Temat ćwiczenia - Politechnika Białostocka

Transkrypt

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.
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]
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.
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.
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:
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.
Rys. 5. SprzęŜenie pojemnościowe, gdy przewód środkowy wystaje poza ekran:
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.
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:
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)
Rys. 8. SprzęŜenie magnetyczne do ekranu przewodu odbiornika:
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)
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:
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
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.
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.
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.
• 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).
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.
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.
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.
Uziemienia, masy, oprzewodowanie; Warszawa: WNT, 2000.
Ekrany, filtry, kable i przewody ekranowane; Warszawa: WNT, 2000.
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.

Temat ćwiczenia - Politechnika Białostocka

Transkrypt

Podobne dokumenty