1 VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ  Galvanická vazba (vazba společnou impedancí)  Kapacitní vazba.

Prezentace na téma: "1 VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ  Galvanická vazba (vazba společnou impedancí)  Kapacitní vazba."— Transkript prezentace:

1 1 VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ  Galvanická vazba (vazba společnou impedancí)  Kapacitní vazba  Induktivní vazba  Vazba vyzařováním

2 2 Parazitní galvanická vazba (vazba společnou impedancí) Parazitní galvanická vazba (vazba společnou impedancí) a) ve společném napájecím vedení b) ve společném vedení řídicích signálů c) ve společném vícebodovém uzemnění

3 3 Parazitní vazba zemní smyčkou v případě separátního zemnění dvou systémů v různých bodech Parazitní vazba zemní smyčkou v případě separátního zemnění dvou systémů v různých bodech Galvanická parazitní vazba uzavřenou zemní smyčkou Principy zmenšení rušivého napětí  zvýšení impedance (útlumu) smyčky  „úplné“ přerušení smyčky  zvýšení impedance (útlumu) smyčky  „úplné“ přerušení smyčky

4 4 Rozpojení zemní smyčky Útlum smyčky [dB]

5 Oddělovací transformátor Zemní smyčka je galvanicky rozpoje- na. Zbytková parazitní vazba existuje pouze na vyšších kmitočtech přes rozptylové kapacity C transformátoru. 5 Způsoby potlačení parazitní vazby zemní smyčkou PoznámkaZapojení Vazbu přes rozptylové kapacity C transformátoru lze zmenšit zařaze- ním stínicího „bočníku“ pro rušivý proud mezi primární a sekundární vinutí transformátoru.

6 6 Neutralizační transformátor, BALUN Závity n 1 a n 2 jsou navinuty na spo- lečném toroidním jádru ve stejném smyslu. Magnetické toky signálových proudů se vzájemně kompenzují, magnetické toky rušivých proudů se sečítají. Neutralizační transformátor tak zvyšuje impedanci zemní smyčky pro rušivé signály, aniž zvětší její impedanci pro pracovní signál. PoznámkaZapojení Feritové kroužky, příp. feritové perličky Jde vlastně o neutralizační transfor- mátory s jediným závitem. Kroužky účinně zvyšují impedanci zemní smyč- ky hlavně na kmitočtech nad 1 MHz. Pozitivně se zde uplatňuje i vysoká ztrátovost feritu, který pohlcuje vyso- kofrekvenční elektromagnetické vlnění na vedení.

7 7PoznámkaZapojení Vedení s útlumovým pláštěm Účinek je stejný jako při použití feri- tových kroužků. Plášť vedení je vytvo- řen ze silně ztrátového materiálu (ztrá- tová pryž, ztrátové dielektrikum apod.) absorbujícího elektromagnetické ruši- vé signály. Elektromechanické relé Lze použít jen pro přenos binárních signálů. Rozptylová kapacita C má hodnotu až 5 pF.

8 8PoznámkaZapojení Optočlen Použití zejména při přenosu číslico- vých užitečných signálů. Rozptylová kapacita C má hodnotu až 1 pF, napěťová pevnost 0,5 až 10 kV. Optický kabel, optická linka Pro analogové i číslicové signály. Velmi odolné vůči elektromagnetické - mu rušení.

9 9  dostatečně dimenzovat společný zemnicí vodič - zemnicí plochu Zásady minimalizace vazeb společnou impedancí  jednotlivé bloky připojovat k zemnicímu systému přímou cestou masivním vodičem nevhodnévhodnější nevhodnévhodnější

10 10  neslučovat společný vodičsignálových vodičů  nevytvářet společné části napájecích přívodů k jednotlivým blokům nevhodnévhodnější nevhodné vhodnější

11 11  elektronická zařízení různých technologií raději vybavit samostat- nými napájecími zdroji  v možných případech zcela vzájemně galvanicky oddělit např. funkčně související signálové a výkonové obvody jednoho zařízení nevhodnévhodnější nevhodné vhodnější

12 12 Kapacitní vazba galvanicky oddělených obvodů  Vyvážení kapacitního můstku, např. C 13  C 23 a C 14  C 24  zkroucení obou párů vodičů (vodiče 1 a 2 a rovněž vodiče 3 a 4), příp. aspoň rušeného vedení, tj. vodičů 3 a 4. Parazitní kapacitní vazba

13 13  Použití oboustranného stínění C 34 >> C 13 a C 34 >> C 24

14 14 Kapacitní vazba mezi obvody se společným (vztažným) vodičem 

15 15 

16 16  derivační článek Časové průběhy rušicího a kapacitně přeneseného napětí

17  Zmenšit parazitní vazební kapacitu C 13 vzdálením obou vodičů 1 a 3, co nejkratší souběžné vedení, příp. zamezení jejich souběžnému vedení, co nejmenší průřezy obou vodičů a co nejmenší hodnota permitivity izolace mezi vodiči, příp. permitivity materiálu desky plošného spoje. 17 Zásady zmenšení tohoto druhu parazitní kapacitní vazby  Nízkoohmové impedanční poměry v navázaném (ovlivňovaném) obvodu, tedy hodnotu R 32 udržovat minimální.  Rychlost časových změn všech napětí (signálů) v obvodu  u /  t omezit na minimální možnou hodnotu, postačující ke správné činnosti daného obvodu.  Co největší kapacita C 32, která na vstupu ovlivňovaného obvodu omezuje velikost přeneseného rušivého napětí (např. těsným při- blížením či zkroucením vodiče 3 se vztažným vodičem 2.

18 18  Vzájemně elektricky odstínit oba ovlivňující se vodiče buď stíně- ním vodiče 3, nebo zavedením pomocného „stínicího“ spoje s nulovým potenciálem na desce plošného spoje mezi vodiče 1 a 3. nebo zavedením pomocného „stínicího“ spoje s nulovým potenciálem na desce plošného spoje mezi vodiče 1 a 3.

19 19 Kapacitní vazba vůči zemi vyvolaná velkou kapacitou např. přívodů obvodu vůči společné zemi Kapacitní vazba vůči zemi vyvolaná velkou kapacitou např. přívodů obvodu vůči společné zemi

20 20 Parazitní induktivní vazba   maximální vzájemná vzdálenost r obou obvodů;  minimální velikost proudové smyčky S rušeného obvodu (ob- vodu přijímače)  minimální délka souběžně probíhajících vodičů obou obvodů  minimální rychlost časových změn všech proudů (signálů) v obvodu  I /  t.  maximální vzájemná vzdálenost r obou obvodů;  minimální velikost proudové smyčky S rušeného obvodu (ob- vodu přijímače)  minimální délka souběžně probíhajících vodičů obou obvodů  minimální rychlost časových změn všech proudů (signálů) v obvodu  I /  t.

21 21 Způsoby omezení induktivní vazby a) omezení induktivní vazby pomocí závitu K nakrátko; a) b) c) d) b) kompenzace induktivní vazby zkroucením vodičů obvodu přijímače; c) minimalizace vazby kolmým natočením vazebních smyček; d) minimalizace vazby stíněním obvodu přijímače.

22 22 Omezení parazitních kapa- citních a induktivních vazeb mezi souběžnými kabely  separátní vedení kabelů ve stíněných sekcích 

23 Parazitní vazba vyzařováním 23 [V/m ; kW, km] Účinná ochrana  elektromagnetické stínění Účinná ochrana  elektromagnetické stínění

24 24 ZPŮSOBY OMEZOVÁNÍ RUŠENÍ  odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry,  odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry,  pasivní odrušovací filtry LC,  přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, plynem plněné výbojky, varistory, omezovací diody),  elektromagnetické, elektrické a magnetické stínění.  odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry,  odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry,  pasivní odrušovací filtry LC,  přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, plynem plněné výbojky, varistory, omezovací diody),  elektromagnetické, elektrické a magnetické stínění. Rušení na vedení: odrušovací tlumivky, kondenzátory, kmitočtové filtry LC a omezovače přepětí Rušení vyzařováním: elektromagnetické stínění Rušení na vedení: odrušovací tlumivky, kondenzátory, kmitočtové filtry LC a omezovače přepětí Rušení vyzařováním: elektromagnetické stínění ODRUŠOVACÍ PROSTŘEDKY

25 25 Základním parametrem každého odrušovacího prvku, filtru, příp. stínicího krytu je vložný útlum L Základním parametrem každého odrušovacího prvku, filtru, příp. stínicího krytu je vložný útlum L U 20 U2U2 L [dB] = U 20 [dBμV] – U 2 [dBμV]

26 26 Odrušovací tlumivky

27 27 Parazitní parametry odrušovací tlumivky Kmitočtová závislost velikosti impedance reálné odrušovací tlumivky Kmitočtová závislost velikosti impedance reálné odrušovací tlumivky Náhradní schéma reálné odrušovací tlumivky Náhradní schéma reálné odrušovací tlumivky

28 28 Základní požadavky na odrušovací tlumivky:  Velká indukčnost (řádově mH) při malých rozměrech, malém počtu závitů, nízké hmotnosti a nízké ceně. Napěťový úbytek napájecího napětí 50 Hz na tlumivce je základním omezujícím faktorem počtu závitů tlumivky, a tedy hodnoty její indukčnosti.  Vysoký vlastní rezonanční kmitočet, tj. minimální parazitní kapa- city tlumivky.  Mimo oblast síťových kmitočtů (100 ÷ 400 Hz) musí mít tlumivka co největší činné ztráty, tedy co nejmenší činitel jakosti (Q < 1). Ty- pická hodnota vložného útlumu „síťové“ tlumivky činí 15 ÷ 20 dB na kmitočtu řádu 100 kHz.  Tlumivka s feromagnetickým jádrem se nesmí přesycovat při pracov- ních proudech, pro něž je určena.  Tvar a permeabilita magnetického obvodu jádra musí umožňovat do- sáhnout maximální indukčnosti při minimálním počtu závitů.  Velká indukčnost (řádově mH) při malých rozměrech, malém počtu závitů, nízké hmotnosti a nízké ceně. Napěťový úbytek napájecího napětí 50 Hz na tlumivce je základním omezujícím faktorem počtu závitů tlumivky, a tedy hodnoty její indukčnosti.  Vysoký vlastní rezonanční kmitočet, tj. minimální parazitní kapa- city tlumivky.  Mimo oblast síťových kmitočtů (100 ÷ 400 Hz) musí mít tlumivka co největší činné ztráty, tedy co nejmenší činitel jakosti (Q < 1). Ty- pická hodnota vložného útlumu „síťové“ tlumivky činí 15 ÷ 20 dB na kmitočtu řádu 100 kHz.  Tlumivka s feromagnetickým jádrem se nesmí přesycovat při pracov- ních proudech, pro něž je určena.  Tvar a permeabilita magnetického obvodu jádra musí umožňovat do- sáhnout maximální indukčnosti při minimálním počtu závitů.

29 29 Druhy odrušovacích tlumivek a) Tlumivky pro potlačení symetrické složky rušení v napájecích obvodech, pro potlačení parazitních vazeb mezi signálovými a řídi- cími obvody, vysokofrekvenční blokovací tlumivky. Odrušovací tlumivka na otevřeném feritovém jádru Odrušovací tlumivka na uzavřeném feritovém jádru Odrušovací tlumivky pro vysoké kmitočty

30 30 b) Tlumivky pro potlačení nesymetrické složky rušení v napá- jecích obvodech, tzv. tlumivky s proudovou kompenzací. jednofázová trojfázová

31 31 Odrušovací kondenzátory (kondenzátorové filtry) Odrušovací kondenzátory (kondenzátorové filtry)

32 32 Parazitní parametry odrušovacích kondenzátorů Vliv přívodů dvojpólového kondenzátoru 250 nF na hodnotu vložného útlumu Přívod o délce 5 mm představuje indukčnost cca 5 ÷ 10 nH

33 blokovacíkondenzátorblokovacíkondenzátor společný (zemnicí) vodič 33 Blokovací (oddělovací) kondenzátor (bypassing capacitor, decoupling capacitor) Blokovací (oddělovací) kondenzátor (bypassing capacitor, decoupling capacitor)

34 34 kmitočtové spektrum časový průběh Rušivé napětí (šum) na blokovacím kondenzátoru

35 35 Kmitočtový průběh vložného útlumu různých kondenzátorů Typy a montáž průchodkových kondenzátorů

36 36 Kapacita odrušovacích kondenzátorů  Kondenzátory třídy X se používají tam, kde jejich případný průraz nemůže ohrozit lidský život.  Kondenzátory třídy Y (tzv. bezpečnostní) se zapojují mezi fázový a ochranný vodič tam, kde je omezena pří- pustná hodnota svodového proudu.  Kondenzátory třídy X se používají tam, kde jejich případný průraz nemůže ohrozit lidský život.  Kondenzátory třídy Y (tzv. bezpečnostní) se zapojují mezi fázový a ochranný vodič tam, kde je omezena pří- pustná hodnota svodového proudu. se volí v závislosti na kmitočtovém spektru rušení   čím nižší dolní kmitočet potlačovaného kmitočtového pásma, tím větší kapacita

37 37 Konstrukční typy odrušovacích kondenzátorů a způsoby jejich použití Konstrukční typy odrušovacích kondenzátorů a způsoby jejich použití dvojpólovýdvojpólový trojpólový trojpólovétrojpólové čtyřpólovýčtyřpólový pětipólovýpětipólový

38 38 Potlačení protifázových rušivých proudů I P pomocí dvojpólového kondenzátoru C X a soufázových rušivých proudů I S pomocí dvojpólových kondenzátorů C Y Potlačení soufázových rušivých proudů  pomocí trojpólových kondenzátorů

39 39 Potlačení protifázových rušivých proudů pomocí čtyřpólového kondenzátoru Potlačení protifázových rušivých proudů a soufázových rušivých proudů  pomocí jediného pětipólového odrušovacího kondenzátoru

40 40 Síťové (napájecí) odrušovací filtry Vlastnosti filtru (velikost vložného útlumu ) závisí na jeho vlastních parametrech i na impedančních parametrech zdroje a přijímače rušení (impedance napájecí sítě Z S a napájecího vstupu zařízení Z Z ). Neurčitost těchto impedancí působí znač- né obtíže při návrhu a provozu síťových odrušovacích filtrů. Odrušovací filtry LC

41 41 Impedance energetické napájecí sítě 1 1 - venkovní síť 3 3 - průmyslová síť 4 4 - kabelová zemní rozvodná síť 1 1 - venkovní síť 3 3 - průmyslová síť 4 4 - kabelová zemní rozvodná síť [1]HABIGER, E. Elektromagnetische Verträglichkeit. Hüthig Buch Verlag, Heidelberg 1992 silně závisí na typu a provedení sítě a značně se mění v závis- losti na kmitočtu v širokém rozsahu od zlomků  až po stovky . Je hlavním zdrojem neurčitosti při provozu filtrů. MIL-STD 462 2- průběh dle normy CISPR 2 - průběh dle normy CISPR

42 42 Další problémy návrhu síťových odrušovacích filtrů  Na tlumivkách filtru (bez proudové kompenzace) nesmí vzniknout větší úbytek napájecího napětí 50 Hz než 1÷2 % jmenovité hodnoty  omezení celkové velikosti indukčnosti tlumivek shora.  Parazitní vlastnosti tlumivek a kondenzátorů omezují kmitočtové pás- mo a velikost útlumu filtru. Vlivem parazitní indukčnosti kondenzátorů a parazitní kapacity tlumivek se původní dolní propust mění na horní propust, a tím se rušení na vysokých kmitočtech zhorší.  Odrušovací filtr na napájecím vstupu zařízení nesmí zhoršit provoz zařízení ani napájecí sítě nebo ohrozit jejich správnou činnost.  Ekonomické a konstrukční otázky  cena filtru, rozměry a váha. Všechny tyto veličiny by měly být minimalizovány.  Na tlumivkách filtru (bez proudové kompenzace) nesmí vzniknout větší úbytek napájecího napětí 50 Hz než 1÷2 % jmenovité hodnoty  omezení celkové velikosti indukčnosti tlumivek shora.  Parazitní vlastnosti tlumivek a kondenzátorů omezují kmitočtové pás- mo a velikost útlumu filtru. Vlivem parazitní indukčnosti kondenzátorů a parazitní kapacity tlumivek se původní dolní propust mění na horní propust, a tím se rušení na vysokých kmitočtech zhorší.  Odrušovací filtr na napájecím vstupu zařízení nesmí zhoršit provoz zařízení ani napájecí sítě nebo ohrozit jejich správnou činnost.  Ekonomické a konstrukční otázky  cena filtru, rozměry a váha. Všechny tyto veličiny by měly být minimalizovány.  výpočet síťového odrušovacího filtru má vždy spíše jen orientační charakter 

43 43 Volba základní struktury síťového filtru podle velikostí zátěžových impedancí Z S a Z Z Volba základní struktury síťového filtru podle velikostí zátěžových impedancí Z S a Z Z

44 44 Základní struktury síťových odrušovacích filtrů LC Výchozí půlčlánek L typu dolní propust Sestavení základního článku T Sestavení základního článku 

45 45 Sestavení dvojitých článků T a 

46 46 Příklady zapojení komerčních odrušovacích síťových filtrů

47 47 Odrušovací filtr se zemní tlumivkou

48 48 Mechanická konstrukce a instalace odrušovacích filtrů do chráněného vstupu odrušovaného zařízení musí být takové, aby rušivé signály mohly vstupovat do zařízení jen průchodem přes filtr a nikoli různými parazitními cestami „kolem“ filtru. ŠPATNĚ SPRÁVNĚ kovová přístrojová stěna vnitřní přídavný stínicí kryt vnitřní prostor přístrojové skříně dle potřeby lze vložit další průchozí filtr EMC filtr

49 49 Speciální druhy odrušovacích filtrů  Filtry NEMP (LEMP), filtry EMP (RFI / EMI Filters) pro ochranu zařízení proti působení rušivých impulzů velké intenzity. Filtr EMP má na vstupu zapojeny přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, varistory, ochranné diody aj.). Příklad zapojení síťového odrušovacího filtru s přepěťovými ochranami (filtr EMP)

50  Filtry TEMPEST ( Temp orary E manation and S purious T rans- mission – přechodné úniky a nepravé přenosy ). Velmi jakostní parametry: vysoký útlum 80÷100 dB v širokém kmitočtovém rozsahu od 10 kHz do několika GHz. V USA je jako TEMPEST označován celý národní program na ochranu počítačů a jejich periférií před nežádoucím odposlechem dat. 50 Příklad zapojení filtru TEMPEST firmy Schaffner

51  Datové filtry (Data - Line Filters) k omezení rušivých signálů na da- tových a signálových vedeních. Datové filtry pracují v přizpůsobe- ných systémech ( Z S = Z Z ) a pro- pouštěné užitečné signály bývají značně širokopásmové. Obvyklým požadavkem je proto velká str- most jejich útlumové charakteris- tiky mezi propustným a nepropust- ným pásmem. 51

52 52 Přepěťové ochranné prvky  prvky pro hrubou přepěťovou ochranu (hard limiters)  vzduchové jiskřiště, plynem plněné výbojky (bleskojistky)  prvky pro jemnou přepěťovou ochranu (fine limiters)  varistory, Zenerovy diody, supresorové diody  prvky pro hrubou přepěťovou ochranu (hard limiters)  vzduchové jiskřiště, plynem plněné výbojky (bleskojistky)  prvky pro jemnou přepěťovou ochranu (fine limiters)  varistory, Zenerovy diody, supresorové diody

53 53 Hrubé přepěťové ochrany  Vzduchové jiskřiště k ochraně proti napětím od 1 kV do několika jednotek MV. Je tvořeno dvěma elektrodami ve vzduchu, mezi nimiž při přepětí dochází k výboji. Základní nevýhodou je nízká reproduko- vatelnost procesu vzduchového výboje. Obvyklá konstrukce plynem plněných výbojek  Plynem plněné výbojky (bleskojistky) s elektrodami v keramickém či skleněném pouzdru naplněném vzácným plynem (argon, neon) pod slabým tlakem. Vysoká přesnost a reprodukovatelnost výboje.

54 Statická V-A charakteristika bleskojistky Izolační odpor mezi elektrodami v „nezapáleném“ stavu je větší než 10 10 , vlastní kapacita bleskojistky je menší než 10 pF. Přesáhne-li napětí hodnotu tzv. zápalného napětí U Z (desítky V až několik kV), dojde k „zapálení“ výbojky a její odpor prudce klesne až o deset řádů. 54 doutnavý výboj obloukový výboj

55 Velikost zápalného napětí U Z bleskojistky závisí silně na strmosti časového nárůstu přicházejícího napěťového impulzu d u /d t. Statické zapalovací napětí U Zstat je definováno pro nárůst napětí pomalejší než 100 V/s a jeho typické hodnoty jsou cca 90 ÷ 1200 V. Dynamické zapalovací napětí bleskojistky je definováno pro nárůst napěťového impulzu d u /d t = 1 kV/  s. Jeho hodnota bývá v rozmezí 600 ÷ 700 V. Při velmi strmých impulzech (< 30 ns) plynová bleskojistka nezapálí. Průběh napětí na bleskojistce při působení rychlého přepěťového impulzu 55

56 56 Jemné přepěťové ochrany  Varistory ( Vari able Resi stor s), odpory VDR ( V oltage D ependent R esistors) jsou nelineární napěťově závislé polovodičové rezistory se symetrickou A-V charakteristikou. Varistory se vyrábějí ze ZnO ( MOV – M etal O xide V aristor) nebo z SiC. K závisí na geometrii varistoru  pro SiC je  = 3 ÷ 7, pro ZnO  = 25 ÷ 40. Rozsah provozních napětí varistoru (velikost ochranného napětí varistoru) činí jednotky V až jednotky kV. Odpor varistoru je 10 12  (v rozsahu pracov- ních napětí) a 1 ÷ 10  mimo tento rozsah. Varistorem může protékat proud až desítek A. Reakční doba varistoru činí nízké desítky ns. Kapacita varistoru je 0,4 ÷ 40 nF. K závisí na geometrii varistoru  pro SiC je  = 3 ÷ 7, pro ZnO  = 25 ÷ 40. Rozsah provozních napětí varistoru (velikost ochranného napětí varistoru) činí jednotky V až jednotky kV. Odpor varistoru je 10 12  (v rozsahu pracov- ních napětí) a 1 ÷ 10  mimo tento rozsah. Varistorem může protékat proud až desítek A. Reakční doba varistoru činí nízké desítky ns. Kapacita varistoru je 0,4 ÷ 40 nF. I = K. U 

57 57  Zenerovy diody s hodnotami Zenerova, tj. ochranného napětí od cca 3 V do 200 V.  Supresorové diody, TAZ diody ( T ransient A bsorbing Z ener), Transil (Thomson) nebo Transzorb (General Semiconductor) jsou speciální křemíkové lavinové diody s vyšší proudovou zatížitelností v závěrné oblasti a kratší reakční dobou. Jsou pouzdřeny jako pár diod zapojených antisériově proti sobě; vzniká bipolární součástka se symetrickou A-V charakteristikou podobnou charakteristice varistoru. Rozsah ochranných napětí je obvykle 6 ÷ 440 V. Vlastní kapacita až 15 000 pF. Velmi krátká reakční doba jednotky až desítky ps.  Supresorové diody, TAZ diody ( T ransient A bsorbing Z ener), Transil (Thomson) nebo Transzorb (General Semiconductor) jsou speciální křemíkové lavinové diody s vyšší proudovou zatížitelností v závěrné oblasti a kratší reakční dobou. Jsou pouzdřeny jako pár diod zapojených antisériově proti sobě; vzniká bipolární součástka se symetrickou A-V charakteristikou podobnou charakteristice varistoru. Rozsah ochranných napětí je obvykle 6 ÷ 440 V. Vlastní kapacita až 15 000 pF. Velmi krátká reakční doba jednotky až desítky ps.

58 58 Obvodové zapojení přepěťových ochran Nejčastěji jako kombinované ochrany tvořené kaskádním zapojením několika typů ochranných prvků do společného vedení. R > 5  R > 5 

59    59 Vlastní kapacita prvků přepěťových ochran působí: působí:  pozitivně v nízkofrekvenčních odrušovacích systémech (např. v napájecích odrušovacích filtrech) jako součást filtračních kapacit filtru.   

60 60  negativně ve vysokofrekvenčních sdělovacích či datových systémech, kde velká hodnota kapacity těchto prvků způsobuje nepřijatelně vysoký útlum užitečných vysokofrekvenčních signálů. Zmenšení kapacity přepěťové ochranné diody pomocí rychlých (nízkokapacitních) spínacích diod

61 61 Vliv délky přívodů přepěťové ochrany Vlivem indukčnosti dlouhých přívodů a vlastní kapacity ochranného prvku vzniká ostrý (derivační) napěťový impulz, jehož velikost může být větší než je výsledná hodnota omezovaného napětí na přepěťovém prvku. Napětí na výstupu Zenerovy diody 3V3 s různou délkou drá- tových přívodů jako odezvy na vstupní na- pěťový skok o veli- kosti 10 V

62 ELEKTROMAGNETICKÉ STÍNĚNÍ Teoretické řešení  neomezeně rozlehlá stínicí přepážka z dobře vodivého kovu  kolmý dopad rovinné elektromagnetické vlny (nejhorší případ) Teoretické řešení  neomezeně rozlehlá stínicí přepážka z dobře vodivého kovu  kolmý dopad rovinné elektromagnetické vlny (nejhorší případ) 62 Koeficient stínění nebonebo

63 63 Efektivnost (účinnost) stínění (útlum stínění) – S hielding E ffectiveness Efektivnost (účinnost) stínění (útlum stínění) – S hielding E ffectiveness příp.příp.[dB][dB] charakteristická impedance vodivého prostředí kovové přepážky charakteristická impedance vodivého prostředí kovové přepážky charakteristická impedance volného prostředí před a za stínicí přepážkou konstanta šíření (vlnové číslo) rovinné elektromagnetické vlny ve vodivém prostředí stínicí přepážky

64 64 Útlum odrazem R vzniká vlivem částečného odrazu energie vlny na impedančním rozhraní mezi vzduchem (dielektrikem) s impedancí Z 0 a kovovou stěnou přepážky s impedancí Z M a rovněž na „výstupním“ rozhraní mezi kovovou stěnou Z M a dielektrikem (vzduchem) Z 0 : Útlum odrazem R vzniká vlivem částečného odrazu energie vlny na impedančním rozhraní mezi vzduchem (dielektrikem) s impedancí Z 0 a kovovou stěnou přepážky s impedancí Z M a rovněž na „výstupním“ rozhraní mezi kovovou stěnou Z M a dielektrikem (vzduchem) Z 0 : Při Z 0 >> Z M je  Útlum odrazem nezávisí na tloušťce t stínicí kovové stěny  účinné stínění lze vytvořit z tenké, ale vysoce vodivé ( Z 0 >> Z M ) přepážky.

65 65 Hloubka vniku elektromagnetického pole do kovového materiálu Absorpční útlum A vzniká pohlcením části energie elektromagnetické vlny při jejím průchodu stínicí kovovou přepážkou o tloušťce t vlivem tepelných ztrát, tj. vlivem konečné vodivosti kovu stínicí přepážky : Absorpční útlum A vzniká pohlcením části energie elektromagnetické vlny při jejím průchodu stínicí kovovou přepážkou o tloušťce t vlivem tepelných ztrát, tj. vlivem konečné vodivosti kovu stínicí přepážky : [dB][dB]  Absorpční útlum roste s druhou odmocninou kmitočtu na dB stupnici. Vodivé feromagnetické materiály (   r >> 1) mají přitom větší absorpční útlum než stejně vodivé nemagnetické materiály.

66 66 Útlum vlivem mnohonásobných odrazů M vzniká díky opakovaným odrazům na vstupu a výstupu stínicí kovové přepážky : Útlum vlivem mnohonásobných odrazů M vzniká díky opakovaným odrazům na vstupu a výstupu stínicí kovové přepážky : Je-li stínění z dobře vodivého kovu ( Z 0 >> Z M ) a jeho tloušťka t je podstatně větší než hloubka vniku ( t >>   ), je M  0 dB a vliv mnohonásobných odra- zů na celkové stínění lze zanedbat. 

67 67 Celková účinnost stínění  Útlum odrazem R je funkcí poměru  /  r, zatímco absorpční útlum A je funkcí součinu těchto veličin .  r.  Útlum odrazem R tvoří dominantní složku stínicího účinku na níz- kých kmitočtech pro magnetické i nemagnetické kovové materiály.  Na vysokých kmitočtech roste absorpční útlum A a vysoce převy- šuje klesající útlum odrazem. Tento vzrůst na vysokých kmitočtech je přitom výraznější u magnetických kovových materiálů s  r >> 1.  Na nízkých kmitočtech, kdy hloubka vniku  >> t, příp. u velmi tenkých stínicích přepážek ( t > t, příp. u velmi tenkých stínicích přepážek ( t <<  ) je hodnota útlumu mnoho- násobnými odrazy M záporná a snižuje celkovou účinnost stínění SE. S rostoucím kmitočtem se velikost M  0 dB a mnohoná- sobné odrazy v kovové přepážce nemají vliv na účinnost stínění. Celková účinnost stínění  Útlum odrazem R je funkcí poměru  /  r, zatímco absorpční útlum A je funkcí součinu těchto veličin .  r.  Útlum odrazem R tvoří dominantní složku stínicího účinku na níz- kých kmitočtech pro magnetické i nemagnetické kovové materiály.  Na vysokých kmitočtech roste absorpční útlum A a vysoce převy- šuje klesající útlum odrazem. Tento vzrůst na vysokých kmitočtech je přitom výraznější u magnetických kovových materiálů s  r >> 1.  Na nízkých kmitočtech, kdy hloubka vniku  >> t, příp. u velmi tenkých stínicích přepážek ( t > t, příp. u velmi tenkých stínicích přepážek ( t <<  ) je hodnota útlumu mnoho- násobnými odrazy M záporná a snižuje celkovou účinnost stínění SE. S rostoucím kmitočtem se velikost M  0 dB a mnohoná- sobné odrazy v kovové přepážce nemají vliv na účinnost stínění.

68 68 Kmitočtový průběh jednotlivých složek účinnosti stínění měděné desky o tloušťce t = 1 mm Kmitočtový průběh jednotlivých složek účinnosti stínění měděné desky o tloušťce t = 1 mm

69 69 Vliv mnohonásobných odrazů M na velikost celkové účin- nosti stínění SE se může nepříznivě uplatňovat i na vyšších kmi- točtech, je-li stínicí přepážka velice tenká ( t <<  ).  Přístrojové a počítačové stínicí „kryty“ vytvořené napařením či naprášením velmi tenkého kovového povlaku na vnitřní povrch nekovové (plastové) přístrojové skříně. 

70 70

71 71 Účinnost stínění v blízké zóně elmag. pole Blízké elektrické pole – blízké pole elektrického dipólu > R Stínění elektrického pole je účinnější než stínění rovinné vlny. Účinnost stínění R E roste se zmenšující se vzdáleností zdroje od stínicí přepážky a je větší pro nemagnetické (  r  1) než magnetické (  r >> 1) materiály.  vzdálená zóna r >> / 2   Z 0  f ( r )  konst.  blízká zóna r << / 2   Z 0  f ( r )  konst.

72 72 Blízké magnetické pole – blízké pole magnetického dipólu (proudové smyčky) < R Útlum odrazem blízkého magnetického pole se zmenšuje s klesajícím kmitočtem a je vždy menší, než hodnota R pro rovinnou elektromagne- tickou vlnu. Pro velmi nízké kmitočty je velikost R H velmi malá a nijak nepřispívá k celkové účinnosti stínění SE = R H + A + M. Pro dobré stínění blízkého pole nízkofrekvenčního (stejnosměrného) magnetického zdroje je nutno zvýšit velikost absorpčního útlumu A. To lze docílit užitím tlusté stínicí přepážky z feromagnetického kovového materiálu, čímž se zároveň zmenší negativní vliv mnohonásobných odrazů M na výslednou účinnost stínění.

73 73 blízké elektrické pole blízké magnetické pole Kmitočtový průběh složek účinnosti stínění blízkého elektromagnetického pole

74 74

75 75 Vliv otvorů a technologických netěsností na účinnost elektromagnetického stínění  Otvory, štěrbiny a další otevření stínicí plochy (např. dveře, okna, větrací otvory, štěrbiny a netěsnosti mezi jednotlivými kovo- vými plochami stínění, vstupní otvory pro přípojné kabely, vedení, příp. vnější mechanické ovládací prvky stíněného zařízení).  Špatně vodivé (vysokoimpedanční) části stínění (vodivě nedo- konalá spojení jednotlivých částí stínění, nedokonale vodivé prů- hledné plochy (skla) při požadavku vizuální kontroly zařízení).  Vnější přívodní kabely a přípojná vedení (napájecí, signálové a datové kabely, jimiž se mohou dostávat elektromagnetické rušivé signály do vnitřního prostoru stínicího krytu).  Otvory, štěrbiny a další otevření stínicí plochy (např. dveře, okna, větrací otvory, štěrbiny a netěsnosti mezi jednotlivými kovo- vými plochami stínění, vstupní otvory pro přípojné kabely, vedení, příp. vnější mechanické ovládací prvky stíněného zařízení).  Špatně vodivé (vysokoimpedanční) části stínění (vodivě nedo- konalá spojení jednotlivých částí stínění, nedokonale vodivé prů- hledné plochy (skla) při požadavku vizuální kontroly zařízení).  Vnější přívodní kabely a přípojná vedení (napájecí, signálové a datové kabely, jimiž se mohou dostávat elektromagnetické rušivé signály do vnitřního prostoru stínicího krytu).

76 76 Otvory ve stínicí ploše  Malý kruhový otvor o poloměru a v tenké kovové stínicí přepážce  Stínění tenké kovové přepážky s n stejnými kruhovými otvory  Stínění tlusté kovové přepážky ( t > 2 a ) s jedním či více kruhovými otvory na kmitočtech „hluboko“ pod mezním kmitočtem, tj. f 2 a ) s jedním či více kruhovými otvory na kmitočtech „hluboko“ pod mezním kmitočtem, tj. f << f m m = 3,41 a m = 3,41 a

77 77 Dlouhé štěrbiny v kovovém stínění se mohou chovat jako účinné štěrbinové antény, které mohou intenzivně vyzařovat a tím výraz- ně snižovat účinnost stínění. Orientace nevyzařující a vyzařující podlouhlé štěrbiny v kovové stínicí přepážce Orientace nevyzařující a vyzařující podlouhlé štěrbiny v kovové stínicí přepážce  Stínění krytu s pravoúhlou štěrbinou (při její nejhorší orientaci) Druhý člen vyjadřuje útlum pravoúhlého „vlnovodu“ v pásmu nepro- pustnosti. Musí se uvažovat při tloušťce stínicí desky t > l na kmitočtech f l na kmitočtech f << c / 2 l.

78 78 Průchody v kovovém stínění na principu „podkritického“ vlnovodu Průchody v kovovém stínění na principu „podkritického“ vlnovodu Základní provedení Průchod s dielektrickým průvlakem Průchod s kovovým průvlakem Průchod s kovovým průvlakem Galvanický (pérový) kontakt (zavedení kabelů či mechanických ovládacích prvků do vnitřku stíněného prostoru, zajištění jeho větrání či denního osvětlení)

79 79 Větrací a průchodkové sekce stínicích krytů honeycomb vents

80 80

81 81 Hodnota výsledné účinnosti stínění SE desky je na nízkých kmitočtech (stovky Hz a jednotky kHz) dán útlumem odrazem blízkého magnetic- kého pole R H, na středních kmitočtech (cca 10 kHz ÷ 1 MHz) konečným útlumem vlnovodových průchodek A 0 a v oblasti vysokých kmitočtů (MHz) klesajícím útlumem větracích otvorů R 0. Na velmi nízkých kmito- čtech (v oblasti Hz) je stínění nevyhovující vlivem mnohonásobných odrazů procházejících vln M.

82 82 Vznik nežádoucích štěrbin při spojení částí stínicího krytu „na tupo“ Vznik nežádoucích štěrbin při spojení částí stínicího krytu „na tupo“ nevhodnénevhodné

83 83 Konstrukční zlepšení účinnosti stínění  vzájemným „dlouhým“ pře- kryvem spojovaných částí  použitím elastických vodivých materiálů (past, silikonů aj.)  použitím pružinových, příp. pérových nožových kontaktů na pohyblivých částech

84 84 Hodnocení elektromagnetického stínění dle orientačních hodnot SE Hodnocení elektromagnetického stínění dle orientačních hodnot SE

85 85 Zásady správné konstrukce elektromagneticky stíněných krytů Zásady správné konstrukce elektromagneticky stíněných krytů chybná konstrukce z hlediska EMC zlepšená konstrukce pro vyšší účinnost stínění SOUHRNSOUHRN

86 86

87 87 Stínění koaxiálních kabelů je nejčastěji charakterizováno tzv. vazební (přenosovou) impedancí (angl. Transfer Impedance ) Z T. Protéká-li po vnější straně stínicího pláště koaxiálního kabelu rušivý proud I r, vzniká na vnitřním povrchu pláště podélný úbytek napětí U r. Jeho velikost je určena konstrukcí a tloušťkou stínicího pláště a hloub- kou vniku elektromagnetického pole do materiálu pláště při daném kmitočtu. Poměr tohoto vnitřní úbytku napětí a vnějšího rušivého proudu v plášti vztažený na jednotku délky koaxiálního kabelu udává vazební (přenosovou) impedanci Z T stínění kabelu je nejčastěji charakterizováno tzv. vazební (přenosovou) impedancí (angl. Transfer Impedance ) Z T. Protéká-li po vnější straně stínicího pláště koaxiálního kabelu rušivý proud I r, vzniká na vnitřním povrchu pláště podélný úbytek napětí U r. Jeho velikost je určena konstrukcí a tloušťkou stínicího pláště a hloub- kou vniku elektromagnetického pole do materiálu pláště při daném kmitočtu. Poměr tohoto vnitřní úbytku napětí a vnějšího rušivého proudu v plášti vztažený na jednotku délky koaxiálního kabelu udává vazební (přenosovou) impedanci Z T stínění kabelu pro délku kabelu l << / 4 na pracovním kmitočtu.

88 Vazební impedance Z T je silně kmitočtově závislá. Vazební impedance Z T je silně kmitočtově závislá. 88 Plný (kompaktní) stínicí plášť : Pletený stínicí plášť : R 0 je ss. hodnota odporu pláště na jednotku délky

89 89 Koaxiální kabely s dvojitým stíněním (triaxiální kabely) Koaxiální kabely s dvojitým stíněním (triaxiální kabely) Vodivě spojeno v bodě A Vodivě rozpojeno v bodě A   Srovnání velikostí vazebních impedancí jednoduchého a dvojitého stínění

90 jednoduché pletené stínění pletené a kompaktní stínění dvojité pletené spojené stínění jednoduché kompaktní stínění jednoduché vinuté stínění dvojité pletené izolované stínění (triaxiální kabel) 90 Komerčně vyráběné koaxiální kabely

91 91 Vazební impedance stínění koaxiálních konektorů Vazební impedance stínění koaxiálních konektorů  Při spojování konektoru se stínicí pláště obou jeho částí musí pevně spojit (uzavřít) dříve, než se propojí vnitřní „živé“ vodiče obou kabelů a naopak, při rozpojování se musí nejprve rozpojit „živé“ vodiče a teprve pak stínicí pláště obou částí konektoru. Případné „jiskření“ a parazitní impulzy, které mohou vznikat při spojování či rozpojování elektricky „živých“ vodičů, tak odeznějí ve stavu, kdy vnější stínění konektoru je již či ještě uzavřeno.  Elektricky „živé“ (vnitřní) části konektoru musí být kvalitně izolová- ny od vnějšího kovového pláště. Důvodem je jednak bezpečnost, jednak zamezení přenosu elektrostatických výbojů vznikajících mezi obsluhující osobou a vnějším pláštěm konektoru do jeho vnitřního prostoru.  Elektrická, mechanická a elektromagneticky „těsná“ konstrukce konektoru musí odolat všem změnám pracovních podmínek, tj. otřesům, vibracím, korozi, kolísání teploty apod.  Při spojování konektoru se stínicí pláště obou jeho částí musí pevně spojit (uzavřít) dříve, než se propojí vnitřní „živé“ vodiče obou kabelů a naopak, při rozpojování se musí nejprve rozpojit „živé“ vodiče a teprve pak stínicí pláště obou částí konektoru. Případné „jiskření“ a parazitní impulzy, které mohou vznikat při spojování či rozpojování elektricky „živých“ vodičů, tak odeznějí ve stavu, kdy vnější stínění konektoru je již či ještě uzavřeno.  Elektricky „živé“ (vnitřní) části konektoru musí být kvalitně izolová- ny od vnějšího kovového pláště. Důvodem je jednak bezpečnost, jednak zamezení přenosu elektrostatických výbojů vznikajících mezi obsluhující osobou a vnějším pláštěm konektoru do jeho vnitřního prostoru.  Elektrická, mechanická a elektromagneticky „těsná“ konstrukce konektoru musí odolat všem změnám pracovních podmínek, tj. otřesům, vibracím, korozi, kolísání teploty apod.

92 92 Spojení stínicího pláště kabelu a konektoru nesprávné správné

93 93 Vazební impedance koaxiálních konektorů Vazební impedance některých typů koaxiálních konektorů

94 94 Přenosová (vazební) admitance (angl. Transfer Admittance ) Y T Přenosová (vazební) admitance (angl. Transfer Admittance ) Y T U 2 je vnější (rušivé) napětí me- zi stínicím pláštěm kabelu a vztažnou zemí a I je tímto napětím „indukova- ný“ proud ve vnitřním (střed- ním) vodiči kabelu. U 2 je vnější (rušivé) napětí me- zi stínicím pláštěm kabelu a vztažnou zemí a I je tímto napětím „indukova- ný“ proud ve vnitřním (střed- ním) vodiči kabelu. Vazební admitance Y T, příp. vazební kapacita stínění C T, není veličina jednoznačná. charakterizuje průnik zbytkového (parazitního) elektrického pole pletením stínicího pláště koaxiálního kabelu do jeho vnitřního prostoru. Je duální veličinou k vazební impedanci Z T.