doc(Microsoft PowerPoint - PKE3.ppt [tryb zgodno\234ci])
download 
Reklamacja Transkrypt
(Microsoft PowerPoint - PKE3.ppt [tryb zgodno\234ci])
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. Zakłócenia wielkiej częstotliwości obejmują niepożądane efekty, sygnały i zjawiska, których częstotliwość przekracza pewną granicę, przy czym jak wartość graniczną często przyjmuje się częstotliwość 1 MHz. Podstawy kompatybilności elektromagnetycznej Częstotliwości przełączania obwodów układów cyfrowych osiągają coraz większe wartości (dla technologii ACA10S czas przełączenia jest mniejszy niż nanosekunda), sprawiając coraz większe problemy związane z zapewnieniem kompatybilności elektromagnetycznej. dr inż. Piotr Pietrzak [email protected] pok. 54, tel. 631 26 20 www.dmcs.p.lodz.pl Układy cyfrowe są szczególnie narażone na zakłócenia występujące w zakresie wysokich częstotliwości, co biorąc pod uwagę coraz szersze stosowanie cyfrowych metod przetwarzania sygnałów (zastępujących obwody analogowe) powoduje, że problem staje się szczególnie istotny. opracowano na podstawie: Alain Charoy „Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych” Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone podtrzymywane Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone podtrzymywane Zakłócenia komutacyjne silników komutatorowych Zdolność zakłócania działania urządzeń przez sygnały w.cz. zwiększa detekcja ich obwiedni (demodulacja) przez proste obwody zawierające elementy półprzewodnikowe prowadząca do powstania sygnałów zakłócających o niskiej częstotliwości lub sygnałów stałych. Ze względu na demodulację, zakłócenia wielkich częstotliwości podtrzymywane wpływają negatywnie w szczególności na pracę układów analogowych przetwarzających sygnały o niskim poziomie. W zakresie w.cz. bardzo często prądy zakłóceń przenoszonych przez wspólną impedancję generują jednocześnie pole elektromagnetyczne, które łatwo sprzęga się z sąsiednimi liniami sygnałowymi. Silniki komutatorowe wyposażone są szczotki, które w czasie jego działania iskrzą emitując przepływ prądów wysokiej częstotliwości o stromych zboczach (czasy narastania rzędu dziesiątek nanosekund). Zakłócenia komutacyjne poprzez kable zasilające mogą przenikać do obwodów regulacji lub do sieci zasilającej powodując zakłócenia w funkcjonowaniu innych urządzeń. Zakłócenia komutacyjne są asymetryczne. Ze względu na zakres częstotliwości zakłócenia komutacyjne mogą przenikać drogą przesłuchu. W celu ograniczenia zakłóceń należy stosować filtry do uziemienia na każdym z przewodów – w przypadku urządzeń małej mocy wystarczą kondensatory przeciwzakłóceniowe o pojemności kilku nanofaradów włączone między każdą ze szczotek a stojan silnika. C – kondensatory o pojemności 1..10nF Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone podtrzymywane Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone podtrzymywane Prądy przekształtników statycznych wprowadzane asymetrycznie Prądy przekształtników statycznych wprowadzane asymetrycznie Przekształtniki wykorzystujące regulację szerokości impulsów takie jak zasilacze impulsowe czy regulatory generują asymetryczne prądy o wielkiej częstotliwości przenoszone do obciążenia. Przekształtniki wykorzystujące regulację szerokości impulsów takie jak zasilacze impulsowe czy regulatory generują asymetryczne prądy o wielkiej częstotliwości przenoszone do obciążenia. Zakłócenia prądowe generowane przez przekształtniki mają kształt tłumionych sinusoid o amplitudach od kilku do kilkuset miliamperów i typowych częstotliwościach z zakresu 5 MHz do 50 MHz. Zakłócenia prądowe generowane przez przekształtniki mają kształt tłumionych sinusoid o amplitudach od kilku do kilkuset miliamperów i typowych częstotliwościach z zakresu 5 MHz do 50 MHz. Rozwiązaniem problemu jest stosowanie dla każdego kabla połączeniowego filtrów odprowadzających prądy zakłóceniowe wielkiej częstotliwości do punktu wspólnej masy (płaszczyzny odniesienia). Rozwiązaniem problemu jest stosowanie filtrów odprowadzających prądy zakłóceniowe wielkiej częstotliwości do punktu wspólnej masy (płaszczyzny odniesienia). W przypadku zasilaczy z modulacją szerokości impulsów należy stosować jak najkrótsze połączenie zera napięcia z masą obudowy (poza obwodami separowanymi galwanicznie). 1 Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone podtrzymywane Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Prądy przekształtników statycznych wprowadzane asymetrycznie Przekształtniki wykorzystujące regulację szerokości impulsów takie jak zasilacze impulsowe czy regulatory generują asymetryczne prądy o wielkiej częstotliwości przenoszone do obciążenia. Zakłócenia prądowe generowane przez przekształtniki mają kształt tłumionych sinusoid o amplitudach od kilku do kilkuset miliamperów i typowych częstotliwościach z zakresu 5 MHz do 50 MHz. Rozwiązaniem problemu jest stosowanie filtrów odprowadzających prądy zakłóceniowe wielkiej częstotliwości do punktu wspólnej masy (płaszczyzny odniesienia). Zakłócenia przejściowe wielkiej częstotliwości są szczególnie groźne dla układów cyfrowych i mogą powodować powstawanie błędów losowych. Zakłócenia o częstotliwościach większych niż 30 MHz, posiadające zbocza trwające mniej niż 10 ns, wprowadzane galwanicznie mają charakter lokalny ze względu na zjawiska prowadzące do redukcji ich amplitudy (pojemności pasożytnicze, straty dielektryczne, itp.). W przypadku zasilaczy z modulacją szerokości impulsów należy stosować jak najkrótsze połączenie zera napięcia z masą obudowy (poza obwodami separowanymi galwanicznie). Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Wyłączanie prądów indukcyjnych Ze względu na popularność obciążeń indukcyjnych (przekaźniki, styczniki, silniki, układy przekształtnikowe), zjawisko występujące bardzo często. Mechanizm generowania zakłócenia polega na nagłym odcięciu prądu zasilającego obciążenie indukcyjne, w wyniku czego energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki przekazywana jest do pola elektrycznego pojemności międzyprzewodowej układu, czego wynikiem jest pojawienie się przepięcia o amplitudzie dochodzącej do kilku kilowoltów. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Pomiędzy stykami mechanicznymi odłączającymi obciążenie indukcyjne pojawia się łuk elektryczny generujący bardzo stromy impuls o czasie narastania rzędu kilku nanosekund. Każdemu odłączeniu towarzyszy seria impulsów zakłócających: po zgaśnięciu pierwszego łuku, napięcie pomiędzy stykami wzrasta prowadząc do kolejnego zapłonu. Proces powtarza się do chwili spadku napięcia do wartości pojedynczych kilowoltów i często trwa około 1 ms. Czasy narastania napięcia wynikającego z odłączenia prądów indukcyjnych są stosunkowo długie. Częstotliwości rezonansowe obwodu LC cewki i pojemności połączeń wynoszą od kilku do kilkuset kiloherców. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Należy stosować Parametry sygnału modelującego zjawisko powstawania przepięć w wyniku odłączenia obciążenia indukcyjnego określone są w normie IEC1000-4-4. Ochrona przed przepięciami powinna być stosowana przy źródle ich emisji, a więc przy cewce poprzez równoległe dołączenie do niej elementu ograniczającego przepięcia: rezystora, warystora, diody Zenera, diody, filtru RC. • Rezystancję równą trzykrotnej rezystancji cewki. Rozwiązanie to gwarantuje ograniczenie napięcia na zaciskach cewki przy otwieraniu jest do czterokrotnej wartości napięcia jej zasilania Un. Wadą użycia rezystora jest 1,5-krotne wydłużenie czasu powrotu cewki do stanu spoczynku oraz 30% wzrost obciążenia obwodu sterującego (wzrost mocy rozpraszanej w układzie). • Warystor lub diodę Zenera, dla których zakrzywienie charakterystyki pojawia się przy napięciu 2Un. Napięcie na zaciskach cewki przy otwieraniu klucza jest ograniczone do wartości 3Un. Wadą rozwiązania jest 1,3-krotnie wydłużony czas powrotu do stanu spoczynkowego oraz zagrożenie zniszczenie elementu zabezpieczającego w przypadku wystąpienia przepięcia w sieci zasilającej (szczególnie w przypadku diody Zenera). 2 Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe • Diodę zabezpieczającą (rozładowczą) dołączoną przeciwsobnie do zacisków cewki względem napięcia zasilania. Rozwiązanie stosowane jedynie w przypadku zasilania cewki napięciem stałym. Napięcie na zaciskach cewki jest ograniczone do wartości Un + 0,7 V. Wadą użycia diody jest co najmniej 3-krotnie wydłużony czas powrotu do stanu spoczynkowego oraz możliwość jej uszkodzenia w przypadku odwróconej biegunowości napięcia zasilającego. • Szeregową gałąź RC pełniącą rolę filtru. Rezystor o wartości 47Ω Ω do 100 Ω pełni ogranicza prąd w czasie podania napięcia na cewkę. Przy odłączeniu, napięcie na zaciskach cewki wzrasta powoli dzięki przekazywaniu energii do kondensatora (ładowanie) eliminując wystąpienie łuku pomiędzy stykami. Czas ppowrotu ddo stanu spoczynku ulega skróceniu. Wadą rozwiązania jest konieczność dostosowania parametrów obwodu RC do określonej cewki oraz wyższy koszt. Jest to najlepsze rozwiązanie. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Po uniesieniu nogi pojemność ciała zmienia się z 200 pF do 140 pF. Przy założeniu stałego ładunku oznacza to wzrost napięcia z np. 2500 V do 3500 V. Całkowita energia wyładowania jest w pojemności przed wyładowaniem równa energii zgromadzonej W = 0,5CU2 i osiąga wartość rzędu kilku milidżuli. Ciało człowieka w czasie rozładowania elektrostatycznego modeluje się trzema parametrami: pojemnością, napięciem początkowym względem masy i rezystancją wyładowania. Typowe wartości tych elementów wynoszą odpowiednio: 200 pF, 10 kV oraz 1 kΩ Ω. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Zwiększanie odporności urządzeń oraz ich elementów na wyładowania elektrostatyczne stanowi problem istotny na każdym etapie ich życia: projektowania, budowy, instalacji i użytkowania. Skutecznymi metodami ochrony przed wyładowaniami ESD są te same rozwiązania, które mają na celu zwiększenie odporności przy wielkich częstotliwościach: ekranowanie przewodów i płytek, efekty redukcyjne, filtracja, itp. Ryzyko wystąpienia wyładowań elektrostatycznych można zmniejszyć utrzymując wilgotność względną otoczenia urządzeń na poziomie 50%. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Wyładowania elektrostatyczne Krótkie impulsy prądowe pojawiające się w przestrzeni pomiędzy obiektami o odpowiednio dużej różnicy potencjałów elektrostatycznych, prowadzące do całkowitego lub częściowego zaniku ładunku elektrostatycznego na tych obiektach. Zjawisko występuje powszechnie i jest związane z występowaniem tarcia pomiędzy cząsteczkami materiałów izolacyjnych w postaci zwartej, sypkiej i ciekłej (często syntetycznych). Czas trwania wyładowań wynosi od kilkudziesięciu nanosekund do kilkuset mikrosekund. Pojemność ciała ludzkiego względem otoczenia wynosi ok. 200 pF. Człowiek poruszając się, może naładować się w ciągu kilku sekund do napięcia kilku do maksymalnie 20 kV. Zależy ono między innymi od wilgotności powietrza, rodzaju ubrania i zelówek obuwia. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Uwzględniając parametry ciała człowieka można oszacować, że prąd wyładowania elektrostatycznego może dochodzić do wartości 10 A zanikającej ze stałą czasową 200 ns. Czas narastania impulsu prądowego przy rozładowaniu poprzez ostro zakończony przedmiot (np. grot lutownicy) może być krótszy niż 1 ns. Ładunek zgromadzony w pojemności osoby lub przedmiotu może się rozładować względem innych przewodzących elementów odizolowanych od uziemienia. Możliwe jest zatem uszkodzenie poprzez wyładowanie elektrostatyczne podzespołów elektronicznych na izolowanej płytce obwodu drukowanego. Skutkiem wyładowania elektrostatycznego może być mniej lub bardziej poważne zablokowanie działania, uszkodzenie lub zniszczenie elementu. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Łączenia wysokonapięciowe Do łączenia obwodów sieci wysokiego napięcia wykorzystywane są styczniki, rozłączniki i odłączniki, których styki umieszczone są w atmosferze sześciofluorku siarki SF6 (elegaz) lub w próżni ograniczających zjawisko powstawania łuku elektrycznego. Impulsy prądu wyładowań występujących w czasie łączenia narastają w czasie krótszym niż 1 ns, przy wartości szczytowej prądu osiągającej prądy 100 A (w sieci o napięciu 20 kV). Szczególnie niebezpieczne są operacje łączenia dla odłączników, których styki znajdują się w powietrzu. W tym przypadku łuk elektryczny może się palić pomiędzy elektrodami dłużej niż 10 s, przy czym częstotliwość zapłonów w każdej fazie wynosi około 100 Hz. 3 Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz. w.cz. przewodzone przejściowe Łuk powstający w odłącznikach powietrznych klasyfikowany jest jako zakłócenie podtrzymywane, którego oddziaływanie na układy elektroniczne jest groźniejsze niż zakłócenia impulsowego. Zjawiska podobne do zjawisk występujących w komorach gaszeniowych łuku elektrycznego odłączników zachodzą także w innych urządzeniach, w których w próżni pojawiają się wysokie napięcia, np. lampy katodowe, akceleratory cząstek, itp. Ze względu na szybkość zboczy zjawisk związanych z łukiem elektrycznym, zakłócenia przenoszone są nie tylko poprzez sprzężenie galwaniczne, ale również drogą sprzężenia elektromagnetycznego. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Podtrzymywane zakłócenia wielkiej częstotliwości wprowadzane przez promieniowanie Urządzenia laboratoryjne i przemysłowe W różnego typu aplikacjach stosowane są urządzenia wykorzystujące źródła promieniowania elektromagnetycznego w paśmie częstotliwości od kilkudziesięciu kHz do kilku GHz. Zgodnie z wymaganiami norm międzynarodowych zakłócenia emitowane przez tego typu aparaturę określane jako zakłócenia (zaburzenia) radioelektryczne (RPI - Radio Frequency Interference). Przykładem urządzeń generujących zakłócenia radioelektryczne są urządzenia do nagrzewania materiałów (palniki plazmowe, zgrzewarki tworzyw sztucznych, suszarki do drewna, polimeryzatory żywic sztucznych), urządzenia do czyszczenia warzyw, itd. Moc emitorów tego typu urządzeń często jest większa niż 1 kW i może przekraczać 100 kW. Z tego powodu konieczne jest zapewnienie odpowiednich ekranów. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Nadajniki radiowe Powszechnie stosowane nadajniki radiowe, w tym także stacje bazowe telefonii komórkowej są źródłem ciągłego pola elektromagnetycznego. Ich moce wynoszą od kilku miliwatów (urządzenia zdalnego sterowania) do wielu megawatów mocy impulsowej (urządzenia radarowe). Natężenie pola elektrycznego emitowanego przez nadajnik może być ocenione zgodnie z zależnością Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Umieszczenie w pobliżu radiotelefonu o mocy emitowanej większej niż kilkadziesiąt miliwatów stanowi może spowodować zakłócenie obwodów analogowych. Dobrym sposobem redukcji zakłóceń emitowanych przez nadajniki radiowe oddziałujących na wrażliwe urządzenia elektroniczne jest oddalanie od tych urządzeń anten nadawczych, w tym ograniczenie możliwości korzystania z urządzeń przenośnych. E = 30 ⋅ P ⋅ G / l gdzie: E – natężenie pola elektrycznego [V/m] P – moc nadajnika [W] G – wzmocnienie anteny (bezwymiarowe, ok. 1,5 dla anteny prętowej, masztowej i dipolowej), l – odległość od anteny. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, podtrzymywane Dla źródeł podtrzymywanych zakłóceń wprowadzanych przez promieniowanie, ich wpływ na urządzenia elektroniczne zależy od częstotliwości, położenia anteny nadawczej (odbicia od przewodzących konstrukcji tworzą węzły i strzałki stojących fal zakłóceniowych) i rodzaju modulacji (modulacja amplitudy jest groźniejsza od modulacji częstotliwości), a nawet od kierunku polaryzacji. Z powodu odbić, może dojść do podwojenia natężenia pola elektrycznego. Oznacza to, że jeżeli nadajnik o mocy 1 W wytwarza pole o natężeniu 6 V/m w swobodnej przestrzeni, w odległości 50 cm, to w rzeczywistych warunkach, z powodu odbić, natężenie to może osiągnąć 12 V/m. Każde pole w zakresie od 30 do 300 MHz, które przekroczy 10 V/m, jest bardzo groźne. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, impulsowe Źródłami impulsowych zakłóceń wielkiej częstotliwości wprowadzane przez promieniowanie jest większość źródeł impulsowych zakłóceń przewodzonych wielkiej częstotliwości. Z jednej strony z występowaniem zjawisk szybkich związana jest emisja elektromagnetyczna, z drugiej krótki odcinek połączenia może stanowić bardzo dobrą antenę. Wyładowania elektrostatyczne Wyładowania elektrostatyczne generują silne pole elektromagnetyczne, o natężeniu około 8 A/m i 3000 V/m w odległości 25 cm od wyładowania. Obok zakłóceń elektromagnetycznych, jednocześnie pojawiają się zakłócenia przewodnościowe wynikające z prądu wyładowania płynącego bezpośrednio do masy, co utrudnia analizę zjawiska zakłócania urządzeń elektronicznych. Metody ochrony przed zakłóceniami wywołanymi promieniowaniem są takie same jak przed zakłóceniami wprowadzanymi galwanicznie, a dodatkową ochronę stanowi przewodząca, ekwipotencjalna osłona, otaczająca szczelnie płytkę układu elektronicznego. 4 Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, impulsowe Źródłami impulsowych zakłóceń wielkiej częstotliwości wprowadzane przez jest większość źródeł impulsowych zakłóceń promieniowanie przewodzonych wielkiej częstotliwości. Z jednej strony z występowaniem zjawisk szybkich związana jest emisja elektromagnetyczna, z drugiej krótki odcinek połączenia może stanowić bardzo dobrą antenę. Wyładowania elektrostatyczne Wyładowania elektrostatyczne generują silne pole elektromagnetyczne, o natężeniu około 8 A/m i 3000 V/m w odległości 25 cm od wyładowania. Obok zakłóceń elektromagnetycznych, jednocześnie pojawiają się zakłócenia przewodnościowe wynikające z prądu wyładowania płynącego bezpośrednio do masy, co utrudnia analizę zjawiska zakłócania urządzeń elektronicznych. Metody ochrony przed zakłóceniami wywołanymi promieniowaniem są takie same jak przed zakłóceniami wprowadzanymi galwanicznie, a dodatkową ochronę stanowi przewodząca, ekwipotencjalna osłona, otaczająca szczelnie płytkę układu elektronicznego. Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, impulsowe Łączenia wysokonapięciowe Omawialiśmy już zjawiska przejściowe towarzyszące zapłonowi łuku w SFG lub w próżni. Można wskazać, że w odległości l m od przewodu poddanego szybkiemu impulsowi 10 kV występuje pole rzędu 5 kV/m. Czas narastania impulsu jest często krótszy niż l ns. To dopiero jest zagrożenie. Przy 100 kV wynik należy pomnożyć przez 10, a więc można nie spodziewać się więcej niż 50 kV/m w odległości i m, przy zanikaniu pola w proporcji l/Z! Nie trzeba dodawać, że ekranowanie i przyłączanie masy w takim środowisku nie powinny być tylko kwestią estetyki czy psychologii. Łuk elektryczny Wylądowania, które obserwujemy pomiędzy pantografami pojazdów trakcji elektrycznej a przewodem trakcyjnym zakłócają odbiór radiowy tylko lokalnie, jest to bowiem słabe źródło zakłóceń wielkiej częstotliwości. Warsztaty spawalnicze, pomimo dantejskiej scenerii, generują niewiele zakłóceń wielkiej częstotliwości. W bezpośredniej bliskości pętli prądowych wytwarzają one jednak silne pole magnetyczne o małej częstotliwości. Uwaga na monitory... Jedyny problem z zakłóceniami wielkiej częstotliwości emitowanymi przy spawaniu wiąże się z inicjowaniem łuku za pomocą impulsu Źródła zakłóceń – zakłócenia w.cz., w.cz., sprzężenie EM, impulsowe Łączenia wysokonapięciowe W odległości 1 m od przewodu, w którym pojawia się impuls o czasie narastania 10 kV i czasie narastania 1 ns występuje pole o natężeniu około 5 kV/m. Natężenia pola jest przy tym odwrotnie proporcjonalne do odległości. Należy stosować ekrany i uziemienia. Łuk elektryczny Łuk będący wynikiem odłączania wysokich napięć przy obciążeniu indukcyjnym generuje zakłócenia elektromagnetyczne w szerokim paśmie częstotliwości. Występujące bardziej powszechnie wyładowania, takie jak pomiędzy pantografami pojazdów trakcji elektrycznej a przewodem trakcyjnym, czy łuk elektryczny podczas spawania mają zasięg lokalny. Z punktu widzenia możliwości zakłócenia pracy urządzeń istotne jest zjawisko zapalania łuku w spawarkach za pomocą impulsu wysokonapięciowego (7 kV), który emituje gwałtowny przebieg przejściowy o szerokim paśmie do 100 MHz. 5
![(Microsoft PowerPoint - PKE2.ppt [tryb zgodno\234ci])](http://s2.doczz.pl/store/data/003661802_1-c1dad9b99a9cc3ea55afc0ef7cb8df21-70x70.png "(Microsoft PowerPoint - PKE2.ppt [tryb zgodno\234ci])")
