PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ

Prezentace na téma: "PŘENOSU RUŠIVÝCH SIGNÁLŮ"— Transkript prezentace:

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

2 Způsoby potlačení parazitní vazby zemní smyčkou
Poznámka Zapojení Oddělovací transformátor Zemní smyčka je galvanicky rozpoje-na. Zbytková parazitní vazba existuje pouze na vyšších kmitočtech přes rozptylové kapacity C transformátoru. Vazbu přes rozptylové kapacity C transformátoru lze zmenšit zařaze-ním stínicího „bočníku“ pro rušivý proud mezi primární a sekundární vinutí transformátoru. 2

3 Poznámka Zapojení Vedení s útlumovým pláštěm Elektromechanické relé
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. 3

4 Poznámka Zapojení Optočlen Optický kabel, optická linka
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. 4

5 Parazitní kapacitní vazba Kapacitní vazba galvanicky oddělených obvodů
Vyvážení kapacitního můstku, např. C13  C23 a C14  C24  zkroucení obou párů vodičů (vodiče 1 a 2 a rovněž vodiče a 4), příp. aspoň rušeného vedení, tj. vodičů 3 a 4. 5

6 C34 >> C13 a C34 >> C24
Použití oboustranného stínění C34 >> C13 a C34 >> C24 6

7 Zásady zmenšení tohoto druhu parazitní kapacitní vazby
Co největší kapacita C32 , která na vstupu ovlivňovaného obvodu omezuje velikost přeneseného rušivého napětí (např. těsným při-blížením či zkroucením vodiče 3 se vztažným vodičem 2. Rychlost časových změn všech napětí (signálů) v obvodu u /t omezit na minimální možnou hodnotu, postačující ke správné činnosti daného obvodu. Nízkoohmové impedanční poměry v navázaném (ovlivňovaném) obvodu, tedy hodnotu R32 udržovat minimální. Zmenšit parazitní vazební kapacitu C13 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. 7

8 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. 8

9 Kapacitní vazba vůči zemi
vyvolaná velkou kapacitou např. přívodů obvodu vůči společné zemi 9

10 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 . 10

11 Způsoby omezení induktivní vazby
c) b) d) a) omezení induktivní vazby pomocí závitu K nakrátko; b) kompenzace induktivní vazby zkroucením vodičů obvodu přijímače; c) minimalizace vazby kolmým natočením vazebních smyček; d) minimalizace vazby stíněním obvodu přijímače. 11

12 Parazitní vazba vyzařováním elektromagnetické stínění
[V/m ; kW , km] Účinná ochrana  elektromagnetické stínění 12

13 ZPŮSOBY OMEZOVÁNÍ RUŠENÍ ODRUŠOVACÍ PROSTŘEDKY
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 13

14 L [dB] = U20 [dBμV] – U2 [dBμV]
Základním parametrem každého odrušovacího prvku, filtru, příp. stínicího krytu je vložný útlum L U2 U20 L [dB] = U20 [dBμV] – U2 [dBμV] 14

15 Odrušovací tlumivky 15

16 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. 16

17 Odrušovací kondenzátory (kondenzátorové filtry)
17

18 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 18

19 Odrušovací filtry LC 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 ZS a napájecího vstupu zařízení ZZ). Neurčitost těchto impedancí působí znač-né obtíže při návrhu a provozu síťových odrušovacích filtrů. 19

20 Volba základní struktury síťového filtru
podle velikostí zátěžových impedancí ZS a ZZ 20

21 Základní struktury síťových odrušovacích filtrů LC
Výchozí půlčlánek L typu dolní propust Sestavení základního článku T Sestavení základního článku  21

22 Sestavení dvojitých článků T a P
22

23 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 23

24 Hrubé přepěťové ochrany
Plynem plněné výbojky (bleskojistky) s elektrodami v keramickém či skleněném pouzdru naplněném vzácným plynem (argon, neon) pod slabým tlakem. Vysoká přesnost a reprodukovatelnost výboje. 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 24

25 Statická V-A charakteristika bleskojistky
Izolační odpor mezi elektrodami v „nezapáleném“ stavu je větší než 1010 , vlastní kapacita bleskojistky je menší než 10 pF. Přesáhne-li napětí hodnotu tzv. zápalného napětí UZ (desítky V až několik kV), dojde k „zapálení“ výbojky a její odpor prudce klesne až o deset řádů. doutnavý výboj obloukový výboj 25

26 Velikost zápalného napětí UZ bleskojistky závisí silně na strmosti časového nárůstu přicházejícího napěťového impulzu du/dt. Statické zapalovací napětí UZstat je definováno pro nárůst napětí pomalejší než V/s a jeho typické hodnoty jsou cca 90 ÷ 1200 V. Dynamické zapalovací napětí bleskojistky je definováno pro nárůst napěťového impulzu du/dt = 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 26

27 ELEKTROMAGNETICKÉ STÍNĚNÍ
Teoretické řešení neomezeně rozlehlá stínicí přepážka z dobře vodivého kovu kolmý dopad rovinné elektromagnetické vlny (nejhorší případ) ELEKTROMAGNETICKÉ STÍNĚNÍ Koeficient stínění nebo 27

28 Efektivnost (účinnost) stínění
(útlum stínění) – Shielding Effectiveness [dB] příp. konstanta šíření (vlnové číslo) rovinné elektromagnetické vlny ve vodivém prostředí stínicí přepážky charakteristická impedance volného prostředí před a za stínicí přepážkou charakteristická impedance vodivého prostředí kovové přepážky 28

29 Útlum odrazem R vzniká vlivem částečného odrazu energie vlny na impedančním rozhraní mezi vzduchem (dielektrikem) s impedancí Z0 a kovovou stěnou přepážky s impedancí ZM a rovněž na „výstupním“ rozhraní mezi kovovou stěnou ZM a dielektrikem (vzduchem) Z0 : Při Z0 >> ZM je  Útlum odrazem nezávisí na tloušťce t stínicí kovové stěny  účinné stínění lze vytvořit z tenké, ale vysoce vodivé (Z0 >> ZM ) přepážky. 29

30 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] Hloubka vniku elektromagnetického pole do kovového materiálu  Absorpční útlum roste s druhou odmocninou kmitočtu na dB stupnici. Vodivé feromagnetické materiály (m r >> 1) mají přitom větší absorpční útlum než stejně vodivé nemagnetické materiály. 30

31 Útlum vlivem mnohonásobných odrazů M
vzniká díky opakovaným odrazům na vstupu a výstupu stínicí kovové přepážky : Je-li stínění z dobře vodivého kovu (Z0 >> ZM) a jeho tloušťka t je podstatně větší než hloubka vniku (t >> d ), je M » 0 dB a vliv mnohonásobných odra-zů na celkové stínění lze zanedbat.  31

32 Celková účinnost stínění
Útlum odrazem R je funkcí poměru  /m r , zatímco absorpční útlum A je funkcí součinu těchto veličin s .m 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 m r >> 1. Na nízkých kmitočtech, kdy hloubka vniku d >> t , příp. u velmi tenkých stínicích přepážek ( t << d ) 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. 32

33 Kmitočtový průběh jednotlivých složek účinnosti stínění
měděné desky o tloušťce t = 1 mm 33

34 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 << d ).  Přístrojové a počítačové stínicí „kryty“ vytvořené napařením či naprášením velmi tenkého kovového povlaku na vnitřní povrch nekovové (plastové) přístrojové skříně. 34

35 35

36 Účinnost stínění v blízké zóně elmag. pole
vzdálená zóna r >> l / 2p  Z0  f ( r ) = konst. blízká zóna r << l / 2p  Z0 = f ( r )  konst. Blízké elektrické pole – blízké pole elektrického dipólu > R Stínění elektrického pole je účinnější než stínění rovinné vlny. Účinnost stínění RE roste se zmenšující se vzdáleností zdroje od stínicí přepážky a je větší pro nemagnetické (m r » 1) než magnetické (m r >> 1) materiály. 36

37 Blízké magnetické pole – blízké pole magnetického dipólu (proudové smyčky)
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 RH velmi malá a nijak nepřispívá k celkové účinnosti stínění SE = RH + 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. 37

38 blízké elektrické pole
blízké magnetické pole Kmitočtový průběh složek účinnosti stínění blízkého elektromagnetického pole 38

39 39

40 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). 40

41 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 > 2a) s jedním či více kruhovými otvory na kmitočtech „hluboko“ pod mezním kmitočtem, tj. f << fm  m = 3,41• a 41

42 Stínění krytu s pravoúhlou štěrbinou (při její nejhorší orientaci)
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 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 << c / 2l. 42

43 Průchody v kovovém stínění na principu „podkritického“ vlnovodu
(zavedení kabelů či mechanických ovládacích prvků do vnitřku stíněného prostoru, zajištění jeho větrání či denního osvětlení) Základní provedení Průchod s dielektrickým průvlakem Průchod s kovovým průvlakem Galvanický (pérový) kontakt 43

44 Větrací a průchodkové sekce stínicích krytů
honeycomb vents 44

45 Hodnota výsledné účinnosti stínění SE desky je na nízkých kmitočtech (stovky Hz a jednotky kHz) dán útlumem odrazem blízkého magnetic-kého pole RH , na středních kmitočtech (cca 10 kHz ÷ 1 MHz) konečným útlumem vlnovodových průchodek A0 a v oblasti vysokých kmitočtů (MHz) klesajícím útlumem větracích otvorů R0 . Na velmi nízkých kmito-čtech (v oblasti Hz) je stínění nevyhovující vlivem mnohonásobných odrazů procházejících vln M . 45

46 Vznik nežádoucích štěrbin
při spojení částí stínicího krytu „na tupo“  nevhodné 46

47 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 47

48 Hodnocení elektromagnetického stínění dle orientačních hodnot SE
48

49 Zásady správné konstrukce
elektromagneticky stíněných krytů SOUHRN chybná konstrukce z hlediska EMC zlepšená konstrukce pro vyšší účinnost stínění 49

50 50

51 Stínění koaxiálních kabelů
je nejčastěji charakterizováno tzv. vazební (přenosovou) impedancí (angl. Transfer Impedance) ZT . Protéká-li po vnější straně stínicího pláště koaxiálního kabelu rušivý proud Ir , vzniká na vnitřním povrchu pláště podélný úbytek napětí Ur . 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 ZT stínění kabelu pro délku kabelu l << l / 4 na pracovním kmitočtu. 51

52 Vazební impedance ZT je silně kmitočtově závislá.
Plný (kompaktní) stínicí plášť : R0 je ss. hodnota odporu pláště na jednotku délky Pletený stínicí plášť : 52

53 Koaxiální kabely s dvojitým stíněním
(triaxiální kabely) Srovnání velikostí vazebních impedancí jednoduchého a dvojitého stínění Vodivě spojeno v bodě A  Vodivě rozpojeno v bodě A  53

54 Komerčně vyráběné koaxiální kabely
jednoduché pletené stínění dvojité pletené spojené stínění dvojité pletené izolované stínění (triaxiální kabel) jednoduché kompaktní stínění pletené a kompaktní stínění jednoduché vinuté stínění 54

55 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. 55

56 Spojení stínicího pláště kabelu a konektoru
nesprávné správné 56

57 Vazební impedance některých typů koaxiálních konektorů
Vazební impedance koaxiálních konektorů Vazební impedance některých typů koaxiálních konektorů 57

58 Přenosová (vazební) admitance
(angl. Transfer Admittance) YT charakterizuje průnik zbytkového (parazitního) elektrického pole pletením stínicího pláště koaxiálního kabelu do jeho vnitřního prostoru. Je duální veličinou k vazební impedanci ZT . U2 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 YT , příp. vazební kapacita stínění CT , není veličina jednoznačná. 58