Transcript 12. Készülékek megbízhatósága

EMC fogalma, EMC szimuláció,
csatolási formák
Moduláramkörök és készülékek
1
Ajánlott irodalom
• D. Stohl: Elektromágneses zavarvédelem
• Chatteron: EMC: Electromagnetic theory
for practical design
• Ferenczy Ö.: Teljesítményszabályzó
áramkörök
• MSz EN 50081 Általános zavarkibocsátási
szabvány
• MSz EN 50082 Általános zavartűrési
szabvány
Moduláramkörök és készülékek
2
Néhány gyakori rövidítés
• EMC Electromagnetic Compatibility Elektromágneses
kompatibilitás
• EME Electromagnetic Emission
• EMI Electromagnetic Interface
Elektromágneses
zavarkibocsátás
• CE Conducted Emission
Vezetett zaj
• RE Radiated Emission
Sugárzott zaj
• EMSElectromagnetic Susceptibility Elektromágneses zajokra
érzékenység
• CS Susceptibility to Conducted Emiss.
Vezetett zajokra
érzékenység
• RS Susceptibility to Radiated Emission
Sugárzott zajokra
érzékenység
Moduláramkörök és készülékek
3
EMC fogalma IEC TC 77
• „Az EMC mindaz, ami nincs a kapcsolási rajzon
és az anyag és szerelési listán”
• Minden készülék egyben gerjesztője, egyben
elviselője az elektromágneses
zavarkörnyezetnek. Akkor kompatíbilis az
elektronikus készülék elektromágneses
szempontból a környezetével, ha az általa
kibocsátott zavar megfelelően kicsi és az
immunitása nagy.
• Minden készülékre, készülékcsaládra emissziós
és immunitási szinteket határoznak meg a
szabványok.
Moduláramkörök és készülékek
4
EMC fogalma
f
Moduláramkörök és készülékek
5
Elektromágneses zavarvédelmi szimuláció
A szimulátor programok időbeli fejlődése:
• 1995 jel integritás (áthallás) a PCB-n és a
kábel csomagban)
• 1997 PCB emisszió (két dimenziós)
• 1998 Készülék emisszió (három
dimenziós)
• 2000 PCB érzékenység (két dimenziós)
• 2001 Készülék érzékenység (három
dimenziós)
Moduláramkörök és készülékek
6
PCB emissziós szimuláció funkciói
• Jel integritás vizsgálat - kapacitív, induktív
csatolásból, illetve illesztetlen lezárásból
származó áthallások, reflexiók, lengések,
lecsengések
• Áram és feszültség jelalakok vizsgálata az
időtartományban és a frekvencia tartományban
• Elektromos és mágneses sugárzás számítása a
panel fölött (board scan)
• Mágneses és elektromos térerősségtérkép,
áramsűrűségtárkép
• Mi lenne ha szimulációk
Moduláramkörök és készülékek
7
Feszültség és áram hullámformák az
időtartományban
Moduláramkörök és készülékek
8
Mágneses tér spektruma
Moduláramkörök és készülékek
9
Sugárzott térerősségtérkép (5mm)
Moduláramkörök és készülékek
10
Feszültség hullámformák, különböző
lezáró ellenállások esetén
Moduláramkörök és készülékek
11
EMC szimuláció helye
Layout tervezés
EMC szimuláció
Újratervezés
Prototípus
készítés
Ellenőrzés
EMC
intézkedések
Moduláramkörök és készülékek
12
Zavarási modell
Zavarforrás
Csatolás
Zavarérzékeny
rendszer
Zavarvédelmi
intézkedések
Moduláramkörök és készülékek
13
Zavarási modell 2
Moduláramkörök és készülékek
14
Zavarvédelmi intézkedések
• Zavarforrás zavaró hatásának csökkentés
• Rendszerek közti csatolás csökkentése
• Készülék zavarérzékenységének
csökkentése
Moduláramkörök és készülékek
15
Csatolási formák
• Galvanikus (vezetett) csatolás –
készülékek és részegységek között
• Nem galvanikus csatolás
– kapacitív csatolás – részegységek között
– induktív csatolás – részegységek között
– sugárzás útján létrejövő csatolás –
készülékek és részegységek között
Moduláramkörök és készülékek
16
Galvanikus csatolás
• A zavarjel galvanikus (fémes) úton jut be a
zavarérzékeny készülékbe
• Galvanikus kapcsolat
– közös tápellátó rendszer (táp és földvezetékek)
Tápellátás,
– jelvezetékek
földelés
P1
P2
Jelvezetékek
Moduláramkörök és készülékek
17
Galvanikus csatolási modell
Z11
U1

I1
Z3
Z12
Iz
Z4
Z22
I2
Z21

Moduláramkörök és készülékek
U2
18
Egyszerűsített galvanikus csatolási
modell
Z11
U1

I1
U1
I1  I h  I z 

Zcs Z21
Z11 
Zcs  Z21
Zcs
I2
Z21
U2 Zcs

Zcs Z21  Z11 Z21  Zcs Z11

U2
Moduláramkörök és készülékek
19
Galvanikus csatolás hatásának
csökkentése
• Felesleges összekötések elhagyása
• csatolóimpedanciák kis értéken tartása
(helyes földelés)
• galvanikus elválasztás
(potenciálleválasztás)
Moduláramkörök és készülékek
20
Kapacitív csatolás
• Nincs közös impedancia
• Egymás mellett hosszan haladó,
egymáshoz közeli vezetékek esetén
– kábelköteg
– nyomtatott áramköri lemez
• Frekvenciafüggés
Moduláramkörök és készülékek
21
Kapacitív csatolási modell
1. vezető
2. vezető
C12
U2
C1f
Uz

C2f
R
Uz
U2
C1f,C2f
C12
R
zavarforrás
zavarfeszültség
vezető-föld szórt kap.
két vezető közti szórt k.
záró ellenállás
Moduláramkörök és készülékek
22
Síkbeli kapacitív modell
1. vezető
Uz

C12
2. vezető
C1f
C2f
R
U2
C12
j
C12  C 2 f
U2  U z
1
j 
R (C12  C 2 f )
U 2  U Z j RC12
Moduláramkörök és készülékek
23
Kapacitív csatolás elleni védekezés
• Csatolókapacitás kis értéken tartása
– nagy távolság
– rövid vezetékek
– közös huzalkötegek, kábelcsatornák
mellőzése
• Kapacitív árnyékolás
Moduláramkörök és készülékek
24
Kapacitív árnyékolás
C12
1. vezető
2. vezető
C1f
Uz
C2f

R
U2
Cél a C12 csatoló
kapacitás csökkentése
Alkalmazható:
a zavarforrásnál (Á1)
a zavarvevőnél (Á2)
mindkét helyen
Á1 Á2
Moduláramkörök és készülékek
25
Induktív csatolási modell
i1
M
Uz

L1
L2
R2
Uzi
uzi=-M di1/dt
R
R1
Moduláramkörök és készülékek
26
Induktív csatolás elleni védekezés
• M kis értéken tartása
– hurok terület csökkentése
– hurkok közti távolság növelése
• Induktív árnyékolás
• Szimmetrizálás (vezetékek sodrása)
Moduláramkörök és készülékek
27
Induktív árnyékolás
• Árnyékolni lehet
– alkatrészeket, vezetékeket
– részegységeket
– készülékeket
• Árnyékolás
– kisfrekvencián: ferromágneses anyagokkal
– nagyfrekvencián: örvényáramú árnyékolókkal
Moduláramkörök és készülékek
28
Kisfrekvemciás árnyékolás
• Kis frekvencián,
ferromágneses
anyagokkal (pl. Fe+Ni)
• Köpenyszerű kialakít.,
nagy r ,drága
• a=20 lg (1+2r 2d/3r)
 r relatív permeab.
– d henger falvastags.
– r henger belső sug.
Moduláramkörök és készülékek
29
Örvényáramú árnyékolás
• Nagyfrekvenciás tartományban (~MHz)
• Köpenyszerű kialakítás
• A köpeny anyaga olcsóbb nem mágneses
anyag is lehet (rézcső)
• A köpenyben keletkező örvényáramok
felemésztik a mágneses tér energiáját
Moduláramkörök és készülékek
30
Sugárzási zavarási modell
r
Zavar
adó
Zavar
vevő
H0, E0
Nagy I, kis U --- H0
Nagy U, kis I --- E0
Moduláramkörök és készülékek
31
Sugárzási csatolás elleni védekezés
• Sugárzás szemponyjából optimális
konstrukció (PCB layout!)
• Árnyékolás
• Összetevői: a=aa+ar
– aa abszorpciós csillapítás - árnyékoló
anyagban fellépő veszteség, vastagság!
– ar reflexiós csillapítás - az anyag
konduktivitásától és permeabilitásától függ
Moduláramkörök és készülékek
32