1 E M C

2 Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je schopnost zařízení, systému či přístroje vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž působí jiné zdroje elektromagnetických signálů (přírodní či umělé), svou vlastní „elektromagnetickou činností“ nepřípustně neovlivňovat své okolí, tj. neprodukovat signály, jež by byly nepřípustně rušivé pro jiná zařízení (technická či biologická). svou vlastní „elektromagnetickou činností“ nepřípustně neovlivňovat své okolí, tj. neprodukovat signály, jež by byly nepřípustně rušivé pro jiná zařízení (technická či biologická). a současně

3 ElectroMagnetic Compatibility EMC EMC ElektroMagnetische Verträglichkeit EMV EMV ЭлектроМагнитная Совместимость ЭMC ЭлектроМагнитная Совместимость ЭMC

4 Historie EMC  Vznik v šedesátých letech minulého století v USA.  Dlouhou dobu (10 až 15 let) předmětem zájmu jen odborníků ve vojenském a kosmickém průmyslu.  V sedmdesátých a osmdesátých letech postupný přesun zájmů i do všech oblastí civilního života. Hlavní důvody:  prudký rozvoj mikroprocesorové techniky (PC)  rozvoj celosvětových elektronických komunikací (zejména celoplošných – mobilních, satelitních)  Dnes je EMC neoddělitelnou součástí všech oblastí života (důvody technické, zdravotní, bezpečnostní a ekonomické)  Vznik v šedesátých letech minulého století v USA.  Dlouhou dobu (10 až 15 let) předmětem zájmu jen odborníků ve vojenském a kosmickém průmyslu.  V sedmdesátých a osmdesátých letech postupný přesun zájmů i do všech oblastí civilního života. Hlavní důvody:  prudký rozvoj mikroprocesorové techniky (PC)  rozvoj celosvětových elektronických komunikací (zejména celoplošných – mobilních, satelitních)  Dnes je EMC neoddělitelnou součástí všech oblastí života (důvody technické, zdravotní, bezpečnostní a ekonomické)

5 Důvody pro respektování EMC  Velké a trvale stoupajícího množství elektrických a elektro- nických zařízení a spotřebičů od druhé poloviny 20. století.  Stále se rozšiřující využívané spektrum EM signálů v kmi- točtových pásmech prakticky od 0 Hz do stovek GHz.  Různá elektrická zařízení pracují na velmi odlišných úrovních výkonu; maximální poměr těchto výkonů může dosáhnout až 10 20, tj. 200 dB.  Velké a trvale stoupajícího množství elektrických a elektro- nických zařízení a spotřebičů od druhé poloviny 20. století.  Stále se rozšiřující využívané spektrum EM signálů v kmi- točtových pásmech prakticky od 0 Hz do stovek GHz.  Různá elektrická zařízení pracují na velmi odlišných úrovních výkonu; maximální poměr těchto výkonů může dosáhnout až 10 20, tj. 200 dB.  velmi vysoká pravděpodobnost vzájemného rušení 

6 Vzájemný vztah elektromagnetické kompatibility a spolehlivosti Vzájemný vztah elektromagnetické kompatibility a spolehlivosti H. M. Schlicke (1968) Systém sám o sobě může být dokonale spolehlivý – bude však prakticky bezcenný v provozu, pokud současně nebude elektromagneticky kompatibilní. Spolehlivost a elektromagnetická kompatibilita jsou neoddělitelné požadavky na systém, který má fungovat v každé době a za všech okolností. H. M. Schlicke (1968) Systém sám o sobě může být dokonale spolehlivý – bude však prakticky bezcenný v provozu, pokud současně nebude elektromagneticky kompatibilní. Spolehlivost a elektromagnetická kompatibilita jsou neoddělitelné požadavky na systém, který má fungovat v každé době a za všech okolností.

7  Zničení stíhacího letounu Tornado v roce Příči- nou bylo rušení elektronic- kého řídicího systému letad- la elmag. vlněním. Letadlo letělo v malé výšce nad vy- sílačem velkého výkonu v Holkirchenu u Mnichova. V důsledku selhání automatic- kého systému řízení se zřítilo. Hmotná škoda byla 100 miliónů marek. Příklady nedodržení EMC a jejich důsledků

 Potopení britského křižníku Sheffield v r během falk- landské války. Příčinou bylo ne- dodržení EMC mezi komunikačním zařízením lodi a jejím protiletadlo- vým rádiovým obranným systémem pro rušení cílové navigace nepřá- telských raket. Systém působil tak velké rušení rádiové komunikace, že musel být během rádiového spojení lodi s velitelstvím ve Velké Británii vypínán. A právě v takovém okamžiku odpálilo argentinské stíhací letadlo raketu Exocet, která křižník potopila. Křižník za několik miliard liber byl zničen, dvacet lidí přišlo o život.

9  Havárie rakety typu Persching II v SRN v důsledku elektrosta- tického výboje. Při převozu rakety byl její pohon neúmyslně od- pálen elektrostatickou elektřinou z okolní bouřky.  Vyřazení systému dálkového přenosu dat na vesmírné stanici SpaceLab. Systém byl vyřazen z provozu napěťovým pulzem, který vznikl po zapnutí elektrického vysavače. Vysavač nebyl testován na EMC a přesto se ocitl na palubě kosmické stanice.  Havárie v hutích v USA v roce Příčinou havárie bylo rušení mikroprocesorového systému řízení jeřábu přenášejícího licí pá- nev s tekutou ocelí příruční vf. vysílačkou. Pánev se předčasně převrhla a rozžhavený kov zabil jednoho dělníka a čtyři další zranil.

10  Havárie v cukrovaru Mělník po instalaci odstředivek s tyristo- rovými měniči o výkonu 200 kW. Po jejich připojení k napájecí síti 22 kV vzniklo takové kolísání a deformace napájecího napětí, že nastal skupinový výpadek sítě aktivací napěťových ochran. Přitom zhoršení kvality napájecí sítě vyvolaly samy měniče, které byly připojeny na síť přímo bez filtrace. Vznikla tak paradoxní situace, kdy zdroj rušení se nakonec stal svou vlastní obětí.  Intenzivní rušení zcela přerušilo rádiové spojení na lodích Lab- ské plavby na kmitočtech 1 ÷ 2 MHz a v dolech na Ostravsku, kde byla navíc narušena i funkce havarijního vypínání důlního kom- bajnu. Zdrojem rušení byl tyristorový měnič (část pohonu kombaj- nu), na lodích byl zdrojem rušení mikroprocesorový řídicí systém.

11  Havárie ve zdravotnických zařízeních. Diagnostická souprava na jednotce intenzivní péče monitorovala životní funkce připoje- ných pacientů. Spínání okolních spotřebičů však vyvolávalo v kardioskopu přídavné pulzy, které byly vyhodnocovány jako nesynchronní tep srdce. Navíc vadný startér blízké zářivky vyvolával hlášení překročení meze tepů a blokoval měření. Celá souprava musela být vyměněna za jiný systém od jiného výrobce, splňující požadavky EMC.  Rušení záznamu EKG. V pražské poliklinice vykazoval záznam zapisovače EKG silné náhodné „škubání“, což zdánlivě indikovalo kritický stav pacienta. Po užití odrušovacích prostředků byl v tomto jevu identifikován záznam morseovky. Ukázalo se, že jde o krátko- vlnné vysílání ministerstva dopravy, které mělo anténu 150 m od polikliniky. „Porucha“ byla odstraněna až úplným odstíněním místnosti EKG a užitím elektrokardiografu odolného proti rušení.

12  Rušení televizního příjmu amatérské a občanské vysílání (CB) domácí spotřebiče (vysoušeč vlasů, holicí strojek, vrtačka) elektrický zvonek blízký FM vysílač blízký osobní počítač a jeho kabeláž elektrické otevírání garáže, bezdrátový zvonek apod.

13 E M C biologických systémů technických systémů  Cílem je posouzení vlivu EM polí na živé organizmy, zejména na člověka   Cílem je výzkum vzájemného působení a zajištění koexistence technických prostředků, přístrojů a zařízení. 

14 EMC biologických systémů Tepelné účinky – ohřev biologických tkání vystavených účinkům EM pole (velké intenzity). Netepelné účinky –déle trvající expozice polí s rela- tivně nízkou výkonovou úrovní. Potenciální vliv na centrální ner- vový systém, imunitní systém, krevní oběh, příp. genetické a karcinogenní účinky. Dlouhodobé výzkumy – velké rozdíly v interpretaci účin- ků na organizmus Dva druhy účinků EM polí na živé organizmy:  tvorba tzv. hygienických norem

Nejvyšší přípustné hodnoty indukovaných proudů, absorbovaných výkonů a hustoty ozáření podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví ČR č. 1/2008 Sb. Nejvyšší přípustné hodnoty indukovaných proudů, absorbovaných výkonů a hustoty ozáření podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví ČR č. 1/2008 Sb. 15 Vyhláška 1/2008 určuje rovněž způsoby, jimiž se splnění uvedených podmínek zjišťuje a vyhodnocuje.

Pro nejvytíženější kmitočtové pásmo 100 kHz – 10 GHz je mez SAR ( S pecific A bsorption R ate – měrný pohlcený vý- kon ) 0,4 W / kg pro zaměstnance pracující s vf. zařízeními a 0,08 W / kg pro ostatní osoby (pro obyvatelstvo). Tyto meze nesmí být překročeny při expozici (době působení) delší než 6 minut. V případě expozice jen malé části těla (např. působení mobilních telefonů) se meze SAR zvyšují na 16 Nejcitlivějším orgánem jsou oči, kde neprobíhá dostatečné chlazení krevním prouděním a může dojít např. k zákalu. 10 W / kg pro zaměstnance (20 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky), 10 W / kg pro zaměstnance (20 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky), 2 W / kg pro ostatní osoby (4 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky). 2 W / kg pro ostatní osoby (4 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky). 10 W / kg pro zaměstnance (20 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky), 10 W / kg pro zaměstnance (20 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky), 2 W / kg pro ostatní osoby (4 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky). 2 W / kg pro ostatní osoby (4 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky).

17 SAR mobilních telefonů Typ SAR [W/kg] Typ SAR [W/kg] Nokia ,19 Siemens M35i 1,14 Siemens S35i 0,99 Nokia ,81 Nokia ,72 Ericsson T18s 0,61 Nokia ,22 Typ SAR [W/kg] Typ SAR [W/kg] Nokia ,19 Siemens M35i 1,14 Siemens S35i 0,99 Nokia ,81 Nokia ,72 Ericsson T18s 0,61 Nokia ,22 Prakticky žádný dnešní telefon normu nepřekračuje. Hodnotu SAR lze snížit pomocí planárních integrovaných antén, které jsou na zadní straně krytu telefonu a vyzařují pouze směrem od hlavy (na rozdíl od vnějších antén, kde se v hlavě pohlcovalo až 50 % výkonu.

18 EMC technických systémů Základní řetězec EMC a příklady jednotlivých oblastí EM procesy v atmosféře elektrostatické výboje motory, spínače, relé energetické rozvody polovodičové měniče zářivky, pece, svářečky domácí spotřebiče rozhlasové a TV vysílače počítače, číslicové systémy EM procesy v atmosféře elektrostatické výboje motory, spínače, relé energetické rozvody polovodičové měniče zářivky, pece, svářečky domácí spotřebiče rozhlasové a TV vysílače počítače, číslicové systémy vzdušný prostor zemnění energetické kabely napájecí vedení stínění signálové vodiče datové vodiče společná napájecí síť vzdušný prostor zemnění energetické kabely napájecí vedení stínění signálové vodiče datové vodiče společná napájecí síť číslicová technika počítače měřicí přístroje automatizační prostředky telekomunikační systémy systémy přenosu dat rozhlasové přijímače televizní přijímače číslicová technika počítače měřicí přístroje automatizační prostředky telekomunikační systémy systémy přenosu dat rozhlasové přijímače televizní přijímače   Zdroj elmag. rušení Přenosové prostředí, elmag. vazba   Rušený objekt, přijímač rušení

19 Základní členění problematiky EMC  příčiny rušení vznik a šíření rušivých signálů  příčiny rušení vznik a šíření rušivých signálů  důsledky rušení ochrana zařízení před rušením  důsledky rušení ochrana zařízení před rušením

20 Různé aspekty problematiky EMC ●silnoproudou a výkonovou elektrotechniku a elektroenergetiku, ●rádiovou komunikaci a telekomunikaci, ●informační techniku včetně softwarového inženýrství, ●měřicí a automatizační techniku, ●analogovou, číslicovou a mikroprocesorovou techniku včetně návrhu desek plošných spojů z hlediska EMC, ●techniku antén, šíření a příjmu elektromagnetických vln, ●vysokofrekvenční a mikrovlnnou techniku, ●lékařskou elektroniku, automobilovou a spotřební elektroniku, ●mikroelektroniku a další. ●silnoproudou a výkonovou elektrotechniku a elektroenergetiku, ●rádiovou komunikaci a telekomunikaci, ●informační techniku včetně softwarového inženýrství, ●měřicí a automatizační techniku, ●analogovou, číslicovou a mikroprocesorovou techniku včetně návrhu desek plošných spojů z hlediska EMC, ●techniku antén, šíření a příjmu elektromagnetických vln, ●vysokofrekvenční a mikrovlnnou techniku, ●lékařskou elektroniku, automobilovou a spotřební elektroniku, ●mikroelektroniku a další. EMC je oborem výrazně systémovým a aplikačním. Problematika EMC v sobě slučuje vědní, technické a aplikační poznatky prakticky ze všech oblastí elektrotechniky a elektroniky:

21 ● Měření elektromagnetické interference (EM rušení) ● měření EM rušení na vedení (napájecím, datovém aj.), ●měření EM rušení vyzařovaného zařízením do okolí, ●kontrola vyzařování prototypů a osazených desek plošných spojů. ● Testování elektromagnetické odolnosti (imunity) ●odolnost vůči poklesům a přerušení napájecího napětí, ●odolnost vůči rychlým elektrickým přechodným jevům (burst), ●odolnost vůči elektrostatickým výbojům (ESD), ●odolnost vůči rázovým vysokoenergetickým impulzům (blesk), ●odolnost vůči magnetickým polím (spojitým, pulzním), ●odolnost vůči silným elektromagnetickým polím. ● Měření elektromagnetické interference (EM rušení) ● měření EM rušení na vedení (napájecím, datovém aj.), ●měření EM rušení vyzařovaného zařízením do okolí, ●kontrola vyzařování prototypů a osazených desek plošných spojů. ● Testování elektromagnetické odolnosti (imunity) ●odolnost vůči poklesům a přerušení napájecího napětí, ●odolnost vůči rychlým elektrickým přechodným jevům (burst), ●odolnost vůči elektrostatickým výbojům (ESD), ●odolnost vůči rázovým vysokoenergetickým impulzům (blesk), ●odolnost vůči magnetickým polím (spojitým, pulzním), ●odolnost vůči silným elektromagnetickým polím. Problematika měření a praktického posouzení EMC je pro konečné posouzení EMC daného zařízení rozhodující.

22 Měřicí a testovací pracoviště EMC – zkušebny EMC Od testování EMC na čipu mikroelektronických obvodů a elektronických součástek Od testování EMC na čipu mikroelektronických obvodů a elektronických součástek přes testování přístrojů a elektrických zařízení,

měření EM vyzařování a testování EM odolnosti automobilů a dalších dopravních prostředků, strojů a vozidel, 23

až po testy EMC vojenské techniky, letadel a kosmických sond. 24

25 Tři největší zkušebny EMC v České republice EZÚ – Elektrotechnický zkušební ústav Praha Český metrologický institut Praha – laboratoř 0221 TESTCOM VTÚPV – Vojenský technický ústav pozemního vojska Vyškov

●Např. v Evropě je splnění příslušných tzv. harmonizovaných evropských no- rem (a to nejen norem EMC) deklarová- no značkou C onformité E uropéenne. 26 ●Postupné vytváření závazných právních a technicko-normativních dokumentů – norem EMC s celosvětovou, příp. evropskou platností. Jen tak budou vytvořeny předpoklady k zamezení nežádoucích EM emisí a zvyšování odolnosti zařízení a systémů proti „EM agresivitě“ prostředí. Legislativa EMC – tvorba norem a předpisů EMC se s postupující globalizací, volným pohybem zboží a tvorbou celo- světového trhu stává stále důležitější. Je nutno stanovit jednotné normy a meze přípustných hodnot rušivých signálů pro určitý typ zařízení, přesné a reprodukovatelné podmínky pro jejich měření a ověřování odolnosti.

27 Mezinárodní normalizace a standardizace v oblasti EMC má i své dalekosáhlé ekonomické aspekty a důsledky. Bez proka- zatelného splnění příslušných norem EMC nelze elektrotechnické výrobky exportovat do daných zemí. ● Směrnice Rady EU č. 2004/108/EC stanoví obecné požadavky EMC pro uvedení přístroje či zařízení na evropský trh. Bez jejich splnění a jeho závazného prokázání je prodej zařízení (ale i jeho vystavení či reklama ) zakázán a finančně sankcionován. ●Zkušenosti ukazují, že otázkám EMC je nutno věnovat pozornost již při vývoji nového zařízení. Jen cca 10 % výrobků, při jejichž vývoji nebyly zásady EMC respektovány, vyhoví zkouškám EMC. Dodatečné úpravy jsou pak vždy značně nákladné. ●Optimální náklady na zajištění EMC obvykle činí asi 2 až 10 % celkových vývojových a výrobních nákladů (podle velikosti a rozsáhlosti zařízení). Je-li EMC sledována od samého počátku vývoje zařízení, lze náklady na ni snížit dokonce pod 1 %. ●Zkušenosti ukazují, že otázkám EMC je nutno věnovat pozornost již při vývoji nového zařízení. Jen cca 10 % výrobků, při jejichž vývoji nebyly zásady EMC respektovány, vyhoví zkouškám EMC. Dodatečné úpravy jsou pak vždy značně nákladné. ●Optimální náklady na zajištění EMC obvykle činí asi 2 až 10 % celkových vývojových a výrobních nákladů (podle velikosti a rozsáhlosti zařízení). Je-li EMC sledována od samého počátku vývoje zařízení, lze náklady na ni snížit dokonce pod 1 %.

28 Teritoriální rozdělení evropského trhu EMC Německo Anglie Francie Švýcarsko Itálie Benelux Skandinánské státy ostatní Evropa Podíl na evropském trhu [ % ]

Zastoupení hlavních uživatelských oblastí na evropském trhu EMC Zastoupení hlavních uživatelských oblastí na evropském trhu EMC 29 Letecký, kosmický a vojenský průmysl Elektronické zpracování dat Průmysl, lékařství Automobilový a spotřební průmysl Civilní sdělovací technika, komunikace Podíl na evropském trhu [ % ]

Podíly hlavních produktů na evropském trhu EMC 30 Filtry a odrušovací prostředky Stíněné a absorpční prostory Vodivé stínicí povlaky Testovací a měřicí přístroje Cejchovací přístroje a aparatury Vodivé těsnění Vodivé polymerní materiály Spojovací kabely a konektory Služby v oblasti EMC Ostatní Podíl na evropském trhu [ % ]

31 Speciální aspekty a oblasti nasazení EMC se vzhledem k univerzálnímu významu EMC stále rozrůstají. ● Vojenská a obranná oblast – jde o bojeschopnost složitých elektronických vojenských zařízení i v náročných bojových pod- mínkách a současně o vliv jejich elektromagnetické činnosti na okolní „civilní“ zařízení a systémy. Celá jedna oblast obrany státu, tzv. elektronický boj (včetně nově vyvíjených tzv. EM zbraní ) není z tohoto pohledu ničím jiným, než narušováním EMC protivníkových komunikačních a vojenských elektronických systémů. Vojenská pracoviště věnují problematice EMC velkou pozornost od samého jejího vzniku a mají obvykle „náskok“ před civilním sektorem. Vojenské normy EMC (MIL-STD) jsou přís- nější než odpovídající civilní předpisy. Celá jedna oblast obrany státu, tzv. elektronický boj (včetně nově vyvíjených tzv. EM zbraní ) není z tohoto pohledu ničím jiným, než narušováním EMC protivníkových komunikačních a vojenských elektronických systémů. Vojenská pracoviště věnují problematice EMC velkou pozornost od samého jejího vzniku a mají obvykle „náskok“ před civilním sektorem. Vojenské normy EMC (MIL-STD) jsou přís- nější než odpovídající civilní předpisy.

Aktuálnost ochrany dat vyvstala zejména s masovým rozvojem a nasazením výpočetní techniky. Problematika ochrany dat je klíčovou otázkou např. ve finanč- nictví, bankovnictví, průmyslovém výzkumu a vývoji, jaderné energetice, ale i diplomatických službách a jinde. Z technického pohledu EMC jde o tvorbu elektromagneticky „zabezpečených“ prostorů, tj. elektromagneticky stíněných místností, zajištění dokonalého odrušení a filtrace všech kabelových vstupů a vý- stupů (energetických i datových) a zvý- šení elektromagnetické odolnosti po- užitých informačních a komunikačních technologií Aktuálnost ochrany dat vyvstala zejména s masovým rozvojem a nasazením výpočetní techniky. Problematika ochrany dat je klíčovou otázkou např. ve finanč- nictví, bankovnictví, průmyslovém výzkumu a vývoji, jaderné energetice, ale i diplomatických službách a jinde. Z technického pohledu EMC jde o tvorbu elektromagneticky „zabezpečených“ prostorů, tj. elektromagneticky stíněných místností, zajištění dokonalého odrušení a filtrace všech kabelových vstupů a vý- stupů (energetických i datových) a zvý- šení elektromagnetické odolnosti po- užitých informačních a komunikačních technologií 32 ● Elektronická bezpečnost, zachování a ochrana, příp. utajení (citlivých) dat před elektromagnetickým únikem a zcizením.  program TEMPEST ? TEMPEST

33 ● Automobilová EMC – aplikace zásad EMC v automobilovém, příp. dopravním průmyslu. Obrovský nárůst počtu elektrických a elektronických subsystémů a bloků v každém automobilu, vlaku, lodi a dalších dopravních prostředcích. Jde přitom nejen o elektrotechniku a elektroniku ve vlastním pohonném, ovládacím a řídicím systému dopravního pro- středku, ale též o elektronické komunikační, navigační, infor- mační, bezpečnostní a zábavní prostředky v něm vestavěné. Očekává se, že v roce 2010 bude cena tohoto elektronického vybavení středního automobilu tvořit více než 30 % celkové ceny vozidla. Zajištění EMC vozidel je dnes velmi významným faktorem i z hlediska bezpečnosti dopravy a všech jeho účast- níků. Problematika automobilové EMC byla do le- gislativy EU a dalších evropských (nečlenských) zemí plně zahrnuta od roku Obrovský nárůst počtu elektrických a elektronických subsystémů a bloků v každém automobilu, vlaku, lodi a dalších dopravních prostředcích. Jde přitom nejen o elektrotechniku a elektroniku ve vlastním pohonném, ovládacím a řídicím systému dopravního pro- středku, ale též o elektronické komunikační, navigační, infor- mační, bezpečnostní a zábavní prostředky v něm vestavěné. Očekává se, že v roce 2010 bude cena tohoto elektronického vybavení středního automobilu tvořit více než 30 % celkové ceny vozidla. Zajištění EMC vozidel je dnes velmi významným faktorem i z hlediska bezpečnosti dopravy a všech jeho účast- níků. Problematika automobilové EMC byla do le- gislativy EU a dalších evropských (nečlenských) zemí plně zahrnuta od roku 1995.

34 EMC vozidel EMC vozidla jako celku včetně nutných pevně zabudovaných elektrických pohonných, ovládacích, příp. řídicích komponent EMC komponent a subsystémů určených pro volitelné zabudování do vozidla ESA E lectronic S ub - A ssembly ESA Testování ESD odolnosti airbagu

35 ● Medicínská EMC – elektromagnetická kompatibi- lita lékařských diagnostických a terapeutických přístrojů a implantovaných zařízení. ● Ochrana, řízení a management elek- tromagnetického spektra – regulace využití kmitočtového spektra jakožto formy přírodního bohatství, přidělování a regulace obsazenosti kmitočtových pásem a jednotlivých služeb v nich. ● EMC ve fotonice a nanotechnologiích – rozšiřování působnosti EMC do oblasti optických a fotonických systémů a do oblastí submikronových technologií. ●... a další, nově vznikající speciální oblasti EMC

36 Základní pojmy EMC Mezinárodní elektrotechnický slovník ČSN IEC 50 kapitola 161 „Elektromagnetická kompatibilita“ Mezinárodní elektrotechnický slovník ČSN IEC 50 kapitola 161 „Elektromagnetická kompatibilita“ mez vyzařování mez odolnosti rezerva EMC

37 Skutečně EMC potřebujeme ? Zkusme ji určitou dobu ignorovat a.... Zkusme ji určitou dobu ignorovat a.... brzy nám přestane správně fungovat většina elektrotechnických a elektronických přístrojů, zařízení a systémů nemluvě o nekontrolovaném vlivu elektromagnetických signálů na živé organizmy. Zkusme ji určitou dobu ignorovat a.... Zkusme ji určitou dobu ignorovat a.... brzy nám přestane správně fungovat většina elektrotechnických a elektronických přístrojů, zařízení a systémů nemluvě o nekontrolovaném vlivu elektromagnetických signálů na živé organizmy.

38 RUŠIVÉ SIGNÁLY A JEJICH ZDROJE impulzní (mžikové) spojitékvazi-impulzní spojitékvazi-impulzní přírodní (přirozené) umělé (technické), tzv. „man made noise“ přírodní (přirozené) umělé (technické), tzv. „man made noise“  funkční nefunkční (parazitní, nežádoucí) funkční  úzkopásmovéširokopásmovéúzkopásmovéširokopásmové  nízkofrekvenční vysokofrekvenční (rádiové) nízkofrekvenční  

39 Impulzní (mžikové) a spojité rušení dle ČSN EN Impulzní (mžikové) a spojité rušení dle ČSN EN Jednorázová mžiková porucha b) jako seskupení jednotlivých impulzů netrvající déle než 200 ms a) jako nepřerušená řada impulzů s dobou trvání kratší než 200 ms Další porucha následuje až po době delší než 200 ms.

40 jedna mžiková porucha delší než 200 ms, Nespojité rušení: dvě mžikové poruchy v intervalu 2 s vzdálené o více než 200 ms Spojité rušení: dvě mžikové poruchy ve vzájemném odstupu menším než 200 ms, více než dvě mžikové poruchy v intervalu 2 s.

41  Úzkopásmové rušení je produkováno zejména „užitečnými“ signály rozhlasových a televizních vysílačů.  Širokopásmové rušení produkuje většina průmyslových rušivých signálů (spojitých, impulzních či kvazi-impulzních). Rovněž všechna přírodní rušení jsou svou podstatou širokopásmová.  Úzkopásmové rušení je produkováno zejména „užitečnými“ signály rozhlasových a televizních vysílačů.  Širokopásmové rušení produkuje většina průmyslových rušivých signálů (spojitých, impulzních či kvazi-impulzních). Rovněž všechna přírodní rušení jsou svou podstatou širokopásmová. Úzkopásmové a širokopásmové rušení Zdroj rušivých signálů Kmitočtové pásmo Způsob šíření zářivka zářivka 0,1 Hz ÷ 3 MHz 100 Hz ÷ 3 MHz po vedení prostorem rtuťová výbojka 0,1 Hz ÷ 1 MHzpo vedení kolektorové motory 2 Hz ÷ 4 MHz 10 Hz ÷ 400 kHz po vedení prostorem síťové vypínače 0,5 Hz ÷ 25 MHzpo vedení výkonové spínače výkonové spínače 10 Hz ÷ 20 MHz 0,1 Hz ÷ 20 MHz po vedení prostorem spínané síťové zdroje spínané síťové zdroje 0,1 Hz ÷ 30 MHz po vedení prostorem koronový výboj 0,1 Hz ÷ 10 MHzpo vedení klopné obvody 15 kHz ÷ 1000 MHzprostorem

42 Nízkofrekvenční a vysokofrekvenční rušení  Nízkofrekvenční rušení  energetické (do 2 kHz); deformace napájecího napětí energetických sítí.  akustické (do 10 kHz); ruší přenosové a komunikační systémy.  Vysokofrekvenční (rádiové) rušení od 10 kHz do 400 GHz; zahrnuje prakticky všechny existující interferenční zdroje.  Nízkofrekvenční rušení  energetické (do 2 kHz); deformace napájecího napětí energetických sítí.  akustické (do 10 kHz); ruší přenosové a komunikační systémy.  Vysokofrekvenční (rádiové) rušení od 10 kHz do 400 GHz; zahrnuje prakticky všechny existující interferenční zdroje. Klasifikace rušení podle způsobu šíření  rušení šířené vedením (napájecím, signálovým, datovým atd.)  rušení šířené vyzařováním (prostorem).  rušení šířené vedením (napájecím, signálovým, datovým atd.)  rušení šířené vyzařováním (prostorem).

Protifázové rušivé signály – proudy i p a napětí u p (symetrická rušivá napětí, differential mode voltages) se projevují mezi jednotlivými vodiči vedení navzájem, tj. jsou přímo superponovány na užitečné (pracovní) napájecí či datové proudy a napětí na přenosovém vedení. Proudy i p mají v jednotlivých vodičích vedení stejný směr jako užitečné proudy, proti- fázové napětí u p působí přímo na impedanci užitečné zátěže. i pi pi pi p u pu pu pu p 43 Klasifikace rušivých signálů na vedení Soufázové rušivé signály – proudy i s a napětí u s (nesymetrická rušivá napětí, common mode voltages) se projevují mezi jednotlivými vodiči ve- dení a společnou zemí (společným zemním vodičem). Proudy i s1 a i s2 mají v jednotlivých vodičích vedení stejný směr a uzavírají se „přes“ společnou zem průtokem parazitními kapacitami C z. Vlivem nesymetrie systému část soufázového rušivého napětí u s1 – u s2 působí přímo na impedanci Z z. u s1 i s1 i s2 u s2 i s1 + i s2

44  Rušivá napětí v energetické napájecí síti Průmyslová rušení Impulzní Impulzní ● atmosférický výboj ● elektrostatický výboj ● spínání zátěže ● spínání kondenzátorů ● ztráta dat ● možná poškození ● výpadky systémů 1 Oscilační Oscilační ● spínání induktivní či kapacitní zátěže ● přepínání vedení či kabelů ● spínání kondenzátorů ● ferorezonance ● ztráta dat ● možná poškození ● namáhání izolací 2 Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Možné důsledky

45 Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Možné důsledky Periodické pulzní rušení ● řízené pohony ● obloukové pece ● fázové regulátory ● spínané zdroje ● ztráta dat ● výpadky systémů 4 Šum ● poškozené zařízení ● nekvalitní uzemnění ● blízkost vf. zdroje ● impulzní usměrňovače ● ztráta dat ● výpadky systémů 5 Harmonické a meziharmonické složky ● nelineární zátěže ● systémové rezonance ● frekvenční měniče ● poškozené zařízení ● oblouková technika ● přehřívání trans- formátorů, motorů, kabelů ● výpadky systémů ● blikání světel ● komunikační interference 3

46 Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Možné důsledky Pokles napájecího napětí ● připojování zátěží ● start motoru ● systémové poruchy ● zkraty v síti ● výpadky systémů ● ztráta dat 7 Zvýšení napětí, přepětí ● změny zatížení ● poruchy v systému ● nežádoucí přepínání ● zkracování živostnosti ● poškození zařízení 8 Přerušení napájecího napětí ● obecné poruchy ● selhání komponent ● systémové ochrany ● vypínače, pojistky ● vypnutí systémů ● možná poškození 6

47 Druh rušení Časový průběh napájecího napětí Možné příčiny vzniku Možné důsledky Nesymetrie trojfázového napětí ● nesymetrická zátěž ● zahřívání motorů ● narušení funkce trojfázových měničů 10 Změny kmitočtu napájecího napětí ● nevyváženost výkonu ● chybně regulovaný generátor ● selhání zařízení synchronizovaných frekvencí 11 Kolísání napájecího napětí ● proměnná zátěž ● zapínání-vypínání zátěže ● obloukové pece ● blikání světel ● elektromechanické kmity zařízení 9

48 Oscilogramy rušivých napětí vznikajících na rozpojovaných kontaktech nízkonapěťového relé a vysokonapěťového spínače  Vysokofrekvenční oscilace při spínacích a rozpínacích procesech mechanických spínačů, stykačů, kontaktů a relé  přechodový jev pilovitého průběhu - burst

49  Rušení z diodových a tyristorových usměrňovačů, měničů Deformace síťového napětí vlivem diodového a tyristorového omezovače, usměrňovače či regulátoru  jsou opakovaně spínány velké proudy, takže vznikají rušivá napětí v podobě opakujících se impulzů, které značně defor- mují průběh napájecího napětí; rušení až do desítek MHz.

50  Rušení ze spínaných napájecích zdrojů Spínaný zdroj je napájecí zdroj řízený impulzy, které přerušova- ně spínají usměrněné a vyfiltrované síťové napětí. Síťové napětí 50 Hz se transformuje na požadované ss. napětí pomocí pomocného napětí s kmitočtem až stovek kHz. Tento vysoký kmitočet umožnuje použít menší transformátor a menší filtry na výstupu zdroje. Velikost výstupního napětí se reguluje pomocí šířkové modulace spínacích impulzů PWM. Protože spínací impulzy jsou strmé, vzniká velké množství harmonických a dochází k silnému vyzařování rušivých signálů. Velikost vyzařování závisí i na velikosti odběru z napájecího zdroje. Aby nedocházelo k rušivému ovlivňování vnější napájecí elektrické sítě je nutno vybavit zdroj účinnými filtry EMI.  Rušení ze spínaných napájecích zdrojů Spínaný zdroj je napájecí zdroj řízený impulzy, které přerušova- ně spínají usměrněné a vyfiltrované síťové napětí. Síťové napětí 50 Hz se transformuje na požadované ss. napětí pomocí pomocného napětí s kmitočtem až stovek kHz. Tento vysoký kmitočet umožnuje použít menší transformátor a menší filtry na výstupu zdroje. Velikost výstupního napětí se reguluje pomocí šířkové modulace spínacích impulzů PWM. Protože spínací impulzy jsou strmé, vzniká velké množství harmonických a dochází k silnému vyzařování rušivých signálů. Velikost vyzařování závisí i na velikosti odběru z napájecího zdroje. Aby nedocházelo k rušivému ovlivňování vnější napájecí elektrické sítě je nutno vybavit zdroj účinnými filtry EMI.

 Rušení od vnějších energetických vedení VN a VVN Koronový výboj se vytváří v silném a silně nehomogenním elektrickém poli v okolí hrotů, ostrých hran a vodičů velmi vysokého napětí VVN (  110 kV). Velikost výbojů roste za vlhka (intenzivní sršení a praskot pod vedením VVN), není však příliš velká. Pro koronu jsou typické krátkodobě svítící rozvětvené kanálky. Zápalné napětí korony závisí na špičatosti ostří.  Rušení od vnějších energetických vedení VN a VVN Koronový výboj se vytváří v silném a silně nehomogenním elektrickém poli v okolí hrotů, ostrých hran a vodičů velmi vysokého napětí VVN (  110 kV). Velikost výbojů roste za vlhka (intenzivní sršení a praskot pod vedením VVN), není však příliš velká. Pro koronu jsou typické krátkodobě svítící rozvětvené kanálky. Zápalné napětí korony závisí na špičatosti ostří. Korona je neodstranitelnou vlastností vedení VVN. Korona ruší rádiový provoz hlavně na dlouhých a středních vlnách. Krátké vlny již ovlivňuje málo a velmi krátké vlny vůbec ne. 51

Kapacitní výboje vznikají na nedokonalém spojení kovových předmětů u vedení vysokého napětí 22 kV a 35 kV. Takovými místy jsou především kovové kloubové spoje závěsných izolátorů, u nichž se v důsledku koroze vytvoří izolační vrstvička a dielektricky se oddělí kovové části kloubového spoje. Po překročení di- elektrické pevnosti této vrstvičky či při jejím mechanickém narušení (při kývání izolátoru ve větru) dochází k jiskrovému výboji. Vznikající rušení sahá až k 1 GHz, za sucha je větší, za vlhka někdy zcela mizí. 52 Kapacitní výboje signalizují závady na vedení, dokonalé odruše- ní vyžaduje rozsáhlé a nákladné úpravy. Rušení lze odstranit pouze užitím jiné konstrukce izolátorů bez závěsného kloubu.

53 Napěťové (energetické) přepětí Rozmezí ničivé energie pro různé součástky a zařízení

54 Zdroje napěťového přepětí přírodnípřírodní uměle vytvořené  Atmosférický výboj blesku ( L ightning E lectro M agnetic P ulse – LEMP ) _______________________  Lokální elektrostatické výboje ( E lectro S tatic D ischarge – ESD )  Atmosférický výboj blesku ( L ightning E lectro M agnetic P ulse – LEMP ) _______________________  Lokální elektrostatické výboje ( E lectro S tatic D ischarge – ESD )  Spínací a rozpínací zařízení (vznik elektrického oblouku) _______________________  Lokální elektrostatické výboje (ESD)  Spínací a rozpínací zařízení (vznik elektrického oblouku) _______________________  Lokální elektrostatické výboje (ESD)

55 Atmosférický výboj blesku (LEMP)  rušivý účinek až do vzdálenosti cca 4 km  velikost proudového impulzu blesku až 200 kA  spektrální rušení až do kmitočtu cca 100 MHz  rušivý účinek až do vzdálenosti cca 4 km  velikost proudového impulzu blesku až 200 kA  spektrální rušení až do kmitočtu cca 100 MHz Proudový impulz při úderu blesku a jeho základní parametry

56 přímý účinek (úder) nepřímý účinek Účinek blesku

57 Lokální elektrostatické výboje (ESD) Podmínky vzniku:  Pracovníci obsluhy mají ne- vhodné oblečení z hlediska vzniku vysokého elektrosta- tického napětí (umělé materiály).  Povrchy stolů, židlí, podla- hové krytiny jsou z umě- lých hmot s vysokým izo- lačním odporem.  V místnosti je nízká vlh- kost vzduchu. Podmínky vzniku:  Pracovníci obsluhy mají ne- vhodné oblečení z hlediska vzniku vysokého elektrosta- tického napětí (umělé materiály).  Povrchy stolů, židlí, podla- hové krytiny jsou z umě- lých hmot s vysokým izo- lačním odporem.  V místnosti je nízká vlh- kost vzduchu. vznikají tam, kde se vyskytuje třecí pohyb mechanických částí (kovových a/nebo dielektrických – pevných, kapalných či plynných).

Ekvivalentní kapacita těla má hodnotu 100 ÷ 200 pF, odpor „vybíjecí“ paže člověka je 100  až 2 k . 15 kV Vznik lokálního elektrostatického výboje 58 Proudový impulz vybití elektrostatického náboje

Působení elektrostatického výboje na elektronické součástky a obvody Působení elektrostatického výboje na elektronické součástky a obvody 59 Přímé působení (vybití) při přiblížení paže nebo nabitého nástroje Působení indukcí rušivého napětí U r do galvanicky oddělených obvodů

Ochrana pracoviště před působením ESD 60 antistatická, příp. vakuová pinzeta antistatická, příp. vakuová pinzeta antistatický kryt na prsty antistatický sáček (obal) uzeměný antistatický povrch stolu uzeměný uzemněný antistatický povrch podlahy uzemněný uzemněný pásek na zápěstí antistatická nosná páska součástek Pracovník by měl být oblečen v oděvu z antistatického či přírodního materiálu (vlna), příp. též mít antistatickou (uzemněnou) obuv.

61 Spojité (kontinuální) rušení  Rozhlasové, televizní, příp. radarové vysílače  Vyšší harmonické složky v napájecí síti  Neveřejné radiokomunikační služby  CB radio (Citizen Band radio) v pásmu 27 MHz: překračování povoleného vf. vyzařovaného výkonu. překračování povoleného vf. vyzařovaného výkonu.  Rozhlasové, televizní, příp. radarové vysílače  Vyšší harmonické složky v napájecí síti  Neveřejné radiokomunikační služby  CB radio (Citizen Band radio) v pásmu 27 MHz: překračování povoleného vf. vyzařovaného výkonu. překračování povoleného vf. vyzařovaného výkonu. Rušivé spektrum výstup- ního signálu občanské radiostanice CB za zařazeným zesilovačem výkonu

62  Televizní a rozhlasové kabelové rozvody v pásmech 40 až 300 MHz Kmitočtové spektrum vyzařované TV kabelovým rozvodem na 6. kanálu při zkušebním obrazci v systému PAL Kmitočtové spektrum vyzařované TV kabelovým rozvodem na 6. kanálu při zkušebním obrazci v systému PAL

63 Zvláštní rušení  Nukleární elmag. impulz ( N uclear E lectro M agnetic P ulse) NEMP  E max [kV/m] LEMP 10 ÷ 100 NEMP 30 ÷ 100 H max [A/m] 100 ÷ 1000 náběžná hrana [ns] 100 ÷ ÷ 8 kmitočtové spektrum 1 kHz ÷ 5 MHz 0,1 ÷ 100 MHz dosah účinku jednotky km stovky až tisíce km Srovnání parametrů LEMP a NEMP

64  Rušení mimozemského původu Spektrální rozložení a úrovně některých mimozemských interferenčních zdrojů mimozemských interferenčních zdrojů Spektrální rozložení a úrovně některých mimozemských interferenčních zdrojů mimozemských interferenčních zdrojů  geomagnetické bouře vlivem tzv. slunečního větru  kosmické záření  geomagnetické bouře vlivem tzv. slunečního větru  kosmické záření