Elektronikk. Elektromagnetiske effekter. Elektronikk Knut Harald Nygaard 1

Transkript

1 Elektronikk Elektromagnetiske effekter Elektronikk Knut Harald Nygaard 1

2 Parasittiske effekter Oppførselen til mange elektroniske kretser kan påvirkes av elektriske og elektromagnetiske effekter som kan endre de tiltenkte egenskapene til kretsene. Elektronikk Knut Harald Nygaard 2

3 Elektromagnetiske effekter Elektromagnetisk interferens (EMI) og kompatibilitet (EMC) Kilder Parasittiske krets-elementer Kretser med distribuerte parametre Elektromagnetisk interferens Botemidler Signalfiltrering Forsterkning nær kilden Jording Strømforsyningsavkopling Nettfiltrering Skjerming Begrensing Elektronikk Knut Harald Nygaard 3

4 Elektromagnetisk interferens uønsket elektromagnetisk energi som trenger inn i et system eller produseres av systemet EMI Elektronikk Knut Harald Nygaard 4

5 EMI kilder Industri elektriske motorer elektriske ovner bue-sveising rf oppvarming/tørking Militær radar transmisjon jamming (fra støysender) Hjem og kontor lysrør lysdempere PCer termostater hårtørkere støvsugere verktøy (elektriske) rf -radiofrekvens Elektronikk Knut Harald Nygaard 5

6 Analoge systemer - feilmekanismer krysstale uønsket kopling av et signal fra dets tilsiktede gangvei til en annen ustabilitet spuriøse oscillasjoner innfanging av uønskede signaler (f.eks. ved nettfrekvensen) mikrofoni følsomhet for mekanisk forstyrrelse eller vibrasjon elektrisk/elektromagnetisk interferens ofte forårsaket av annet elektrisk/elektronisk utstyr Elektronikk Knut Harald Nygaard 6

7 Digitale systemer - feilmekanismer krysstale uønsket kopling av et signal fra dets tilsiktede gangvei til en annen forårsaker datafeil og falske tilstander svitsje-transienter kan være internt generert (hasarder) forårsaker datafeil og falske tilstander elektrisk/elektromagnetisk interferens ofte forårsaket av annet elektrisk/elektronisk utstyr Elektronikk Knut Harald Nygaard 7

8 Botemidler EMI kan stoppes ved kilden ved overføringen ved mottakeren ofte er mottakeren det eneste valget, men EMI bør stoppes så tidlig som mulig Elektronikk Knut Harald Nygaard 8

9 Elektromagnetisk kompatibilitet Studiet av elektromagnetisk (gjensidig) påvirkning mellom elektroniske/elektriske systemer EMC Elektronikk Knut Harald Nygaard 9

10 Juridiske aspekter Elektrisk/elektronisk utstyr kan forårsake EMI kan påvirkes av EMI EMC Direktiv grenseverdier for EMI som utstyr kan generere eller motta Federal Communications Commission (FCC), USA European Communities EMC Directive 89/336/EC for utstyr solgt etter (slutten på) (CE Merking). Også 92/31/EC fra januar 1996 Elektronikk Knut Harald Nygaard 10

11 Parasittiske krets-elementer kan opptre naturlig i kretskomponentene kan skyldes fysisk utlegg og omgivelsene til kretsen kan bestemme maksimal ytelse for en krets kalles strø- elementer det er både parasittiske krets- resistanser og impedanser (kapasitanser og induktanser) Elektronikk Knut Harald Nygaard 11

12 Parasittisk resistans Spenningsfall og lekkstrømmer som skyldes parasittiske resistanser kan vanligvis neglisjeres fordi: Sammenlignet med kretsimpedansen er vanligvis motstanden i ledningen eller lederen på kretskortet neglisjerbar det mye høyere isoleringsresistans mellom ledninger eller ledere på kretskort Det er imidlertid tilfeller der parasittiske resistanser må tas med i betraktningen (for eksempel i lavohmige kretser eller kretser med høye strømmer) Elektronikk Knut Harald Nygaard 12

13 Parasittisk impedans EMI kan koples inn i en krets: kapasitivt kopling ved elektrisk felt induktivt kopling ved magnetisk felt Elektronikk Knut Harald Nygaard 13

14 Parasittisk impedans parasittisk kapasitans mellom ledere kan kople energi fra en leder til en annen parasittisk induktans selvinduktans f.eks. strømforsyninger (spesielt for digitale systemer) gjensidig induktans kan kople energi fra en krets til en annen Elektronikk Knut Harald Nygaard 14

15 Parasittisk kapasitans størrelsesorden kopling mellom kilde og last måter å redusere parasittisk kapasitans på Elektronikk Knut Harald Nygaard 15

16 Små kapasitanser og induktanser Forekomst pf pf/m nh/m Koaksialkabel (RG58C/U) Uskjermet tvunnet parkabel Ω balansert (10 mm lederavstand) To mønsterkort-ledere (avstand 5 mm) ~ mm tykk 5x5 mm2 kretskort (kopperbelagt på begge sider) ~15 Minste kapasitet kommersielt tilgjengelig 1 Elektronikk Knut Harald Nygaard 16

17 Parasittisk kapasitans viktig i høyfrekvens (hf) kretser hvor hf-interferens er tilstede mulighet for kopling av hf-signaler til høyimpedante kretsløp ethvert høyimpedant kretsløp er meget tilbøyelig til å interferere med en nærliggende kilde ved kapasitiv kopling Elektronikk Knut Harald Nygaard 17

18 Parasittisk kapasitiv kopling Parasittisk kapasitans R S CP ~ Vsin(ωt) Thevenin kilde ekvivalent R v i Uønsket interferens Elektronikk Knut Harald Nygaard 18

19 Reduksjon av parasittisk kapasitans avstand hold interferens-kilder og følsomme noder vel atskilte jordet ledende skjerm mellom to noder Faraday-bur for elektromagnetisk testing innkapsling av radio inngangstrinn (svak rf mottaking) jordplan reduserer gjensidig kapasitet mellom ledere men øker kapasitet til jord for hver leder Elektronikk Knut Harald Nygaard 19

20 Reduksjon av parasittisk kapasitans jordet ledende skjerm leder A leder B Elektronikk Knut Harald Nygaard 20

21 Reduksjon av parasittisk kapasitans leder A leder B jordplan Elektronikk Knut Harald Nygaard 21

22 Strøkapasitet 1 C 12 kilde 2 E N R 2 Ekvivalentskjema: C 12 E S C 1 mottaker C 2 E S R 2 C 1 C 2 E N Elektronikk Knut Harald Nygaard 22

23 Strøkapasitet Ved alle frekvenser: jωc 12 R 2 E S E n = jωr 2 (C 12 + C 2 ) Ved lave frekvenser: E n jωc 12 R 2 E S Ved høye frekvenser eller stor R 2 : C 12 E S E n (C 12 + C 2 ) Elektronikk Knut Harald Nygaard 23

24 Strøkapasitet 1 C 12 C 1S R 2 kilde 2 C 2 E N Ekvivalentskjema: E S C 1 C 2S skjerm for mottaker C 12 E S R 2 E N C 1 +C 1S C 2 +C 2S Elektronikk Knut Harald Nygaard 24

25 Strøkapasitet Ved lave frekvenser: E n jωc 12 R 2 E S Ved høye frekvenser eller stor R 2 : C 12 E S C 12 E S E n (C 12 + C 2S + C 2 ) C 2S Siden C 12 << C 12 og C 12 << C 2S er støyspenningen kraftig dempet Elektronikk Knut Harald Nygaard 25

26 Parasittisk induktans selvinduktans f.eks. strømforsyningsledninger, last og retur gjensidig induktans mellom to kretser kan kople uønsket energi fra en krets til en annen Elektronikk Knut Harald Nygaard 26

27 Minsking av parasittisk induktans reduser sløyfearealet forandre på sløyfe-orienteringen øk avstanden mellom kretsene reduser strømmen bruk magnetisk skjerming Elektronikk Knut Harald Nygaard 27

28 Sløyfer sløyfeareal areal til sløyfene reduseres for å minske mengden fluks andre sløyfe mottar fra første sløyfe tvunnet par ledning reduserer sløyfearealet retningen til fluksen alternerer slik at fluksen kanselleres ledningsføring fra transformator eller strømforsyning bør holdes samlet sløyfeorientering den ene sløyfen orienteres slik at den ikke lenger forbindes med fluksen generert av den andre sløyfen Elektronikk Knut Harald Nygaard 28

29 Minsking av parasittisk induktans utvunnet kilde magnetiske flukslinjer last tvunnet tvunnetekvivalent Elektronikk Knut Harald Nygaard 29

30 Magnetisk fluks generert av sløyfe 1 forbundet til sløyfe 2 i 2 magnetisk fluks sløyfe 2 i 1 sløyfe 1 Elektronikk Knut Harald Nygaard 30

31 Magnetisk fluks generert av sløyfe 1 knapt forbundet til sløyfe 2 i 2 sløyfe 2 magnetisk fluks i 1 sløyfe 1 Elektronikk Knut Harald Nygaard 31

32 Avstand - strøm - skjerming øk avstanden rute strømforsyningsledere med store strømmer vekk fra følsomme kretser reduser strømmen flere kretskort er forbundet til et bakplan kort med største strømmer legges nærmest strømforsyningen sløyfen med størst areal skal ikke ha størst strøm magnetisk skjerming høy permeabilitet - f.eks. mu metall (nikkel-jern legering, 75% nikkel, 15% jern, pluss kopper og molybden) ikke så effektiv mot magnetisk felt som Cu for elektrostatisk skjerming - f.eks. ved meget lave frekvenser Elektronikk Knut Harald Nygaard 32

33 Induktiv kopling E N i s B Elektronikk Knut Harald Nygaard 33

34 Magnetisk fluks - sløyfe EN 1. Magnetisk fluks trenger inn i en ikke-magnetisk skjerm. Følgelig er skjerming ikke effektiv. R 2. Men vi kan redusere jordsløyfearealet. E N R 3. Vi må være forsiktige med å redusere sløyfestrømmen (introduserer støy). E N R Elektronikk Knut Harald Nygaard 34