Kurs: EMC løsningsforslag øving 8 Lærere: Petter Brækken (petter@iet.hist.no) Stein Øvstedal (steino@iet.hist.no) Oppgavene dekker store deler av pensum og kan være eksempel på en eksamensoppgave. Oppgave 8.1 Plastkabinett ledningsføring komponenter PCB Foreslått kobberplate Figuren viser et batteridrevet utstyr i plastkasse som inneholder et digitalt kretskort. Sluttmålingene på 10m måleplass ved et EMC testhus viser at på visse frekvenser overskrider målt utstråling normen med ca. 10 db. Som en nødløsning foreslår noen å sette inn en 1mm kobberplate tett under kretskortet (vist stiplet i figuren). Kan dette hjelpe? Forklar. Bør platen koples til kretskortets jord? Svar: Dersom kretsutlegget er dårlig, kan en forbedring i størrelsesorden 10dB være sannsynlig. Det er trolig at utstrålingen skyldes fellesmodus strømmer på kretskortet. Den foreslåte metallplaten i avstand d fra kretskortets ledningsføring virker som et speil for kretskortets strømmer. Hver strømbane på kretskortet får en "speilstrøm" i avstand d nedenfor speilet og med motsatt retning av originalstrømmen. I stor avstand, for eksempel 10m, vil feltet fra kretskortstrømmen og speilstrømmen teoretisk nesten utbalansere hverandre. Dette forutsetter at avstanden 2d mellom strømmene er liten sammenlignet med bølgelengden, og at tapene i "speilet" er neglisjerbare. I praksis kan en for et dårlig kretsutlegg uten internt jordplan lett oppnå i størrelsesorden 10dB dempning av utstrålingen. Hvis kretskortet er helt selvforsynt, uten tilkoplede kabler, er det ikke nødvendig å jorde metallplata. Hvis det er kabling tilkoplet kretskortet, og fellesmodus strøm på kretskortet ledes over til kabelen, blir ikke den resulterende kabelutstrålingen utbalansert av metallplata. Det er likevel mulig å lage en returvei for strømmen, slik at det meste av den avledes og ikke går ut på kabelen. Plata må da jordes på samme sted på kretskortet som kabelen jordes til. Strålingen fra en skjermet kabel vil da reduseres. Hvis dette skal fungere også for uskjermet kabel, må hver leder i kabelen "jordes" i samme punkt. Dette kan være mulig for kabler som fører lavfrekvente signaler og som derfor kan RF-avkoples med en kondensator til jord der kabelen tilkoples kretskortet. Oppgave 8.2 Figuren nedenfor viser et vertikalt snitt av en TEM-celle (Crawford cell) som ønskes brukt for å teste et utstyrs immunitet mot innstråling. I prinsippet er denne en terminert 50Ω skjermet transmisjonslinje. Et testsignal tilføres mellom senterplaten og de parallelle øvre og nedre plater.
Mellom de parallelle midtre deler av platene, blir E-feltet omtrent uniformt og vertikalpolarisert. Utstyret som skal testes (EUT) plasseres her og utsettes da for et felt som ligner fjernfeltet fra en vertikal senderantenne. Top plate Generator h=50cm EUT 50 Ohm load ~ Centre plate Bottom plate a) Anta uniformt felt mellom topp- og senterplaten og beregn nødvendig spenning og effekt som signalkilden må levere for å gi en feltstyrke på 10 V/m inne i cella. Svar: En feltstyrke E=10V/m tilsvarer en spenning mellom senter- og topplate med effektivverdi U=E h = 10 0.5 = 5V Dersom cella er korrekt tilpasset, er det ingen stående bølger og den har en resistiv inngangsimpedans R=50Ω. Nødvendig effekt fra generatoren blir da: P = U 2 /R = 5 2 /50 = 0.5W b) Samme feltstyrke (10V/m) skal genereres på en 10m frittromsmåleplass. Beregn nødvendig sendereffekt hvis senderantenna har 0dB vinning (gain) relativt til en isotropisk antenne. Svar: Nødvendig sendereffekt kan beregnes fra grunnleggende teori for antenner og bølgeutbredelse (appendix C3) I appendiks C3 finner du formelen E=(30P t ) 0,5 /r som gjelder for rundstrålende antenne (G=1). Fra denne kan du løse ut P t = (r E) 2 /30 = (10 10) 2 /30 = 333W Dette effektnivået gjør det nødvendig å bruke en kostbar bredbåndsforsterker og illustrerer hvorfor TEM- og GTEM-celler kan være et attraktivt lavkostalternativ for immunitetstesting av utstyr med små fysiske dimensjoner. Oppgave 8.3 -Tegn et enkelt differential mode LC filter for strømstrømforsyning (maksimum fire komponenter). Svar: L C L C Oppgave 8.4 -Du er redd for overspenning på en inngang til et instrument. Hvordan vil du beskytte det mot dette? Hva slags komponenter vil du benytte og hvor vil du plassere de? Svar: De vanligste komponentene er varistorer (VDR), zenerdioder og gnist gap. Disse komponentene plasseres i parallell med linja (mellom linja og jord). Disse komponentene bør komme så tidlig som mulig på inngangen av apparatet (første komponent) slik at overspenningen ikke får mulighet til å komme inn i apparatet.
Oppgave 8.5 -Skjerming av lavfrekvente magnetiske felter er vanskelig. Forklar hvorfor. Svar: Vanlig ledende materialer er ikke egnet til å skjerme mot lavfrekvente magnetiske felter da impedansen til feltet og skjermen er bra tilpasset hverandre (lavt refleksjonstap). Vi må bruke µ-metall (høy permeabilitet). Disse materialene konsentrerer feltet inne i materialet. Dette er en annen virkningsmekanisme enn refleksjonstap. Oppgave 8.6 -Hulromsresonans kan være et problem ved at bestemte frekvenser blir forsterket opp. Hva bestemmer resonansfrekvensen? Svar: Hulromsresonansen er bestemt av dimensjonen i hulrommet. For et tomt hulrom (boks) opptrer resonansene ved: f 2 2 2 k m n = + l + h w [ MHz] hvor l, h og w er dimensjonene på hulrommet i meter og k, m and n er positive heltall, hvor ikke mer enn en av de kan være null samtidig. Komponenter inne i hulrommet vil endre resonansfrekvensene. Oppgave 8.7 - I tilfeller med høye common mode spenninger kan det være aktuelt å bruke galvanisk skille. Forklar hvordan dette kan gjøres og hvilke ulemper/fordeler dette fører med seg. Svar: Galvanisk skille kan gjøres med transformatorer og optokoblere. Dersom vi erstatter elektriske signalkabler med optiske fibre vil vi hindre indusert støy fra signalkabler. Transformatorer vil ikke kunne overføre DC og lave frekvenser. I slike tilfeller må signalene kodes/moduleres. Galvanisk skille vil hindre indusert støy, men det vil fordyre produktet. Oppgave 8.8 - Forklar hvordan en kan plassere et produkt på markedet i henhold til EMC-direktivet på enkleste (billigste) måte. Svar: Minimumstiltakene som skal til for å plassere et produkt på markedet er å lage en egenerklæring som forteller hvilke standarder produktet oppfyller. Videre må CE-merket settes på produktet. Oppgave 8.9 -Rayleigh kriteriet sier d > 2D/λ 2. Forklar hva det betyr og hva de enkelte symbolene står for. Svar: Rayleigh kriteriet forteller ved hvilke avstand vi kan regnet at vi har gått over fra nærfelt til fjernfelt. D er antennas største dimensjon. λ er bølgelengden og d er avstanden fra antenna. Oppgave 8.10 -Hva slags utstyr bruker en for å teste immunitet mot statisk elektrisitet? Svar: ESD generator (ofte utformet som en pistol). Oppgave 8.11 -Forklar hva en "snubber" er for noe. Se figuren nedenfor. Hva er hensikten med de enkelte komponentene? Hvordan blir spenningen over lasten ved påslag og ved avbrudd over en reaktiv last L L? + Vcc L L R L
Svar: En snubber skal hindre overslag (gnister) i bryter som kan føre til ødeleggelse av bryteren (over tid). Kondensatoren skal lede vekk hurtig spenningstransienter. Motstanden virker som strømbegrenser. Dioden kan brukes dersom kriteriene for størrelsen på motstanden ikke er oppfylt. Se s.152 Ved avslag vil vi få en høy positiv spenning på høyre side av bryteren. Når vi slår på bryter vil vi få en negativ spenning på høyre side av bryteren. Oppgave 8.12 Flervalgsoppgave. Velg ett av svaralternativene. Det gis trekk for galt svar fordi poenggivingen er justert i forhold til antall alternativer, slik at ren gjetting i det lange løp skal gi 0 poeng. "Vet ikke" gir ikke trekk. a) Filter for EMC vil som regel være: 1) LP 2) HP 3) BP Svar: 1) b) Hvorfor brukes ofte induktanse viklet på ferrittkjerne? 1) Den stopper det magnetiske feltet 2) Den øker induktansen 3) Den hindrer overspenninger Svar: 2) c) Når en jorder en kabelskjerm i begge ender vil en få sirkulerende strømmer. Ved hvilke frekvenser kan dette skape problemer? 1) Lave frekvenser 2) Høye frekvenser 3) Ikke noe problem Svar: 1) d) Med kretskort med jordplan vil en i EMC-sammenheng først og fremst oppnå: 1) Skjerming av kretsen. 2) Fjerne jordsløyfer 3) Lavere jordimpedans. e) Vi bruker overflatemonterte komponenter i EMC-sammenheng fordi: 1) Vi kan bruke jordplan 2) Sløyfearealene blir mindre 3) At komponentene takler høyere høyere frekvenser Svar: 2) f) Hvilket av disse produkter må godkjennes av et tekninsk kontrollorgan (notified body): 1) Militært utstyr 2) TV-mottakere 3) Mobiltelefoner
g) Hvilken organisasjon utarbeider standardene for EU: 1) CISPR 2) ETSI 3) CENELEC h) I hvilket frekvensområde tester vi ledningsbundet støy? 1) 50Hz-150kHz 2) 150kHz-30MHz 3) 30MHz-1GHz Svar: 2) i) I hvilket frekvensområde testes utstrålt (trådløs) støy? 1) 50Hz-150kHz 2) 150kHz-30MHz 3) 30MHz-1GHz Oppgave 8.13 Fra lærebokas innledningskapittel er hentet to eksempler på reelle EMC-problemtilfeller: 1. Interference to aeronautical safety communications at an US airport was traced to an electronic cash register a mile away. 2. Electronic point-of-sales units used in shoe, clothing and optician shops (where thick carpets and nylon-coated assistants were common) would experience lock up, false data and uncontrolled drawer openings. Diskuter for hvert av eksemplene: Skyldes problemet høy emisjon eller dårlig immunitet? Hvilke feil i elektronikkonstruksjonen kan ha ført til den aktuelle svakheten i apparatet? Hva vil du foreslå for å rette opp de feilene du beskriver, og derved unngå EMC-problemet? 1. Svar: Problemtype: Forstyrrelser på så lang avstand (1 mile 1,6 km) må skyldes elektromagnetisk felt utstrålt fra kassaapparatet. Feltet nær apparatet (3-10m) må være temmelig kraftig og problemet må ganske sikkert karakteriseres som et emisjonsproblem. Mulige feilkilder i apparatet: Strålingen kan komme direkte fra elektronikken og for eksempel skyldes store differensielle strømsløyfer på kretskort, gjerne kombinert med unødig rask svitsjing av store strømmer. Problemet kan skyldes fellesmodus utstråling, kanskje fra kabling tilknyttet elektronikken. Tiltak: Verifiser hovedkilden ved målinger på apparatet Sjekk om det har oppstått feil på kabeljord eller er gjort endringer i apparatet Hvis inngrep i apparatkonstruksjonen er vanskelig, kan skjerming av kabler og apparat foreslås. Kan inngrep foretas, vil reduksjon av strømsløyfer kunne forsøkes, for eksempel ved hensiktsmessig avkopling. Fellesmodus stråling vil ofte kunne reduseres ved endring av jordingsstrategi. Billigste og raskeste løsning kan godt være å skifte enheten ut med en nyere eller en av et annet fabrikat
2. Her er åpenbart problemet for dårlig immunitet mot ESD. Mulige feilkilder i apparatet: Dårlig skjerming av elektronikken mot direkte utlading mot betjeningsorganer. Dårlig avskjerming mot elektromagnetisk felt fra ESD-utladninger. Dårlig kretsutlegg med store strømsløyfer eller dårlig jording/avkopling. Lite/feilaktig skjerming av kabler tilknyttet utstyret. Tiltak: Dersom inngrep i apparatet kan foretas, er avskjerming et typisk forslag * avskjerming av kassen, skjermplate bak tastatur osv. * skjerming av kabler, utført på riktig måte. * sjekk bruken av avkoplinger/jording på kretskortnivå. Dersom personalet også har betydelig ubehag av utladninger, kan det være mulig å få gjort ting med arbeidsmiljøet (luftfuktighet, ledende golvbelegg, bomullsuniformer, etc) som vil redusere forekomsten av ESD. 1] Tim Williams: EMC for Product Designers (3. edition). Newnes 2001, ISBN 0 7506 4930 5