Temat ćwiczenia - Politechnika Białostocka
Transkrypt
Temat ćwiczenia - Politechnika Białostocka
Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: SPRZĘśENIA POMIĘDZY UKŁADAMI PRZEWODÓW Ćwiczenie nr 1. Laboratorium z przedmiotu: Kompatybilność elektromagnetyczna 2 Kod: TZ2C200034 Opracowali: Dr inŜ. Renata Markowska Dr inŜ. Leszek Augustyniak Prof. dr hab. inŜ. Andrzej Sowa Białystok 2013 SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 2 1. WSTEP Jedną z dróg propagacji i sprzęgania się zakłóceń stanowią wszelkie linie zasilające i sygnałowe umoŜliwiające przenoszenie się energii zakłóceń do zakłócanego urządzenia bądź systemu wraz z sygnałami uŜytecznymi. WyróŜnić moŜna trzy podstawowe rodzaje sprzęŜenia zakłóceń. JeŜeli źródło zakłóceń i obiekt zakłócany są połączone bezpośrednio przewodami, np. przyłączone do tej samej sieci zasilającej lub linii transmisji sygnałów, wówczas zachodzi sprzęŜenie galwaniczne. Natomiast, jeśli w sąsiedztwie przewodów dochodzących do danego obiektu biegną inne przewody, w których rozchodzące się sygnały są zakłócającymi względem rozpatrywanego obiektu, to dochodzi do sprzęŜeń (indukcyjnych i pojemnościowych) od pół bliskich. Napięciom i prądom zakłócającym w przewodach źródła zakłóceń towarzyszą pola elektryczne i magnetyczne rozmieszczone wzdłuŜ tych przewodów. NatęŜenie pola zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od przewodów (odwrotnie proporcjonalnie do trzeciej potęgi odległości). JeŜeli w pobliŜu obwodu, przez który płynie prąd zakłóceń, znajdują się pętle przewodów, to zmienne pole wywołane tym prądem powoduje zaindukowanie w tych pętlach napięcia zakłócającego. Mamy wówczas do czynienia ze sprzęŜeniem indukcyjnym. Wielkość zaindukowanego napięcia zaleŜy od szybkości zmian strumienia pola magnetycznego (prądu zakłóceń). Analogicznie wygląda wzajemny wpływ równolegle prowadzonych przewodów spowodowany polem elektrycznym. Z przewodu wiodącego prąd zakłócający wypływa prąd przesunięcia uwarunkowany pojemnością sprzęgającą obydwa przewody. Wielkość prądu przesunięcia wynika z pojemności sprzęgającej i szybkości zmian napięcia zakłócającego. W przypadku wypromieniowywania energii elektromagnetycznej przez źródło zakłóceń w przestrzeni przemieszcza się fala elektromagnetyczna o natęŜeniu odwrotnie proporcjonalnym do odległości od źródła. Wówczas dochodzi do sprzęŜeń od pól dalekich (promieniowanych). Dwoma podstawowymi sposobami ograniczenia niepoŜądanych zakłóceń są: ekranowanie i uziemianie. Metody ekranowania i uziemiania są ściśle ze sobą powiązane, dlatego teŜ ekran kabla zastosowany do wytłumienia pól elektrycznych powinien być uziemiony. Właściwie zastosowane ekrany mogą znacznie ograniczyć stopień sprzęŜenia zakłóceń. Przy analizie pola bliskiego rozwaŜa się zwykle pola elektryczne i magnetyczne oddzielnie, zaś przypadek pola elektromagnetycznego jest rozpatrywany wówczas, gdy problem dotyczy pola dalekiego. Obwód powodujący zakłócenia będziemy nazywali źródłem, natomiast obwód, na który oddziaływają zakłócenia – odbiornikiem. Właściwości pola są określone przez źródło, ośrodek otaczający źródło i odległość między źródłem a odbiornikiem. W pobliŜu źródła właściwości pola są określone głównie przez właściwości źródła; daleko od źródła właściwości pola zaleŜą głównie od ośrodka, w którym odbywa się propagacja. Przestrzeń otaczająca źródło promieniowania moŜe być zatem podzielona na dwie strefy. W otoczeniu źródła występuje pole bliskie (indukcyjne). W odległości większej niŜ długość fali λ podzielona przez 2π występuje pole dalekie (promieniowania). Obszar w pobliŜu λ / 2 π jest obszarem przejściowym między polami bliskimi i dalekimi. 2. MODELOWANIE SPRZĘśEŃ POMIĘDZY ZEWNĘTRZNYMI ŹRÓDŁAMI ZAKŁÓCEŃ A LINIAMI SYGNAŁOWYMI 2.1. SprzęŜenie rezystancyjne (galwaniczne) JeŜeli źródło zakłóceń i obiekt zakłócany są połączone bezpośrednio przewodami, np. przyłączone do tej samej sieci zasilającej lub linii transmisji sygnałów, wtedy moŜe dochodzić do sprzęŜenia przez przewodzenie nazywanego równieŜ sprzęŜeniem rezystancyjnym. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 3 Przykład sprzęŜenia rezystancyjnego przedstawiony jest na rys. 1. Rys.1. Obwody elektryczne ze wspólnym przewodem powrotnym (sprzęŜenie rezystancyjne). Prądy obwodu 1 i obwodu 2 płyną przez wspólną impedancję. Jeden obwód wpływa na drugi właśnie przez tę impedancję, która nazywana jest impedancją sprzęŜenia. Prąd I1 płynący w obwodzie 1 (zakłócającym) wywołuje w przewodzie powrotnym, podłuŜny spadek napięcia równy: U N = I1 ⋅ Z k (1) gdzie: U N - napięcie zakłócające, Z k - impedancja sprzęŜenia. W praktyce impedancję sprzęŜenia przedstawia się jako szeregowe połączenie rezystancji i indukcyjności: Z k = R + j ⋅ 2πf ⋅ L (2) Dla niskich częstotliwości impedancja sprzęŜenia jest równa jedynie rezystancji, jaką ma przewód powrotny dla prądu stałego. Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu zakłócającego rosną oba składniki impedancji sprzęŜenia. Reaktancja ( j 2π f L ) rośnie w funkcji częstotliwości. Rezystancja R rośnie natomiast w wyniku zjawiska naskórkowości. Zjawisko to polega na tym, Ŝe prąd stały płynie całym przekrojem przewodu, podczas gdy w przypadku prądu zmiennego występuje zjawisko samoindukcji i wypieranie prądu do zewnętrznych obszarów przekroju przewodnika. Wnętrze przewodu jest wówczas energetycznie niewykorzystane, co zwiększa rezystancję przewodu. Głębokość warstwy przewodzącej prąd moŜna obliczyć z następującego wzoru: δ= 1 π ⋅ f ⋅σ ⋅ µ (3) gdzie: σ - konduktywność (przewodność elektryczna właściwa) [ µ - przenikalność magnetyczna materiału przewodzącego S ] m W tablicy 1 przedstawione są grubości warstwy przewodzącej przewodów miedzianych dla róŜnych częstotliwości. Tablica 1. Zastępcze grubości warstwy przewodzącej przewodów miedzianych. Częstotliwość 10 [kHz] Grubość warstwy przewodzącej 670 [µm] 100 [kHz] 1 [MHz] 10 [MHz] 100 [MHz] 1 [GHz] 210 [µm] 67 [µm] 21 [µm] 6,7 [µm] 2,1 [µm] SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 4 Przy efekcie naskórkowości daje się zauwaŜyć, Ŝe dla przewodów o takich samych przekrojach, o indukcyjności i rezystancji decyduje geometria. Przewodnik o przekroju prostokątnym ma mniejszą indukcyjność i rezystancję od przewodnika kołowego. Parametry przewodów o przekroju kołowym i prostokątnym przedstawione są w tablicy 2. Tablica 2. Parametry (R i L) przewodów o róŜnych przekrojach. Częstotliwość 50 [Hz] 1 [MHz] R [mΩ] Przekrój kołowy d=5,65 [mm] S=25 [mm2] 3,44 Przekrój prostokątny a=0,5 [mm] b=50 [mm] S=25 [mm2] 3,44 L [µH] 7,42 5,79 ωL [mΩ] 2,33 1,82 R [mΩ] 73,4 12,9 L [µH] 7,17 5,79 ωL [Ω] 45,1 36,4 Wielkość Dla przewodów aluminiowych głębokość wnikania jest 1,3 razy większa niŜ dla przewodów miedzianych. Wynika to z tego, Ŝe konduktywność elektryczna aluminium wynosi około 60% konduktywności miedzi. Dla Ŝelaza, które jest ferromagnetykiem (względna przenikalność magnetyczna zmienia się od około 100 do ponad 1000) głębokość wnikania przy niskich częstotliwościach wynosi mniej niŜ 10% wartości dla miedzi. Przy częstotliwościach ponad 100 kHz zmniejsza się ferromagnetyzm Ŝelaza i głębokość wnikania silnie rośnie. Dokładna wartość zaleŜy od zmieniających się w szerokim zakresie właściwości magnetycznych Ŝelaza. Stopień zakłócania obwodu 2 moŜna określić jako stosunek napięcia uŜytecznego do napięcia zakłócającego: U S [dB] = 20 log 2 N U N (4) Sposoby eliminacji (redukcji) sprzęŜenia przez przewodzenie: • rozdzielenie obwodów (separacja galwaniczna), • gdy nie jest moŜliwe rozdzielenie obwodów naleŜy zmniejszyć impedancję sprzęŜenia Z k , • zmniejszenie długości przewodu mającego wpływ na Z k , w idealnym przypadku dąŜy ona do zera (połączenie w gwiazdę), • zwiększenie przekroju poprzecznego przewodu zmniejsza jego rezystancję dla prądu stałego, • przy wyŜszych częstotliwościach bardziej korzystne jest wykorzystanie płaskiego przewodu powrotnego (mała indukcyjność, duŜa powierzchnia przewodu zmniejsza efekt naskórkowości), • dla niskich częstotliwości pełna separacja potencjałów (sprzęŜenia transformatorowe, sprzęŜenie optoelektroniczne). Przedstawione poniŜej zaleŜności umoŜliwiają przybliŜone oszacowanie podstawowych parametrów napięć indukowanych w prostych liniach przesyłu sygnałów przez róŜne źródła zakłóceń. 2.2. SprzęŜenie pojemnościowe między dwoma przewodami Przykład typowego sprzęŜenia pojemnościowego pomiędzy dwoma przewodami jest przedstawiony jest na rys. 2. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 5 Rys. 2. SprzęŜenie pojemnościowe między dwoma przewodami: a) model fizyczny, b) schemat zastępczy. Napięcie U1 między przewodem 1 a ziemią jest źródłem zakłóceń, a przewód 2 – obwodem, na który ono oddziałuje. Napięcie UN występujące między przewodem 2 a ziemią moŜna określić ze wzoru: jω [C12 /(C12 + C 2G )] UN = [V] (5) jω + 1 /(C12 + C 2 G ) najczęściej: R〈〈 w takich przypadkach: 1 jω (C12 + C 2G ) U N = jωRC12U 1 [Ω] (6) (7) Jak widać U1 jest proporcjonalne do częstotliwości ( ω = 2πf ), rezystancji obciąŜenia R, pojemności C12 i napięcia U1. Przy załoŜeniu, Ŝe napięcie i częstotliwość źródła zakłóceń nie zmieniają się, napięcie UN moŜna zmniejszyć poprzez zmianę R i C12. Zmiana C12 polega na odpowiednim usytuowaniu przewodów, ich ekranowaniu lub fizycznym rozsunięciu. Na rys. 3. przedstawiono wpływ oddalania przewodów na sprzęŜenie pojemnościowe. Odniesieniem (0 dB) jest tutaj sprzęŜenie przewodów rozsuniętych na odległość równą potrójnej średnicy przewodów. Rys. 3. Wpływ oddalania przewodów na sprzęŜenie pojemnościowe. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 6 Jak widać tłumienie wprowadzane przez rozsunięcie przewodów nie jest duŜe. Zmianę napięcia UN moŜna uzyskać zwiększając wartość rezystancji R. JeŜeli rezystancja między przewodem 2 a ziemią jest na tyle duŜa, Ŝe: R〉〉 C12 1 ⋅U1 , to U N = jω (C12 + C 2G ) C12 + C 2 G [V] (8) i (9) Napięcie zakłóceń wytworzone między przewodem 2 a ziemią odpowiada pojemnościowemu dzielnikowi napięcia i jest niezaleŜne od częstotliwości. 2.3. SprzęŜenie pojemnościowe dwóch przewodów, gdy przewód odbiornika jest ekranowany Przykład takiego sprzęŜenia przedstawiony jest na rys. 4. Rys. 4. SprzęŜenie pojemnościowe, gdy przewód odbiornika jest ekranowany: a) model fizyczny, b) schemat zastępczy. Odbiornik (przewód 2) ma nieskończenie duŜą rezystancję do ziemi i wokół niego umieszczony jest ekran. Napięcie indukowane pomiędzy ekranem a ziemią wynosi: C1S US = ⋅ U1 (10) C1S + C 2G PoniewaŜ przez C2S nie przepływa prąd, napięcie indukowane w przewodzie 2: UN =US Gdy ekran jest uziemiony (US = 0) to napięcie zakłóceń UN równieŜ jest równe 0. Taki przypadek jest idealny i występuje tylko wtedy, gdy środkowy przewód nie wystaje poza ekran. W praktyce przewód środkowy wystaje poza ekran. Przypadek taki przedstawiony jest na rys. 5. Napięcie zakłócenia występuje nawet wtedy, gdy ekran jest uziemiony. Ma ono wartość: UN = C12 ⋅U1 (C12 + C 2G + C 2 S ) (11) Wartość C12 powinna być jak najmniejsza, dlatego trzeba zminimalizować długość przewodu wystającego poza ekran, oraz dobrze uziemić ekran. JeŜeli przewód koncentryczny jest dłuŜszy od 1/20 długości fali zakłócającej to trzeba go uziemić w kilku punktach. Jeśli nie jest dłuŜszy to wystarczy uziemić w jednym punkcie. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 7 Rys. 5. SprzęŜenie pojemnościowe, gdy przewód środkowy wystaje poza ekran: a) model fizyczny, b) schemat zastępczy. 2.4. SprzęŜenie pojemnościowe dwóch przewodów, gdy przewód odbiornika jest ekranowany i połączony rezystancją do ziemi Typowy przykład takiego sprzęŜenia przedstawiony jest na rys. 6. Schemat uproszczony jest podobny do schematu sprzęŜenia dwóch przewodów nieekranowanych. Rys. 6. SprzęŜenie pojemnościowe, gdy przewód środkowy odbiornika ma skończoną rezystancję do ziemi: a) model fizyczny, b) schemat zastępczy, c) uproszczony schemat zastępczy dla uziemionego ekranu. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 8 R〈〈1 /[ jω (C12 + C 2G + C 2 S )] JeŜeli: (12) to napięcie zakłóceń z przewodem 2 wynosi: U N = jωRC12U1 (13) Jest to takie samo równanie jak dla przewodu nieekranowanego, z tą róŜnicą, Ŝe wartość C12 jest znacznie zredukowana przez obecność ekranu (na C12 wpływa tylko ta część przewodu, która wystaje poza ekran), co powoduje takŜe zmniejszenie napięcia zakłócającego UN. 2.5. SprzęŜenie indukcyjne występujące między dwoma przewodami nad powierzchnią ziemi Przykład takiego sprzęŜenia przedstawiony jest na rys. 7. Obwód ten rozpatrywany jest tak samo jak w poprzednim przypadku (dwa przewody zakłócające i dwa zakłócane). W tym przypadku jednak napięcie zakłócające odkłada się wzdłuŜ przewodu zakłócanego i wynosi: U N = jωMI1 lub w dziedzinie czasu: uN = M di1 dt (14) Rys. 7. SpręŜenie indukcyjne między dwoma przewodami: a) model fizyczny, b) schemat zastępczy. 2.6. SprzęŜenie indukcyjne dwóch przewodów, gdy przewód odbiornika jest ekranowany (ekran nieuziemiony) Przykład takiego sprzęŜenia przedstawiony jest na rys. 8. Przewód 2 umieszczony jest w nieuziemionym i niemagnetycznym ekranie. Ekran taki nie ma wpływu na geometrię ani na właściwości magnetyczne ośrodka między obwodami 1 i 2, nie ma więc wpływu na napięcie indukowane w obwodzie przewodu 2. W ekranie, podobnie jak w przewodzie środkowym, indukowane jest napięcie wskutek przepływu prądu w przewodzie 1: U S = jωM 1S I 1 (15) U N = jωM 12 I1 (16) SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 9 Rys. 8. SprzęŜenie magnetyczne do ekranu przewodu odbiornika: a) model fizyczny, b) schemat zastępczy. Uziemienie ekranu na jednym końcu nie zmienia sytuacji. 2.7. SprzęŜenie indukcyjne dwóch przewodów, gdy przewód odbiornika jest ekranowany (ekran uziemiony na obu końcach) Schemat zastępczy tego sprzęŜenia przedstawiony jest na rys. 9. Rys. 9. SprzęŜenie indukcyjne do ekranu uziemionego na obu końcach. US 1 ⋅ Wartość prądu płynącego w ekranie IS wynosi: I S = (17) RS LS jω + LS Napięcie indukowane w przewodzie środkowym UN przy uwzględnieniu sprzęŜenia obliczamy ze wzoru: U N = jωM 12 ⋅ I S (18) PoniewaŜ: M12 = LS otrzymujemy gdzie: RS , LS - parametry ekranu. UN jω = RS jω + LS ⋅U S (19) SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 10 2.8. SprzęŜenie przez promieniowanie Takie sprzęŜenie występuje, gdy odległość między źródłem pola elektromagnetycznego a obwodem zakłócanym jest duŜa w stosunku do długości fali. Ze względu na duŜe odległości łatwiej jest posługiwać się parametrami pola niŜ sprzęŜeniami indukcyjnym czy pojemnościowym. Zwiększanie odległości między przewodami zakłócającym i zakłócanym w przypadku sprzęŜenia przez promieniowanie nie powoduje tak szybkiego zanikania pola elektromagnetycznego jak w przypadku sprzęŜeń od pól bliskich poniewaŜ fala elektromagnetyczna jest tłumiona odwrotnie proporcjonalnie do odległości. Źródłami zaburzeń rozprzestrzeniających się przez promieniowanie mogą być: • naturalne zjawisk fizyczne np. wyładowania atmosferyczne i elektrostatyczne, • urządzenia przeznaczone do promieniowania energii np. generatory, nadajniki, • urządzenia, w których promieniowanie powstaje jako efekt uboczny podczas eksploatacji np. silniki elektryczne, łączenie indukcyjności, komutacja w układach energoelektronicznych. Przykład sprzęŜenia pola elektromagnetycznego z pętlą przewodu sygnałowego pokazany jest na rys. 10. Rys. 10. SprzęŜenie przez promieniowanie. Dla elektrycznie małych pętli (największy wymiar pętli jest mniejszy niŜ λ/4 fali pola magnetycznego) wartość indukowanego napięcia na otwartych zaciskach takiej pętli moŜna określić na podstawie wzoru Lenz’a (wektor pola magnetycznego jest prostopadły do powierzchni pętli): U = −2πfSµ 0 H lub U = − Sµ 0 dH dt [V ] (20) gdzie: S – powierzchnia pętli [m2], µ0 – przenikalność magnetyczna próŜni [H/m2], f – częstotliwość pola magnetycznego [Hz], H – natęŜenie pola magnetycznego [A/m], U – napięcie indukowane w pętli [V]. JeŜeli odległość pętli od źródła pola magnetycznego jest większa od λ/4 (wysokie częstotliwości), wtedy wartość indukowanego napięcia nie zaleŜy od odległości i obniŜa się wraz z częstotliwością. Wartości indukowanych napięć moŜna obliczyć ze wzoru: SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 11 U = 150λH lub U = 0,4λ E [V ] (21) gdzie: λ – długość fali [m], H – natęŜenie pola magnetycznego [A/m], E – natęŜenie pola elektrycznego [V/m]. Indukowane napięcie jest proporcjonalne do natęŜenia pola, lecz staje się niezaleŜne od geometrii przewodów i obniŜa się liniowo wraz ze wzrostem częstotliwości. 2.9. Napięcia indukowane przez prąd udarowy W tablicy 3 przedstawiono uproszczone zaleŜności umoŜliwiające określenie napięć indukowanych przez prąd udarowy (np. prąd wyładowania piorunowego). W przypadku przewodów koncentrycznych duŜym utrudnieniem jest obliczenie impedancji przejścia z wewnętrznej do zewnętrznej powierzchni ekranu. Dlatego do jej obliczenia stosowane są najczęściej zaleŜności uproszczone, które zestawione zostały w tablicy 4. Tablica 3. ZaleŜności określające napięcia indukowane przez prąd udarowy płynący w pojedynczym przewodzie. Schemat układu ZaleŜności określające indukowane napięcie U (t ) = di(t ) µ 0 s+R ⋅ ⋅ h ⋅ ln dt 2π R U (t ) = di(t ) µ 0 a+ R ⋅ ⋅ h ⋅ ln dt 2π a U (t ) = Z r ⋅ i1 (t ) ⋅ h Zr – impedancja przejścia ekranu [mΩ/m] U (t ) ≈ 0 SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 12 Tablica 4. Uproszczone zaleŜności określające impedancję przejścia Zr. Zr Uwagi Z r = RT + jωLT RT = ωLT = 1 rz rw µf sinh( w / 2) cos( w / 2) + cosh( w / 2) sin( w / 2) ⋅ πσ 2 cosh( w) − cos( w) µf sinh(w / 2) cos(w / 2) − cosh(w / 2) sin( w / 2) ⋅ πσ 2 cosh(w) − cos(w) 1 rz rw małe grubości ekranu, częstotliwości większe od 1 [kHz] w = (rz − rw ) 2σ 2ωµ 2 Zr = R0 u cosh u − cos u u = 2(rz − rw ) πfµσ R0 – rezystancja na jednostkę długości ekranu przy prądzie stałym Zr = R0 2 x 4 2 x 8 2 x12 1+ + + ⋅⋅⋅ 6 10 14 Z r = R0 x= jωτ S sinh 4πt 2 fµ 0 µ r τ S = µ 0σ (rz − rw ) 2 jωτ S R0 (2t / δ ) Z r = + ω 2 L2 cosh(2t / δ ) − cos(2t / δ ) 2 t = rz − rw ρ 2 1 2 ekran z plecionych przewodów L – indukcyjność na 1 [m] długości (kilkaset pH) Rys. 11. Przekrój kabla koncentrycznego i oznaczenie zmiennych występujących w tablicy 4. Innym sposobem wyznaczenia impedancji przejścia jest sposób doświadczalny. Przykłady zmierzonych i obliczonych zmian wartości Zr w funkcji częstotliwości przedstawione są na rys. 12. W praktyce jednak z podanych w tym rozdziale wzorów korzysta się rzadko. Najczęściej wykorzystywane są ujęte normami zaleŜności dotyczące klas i kategorii kabli. Normy te, oprócz podziału samych kabli zawierają takŜe informacje o tym, w jakich odległościach od siebie naleŜy układać poszczególne klasy i kategorie kabli tak, aby zminimalizować sprzęŜenia mogące powstać między nimi. UłoŜenie kabli w odpowiednich odległościach jest jednym ze sposobów na zabezpieczenie się przez przepięciami. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 13 1. owijanie drutem 2. pojedynczy oplot z przeciętym wypełnieniem 3. pojedynczy oplot z optymalnym wypełnieniem 4. podwójny oplot 5. podwójny oplot z dodatkową folią 6. stalowa rura Rys.12. Zmiany impedancji przejścia Zr w funkcji częstotliwości. 3. ZALECENIA DOTYCZĄCE ODSTĘPÓW MIĘDZY UKŁADAMI PRZEWODÓW Przewody ze względu na rodzaj i właściwości przesyłanych sygnałów są podzielone na klasy: KLASA 1 [obwody bardzo podatne na zakłócenia]: Klasa ta obejmuje przewody stosowane do wszystkich sygnałów niskiego poziomu – sygnały analogowe mniejsze od 1 V, 1 mA lub, gdy źródło ma impedancję wyŜszą niŜ 1 kΩ a sygnał ma częstotliwość większą niŜ 1 MHz. Kable tej klasy to dobrze ekranowane skręcone pary przewodów, gdzie przy doprowadzeniach sygnału ekran jest łączony na całym obwodzie. W przypadku układania tych przewodów bliŜej niŜ 1 m od przewodu średniego lub wysokiego napięcia (1 kV i więcej) powinny być one ułoŜone wewnątrz metalowej osłony. KLASA 2 [obwody mniej wraŜliwe na zakłócenia]: Przewody tej klasy wykorzystywane są do sygnałów 4÷20 mA, 0÷10 V, częstotliwość mniejsza niŜ 1 MHz. Do przesyłu sygnałów wykorzystuje się przewody ekranowane, skręcone. KLASA 3 [obwody słabo zakłócające]: Są to obwody sterujące z rezystancyjnym lub indukcyjnym obciąŜeniem. Przewody tej klasy mogą być ekranowane, wieloŜyłowe lub składające się z pojedynczych Ŝył, dobrze jeśli są skręcone. KLASA 4 [obwody silnie zakłócające]: Przewody do zasilania silników, indukcyjności, przekaźników, przetworników tyrystorowych. Są to kable ekranowane (w płaszczach stalowych) lub nieekranowane. KLASA 5 i 6: kable średniego (5) i wysokiego (6) napięcia. Aby uniknąć wzajemnego wpływu kabli a tym samym uniknąć sprzęŜeń, przy układaniu stosuje się odpowiednie odległości pomiędzy poszczególnymi klasami kabli. Przykładowe rozmieszczenie kabli wszystkich klas w kanale kablowym przedstawia rys. 13. Kable 5 cm Kable 5 cm Kable 15 cm Kable klasy klasy klasy klasy III II IV I 50 cm 50 cm 100 cm kanał kablowy Rys.13. Odległości między przewodami w kanale kablowym. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 14 Inny podział kabli: KATEGORIA 1: Kable mogą emitować potęŜne zakłócenia i są niewraŜliwe na zakłócenia. KATEGORIA 2: Kable mogą emitować niewielkie zakłócenia i są niewraŜliwe na zakłócenia. KATEGORIA 3: Kable nie zakłócające i niewraŜliwe na zakłócenia. KATEGORIA 4: Kable nie zakłócające, wraŜliwe na zakłócenia. KATEGORIA 5: Kable nie zakłócające o duŜej wraŜliwości na zakłócenia. Aby uniknąć sprzęŜeń kable róŜnych kategorii są instalowane z zapasami bezpieczeństwa. Zestawienie zapasów bezpieczeństwa dla poszczególnych kategorii przedstawione jest w tablicy 5. Tablica 5. Kategorie kabli i stosowane zapasy bezpieczeństwa. Kategorie 1 2 3 4 5 1 - 5 [cm] 10 [cm] 15 [cm] 20 [cm] 2 5 [cm] - 5 [cm] 10 [cm] 15 [cm] 3 10 [cm] 5 [cm] - - - 4 15 [cm] 10 [cm] - - - 5 20 [cm] 15 [cm] - - - W tablicy 6 przedstawione zostały odległości pomiędzy duktami logicznymi i elektrycznymi w zaleŜności od prądu pobieranego z sieci. Tablica 6. Odległości między duktami logicznymi i elektrycznymi. Warunki prowadzenia kabli P<2[kVA] 5[kVA]>P>2[kVA] P>5[kVA] Nieekranowane linie zasilające. Nieekranowane dukty kabli telekomunikacyjnych. 127 [mm] 305 [mm] 610 [mm] Nieekranowane linie zasilające. Ekranowane metalowe dukty kabli telekomunikacyjnych. 64 [mm] 152 [mm] 305 [mm] - 76 [mm] 152 [mm] Linie zasilające i telekomunikacyjne prowadzone w oddzielnych uziemionych metalowych duktach. 4. CHARAKTERYSTYKA LINII DO PRZESYŁU SYGNAŁÓW Linie transmisyjne umoŜliwiają rozchodzenie się róŜnorodnych typów sygnałów (fale akustyczne, elektryczne, radiowe i świetlne). Najczęściej spotykanymi liniami do transmisji sygnałów telekomunikacyjnych są przewody kablowe miedziane i światłowodowe oraz współosiowe. 4.1. Kabel miedziany • Skrętka nieekranowana UTP (Unshielded Twisted Pair) Skrętka tego typu wykonana jest ze skręconych, nieekranowanych przewodów i tworzy tzw. linię zrównowaŜoną (symetryczną). Przewody skręcane są ze splotem 1 zwój na 6÷10 cm, co chroni transmisję sygnałów przed oddziaływaniem otoczenia. Skrętka jest powszechnie stosowana w sieciach telefonicznych i komputerowych. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 15 • Skrętka foliowana FTP (Foiled Twisted Pair) Jest to skrętka ekranowana za pomocą folii z przewodem uziemiającym. Stosuje się ją głównie do budowy sieci komputerowych na duŜe odległości (nawet kilka kilometrów). Przykłady budowy skrętki UTP i FTP przedstawione są na rys. 14. Rys. 14. Budowa skrętki typu UTP i FTP [7]. • Skrętka ekranowana STP (Shielded Twisted Pair) Skrętka tego typu w odróŜnieniu od skrętki FTP ma ekran w postaci oplotu oraz ma zewnętrzną koszulkę ochronną. • Kable telekomunikacyjne Ze względu na sposób wytwarzania miedzianych kabli telekomunikacyjnych wyróŜnia się dwa typy: kable parowe, gdzie kaŜda para przewodów moŜe być traktowana oddzielnie i powinna mieć identyczne parametry oraz kable czwórkowe skręcane w układzie pęczkowym, dla których podstawową wiązką są cztery skręcone przewody. Przykład budowy kabli telekomunikacyjnych przedstawiony jest na rys. 15. Rys. 15. Budowa kabli telekomunikacyjnych ekranowanych i nieekranowanych [7]. Aby kable miedziane były przydatne do transmisji sygnałów muszą charakteryzować się określonymi parametrami, takimi jak: tłumienność – wymaga wzmacniania sygnałów, pojemność jednostkowa (kilkanaście pF) – ogranicza szybkość transmisji, impedancja falowa (50, 75, 93, 100 Ω) – zniekształcenia opóźnieniowe i fazowe oraz szum tła (przesłuchy, przeniki, zakłócenia). SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 16 4.2. Kabel współosiowy (koncentryczny) Budowa kabla współosiowego przedstawiona jest na rys. 16. Kabel ten składa się z dwóch przewodów umieszczonych koncentrycznie jeden wewnątrz drugiego. Taka konstrukcja zapewnia większą odporność na zakłócenia a tym samym lepszą jakość transmisji. Najczęściej stosowane są dwa rodzaje kabli koncentrycznych: kable o oporności falowej 50 Ω (przekrój powyŜej 10 mm) i 75 Ω (przekrój 4÷6 mm). Kable koncentryczne są wykorzystywane do budowy sieci LAN oraz jako medium transmisyjne w sieciach kablowych. Rys. 16. Budowa kabla koncentrycznego [7]. 5. ZAKRES BADAŃ LABORATORYJNYCH Zakres badań obejmuje określenie poziomów sygnałów indukowanych w róŜnych przewodach i kablach jedno- i wieloŜyłowych, nieekranowanych i ekranowanych. Pomiary będą wykonywane w róŜnych układach pomiarowych zakładających róŜne sposoby sprzęgania się zakłóceń z obwodów zakłócających do zakłócanych. Odpowiednie schematy pomiarowe przedstawiono na rys. 17 z zaznaczeniem konfiguracji obwodu zakłócającego i sposobu doprowadzenia do tego obwodu sygnału zakłócającego. - - - Pomiary przeprowadzone zostaną przy uŜyciu następującej aparatury: generatory udarów napięciowych i prądowych MC 1 i UCS 500M; oscyloskop HP 54522A połączony do komputera; szerokopasmowe sondy napięciowe i prądowe Tektronix i Hewlett Packard. W ćwiczeniu naleŜy pomierzyć wartości przepięć: róŜnicowych (DM – ang. Differential Mode), tzn. przepięć pomiędzy Ŝyłami dosyłową a powrotną kabli parowych i czwórkowych (przepięcia te nazywane są równieŜ podłuŜnymi, symetrycznymi, normalnymi); wspólnych (CM – ang. Common Mode), tzn. przepięć pomiędzy Ŝyłą środkową a ekranem w przypadku kabli koncentrycznych lub pomiędzy Ŝyłą roboczą a ziemią w przypadku kabli parowych i czwórkowych (przepięcia te nazywane są równieŜ poprzecznymi, asymetrycznymi). Pomiarów naleŜy dokonać dla wszystkich dostępnych rodzajów przewodów/kabli, przy róŜnym obciąŜeniu (zwarcie lub rozwarcie Ŝył roboczych na końcu przewodu przeciwległym w stosunku do końca, na którym dokonywany jest pomiar). W przypadku przewodów ekranowanych naleŜy dokonać pomiarów przy ekranie uziemionym na jednym lub na obu końcach przewodu. Pomiary prowadzone są w układach pozwalających na realizację podstawowych typów sprzęŜeń (rys. 17) przy zadanych przez prowadzącego parametrach prądu i napięcia zakłócającego. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 17 a) b) c) Rys. 17. Schematy układów do pomiarów przepięć indukowanych w przewodach i kablach: a) sprzęŜenie pojemnościowe; b) sprzęŜenie indukcyjne; c) sprzęŜenie indukcyjne przez prąd płynący w ekranie kabla. SprzęŜenia pomiędzy układami przewodów – 18 6. ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW W sprawozdaniu naleŜy przedstawić wyniki pomiarów wartości szczytowych oraz przebiegi czasowe przepięć zarejestrowane przy pomocy oscyloskopu dla róŜnych typów kabli i róŜnych sposobów sprzęgania się przepięć (jak opisano w rozdz. 5). 1. Wartości szczytowe odpowiednich przepięć przedstawić w czytelnej formie np. w postaci tabel. 2. Porównać wartości przepięć indukowanych w zaleŜności od: - rodzaju przewodu/kabla (ekranowane, nieekranowane, koncentryczne, parowe, czwórkowe itp.), - sposobu uziemienia ekranu przewodów ekranowanych, - liczby Ŝył w kablu, - obciąŜenia przewodu lub kabla, - odległości od przewodu zakłócającego. Odpowiednie zaleŜności moŜna przedstawić w postaci wykresów. 3. Porównać wartości i kształty przepięć indukowanych w przypadku róŜnych obwodów sprzęŜenia (pojemnościowe, indukcyjne). PRZEPISY BHP Podczas badań naleŜy przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy omówionych podczas zajęć wstępnych w laboratorium, zawartych w „Regulaminie porządkowym laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej i Ochrony Przeciwzakłóceniowej z uwzględnieniem przepisów BHP”. Regulamin dostępny jest w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym miejscu. Dodatkowo z uwagi na specyfikę ćwiczenia naleŜy zachować szczególną ostroŜność podczas obsługi generatorów udarowych. Nie naleŜy przekraczać nastaw wartości szczytowych napięć lub prądów generatora powyŜej wartości podanych przez prowadzącego. Wszelkie zmiany konfiguracji obwodu generatora naleŜy przeprowadzać przy wyłączonym generatorze. LITERATURA 1. Augustyniak L.: Laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok, 2010. 2. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 1, Źródła, sprzęŜenia, skutki; Warszawa: WNT, 1999. 3. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 2, Uziemienia, masy, oprzewodowanie; Warszawa: WNT, 2000. 4. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 3, Ekrany, filtry, kable i przewody ekranowane; Warszawa: WNT, 2000. 5. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tom 4, Zasilanie, ochrona odgromowa, środki zaradcze; Warszawa: WNT, 2000. 6. Bem Józef Daniel i in.: Impulsowe naraŜenia elektromagnetyczne; Wrocław: Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, 1994. 7. Praca zbiorowa: Vademecum teleinformatyka, sieci komputerowe, telekomunikacja, instalatorstwo. IDG Poland S.A., 2005.