Politechnika Częstochowska

Wydział Elektryczny

Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej

Temat ćwiczenia: Zakłócenia przewodzone.

Wykonali:

Sebastian Mucha

Zbigniew Babraj

Kierunek: Elektrotechnika

Rok: I, sem: I

Częstochowa 2008 r.

1. Cel ćwiczenia.

Celem naszego ćwiczenia było zapoznanie się z rodzajami zakłóceń przewodzonych generowanych przez urządzenia elektryczne zasilane napięciem sieciowym. Wyznaczenie wartości napięć zakłóceń generowanych przez te urządzenia i porównanie ich z dopuszczalnymi poziomami napięć określonymi w odpowiednich normach.

2. Podstawy teoretyczne.

Podstawowe jednostki stosowane przy określaniu poziomów zakłóceń

Przy pomiarach z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej najczęściej stosuje się miary wyrażone w jednostkach logarytmicznych. Możliwe jest wówczas porównywanie mierzonych wielkości z ich wartościami mierzonymi w innych punktach obwodów pomiarowych bądź porównanie ich z wartością napięcia odniesienia np. 1 μV.

Ogólnie definiuje się miarę logarytmiczną wyrażoną w decybelach tj. o podstawie logarytmu dziesiętnego następująco:

N[dB]=20log(N/1)

Na wykresie poniżej przedstawiono oś liczb naturalnych n oraz odpowiadające im liczby podane w decybelach [dB].

W odniesieniu do napięć otrzymuje się wyrażenie:

U[dBUodn]=20log(U/Uodn)

Jeżeli napięcie odniesienia Uodn przyjmie się 1µV to wartość U wyrazi się w [dBµV], np. jeżeli chcemy wyrazić napięcie 1 V w mierze logarytmicznej to napięciu 1 V odpowiada 120 dBµV. Wartość dodatnia wyrażona w decybelach odpowiada wzmocnieniu a wartość ujemna tłumieniu.

Rodzaje zakłóceń występujących w obwodach zasilania

Większość stosowanych urządzeń elektronicznych jak i elektrycznych zasilana jest napięciem sieciowym. Wiele z nich zawiera liczne obwody i układy mogące stanowić źródło zakłóceń dla urządzeń i systemów elektronicznych. W zakresie wielkich częstotliwości (zwykle powyżej 30 MHz) zakłócenia przenoszone są przez promieniowanie pola elektromagnetycznego, które przenikając do obwodów elektrycznych w aparaturze elektronicznej indukuje w nich sygnały zakłócające. W zakresie mniejszych częstotliwości zakłócenia indukowane są przez różnego typu sprzężenia: konduktancyjne, indukcyjne lub pojemnościowe. Do aparatury elektronicznej zakłócenia te przedostają się na drodze przewodzenia przez linie zasilania bądź linie sygnałowe.

Źródła zakłóceń można przedstawić w postaci równoważnej siły elektromotorycznej E_z wraz z odpowiednią impedancją Z_z. Jeżeli zakłócenia przenoszą się drogą przewodzenia, to prądy zakłócające wysokiej częstotliwości płyną w przewodach linii zasilania jak i w liniach sygnałowych. Na rysunku rys.1. przedstawiony został schematycznie sposób propagacji zakłóceń przewodzonych. Napięcie U₁ pomiędzy przewodami (fazowym L i neutralnym N) linii nazywane jest napięciem zakłóceń symetrycznych . Napięcia U₂ i U₃ występujące pomiędzy przewodami (fazowym L i neutralnym N) linii a masą (wspólnym potencjałem odniesienia) definiowane są jako napięcia zakłóceń asymetrycznych. Pojemności C_p (pomiędzy obudowami metalowymi a przewodami linii) określane są jako pojemności pasożytnicze przez które przenoszą się generowane zakłócenia.

Symetryczne zakłócenia elektromagnetyczne wnikają bardzo słabo poprzez obwody linii zasilania. Jeżeli przewody zasilające leżą blisko siebie i są odsunięte od przewodów zakłócających na odpowiednią odległość to w większości przypadków można zaniedbać zakłócenia wnikające symetrycznie albo w łatwy sposób wyeliminować ich negatywne oddziaływanie poprzez prawidłowe okablowanie.

Zakłócenia asymetryczne sieciowe stanowią największy problem związany z eliminowanie wpływu sygnałów zakłócających pracę urządzeń elektronicznych.

Zakłócające sygnały asymetryczne

Asymetryczne sygnały zakłóceniowe w liniach zasilania dzieli się na dwa rodzaje:

1. Sygnały różnicowe zwane też podłużnymi (ang.- Differential Mode)

2. Sygnały wspólne inaczej zwane poprzecznymi (ang.- Common Mode)

Sygnały różnicowe zamykają się w tych samych obwodach w których przenoszone są sygnały robocze, dlatego oddziaływają one bezpośrednio zniekształcając sygnały mające wpływ na poprawną pracę urządzeń.

Sygnały wspólne są to sygnały zakłócające zamykające się przez odpowiednie przewody zasilające, sterujące bądź cyfrowe tory powrotne tych prądów zamykają się przez wspólną masę.

Na rysunku rys.2 pokazano występowanie zakłóceń asymetrycznych różnicowych i wspólnych. Typowym przykładem zaburzeń o charakterze przewodzonym są zakłócenia radioelektryczne obserwowane w domowych instalacjach elektroenergetycznych. Podłączone do nich urządzenia np. sprzęt AGD z silnikami komutatorowymi, bądź półprzewodnikowe regulatory oświetlenia lub urządzenia zawierające zasilacze impulsowe powodują zakłócenia w pracy innych urządzeń zasilanych z tej samej sieci.

Dla zapewnienia warunków kompatybilności elektromagnetycznej (nie zakłóconej pracy wszystkich urządzeń zasilanych z tej samej sieci) wprowadzono następujące rodzaje poziomów zakłóceń:

N- poziom normalny, obowiązujący na terenach zamieszkałych,

O- poziom obniżony, obowiązujący w przypadkach szczególnych,

W- poziom wysoki, obowiązujący w przypadkach gdy możliwe jest dopuszczenie poziomu wyższego od normalnego.

S1 i S2 - poziomy specjalne, stosowane w uzgodnieniu między producentem a użytkownikiem urządzeń stanowiących źródła zakłóceń.

Obecnie w większości krajów świata stosuje się zalecenia sformułowane w Publikacji 22

Komisji CISPR (Międzynarodowa komisja ds. zakłóceń radiowo-telewizyjnych)dotyczącej urządzeń informatycznych jak i systemów cyfrowych.

Rys.3. Dopuszczalne poziomy zakłóceń przewodzonych wg CISPR 22 dla urządzeń klasy A

Na rysunku rys.3 pokazane zostały dopuszczalne poziomy zakłóceń przewodzonych dla urządzeń tzw. klasy A tj. urządzeń przeznaczonych do pracy w handlu, przemyśle zarządzaniu itp.

Skróty QP i AV odnoszą się do odpowiednich detektorów pomiarowych:

QP -detektor quasi- szczytowy (ang. quasi peak detector)

AV -detektor wartości średniej (ang. average detector)

Zastosowanie detektora quasi-szczytowego pozwala znacznie skrócić cykle pomiarowe.

Klasa B obejmuje głównie urządzenia dla potrzeb domowych jak np. komputery personalne i inny sprzęt AGD. Wymagania dla urządzeń zaliczonych do klasy B są ostrzejsze niż dla klasy A.

Rys.4. Dopuszczalne poziomy zakłóceń przewodzonych wg CISPR 22 dla urządzeń klasy B

Zakłócenia przewodzone w liniach zasilania prądu przemiennego zwykle generowane są przez odbiorniki włączone do sieci. Dla prawidłowego pomiaru zakłóceń stosuje się tzw. „Sieć sztuczną” zwaną również liniowym stabilizatorem impedancji sieciowej), która współpracuje z analizatorem widma. Sieć sztuczna jest w zasadzie filtrem sieciowym. Przez filtr dolnoprzepustowy badane urządzenie dołączane jest do sieci zasilającej, co gwarantuje utrzymywanie stałych parametrów impedancji sieciowej. Dla badania zakłóceń sieć sztuczna zawiera filtr górno-przepustowy umożliwiający pomiar zakłóceń analizatorem widma w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz.

W ćwiczeniu stosowana jest sieć sztuczna typu HM6050-2 firmy Hameg do pomiaru zakłóceń przewodzonych asymetrycznych. Jest to sieć typu V umożliwiająca pomiar zakłóceń asymetrycznych za pomocą analizatora widma z wykorzystaniem gniazda wyjściowego sieci sztucznej o impedancji 50 Ω.

Przełącznikiem L1/N należy wybrać w którym przewodzie sieciowym L1 czy N chcemy badać różnicowe zakłócenia asymetryczne.

Do pomiaru poziomu zakłóceń służy analizator widma współpracujący z programem komputerowym służącym do obsługi cyklu pomiarowego i przenoszenia wyników w postaci wykresu z ekranu analizatora na ekran komputera.

Przygotowanie analizatora polega na uruchomieniu odpowiedniej procedury sprawdzającej pracę analizatora. Istnieje możliwość zaprogramowania na ekranie dopuszczalnych poziomów zakłóceń w celu prowadzenia testów sprawdzających przekraczanie przez badanie odbiorniki dopuszczalnych poziomów zakłóceń.

3. Charakterystyki.

Wykr. 1. Test analizatora- stan początkowy. Częstotliwość od 50 MHz do 20 MHz

Wykr. 2. Żarówka Philips 60W. Częstotliwość od 150 kHz do 30 MHz.

Wykr. 3. Świetlówka Electronic 17W 150 mA, Częstotliwość od 10 kHz do 50 kHz

Wykr. 4. . Zapalarka do gazu ZGE-3 25W, Częstotliwość od 10 kHz do 50 kHz

Wykr. 5. . Suszarka do włosów Clatronic HT-VD2209, 230 V ~ 50 Hz, 1400W

Częstotliwość od 10 kHz do 50 kHz

Wykr. 6. Świetlówka Electronic 17W 150 mA, Częstotliwość od 10 kHz do 410

Wykr. 7. Suszarka do włosów Clatronic HT-VD2209, 230 V ~ 50 Hz, 1400W

Częstotliwość od 10 kHz do 410 kHz

Wykr. 8. Zapalarka do gazu ZGE-3 25W, Częstotliwość od 10 kHz do 410 kHz

4. Wnioski.

Większość stosowanych urządzeń elektronicznych jak i elektrycznych zasilana jest napięciem sieciowym. Wiele z nich zawiera liczne obwody i układy mogące stanowić źródło zakłóceń dla urządzeń i systemów elektronicznych. W zakresie wielkich częstotliwości (zwykle powyżej 30 MHz) zakłócenia przenoszone są przez promieniowanie pola elektromagnetycznego, które przenikając do obwodów elektrycznych w aparaturze elektronicznej indukuje w nich sygnały zakłócające. W zakresie mniejszych częstotliwości zakłócenia indukowane są przez różnego typu sprzężenia: konduktancyjne, indukcyjne lub pojemnościowe. Do aparatury elektronicznej zakłócenia te przedostają się na drodze przewodzenia przez linie zasilania bądź linie sygnałowe.

Zakłócenia przewodzone w liniach zasilania prądu przemiennego zwykle generowane są przez odbiorniki włączone do sieci. Dla prawidłowego pomiaru zakłóceń stosuje się tzw. „Sieć sztuczną” zwaną również liniowym stabilizatorem impedancji sieciowe)j, która współpracuje z analizatorem widma.

W ćwiczeniu stosowana jest sieć sztuczna typu HM6050-2 firmy Hameg do pomiaru zakłóceń przewodzonych asymetrycznych. Jest to sieć typu V umożliwiająca pomiar zakłóceń asymetrycznych za pomocą analizatora widma poprzez odpowiednie wyjście o impedancji 50Ω.

Zaburzenia elektromagnetyczne stają się dokuczliwe wówczas, gdy w obszarze ich oddziaływania znajdują się czułe na ich obecność odbiorniki, czyli inne systemy i urządzenia, których poprawna praca może być w efekcie zakłócona. Zaburzenia te są zjawiskami fizycznymi i mogą być wartościowane poprzez pomiar odpowiednich wielkości elektrycznych, takich jak prąd, napięcie, moc sygnału lub natężenie pola magnetycznego lub elektrycznego.

Wykresy badanej żarówki oraz świetlówki mieścił się w granicach norm wartości średnich wg CISPR 22 dla urządzeń klasy B. Wykres zapalarki do gazu w wyższych częstotliwościach przekraczał nawet wartości szczytowe. Natomiast charakterystyka suszarki do włosów mieścił się w granicach wartości szczytowych, ale przekraczał wartości średnie. Znaczny wpływ na nasze pomiary miały wykonywane w bliskim sąsiedztwie ćwiczenia m. In „Dopasowania antenowego”.

10

AV

QP

[µV]

1995

1000

631

316

199,5

0,15 0,5 5 30

f[MHz]

U_z

[dBµV]

66

60

56

50

46

AV

[µV]

8912,5

4467

1995

1000

0,15 0,5 5 30

f[MHz]

QP

U_z

[dBµV]

79

73

66

60

Rys.1. Schemat zastępczy przenoszenia się zakłóceń w liniach zasilających

U₃

U₂

U₁

C_p

C_p

C_p

C_p

~

Z_l

Z_z

E_z

---