1. Czego dotyczy i co zawiera dyrektywa kompatybilnościowa 2004/108

Cele dyrektywy:

1. wykreowanie akceptowalnego środowiska elektromagnetycznego

2. zapewnienie swobodnego obrotu urządzeniami w ramach Unii Europejskiej

Drogi osiągnięcia:

1. ograniczenie emisji zakłóceń i wystarczająca odporność elektromagnetyczna.

2. Wprowadzenie oznaczenia zgodności europejskiej CE

Dyrektywa zawiera:

1. definicję urządzenia elektrycznego

2. definicję kompatybilności elektromagnetycznej

3. spis instytucji zajmujących się oceną zgodności

• urząd kompetentny

• instytucja notyfikowana

• instytucja kompetentna

4. zasadę domniemania i postanowienia ochronne

2. Jakie różnice występują między postanowieniami dyrektywy 2004/108 a „starej” dyrektywy 336/89?

3. O czym świadczy znak CE? Jakiego rodzaju normy istnieją w EMC i które mają pierwszeństwo?

Znak CE umieszczony na urządzeniu świadczy o zgodności z normami istniejącymi w EMC, a na podstawie dyrektywy 89/336 istnieje zasada domniemania, że urządzenie jest kompatybilne. Musi być odporne na zakłócenia i nie może zakłócać się samo i innych.

4. Co nazywamy wrażliwością elektromagnetyczną a co odpornością elektromagnetyczną? Wyjaśnić różnice na podstawie konkretnego urządzenia

Wrażliwość elektromagnetyczna (SEM) oznacza brak odporności

P_odp= 2% , 3% , 5%

Odporność elektromagnetyczna jest to zdolność urządzenia, systemu lub instalacji do działania w obecności zaburzeń (zakłóceń) elektromagnetycznych, bez niedopuszczalnych odchyleń charakterystyk roboczych.

Jest wyznaczana podczas badań odpornościowych.

5. Omówić sposób wyznaczania odporności elektromagnetycznej.

Jest wyznaczana podczas badań odpornościowych.

6. Co to jest „poziom kompatybilności elektromagnetycznej”? Podać definicje zapasu kompatybilności i zapasu odporności.

Poziom kompatybilności elektromagnetycznej jest to największy poziom zakłóceń danego rodzaju, który zgodnie z oczekiwaniami może działać na urządzenie lub system pracujący poprawnie w danych warunkach.

7. Z czego wynika konieczność zachowania zapasu kompatybilności- jakiego rzędu są wartości tego zapasu (marginesu) ? Kiedy zapas ten odgrywa zasadniczą rolę?

Konieczność zachowania zapasu kompatybilnościowego wynika z:

1. możliwości jednoczesnego wystąpienia zakłóceń

2. sposobu określenia odporności i emisyjności

Jest przyjmowany w granicach od 6 do 20 dB.

Z_k=20dB - odpowiada to dziesięciokrotnemu zapasowi (marginesowi) i jest wymagany w przypadku gdy skutki zakłócenia zagrażają życiu.

8. Czy urządzenie będzie pracowało kompatybilne jeżeli przy wymaganym zapasie kompatybilności 10dB, jego odporność wynosi 35dB a poziom emisji zakłóceń wynosi 18dB?

Z_k=I-E gdzie Z_k-zapas kompatybilności I-odporność E-emisyjność

35-18=Zk=23dB nie będzie pracowało kompatybilnie

9. Co należy zrobić aby urządzenie o odporności 20dB pracowało kompatybilnie przy poziomie emisji zakłóceń 8dB i wymaganym zapasie kompatybilności 10dB? Wyjaśnić istotę zagadnienia.

Aby urządzenie o odporności 20 dB pracowało kompatybilnie przy poziomie emisji zakłóceń 8 dB i wymaganym zapasie kompatybilności 10 dB muszą być spełnione warunki:

Z_K = I - E =20dB-8dB=12dB≠10dB

Aby zapewnić kompatybilność można:

• zmniejszyć E

• zwiększyć I

zwiększyć C

10. Podać możliwości i ograniczenia redukcji emisji zakłóceń. Podać możliwości i ograniczenia zmniejszenia sprzężeń pomiędzy źródłem i ofiarą zakłóceń.

Zmniejszenia emisyjności urządzeń E (jest to działanie najprostsze i najtańsze jednak nie jest możliwe wyeliminowanie wszystkich zakłóceń)

1. separacja geometryczna (odpowiednie rozmieszczenie urządzeń)

2. separacja elektromagnetyczna (ekrany) - rodzaj ekranu i jego skuteczność zależy od rodzaju sprzężenia przez pole EM, magnetyczne, elektryczne

Nie można uzyskać idealnego odseparowania!

11. Co to jest impedancja falowa i jakie ma wartości w próżni, w polu dalekim. Wyjaśnić pojęcia: pole bliskie i pole dalekie

Pole bliskie jest to pole, które znajduje się w odległości mniejszej od λ/2π od dipola wytwarzającego to pole, czyli granice jego znajdują się w niewielkiej odległości od dipola w porównaniu z długością fali. W obszarze pola bliskiego nie występują zjawiska falowe a natężenie pola elektrycznego jest opóźnione w fazie o π/2 względem pola magnetycznego.

Pole dalekie jest to pole znajdujące się w odległości większej od λ/2π od dipola wytwarzającego to pole, jest to więc pole znajdujące się w dużej odległości od dipola w porównaniu z długością fali (przy dużych częstotliwościach pole dalekie zaczyna się już w odległości od dipola rzędu metrów). W polu dalekim występują zjawiska falowe i połowa energii zgromadzona jest w polu elektrycznym, a druga w polu magnetycznym (występuje sprzężenie fala płaska).

12. Wyjaśnić pojęcie elektromagnetycznego pola wysoko- i niskoimpedancyjnego.

Pole elektryczne jest polem wysokoimpedancyjnym.

Z_E >> Z_m

r - odległość między źródłem pola a ekranem

Wnioski:

• ekranowanie wysokoimpedancyjnych pól elektrycznych jest stosunkowo proste i przy użyciu nawet cienkich ekranów można osiągnąć duże wartości współczynników tłumienia

• wzrost częstotliwości oraz wzrost odległości między źródłem i ekranem pogarsza tłumienie i zmniejsza skuteczność ekranowania.

Pole magnetyczne jest polem niskoimpedancyjnym.

Wnioski:

• ekranowanie magnetycznych pól bliskich, zwłaszcza przy niskich częstotliwościach, jest bardzo trudne i skuteczne rozwiązanie prowadzi zawsze do masywnych konstrukcji ekranów

• wzrost częstotliwości oraz wzrost odległości poprawia skuteczność ekranowania

13. Kiedy powstaje pole magnetyczne, a kiedy pole elektryczne? Czy te same źródła mogą wytwarzać falę elektromagnetyczną?

Pole magnetyczne jest związane z ruchem ładunków elektrycznych a w szczególności z przepływem prądu elektrycznego przez przewód.

Pole elektryczne powstaje w przestrzeni dokoła ładunków elektrycznych nieruchomych i niezmiennych w czasie

14. Wyrazić w dBμV napięcie 1mV. Wyrazić w V/m, natężenie pola elektrycznego o 140 dBmV/m.

a[V/m]=20log[ (a*10^-3 [m V/m]) / (1[m V/m]) ]=20log(a*10^-3)=20*a*(-3) [dBm V/m}, czyli jeśli natężenie pola wynosi 140dBm V/m zatem: 120=20*a*(-3)⇒ a=120/(-3*20)= -2 V/m

15. Natężenie I = 40 dBμA, napięcie U= 60 dBmV. Obliczyć moc w dBμW.

Pomnożyć obydwie wartości z zachowaniem odpowiednich jednostek.

16. Wyjaśnić pojęcia: „zakłócające sygnały wspólne” oraz „zakłócające sygnały różnicowe”.

Zakłócające sygnały wspólne są to sygnały wnoszone przez pole H(B) i/lub E

Obwody sygnałów wspólnych są zawsze zamknięte.

Największe znaczenie mają przy wysokich częstotliwościach

Pojęcie zakłócających sygnałów różnicowych dotyczy emisji pół wywołanych przez sygnały różnicowe, płynące w przewodach i zakłócających urządzenia zewnętrzne. Rodzaj emisji dotyczy pola magnetycznego i elektrycznego. Sygnały zakłucające różnicowe maja największe znaczenie przy niskich częstotliwościach. Zamykają się zawsze w obwodach roboczych.

17. Napisać prawa Maxwella w postaci całkowej. Kiedy prawa Kirchhoff'a mogą okazać się zawodne?

18. Co nazywamy prądem przesunięcia i kiedy w EMC ma on znaczenie praktyczne?

Fizycznie można interpretować ten prąd w taki sposób, że jest on przedłużeniem przepływu prądu w obszarze będącym izolatorem, gdzie nie ma przepływu prądu przewodzenia. Prąd przesunięcia przybiera znaczne wartości przy bardzo szybkich zmianach czasowych pola elektromagnetycznego, czyli przy bardzo dużych częstotliwościach. Na podstawie I równania Maxwell'a można wnioskować, że prąd przesunięcia ma takie samo działanie elektromagnetyczne, jak prąd przewodzenia.

19. W jednym z dwu przewodów prąd zakłócający ma wartość 15mA, w drugim 30mA. Obliczyć prąd wspólny i różnicowy. Jaką wartość ma prąd płynący przez masę , jeżeli prąd wspólny w każdym z dwóch przewodów ma wartość 15mA, a prąd różnicowy 2mA?

- prąd wspólny

- prąd różnicowy

Przy i_C=15mA, i_D=2mA otrzymujemy i ₁=2+15=17mA, i₂=2-15=-13mA zatem i_M=17-(-13)=30mA.

20. Narysować schemat umożliwiający pomiar prądu zakłócającego wspólnego i pomiar prądu zakłócającego, różnicowego.

21. Opisać pętlę wrażliwą dla sygnałów wspólnych i dla sygnałów różnicowych. Na czym polega konwersja sygnałów wspólnych?

Pętla wrażliwa dla sygnałów wspólnych i różnicowych w znacznym stopniu się różni co jest spowodowane tym, że dla sygnałów różnicowych jest to pole między przewodami roboczymi natomiast dla sygnałów wspólnych między przewodem roboczym a masą (ziemia lub przewód PE)

Konwersja (łac. conversio -odwrócenie) sygnałów wspólnych polega na tym, że „nie odrzucone” sygnały wspólne przekształcają się na sygnały różnicowe. W przypadku „odrzucenia” wszystkich sygnałów wspólnych konwersja nie zachodzi.

22. Od jakich cech obwodu zależy współczynnik ”odrzucenia sygnałów wspólnych”? Co nazywamy dławikiem sygnałów wspólnych?

gdzie:
- współczynnik „odrzucenia sygnałów wspólnych”

U_c - spadek napięcia pozostający na oczku (dla tych częstotliwości nie obowiązuje już II prawo Kirchhoffa)

Współczynnik „odrzucenia sygnałów wspólnych”
zależy od spadku napięcia U_c opisanego wzorem:

Spadek napięcia U_c pozostaje na oczku od prądów wspólnych mimo, że przyjmuje się, że są one odfiltrowane lub na skutek niesymetrii obwodu (R₁≠R₂ ; L₁≠L₂).

23. Podać zasadę działania dławika sygnałów wspólnych. Podać wartości indukcyjności zewnętrznej przewodu prostoliniowego.

Dławik sygnałów wspólnych jest to cewka o dwóch uzwojeniach nawiniętych w przeciwnym kierunku. Jej zadaniem jest tłumić sygnały wspólne bez wpływu na sygnały robocze i różnicowe. Najprostszy dławik sygnałów wspólnych jest to pierścień z ferrytu (o bardzo dużej indukcyjności) nałożony na dwa przewody. Nazywany jest on koralikiem lub perełką ferrytową.

24. Narysować schemat oraz charakterystykę częstotliwościową rezystora, dla sygnałów w.cz.

Rodzaje rezystorów: węglowe, drutowe, warstwowe.

Rezonans występuje dla częstotliwości f₂

Dl f<f₁ mamy do czynienia z czystą rezystancją. Dla f₁<f<f₂ jest przewaga efektu pojemnościowego, a dla f>f₂ - przewaga efektu indukcyjnego.

Cele:

• dążenie do zwiększenia f₁ - dla dużych wartości R łączenie szeregowe mniejszych rezystancji (zmniejszanie wypadkowej pojemności)

• dążenie do zwiększenia f₂ - dla małych wartości R łączenie równoległe większych rezystancji (zmniejsza się indukcyjność L)

25. Podać charakterystykę częstotliwościową indukcyjności oraz schemat zastępczy dla sygnałów w.cz. Podać środki, które mogą zwiększyć częstotliwości rezonansowe dla indukcyjności.

Rezonans przy

Dla f<f₁ - czysta indukcyjność, dla f₁<f<f₂ jest przewaga efektu indukcyjnego, dla f>f₂ - przewaga efektu pojemnościowego.

Aby częstotliwość rezonansową zwiększyć można jak widać ze wzoru:

• zmniejszyć
  poprzez podział uzwojenia cewki na sekcje ( im więcej sekcji tym C mniejsza). Przy 4 sekcjach f. rez. wzrasta 100 razy

• zmniejszenie indukcyjności cewki- co mija się z celem potrzebna jest odpowiednia wartość L

26. Narysować schemat zastępczy kondensatora dla sygnałów w.cz. Podać sposoby zwiększania częstotliwości rezonansowej kondensatorów.

27. Jakie, co najmniej, wartości częstotliwości rezonansowej powinny mieć wszystkie elementy stosowane w filtrach kompatybilnościowych - dlaczego?

Ze względu na zakres zakłóceń przewodzonych częstotliwość rezonansowa musi być co najmniej 30 MHz.

1. Jakie parametry wyładowania piorunowego decydują o zagrożeniu aparatury? Odpowiedź uzasadnić.

Większość wyładowań charakteryzuje się :

-wyładowanie wielokrotne chmura ziemia

- długość kanału 4km, -5 impulsów

-całkowity ładunek 25C

-max szybkość narastania 40kA/µs

O zagrożeniu aparatury decyduje

-amplituda pierwszego wyładowania (prawdopodobieństwo przekroczenia wartości max wyładowania)

-max szybkość narastania drugiego wyładowania (prawdopodobieństwo przekroczenia szybkości narastania prądu).

2. Wymienić trzy najważniejsze mechanizmy powodujące zagrożenie aparatury przez wyładowania atmosferyczne.

Wzrost potencjału ziemi dookoła miejsca bezpośredniego uderzenia pioruna

Wzrost potencjału wzdłuż struktur pionowych

Promieniowanie elektromagnetyczne prądu wyładowania

3. Dla jakich elementów i jakiego rodzaju zagrożenie stwarzają wyładowania ESD? Odpowiedź wyjaśnić.

Ponieważ wyładowania ESD mają charakter impulsu prądowego mogą stanowić zagrożenia dla:

złącza p-n

przepięcia - przebicie dielektryka w tranzystorach MOS

wielokrotne wyładowanie ma charakter postępujący, degradacja elementów

przekłamania układów logicznych

zawieszanie się programów urządzeń sterujących

4. Jakie środki należy przedsiębrać w celu ograniczenia negatywnych skutków wyładowań ESD? Omówić działanie tych środków.

ograniczniki przepięć (do 4kV-niewielka degradacja , powyżej 8kV-uszkodzenia)

przewody ekranowane ,

niskoimpedancyjne , dla dużych częstotliwości połączenia z masą (do 30MHz)

5. Wyjaśnić na przykładzie sprzężenie przez wspólną impedancję. Kiedy może występować ? Narysować schemat .

Najczęstszym i najbardziej skomplikowanym przypadkiem sprzężenia przez wspólną impedancję jest sprzężenie przez wspólną impedancję masy. Dzieje się tak, ponieważ przewód masy ma skończoną impedancję, a przyjmując koncepcje, aby wszystkie impedancje kierować do masy, staje się to powodem tego, że zakłócenia w jakimkolwiek obwodzie powodują występowanie zakłóceń w innych obwodach, też połączonych z masą.

6. Jakie najważniejsze warunki musi spełniać instalacja masy, aby zredukować sprzężenie przez wspólną masę? Od czego zależy zakres częstotliwości dla której instalacja masy działa odkłócająco?

Idealnym warunkiem na wyeliminowanie tego sprzężenia byłoby, aby Z_m=0; wtedy nie byłoby oddziaływania jednego obwodu na inne. Spełnienie tego warunku jest niemożliwe, jedynie dąży się do tego, aby przewód masy był bezimpedancyjny zapewniając w ten sposób ekwipotencjalność masy (potencjały w każdym miejscu są sobie równe). Uzyskuje się to nie poprzez sterowanie przekrojem przewodu lecz jego długością.

7. Na czym polega diafonia pojemnościowa? Podać sposoby redukcji diafonii pojemnościowej sygnałów różnicowych. Kiedy diafonia pojemnościowa jest szczególnie groźna.

8. Jakie zjawiska i właściwości sygnałów zaburzających są wykorzystywane przy filtrowaniu EMC? Podać przykłady.

1. niedopasowanie impedancyjne (L,C) - odbija energię zakłóceń (kieruje zakłócenia do masy)

2. absorpcja (R) - niszczy energię zakłóceń poprzez zamianę na ciepło

9. Rolę jakich filtrów może spełniać kondensator? Podać przykłady zastosowania kondensatorów w przypadku sygnałów różnicowych i wspólnych?

10. Na czym polega cecha dwukierunkowości filtrów EMC, a na czym cecha nieodwracalności filtrów?

Filtry pasywne liniowe są dwukierunkowe, co oznacza, że przy zachowaniu stałych impedancji przed i za filtrem współczynnik skuteczności filtrowania jest taki sam przy zasilaniu od strony wejścia jak i wyjścia.

Nieodwracalność filtrów EMC - pomyłkowe połączenie filtrów jest realnym zagrożeniem i najczęściej producenci rozróżniają obie strony, np. przy filtrach układów zasilających zawsze oznaczone są zaciski, które należy połączyć z zasilaniem (siecią).

11. Jak definiowana jest skuteczność filtrowania filtrów EMC? Dlaczego w ten sposób?

Zdolność filtrowania filtrów jest to stosunek za filtrem do napięcia w tym samym punkcie bez filtru.

U₂ - napięcie za filtrem

U₁ - napięcia w tym samym punkcie bez filtru

Zależy od:

1. impedancji obwodu

Z<10Ω - skuteczność filtrowania dobra dla małych impedancji

Z>10 Ω - skuteczność filtrowania dobra dla dużych impedancji

2. bardzo zależy od właściwej konfiguracji obwodu

12. W jakim przypadku filtr EMC może być traktowany jako element odwracalny? Jakie są najważniejsze zasady montażu filtrów EMC?

Filtr EMC jest traktowany jako element odwracalny, gdy impedancja na wyjściu i na wejściu będzie taka sama.

13. Podać przykłady (schematy) dolnoprzepustowych filtrów sygnałów zakłócających, wspólnych i różnicowych.

Najczęściej w EMC są stosowane filtry dolnoprzepustowe. Najczęściej są to filtry LC typu T i Π.

Filtr typu „pi” jest stosowana gdy impedancja obwodu wejściowego jest niska, a filtry typu „T” - impedancja obwodu wejściowego jest znaczna.

14. Jaką rolę spełniają ekrany w EMC? Podać definicję skuteczności ekranowania.

separacja od pól zewnętrznych

niedopuszczenie do emisji pól wytwarzanych

część instalacji masy

W praktyce skuteczność ekranowania jest oceniana jako stosunek napięcia zakłócającego jakie występuje w danym miejscu obwodu bez stosowania filtra do wartości tego napięcia po wprowadzeniu filtra.

Wartości współczynników są większe od zera i czym mają większą wartość tym ekranowanie jest skuteczniejsza. Wartości współczynników ekranowania od 40dB do 160dB.

15. Wyjaśnić rolę i wpływ na skuteczność ekranowania, zjawiska odbicia. Kiedy jest ono decydujące?

W ekranach mamy do czynienia z odbiciami w dwóch miejscach. Odbicia powstają na skutek różnicy impedancji falowej. Pierwsze odbicie powstaje na granicy powietrze-przewodnik(ekran) (1), a drugie na granicy przewodnik-powietrze (2).

16. Wyjaśnić rolę jaką przy ekranowaniu odgrywa zjawisko absorpcji. Kiedy jest ono decydujące?

Absorpcja - tłumienie pola w wyniku wydzielania się ciepła w ekranie. Materiał absorbuje część energii pola, indukują się prądy wirowe, które wytracają się w postaci ciepła. Do absorpcji musi być materiał przewodzący.

17. Opisać ekranowanie pól bliskich. Czy odległość ekranu od źródła ma wpływ na skuteczność ekranowania?

Ekranowanie magnetycznych pól bliskich, zwłaszcza przy niskich częstotliwościach, jest bardzo trudne i skuteczne rozwiązanie prowadzi zawsze do masywnych konstrukcji ekranów wykonanych z materiałów ferromagnetycznych.

Wzrost częstotliwości i odległości pomiędzy ekranem a źródłem powoduje wzrost skuteczności ekranowania.

18. Jaką rolę odgrywają otwory w ekranach w przypadku pól bliskich, a jaką w przypadku pól dalekich? Wyjaśnić

Otwory występują z przyczyn praktycznych prawie zawsze:

• technologia ekranów

• konieczność „komunikowania” się z aparaturą znajdującą się wewnątrz objętości zaekranowanej

• otwór w ekranie o określonych wymiarach może tłumić pole elektromagnetyczne do pewnej wartości częstotliwości

• powyżej tej częstotliwości pole przenika bez znacznego tłumienia na drugą stronę ekranu, degradując skuteczność ekranowania

Innymi słowy, czym mniejsze będą otwory w ekranie, tym do większych wartości częstotliwości ekran zachowa duże współczynniki tłumienia.

19. Czy obudowa wykonana z tworzywa sztucznego może spełniać rolę ekranu? Wyjaśnić.

Może być zastosowana ale będzie działać jedynie na zasadzie odbicia -niedopasowania impedancyjnego. Nie będzie zachodziło zjawisko absorpcji ponieważ nie zaindukują się prądy wirowe.

20. Narysować schemat blokowy pomiarów zakłóceń przewodzonych. Wyjaśnić rolę poszczególnych elementów.

21. Wymienić rodzaje testów stosowanych przy badaniach odporności. Co określają poziomy ostrości badań?

Wrażliwość elektromagnetyczną wyznacza się z krzywej wrażliwości w badaniach odporności.

Im wyższy poziom ostrości badań przy niezakłóconej pracy urządzenia tym większa jest odporność urządzenia w jego wpływ na zakłócenia elektromagnetyczne.

22. Narysować schemat blokowy pomiarów zakłóceń promieniowanych. Wyjaśnić rolę pomieszczenia badawczego.

• pokoje bezodbiciowe, komory TEM, GTEM, plener

• anteny

• analizatory widma

• skalowanie przestrzeni pomiarowej

23. Co to jest i do czego służy sieć sztuczna (LISN)? Narysować schemat blokowy LISN.

Sieć separująca urządzenie badane od sieci zewnętrznej służąca do celów badawczych. Ma zapobiegać przedostawaniu się zakłóceń z sieci zewnętrznej do urządzenia oraz odwrotnie. Zakłócenia generowane muszą trafiać do przyrządów pomiarowych a nie przedostawać się na zewnątrz.

---