozdzielić ścieżki masy oraz zasilania układów

logicznych, analogowych, mocy, nadawczych i

odbiorczych.

•

Utrzymywać pomiędzy ścieżkami aktywnymi

odległości większe od szerokości ścieżek, aby

wyeliminować przesłuchy.

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

elektronicznych minimalizujące wpływ zaburzeń

EM

EM

•

W zakresie w.cz. stosować wielopunktowe uziemianie

obwodów, a w zakresie m. cz. stosować uziemienia

jednopunktowe typu gwiazdowego.

•

Unikać pętlowych struktur ścieżek, które mogą działać

jak anteny nadawczo odbiorcze w. cz. Ścieżki zasilania

i masy tego samego obwodu, dla minimalizacji pętli,

powinny być prowadzone równolegle.

•

Ograniczyć długość ścieżek masy do 1/20 długości

fali, w celu uniknięcia promieniowania pasożytniczego

i zmniejszenia impedancji.

•

Stosować szerokie i krótkie ścieżki szczególnie dla

połączeń z elementam odsprzęgającymi.

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

Zalecenia dotyczące projektowania pakietów

elektronicznych minimalizujące wpływ

elektronicznych minimalizujące wpływ

zaburzeń EM

zaburzeń EM

Zalecenia dotyczące płaszczyzn uziemiających i zasilających

•

Na pakietach gdzie występują sygnały w. cz. należy

stosować płaszczyzny uziemiające wszędzie tam, gdzie

jest to możliwe.

•

Należy prowadzić oddzielne połączenia uziemiające dla

następujących układów: obudowa, układy cyfrowe,

układy analogowe, bloki dużej mocy, bloki

małosygnałowe, zasilacze impulsowe oraz masy baterii

rezerwowej.

•

Należy stosować obwody drukowane wielowarstwowe,

aby umożliwić umieszczanie ścieżek prowadzących

sygnały zaburzające pomiędzywarstwami zasilania i

masy

.

Ostrzeżenia przed zagrożeniami

Ostrzeżenia przed zagrożeniami

spowodowanymi zaburzeniami

spowodowanymi zaburzeniami

elektromagnetycznymi

elektromagnetycznymi

1.

Ostrzeżenia są niezbędne w przypadkach gdy zagrożeń nie da

się

całkowicie wyeliminować.

2.

Działania podejmowane w celu ostrzeżenia przed zagrożeniami:

 instalowanie barier ochronnych,
 umieszczanie napisów ostrzegawczych na wyrobach,
 umieszczanie ostrzeżeń w instrukcjach obsługi wyrobów.