CW01 - Teorie · 2014. 12. 9. · CW01 - Teorie měření a regulace Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb ©2014 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS –2014/2015 cv. 6

CW01 - Teorie

měření a

regulace

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.ZS – 2014/2015

cv. 6.

Ústav technologie, mechanizace a řízení

staveb

Teorie měření

a regulace

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.ZS – 2014/2015

17.SPEC-tak.1.

rušení 1

T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

A

Další pokračování

o

„souvisejících problémech“

měření a snímačů …………

a to o

RUŠENÍ

……© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2009/2010

A

aneb

RUŠENÍ

Základy

elektromagnetické

kompatibility

Rušení a odrušování patří k základním elektro-

technickým jevům, protože přímo a nezaměni-

telně souvisejí s jejich podstatou a hlavně s re-

alitou působení elektrického proudu v reálných

soustavách.

Hlavním zdrojem rušení jsou nedokonalé

spoje a kontakty, dále pak proudové

nárazy – např. od zapínání velkých

spotřebičů, zejména s převažujícím

indukčním charakterem.

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Elektromagnetické rušení je proces, při kte-

rém se signál, generovaný zdrojem rušení, pře-

náší prostřednictvím elektromagnetické vazby

do rušených systémů.

Je neoddělitelné od jakéhokoliv zařízení, které

ke své funkci (činnosti) potřebuje elektromag-

netické pole.

Je neoddělitelné od jakékoliv lidské činnosti.


© VR - ZS 2009/2010

Rušením se rozumí generování užitečných

a nezbytných, ale i nežádoucích elektro-

magnetických polí různé intenzity a kmi-

točtového spektra.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušováním se pak rozumí zamezení

přístupu rušení k přístroji a rovněž

omezení působení přístrojem

vyvolaných vlastním rušením

do okolí.

Po síťovém přívodu se rušení šíří buď symetricky,

kdy rušivý proud teče obdobně jako napájecí proud po

fázovém vodiči L do přístroje a po nulovém N zpět ke

svému zdroji, nebo nesymetricky, kdy obecně rozdílné

rušivé proudy tečou do přístroje po fázovém i nulovém

vodiči a zpět jsou ke svému zdroji odváděny

ochranným vodičem PE.

V prvním případě vzniká rušivé napětí mezi vodiči L a

N, ve druhém pak mezi L a PE i mezi N a PE.


© VR - ZS 2014

Zvláštním případem nesymetrického šíření rušení,

který má význam z měřicích důvodů, je šíření

asymetrické, kdy jsou rušivé proudy v L a N vodiči

zcela shodné a ve fázi.

V praxi se většinou vyskytují kombinace uvedených

šíření.


© VR - ZS 2014

Třídění podle kmitočtové oblasti

Definice oblastí

Třídění podle kmitočtu je z mnoha hledisek zásadní, protože posky-

tuje dobrý přehled o charakteru a rozdílech mezi jednotlivými ději,

a úzce souvisí jak se způsoby šíření, tak s výběrem vhodných ome-

zujících a odrušovacích prostředků.

Základní dělení na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční oblast je

tradičně vymezeno kmitočtem 9 kHz. Pod touto hranicí se nacházejí

nízkofrekvenční jevy většinou spojené s kmitočtem elektrorozvod-

né sítě a jeho harmonickými, které se obvykle uvažují do řádu

padesát Hz. Oblast nad 9 kHz je vyhrazena vysokofrekvenčnímu

rušení, ale je často normami sledována oblast až od 150 kHz výše.


© VR - ZS 2014

Nízkofrekvenční rušení

Nízkofrekvenční rušení souvisí s takovými jevy, jako jsou pomalé

změny napájecího napětí, flikr, zvlnění stejnosměrného napájecího

napětí, krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí, nesymet-

rie napětí, signály v napájecích sítích a elektrická a magnetická

pole, dále stručně charakterizovanými.

Pomalé změny napájecího napětí mimo přípustné tolerance jsou

většinou vyvolány významnými změnami výkonu odebíraného z

rozvodné sítě. Příčinou mohou být spotřebiče typu, svařovací,

elektrolytická a galvanizační zařízení, pohony s velkými výkony a

další zařízení charakteru trvalé zátěže s měnícími se parametry.


© VR - ZS 2014

Flikr neboli opakující se krátkodobá změna napájecího napětí se

projevuje zejména kolísáním svítivosti žárovkových svítidel (bliká-

ní). Příčinou jsou opakované prudké změny zatížení rozvodné sítě

kolísáním odběru např. při bodovém svařování apod. Pro lidské oko

je nejkritičtější kmitočtová oblast od zlomků do desítek Hz.

Zvlnění stejnosměrného napájecího napětí se projevuje trvalou pří-

tomností střídavé složky v důsledku např. nedokonalé filtrace usměr-

něného síťového napětí, nebo na zařízení napájeném z akumulátorů

při jejich dobíjení za provozu.


© VR - ZS 2014

Krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí způsobené spíná-

ním zátěží, poruchovými jevy a jejich odstraňováním (opětné zapíná-

ní). Tyto jevy jsou charakterizovány zbytkovým napětím a dobou tr-

vání. Některá připojená zařízení mohou bez zvláštních opatření v pří-

padě takové poruchy zkolabovat, popř. ztratit data.

Nesymetrie napětí, zpravidla jako kombinace amplitudové a fázové

nesymetrie třífázového napájecího systému způsobená připojením

nesymetrické třífázové zátěže nebo velkými jednofázovými či dvou-

fázovými zátěžemi (např. u střídavé trakce).

Signály v napájecích sítích reprezentuje především HDO, popř. jiné

komunikační přenosy v sítích nn, vn a vvn.


© VR - ZS 2014

Kmitočty těchto signálů nejsou shodné s kmitočtem sítě a jeho ná-

sobky, ale zpravidla spadají do nízkofrekvenční oblasti. Při náhod-

ném vzniku rezonancí např. s kompenzačními prostředky a reaktan-

cemi sítě a zátěží může dojít až k havárii.

Elektrická a magnetická pole se na rozdíl od všech předchozích pří-

padů, kde se rušivé signály šíří po vedení, šíří prostorem. Rušivá

elektrická pole jsou vytvářena především vodiči vrchního vedení

vn, vvn a zvn.

Významná magnetická pole vytvářejí vodiče protékané značnými

proudy, jako svařovací kabely, přívody elektrod obloukových pecí,

galvanizačních a elektrolytických lázní apod. Mohou se také

přechodně vyskytnout v blízkosti vodičů při zkratech a proudových

rázech v elektrizační soustavě.


© VR - ZS 2014

Vysokofrekvenční rušení

U vysokofrekvenčního rušení je rozlišení způsobu šíření význam-

nější než u nízkofrekvenčního rušení. Přitom je třeba mít na zřeteli,

že při vhodných podmínkách může rušivý signál šířený po vedení

využít toto vedení jako vysílací anténu a pokračovat ve formě ele-

ktromagnetického pole.

Obdobně může nastat i opačný jev, kdy rušivé elektromagnetické

pole může být zachyceno vedením nebo další částí zařízení jako

přijímací anténou a dále se šířit „po vedení“.


© VR - ZS 2014

O tom, zda rušivý signál přijde k rušenému zařízení po vedení, nebo

polem, rozhoduje především konkrétní konfigurace zdroje a

příjemce rušení, charakter prostředí, vzájemná vzdálenost a způsob

propojení apod.

Vysokofrekvenční rušení v oblasti od 9 do 150 kHz je zapříčiněno

především rušivými signály generovanými výkonovými polovodi-

čovými měniči a spínanými zdroji zejména v rozsahu kmitočtů od-

vozených od nosného kmitočtu pulsně šířkové modulace. Přestože

jde o poměrně silné rušivé signály, normy tuto oblast z hlediska

emisí zatím většinou nepokrývají.


© VR - ZS 2014

Rušení v oblasti nad 150 kHz zpravidla bývá označováno jako

rádiové rušení.

Významnými zdroji emisí jsou opět polovodičové měniče a spínané

zdroje s ději spojenými se spínáním a rozpínáním polovodičových

součástek budícími vysokofrekvenční kmitání spolupůsobením

parazitních indukčností a kapacit připojených součástek a obvodů.

Dalšími zdroji mohou být průmyslová, vědecká a lékařská

vysokofrekvenční zařízení produkující tyto kmitočty jako hlavní

produkt, tj. např. zařízení pro dielektrický, indukční a mikrovlnný

ohřev, elektroerozní obrábění atd.


© VR - ZS 2014

Zdrojem vyzařovaného rušení jsou rovněž výboje a jiskření na

velmi namáhaných částech izolátorů, korónové výboje a jiskření na

nedokonalých kontaktech. Zcela evidentním rušivým zdrojem jsou

pevné a mobilní rádiové vysílače.

Přechodné děje jsou charakterizovány jednorázovými nebo různě

často opakovanými napěťovými nebo proudovými impulsy tvaru

rázové nebo tlumené kmitavé vlny.

Mezi vysokofrekvenční jevy jsou řazeny právem, protože vzhledem

ke strmé náběžné hraně rušivých impulsů spadá generované

spektrum do vysokofrekvenční oblasti (v některých případech sahá

až po desítky megahertzů).


© VR - ZS 2014

Tyto jevy jsou spojeny především s atmosférickými a elektrosta-

tickými výboji a dále se spínacími jevy v elektrických sítích a roz-

vodech, jako např. vypínáním indukčních zátěží, poruchami a prů-

razy izolace, spínáním kompenzačních kondenzátorů apod.

Zdrojem uvedených jevů bývají také rychle spínající moderní vý-

konové polovodičové součástky.

Tyto jevy mohou být nepříjemně zesilovány při odrazech šířících se

vln na koncích impedančně nepřizpůsobeného vedení. Některé z

těchto rušivých přechodných vlivů jsou energeticky vydatné, např.

rušení vyvolané přímým nebo blízkým úderem blesku s možnými

destrukčními účinky. Jiné jevy jsou natolik rychlé, že se velmi

snadno šíří parazitními cestami i vyzařováním do širokého okolí.


© VR - ZS 2014

Šíření rušivých signálů

Cesty šíření

Nutným předpokladem „úspěšného rušení“ je existence cesty,

kterou se rušivý signál šíří od zdroje k zařízení citlivému na

rušení. Rušivé signály se v zásadě šíří třemi způsoby:

- kontaktně po vedení

- bezkontaktně vazbami

- vyzařováním.


© VR - ZS 2014

Šíření po vedení

K šíření rušivého signálu je nutné přímé propojení napájecími nebo

datovými vodiči. Galvanické propojení je pro elektrický signál velmi

vhodným prostředím, ačkoliv se impedanční poměry pro rušivé

signály mohou od impedančních poměrů pro kmitočet pracovního

signálu výrazně lišit.

Na vedení se přitom rozeznávají dva typy rušivého napětí:

symetrické a nesymetrické.

Symetrické napětí je charakterizováno jako napětí mezi dvěma

libovolnými vodiči daného vedení. Je to napětí vyvolané rušivým

zdrojem připojeným mezi tuto dvojici vodičů, např. připojeným

polovodičovým měničem. Symetrické rušivé napětí vyvolá rušivý

proud uzavírající se ve smyčce tvořené dotčenou dvojicí vodičů.


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014

Typy rušivých signálů

šířících se po vedení

Nesymetrické napětí se objevuje mezi pracovními vodiči (z hlediska

rušení na společném potenciálu) a vztažným bodem – např. zemí

nebo kostrou zařízení. Je to rušení vyvolané např. napětím indukova-

ným rušivým polem společně do všech vodičů vedení proti zemi.

Nesymetrické rušivé napětí vyvolá rušivý proud uzavírající se ve

smyčce mezi vedením a zemí, popř. kostrou spotřebiče.

Na obr. jsou ukázány možné rozdíly v případě výkonového napájení,

kdy se rušivý proud vyvolaný nesymetrickým napětím může uzavírat

buď uvnitř přívodu ochranným zemním vodičem (případ A), nebo

mezi všemi přívodními vodiči a zemí, popř. uzemněnou konstrukcí

(případ B).


© VR - ZS 2014

Vzhledem k tomu, že impedance jednotlivých vodičů proti zemi je

obecně různá, různé napěťové úbytky při nesymetrickém rušení často

současně vyvolají symetrické rušení a výsledkem je kombinované

rušení obou typů.

Poměrně zákeřný způsob přenosu rušivých signálů je přenos pros-

třednictvím společné impedance (někdy též vazba společnou impe-

dancí), kdy zdroj rušení a rušený přístroj nemají společný živý nebo

datový vodič, ale mají společnou impedanci – obvykle v obvodu

zemnicího vodiče.


© VR - ZS 2014

Rušivý proud sváděný do země ze zdroje rušení vyvolá na společné

impedanci úbytek napětí UR, působící jako rušení na druhém,

„odděleném„ přístroji (obr.). Tento společný vodič přitom může být

zcela vyhovující z bezpečnostního hlediska, tj. z hlediska síťového

kmitočtu, při kterém vykazuje zanedbatelnou impedanci.

Pro vysokofrekvenční rušivý proud ovšem může reaktanční složka

impedance vyvolat značné napěťové úbytky..


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014

Vazba společnou impedancí

Šíření vazbami

Šíření vazbami mezi zdrojem a příjemcem především vzniká mezi

blízkými vodiči, např. při vedení ve společném kabelu nebo po spo-

lečné trase. Uplatňují se při tom vzájemné indukčnosti mezi vodiči a

kapacita mezi vodiči.

Vzájemná indukčnost se přibližně pohybuje v desetinách mikrohenry

na metr délky vzájemného souběhu vodičů při jejich vzdálenostech

do deseti centimetrů. Přitom blízkost uzemněných konstrukčních

částí tuto vazbu výrazně zmenšuje.

Pro kapacitu obdobně platí hodnoty v jednotkách pikofaradů na metr

délky.


© VR - ZS 2014

Šíření vyzařováním

Šíření vyzařováním znamená takový stav, kdy rušivý signál je k ruše-

nému zařízení předáván prostřednictvím vyzařovaného

elektromagnetického pole. Je vhodné uvažovat tyto dva případy:

- v blízkém poli neplatí popis rovinnou vlnou a konstantní poměr

elektrické a magnetické složky pole, tj. v obvyklých případech ve

vzdálenostech kratších, než je dvojnásobek vlnové délky vyzařova-

ného rušení (např. pro 100 MHz je to vzdálenost přibližně 6 m)

- vzdálené pole je pro posuzování úrovně rušení vhodnější, protože

může být popsáno rovinnou vlnou a přijímač i vysílač mohou být

uvažovány jako náhradní anténa (uplatňuje se ve vzdálenostech vět-

ších než je uvedeno shora, jestliže jsou oproti ní rozměry vysílače i

přijímače podstatně menší).


© VR - ZS 2014

Popisované pole je charakterizováno buď vyzařovaným výkonem,

např. ve wattech na čtvereční metr, nebo intenzitou elektrického pole

ve voltech na metr, popř. intenzitou magnetického pole v ampérech

na metr. Úrovně se nejčastěji uvádějí vztažené k referenční úrovni,

např. v decibelech na mikrovolt na metr.


© VR - ZS 2014

Prostředí Pro stanovení EMC výrobku je rozhodující, pro jaké elektromagne-

tické prostředí je určen. Toto prostředí je charakterizováno očekáva-

nými úrovněmi elektromagnetického rušení jak v elektromagne-

tickém poli obklopujícím výrobek, tak v napájecích či datových

vodičích; k výrobku.

Podle očekávané intenzity rušení se rozlišují různé kategorie

prostředí:

chráněné prostředí, vyznačující se velmi nízkými úrovněmi rušení,

zajišťovanými např. odrušovacími prostředky na vstupech vedení do

místnosti, zálohovaným napájením apod. (prostředí typické např. pro

výpočetní centra, některé laboratoře apod.),


© VR - ZS 2014

obytné prostředí, vyznačující se relativně nízkými úrovněmi rušení,

kde se nevyskytují silně rušící zdroje (zejména prostředí v obytných

objektech napájených z veřejné rozvodné sítě nn, ale i v dalších takto

napájených prostorech, jako jsou např. obchody, supermarkety, kan-

celáře, banky, kina, provozovny lehkého průmyslu, dílny apod.),

průmyslové prostředí, vyznačující se vysokými úrovněmi rušení, kde

se vyskytují silně rušící zdroje a které je napájeno z neveřejné prů-

myslové rozvodné sítě, která není určena pro napájení obytných

objektů.

Ve zvláštních případech mohou být specifikována i další elektromag-

netická prostředí vyznačující se specifickými rušivými signály, jako

např. rozvodny vn a vvn, nemocniční prostředí, prostředí telekomu-

nikačních ústředen, trakčních vozidel apod.


© VR - ZS 2014

Pro jednotlivá prostředí jsou stanoveny meze emisí, tzn. maximální

přípustné úrovně jednotlivých typů emitovaného rušení, a příslušně

vyšší meze odolnosti, tzn. minimální přípustné hodnoty odolnosti

výrobku proti jednotlivým typům rušení.

Odstup mezi maximální přípustnou úrovní konkrétního emitovaného

rušení a minimální přípustnou hodnotou odolnosti proti tomuto ruše-

ní v daném prostředí bývá označován jako rezerva kompatibility a

respektuje vzájemné spolupůsobení několika rušivých zdrojů v da-

ném prostředí.

Je-li např. výrobek určen pro použití v obytném i průmyslovém pro-

středí, musí mít meze emisí odpovídající obytnému prostředí i meze

odolnosti odpovídající průmyslovému prostředí.

Normy předepisující konkrétní hodnoty mezí zpravidla rozlišují pou-

ze obytné prostředí a průmyslové prostředí.


© VR - ZS 2014

Pro Vztah

mezi přípu-

stnými emi-

semi a po-

žadovanou

odolností

podle typu

prostředí


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014

Frekvence Název oblasti Odrušení

0 až 2000 Hz

oblast vyšších

harmonických (do n =

40)

řeší se kompenzací a

filtrací

2 až 9 kHz „pásmo nikoho“

zatím nejsou určeny

přípustné meze, tudíž se

zatím neměří

9 až 150 kHz

rušení sledované a

měřené na síťových

svorkách

zatím nejsou určeny

přípustné meze, zpravidla

se zatím neměří (lze zde

rušit, ale ne předávat

informace, odporovalo by

to zákonům o

telekomunikacích)




© VR - ZS 2014

Frekvence Název oblasti Odrušení

0 až 2000 Hzoblast vyšších harmo-

nických (do n = 40)řeší se kompenzací a filtrací

2 až 9 kHz „pásmo nikoho“zatím nejsou určeny přípustné meze, tudíž se zatím

neměří

9 až 150 kHz



svorkách

zatím nejsou určeny přípustné meze, zpravidla se

zatím neměří (lze rušit, ale ne předávat informace,

odporovalo by to zákonům o telekomunikacích)

150 kHz až

30 MHz



svorkách

–---

30 MHz až

1000 MHz


měřené jako elektro-

magnetické pole

měří se anténami, v případě nevyhovujících výsled-

ků lze rušení omezit vysokofrekvenčním stíněním,

odrušovací filtry na síťových svorkách zde nemají

význam, protože rušení se šíří elektromagnetickým

polem, a nikoliv po síťovém přívod

Normy elektromagnetické kompatibility

Tvorbě norem (nejen) pro oblast EMC věnují mezinárodní organiza-

ce, na jejichž činnosti se ČR aktivně podílí.

IEC – Mezinárodní elektrotechnická komise, která tvoří elektrotech-

nické normy s celosvětovou působností, označené IEC s příslušným

číslem normy

CENELEC – Evropská normalizační komise pro elektrotechniku,

která ve spolupráci s IEC vytváří evropské elektrotechnické normy,

označené EN a číslem shodným s číslem odpovídající (převzaté)

normy IEC


© VR - ZS 2014

CISPR – Mezinárodní speciální komise pro rádiové rušení, tvořící

normy CISPR v oblasti vysokofrekvenčního rádiového rušení, z nichž

vybrané přejímá CENELEC jako evropské normy EN s modifikova-

ným číselným označením

ETSI – Evropský telekomunikační normalizační institut, zabývající

se mj. rušením v rámci telekomunikací, tj. rovněž vysokofrekvenčním

rádiovým rušením, nikoliv však v rámci směrnice o EMC, ale pod tzv.

směrnicí R&TTE (rádiová a telekomunikační koncová zařízení); vy-

brané normy ETSI opět přejímá CENELEC jako evropské normy

ETSI EN se shodným číselným označením.

České normy, vydávané Českým normalizačním institutem (ČNI),

vznikají přejímáním mezinárodních norem ekvivalentním překladem.


© VR - ZS 2014

Kmenové normy jsou harmonizované normy pro nejširší oblast

elektrotechnických výrobků, pokud není vydána úžeji zaměřená

výrobková norma.

V současné době jsou vydány a platné čtyři kmenové normy:

ČSN EN 61000-6-1: Odolnost – Prostředí obytné, obchodní a

lehkého průmyslu,

ČSN EN 61000-6-2: Odolnost pro průmyslové prostředí,

ČSN EN 61000-6-3: Emise – Prostředí obytné, obchodní a lehkého

průmyslu,

ČSN EN 61000-6-4: Emise – Průmyslové prostředí.


© VR - ZS 2014

EMC - PŘEHLED NOREM A PRÁVNÍCH PŘEDPISŮ

Basic Standards - Základní normy

Generic Standards - Kmenové normy

Product Standards - Normy výrobků

Zákon 22/1997 o technických požadavcích na výrobky

Zákon 102/2001 o obecné bezpečnosti výrobků

EMC Directive 2004/108/EC

EMC Směrnice 2004/108/ES

Nařízení vlády EMC 616/2006

EMC Directive 2014/30/EU

EMC Směrnice 2014/30/EU


© VR - ZS 2014

Elektromagnetická kompatibilita (slučitelnost) EMC

je definována jako schopnost zařízení, systému či přístro-

je vykazovat správnou činnost i v prostředí, v němž pů-

sobí jiné zdroje elektromagnetických signálů (přírodní či

umělé – lidskou činností vznikající).

A naopak svou vlastní "elektromagnetickou činností" ne-

přípustně neovlivňuje své okolí, tj. nevyzařuje signály,

které byly rušivé pro jiná zařízení. (nebo na jejich činnost

rušivě působily).


© VR - ZS 2009/2010

Elektromagnetická kompatibilita vznikla jako samo-

statná vědecko-technická disciplína (po předcházejícím

údobí zkoumání a sledování problémů, které elektromag-

netické rušení vyvolává) začátkem šedesátých let 20. sto-

letí v USA a poměrně dlouhou dobu 10 až 15 let byla

předmětem zájmu jen úzkého okruhu odborníků-elektro-

niků pracujících ve vojenském a kosmickém průmyslu.

Její průnik do běžného života souvisí s prudkým rozvojem

elektroniky, zejména mikroprocesorové a komunikační

techniky v posledních desetiletích.


© VR - ZS 2009/2010

Základní pojmy

EMC = elektromagnetická kompatibilita -

Electromagnetic Compatibility

EMS = elektromagnetická susceptibilita

(imunita) - Electromagnetic

Susceptibility nebo Electromagnetic

Immunity

EMI = elektromagnetická interference -

Electromagnetic Interference

Tři pojmy ……


© VR - ZS 2009/2010

Základní pojmy

V němčině se používá pojmu "Elektromagnetische

Verträglichkeit" (EMV)

V ruštině "Elektromagnitnaja sovměstimmosť".

V češtině byl dříve někdy užíván pojem "elektromagne-

tická slučitelnost“

--- dnes se používá správnější název „elektromagnetická

kompatibilita“

Tři pojmy ……


© VR - ZS 2009/2010

Základní pojmy

EMC = elektromagnetická kompatibilita -

Electromagnetic Compatibility

Je definována jako schopnost zařízení uspokojivě pracovat

v daném elektromagnetickém prostředí (okolí).

Zároveň je definována jako soubor zkoušek a měření,

jejichž splnění znamená vyhovující výrobek nebo

vyhovující stav elektromagnetického pole.


© VR - ZS 2009/2010

EMC ……

Zákazník si pod tímto pojmem představuje výsledky

(zcela nezbytně a pochopitelně vyhovující) měření

odolnosti proti rušení a minimalizaci jeho

negativního působení na okolí.

Základní pojmy


© VR - ZS 2009/2010

Základní pojmy

EMC = ……

Technik (projektant, návrhář, technolog, vedoucí výroby)

si pod tímto pojmem představuje celou škálu úloh

vyplývajících z povahy rušení, nutnosti zjištění

zdroje a příčiny, včetně následných kroků

vedoucích k odstranění rušení a

minimalizaci jeho negativního

působení na okolí.


© VR - ZS 2009/2010

EMS = elektromagnetická susceptibilita (imunita)

- Electromagnetic Susceptibility nebo

Electromagnetic Immunity

Elektromagnetická citlivost či elektromagnetická odolnost

vyjadřuje schopnost zařízení pracovat bez

poruch nebo s přesně definovaným

přípustným vlivem v prostředí, v němž se

vyskytuje elektromagnetické rušení.

Základní pojmy – další význam


© VR - ZS 2009/2010

EMS = ……

EMS se zabývá technickými opatřeními, které zvyšují

elektromagnetickou imunitu objektu (přijímače

rušení), tedy jeho odolnost proti vlivu

rušivých signálů.



© VR - ZS 2009/2010

EMS = ……

EMS jako celek je velice široký, obsáhlý a komplexní

vědní obora zabývá se především

technickými opatřeními.

EMS se týká spíše odstraňování důsledků rušení,

bez odstraňování jejich příčin. .

Základní pojmy – další vysvětlení


© VR - ZS 2009/2010

EMI = elektromagnetická interference -

Electromagnetic Interference

Elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál,

generovaný zdrojem rušení přenáší prostřed-

nictvím elektromagnetické vazby

do rušených systémů.

EMI se zabývá především identifikací zdrojů rušení,

popisem a měřením rušivých signálů a identi-

fikací parazitních přenosových cest.



© VR - ZS 2009/2010

EMI = ……

. Kompatibility celého systému se dosahuje technickými

opatřeními především na straně zdrojů rušení

a přenosových cest vzniklého rušení.

EMI se tak týká hlavně příčin rušení

a jejich odstraňování.



© VR - ZS 2009/2010

EMI = ……

Velmi rozsáhlou a důležitou oblastí je měření EMI,

především měření rušivých signálů

a jejich identifikaci.

Zahrnuje měřicí metody a postupy pro kvantitativní

hodnocení vybraných parametrů hlavně na

rozhraních zdrojů a přijímačů rušení.



© VR - ZS 2009/2010

EMI = ……

Problematika měření, která je pro závěrečné posouzení

EMC daného zařízení vždy rozhodující, je

navíc komplikovaná tím, že i samotné měřicí

zařízení je (či může být) zdrojem a současně

přijímačem rušivých signálů, což je nutno při

měření respektovat (technicky, kalibračně,

početně). a jejich odstraňování.

09.2009



© VR - ZS 2009/2010

Z hlediska fyzikálního principu (který je obvykle pro

možnost potlačení parazitních vazeb nej-

důležitější) rozlišujeme vazbu galvanic-

kou, kapacitní, induktivní a vazbu vyzařo-

váním (vazbu elektromagnetickým polem).

Jejich základní principy působení mezi dvěma vodiči

či obvody 1 a 2 jsou schematicky naznače-

ny na následujícím obrázku.


© VR - ZS 2009/2010


EMI = ……

Základní druhy elektromagnetických vazeb:

a) galvanická, b) kapacitní, c) induktivní, d) vyzařováním.


© VR - ZS 2009/2010

a) b) c) d)

Obr. 2.17. Základní druhy elektromagnetických vazeb: a) galvanická, b) kapacitní, c) induktivní, d) vyzařováním

EMI = …… principy vazebního působení


© VR - ZS 2009/2010

EMI = …… principy ochrany

Feritové kroužky, příp. feritové perličky navlečené na vodičích



© VR - ZS 2009/2010


Vedení s útlumovým pláštěm



© VR - ZS 2009/2010


Optočlen



© VR - ZS 2009/2010


Optický kabel, optická linka


Základní pojmy - vztahy


© VR - ZS 2009/2010

V současné době se rychle rozvíjí i oblast testování elek-

tromagnetické odolnosti objektů pomocí tzv. simuláto-

rů rušení (EMC simulátory).

Jde tedy v podstatě o praktické ověření stupně EMC na-

vrženého zařízení.

Testování se provádí nejen na hotových zařízeních, ale

zejména již v průběhu jejich vývoje.


© VR - ZS 2009/2010

Obecně řečeno

09.2009

Další velmi rozsáhlou je i oblast počítačové simulace a

modelování EMS i EMI, využívající rozsáhlých softwa-

rových produktů mnoha firem.

Tento přístup je výhodný zejména ve stádiu návrhu a vý-

voje daného zařízení, kdy poskytuje základní výchozí po-

znatky o úrovni jeho EMC a umožňuje tak realizovat

optimální technický návrh zařízení z hlediska EMC.


© VR - ZS 2009/2010

Obecně řečeno

Zařízení nebo systémy (a to jak technické, tak i biologic-

ké) musí být odolné vůči působení jiných zařízení a ne-

smí přitom samy nepříznivě ovlivňovat normální funkci

jiných systémů či zařízení.

Přitom každý systém nebo zařízení, nebo jejich určitá

část, může být současně vysílačem (zdrojem) i přijíma-

čem (tj. obětí) rušení.

Je tedy vyšší a širší pojem než prostá spolehlivost daného

zařízení.


© VR - ZS 2009/2010

Obecně řečeno

Jeden ze zakladatelů - H. M. Schlike - již v roce 1968

řekl: "Systém sám o sobě může být provozně dokonale

spolehlivý - v reálném praktickém provozu bude však

téměř bezcenný, pokud současně nebude elektromag-

neticky kompatibilní (odolný). Spolehlivost a elektro-

magnetická kompatibilita jsou neoddělitelné požadavky

na systém, který má fungovat v každé době a za všech

okolností".


© VR - ZS 2009/2010

Nutnost zabývat se touto oblastí je důsledkem neustále

stoupajícího množství elektrických a elektronických za-

řízení (spotřebičů) a zároveň neúnosně stoupající úroveň

elektromagnetických polí vytvářených mimo přírodní

zdroje – tedy lidskou činností a jejími výtvory.

Od jednoho z nejméně působících zdrojů = mikrovlnek

v domácnostech, přes mobilní telefony a radiová pojítka,

WiFi sítě, řadu lékařských přístrojů, přes televizní a roz-

hlasové vysílání až po stykače, spinače, motory a gene-

rátory a jejich řízené pohony.


© VR - ZS 2009/2010

Principiálně nedílnou součástí těchto polí jsou rušení v

kmitočtových pásmech od 0 (tj. prakticky subakustických

kmitočt, cca 10-4 Hz) až do hodnot 104 GHz (prakticky po

kmitočty kosmického záření).

Souvisejícím faktem, který velice nepříznivě ovlivňuje

danou situaci právě v oblasti EMC je, že řada zdrojů

elektromagnetických polí pracuje na poměrně vysokých

výkonových úrovních – technicky měřitelných od mW

po stovky MW. Odhaduje se, že v úrovních výkonu může

být maximální poměr až 200 dB, tj. 1020 násobek.


© VR - ZS 2009/2010

V takto vzniklých a působících elektromagnetických po-

lích – musí pracovat (přímo ve stejných zařízeních nebo v

zařízeních sousedících) citlivé „přijímače“ pracující na

obdobných kmitočtech – např. citlivé zesilovače či nebo

mikroprocesorové obvody.

Těmto obvodům pracujícím často při extrémně nízkých

úrovních výkonu - řádově až 10-14W – stačí velmi slabá

pole k narušení jejich bezchybné funkce.

Pravděpodobnost vzájemného rušení je za těchto pod-

mínek skutečně velká.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

V praxi, kdy citlivá elektronická zařízení musí pracovat

v prostředí se silným rušením, vznikají značně obtížné

situace.

Např. vstupní měřicí ústředna technologického řídicího

počítače je spojena s výrobním procesem (technologií)

prostřednictvím množství čidel, k nimž často vedou i ně-

kolik set metrů dlouhé přívodní kabely nesoucí signály

nízkých úrovní – méně než jednotky mV nebo mA.

Propojovací kabely jsou přitom vystaveny působení sil-

ných rušivých polí schopných do nich naindukovat na-

pětí dosahující desítek až stovek voltů.

Tak vzniknou parazitní signály - impulsní nebo harmo-

nické – ty pak mohou být (mylně) vyhodnoceny jako in-

formace došlé z technologického procesu a mohou mít za

následek nesprávný zásah (mnohdy automaticky provede-

ný řídicím systémem) s možným rizikem hospodářských

škod, havárií na technickém zařízení, ale i ohrožení živo-

ta či zdraví lidí.


© VR - ZS 2009/2010

V odborném tisku byla publikována a přesně popsána

řada příkladů, kdy nedodržení požadavků EMC mělo

katastrofální následky – na majetku i lidských životech.


© VR - ZS 2009/2010

Zničení stíhacího letounu NATO typu Tornado v r. 1984.

Příčinou katastrofy bylo rušení elektronického řídicího systému

letadla jiným elektromagnetickým vlněním - vysílačem velkého

výkonu v Holkirchenu u Mnichova v SRN. V důsledku selhání

automatického systému řízení se letadlo zřítilo z výšky 230 m

při rychlostí 800 km/hod.

Hmotná škoda byla vyčíslena na 100 miliónů marek.

Potopení britského křižníku Sheffield v roce 1982 během falk-

landské války argentinským letadlem. Příčinou bylo nedodržení

elektromagnetické kompatibility mezi palubním komunikačním

zařízením lodi a jejím rádiovým obranným systémem určeným k

rušení cílové navigace nepřátelských raket – konstrukčně-výrobní

pochybení a opomenutí. Výsledkem byly poruchy při vlastní rá-

diové komunikaci křižníku a proto byl během rádiového spojení

lodi s velitelstvím ve Velké Británii vypínán. V tété době odpálilo

argentinské letadlo raketu Exocet, která křižník potopila.


© VR - ZS 2009/2010

Kromě obrovských materiálních škod

přišlo dvacet lidí přišlo o život..

Havárie v hutích na průmyslovém východě USA v roce 1983.

Příčinou havárie bylo rušení mikroprocesorového systému řízení

jeřábu, přenášejícího licí pánev s tekutou ocelí příruční „walkie-

talkie“.

Licí pánev se předčasně převrhla.


© VR - ZS 2009/2010

Rozžhavený kov zabil na místě jednoho dělníka

a čtyři další vážně zranil.

Ztráta rádiového spojení mezi vysílači a přijímači, když do-

cházelo k intenzivnímu rušení rádiového spojení a k poruše

funkce automatického havarijního vypínání důlního kombajnu.

Stalo se na lodích Labské plavby a v dolech na Ostravsku.

Ve všech těchto případech byl zdrojem rušení tyristorový měnič a

obvody výkonových tranzistorových napáječů.


© VR - ZS 2009/2010

Havárie ve zdravotnických zařízeních.

Diagnostická souprava na JIPce monitorovala dech, tep a teplotu

připojených pacientů. Spínání okolních silových spotřebičů však

vyvolávalo v kardioskopu přídavné pulsy, které byly vyhodnoco-

vány jako nesynchronní tep srdce. Navíc, vadný startér zářivkové-

ho svítidla poblíž jednotky, který spínal každou sekundu, vyvolá-

val trvale hlášení překročení meze tepů a blokoval měření. Celá

souprava byla naprosto neodolávající rušení, takže musela být vy-

měněna za jiný (obdobný, funkčně shodný) systém od jiného vý-

robce. Systém splňoval přísnější požadavky EMC.


© VR - ZS 2009/2010

Cena v tomto případě nebyla prioritní

(a také ale nebyla zanedbatelná).

Součástí působení rušivých vlivů je i oblast indukované-

ho přepětí a statické elektřiny. Obě působení vyvolávají i

„klasické“ rušení a mají tedy i odpovídající následky.

Při každé bouřce je přepětím poškozována řada elektro-

nických zařízení, počítačů, telefonních ústředen a konco-

vých komunikačních zařízení, jako faxy, záznamníky a

telefony. Důvodem je nedostatečná odolnost těchto

zařízení proti přepětí a nevhodné či chybějící přepěťové

ochrany na vedení.


© VR - ZS 2009/2010

EMC biologických systémů se zabývá celkovým "elek-

tromagnetickým pozadím" našeho životního prostředí a

přípustnými úrovněmi rušivých i užitečných elektromag-

netických signálů (přírodních i umělých) s ohledem na

jejich vlivy na živé organismy.

Tyto vlivy jsou pozorovány již delší dobu, ale výsledky dosavad-

ních biologických a biofyzikálních výzkumů v této oblasti nejsou

zdaleka jednoznačné. Biologické účinky elektromagnetického pole

závisí na jeho charakteru, době působení i na vlastnostech organis-

mu. Protože nejsou známy receptory pole (tj. vstupy elektromagne-

tického pole do organismu), posuzují se tyto účinky jen podle ne-

specifických reakcí organismu.


© VR - ZS 2009/2010

Každý z biologických systémů (člověk) reaguje na půso-

bení elektromagnetického pole jinak, protože jeho adap-

tační, kompenzační a regenerační možnosti a schopnosti

jsou individuální.

Existuje řada konkrétních klinických studií zaměřených na vyšší ex-

pozice elektromagnetickým polem v pracovním procesu. Nežádou-

cí vliv na člověka je nejen přímé působení elektromagnetického po-

le na pracovišti (obsluha vysílačů, radiolokátorů, výpočetních stře-

disek apod.), ale i dlouhodobé bezděčné působení elektronizované-

ho životního prostředí venku a doma, kde lidi tráví hodiny svého

času - "společností" jsou elektrická a elektronická zařízení (TV a

rozhl. přijímače, kuchyňské spotřebiče, osobní počítače, …).


© VR - ZS 2009/2010

Problematikou EMC biologických systémů se zabývají

výzkumná lékařská pracoviště s cílem posoudit odolnost

lidského organismu vůči elektromagnetickým vlivům,

mechanismy jejich působení apod.

U vysokofrekvenčních a mikrovlnných polí jsou relativně

nejvíce objasněny tzv. tepelné účinky, tj. účinky, které se

objeví jako výsledek ohřevu tkání vystavených vysokým

úrovním polí.


© VR - ZS 2009/2010

Příslušné hodnoty prahových výkonových hustot elektro-

magnetického pole na velmi vysokých kmitočtech, při jejichž pře-

kročení může nastat tepelné poškození organismu, jsou:

0,3 až 3 GHz --- 40 mW/cm

3 až 30 GHz --- 10 mW/cm

30 až 300 GHz --- 7 mW/cm

V České republice se této problematiky týká Vyhláška ministerstva

zdravotnictví č. 408/1990 Sb, která stanovuje poměrně přesné po-

žadavky pro práci a pobyt osob v elektromagnetickém poli.

Stanovuje největší přípustné velikosti ozáření jak pracovníků, tak

i "běžného" obyvatelstva.


© VR - ZS 2009/2010

Všechny způsoby a postupy měření, stejně tak jako hod-

noty (dovolených nebo přesněji „přípustných“) rušivých

úrovní, dané průběhy vyhovujících výsledků a metodika

měřicích postupů a zkoušek je uložena v normách ČSN

(např. řady ČSN 61000), a ve speciálních předpisech a ná-

vodech.

Obdobně normy a předpisy týkající se EMC existují ve

všech vyspělých zemích.

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Elektromagnetická kompatibilita představuje výrazně

systémovou a integrující disciplínu mající navíc výz-

namné aspekty finanční a ekonomické.

Respektování EMC při vývoji, konstrukci a výrobě prak-

ticky všech elektrotechnických a elektronických zařízení

je již v současné době nezbytnou podmínkou jejich pro-

dejnosti na všech trzích.

Pro export výrobků českého průmyslu na světové trhy,

musejí výrobky vyhovovat i dalším normám.


© VR - ZS 2009/2010

Dnem 1. ledna 1996 ve všech zemích EU vstoupila v plat-

nost jednotná a přísně sledovaná i sankcionovaná direk-

tiva č. 89/336/EEC - ze dne 3. 5. 1989 „o sbližování zá-

konů členských států v oblasti elektromagnetické kom-

patibility“.

Direktiva předepisuje obecné požadavky EMC pro uve-

dení přístroje či zařízení na trh.

Bez splnění všech těchto požadavků, a jeho závazného

prokázání, je prodej zařízení (ale i jeho vystavení či rek-

lama) finančně sankcionován a zakázán.


© VR - ZS 2009/2010

Základní řetězec EMC a jeho především metodologický význam

motory, spínače, relé,

energetické rozvody,

polovodičové měniče,

zářivky, pece oblou-

kové, svářečky, os-

cilátory, počítače,

číslicové systémy,

elektrostatický výboj

vzdušný prostor,

energetické kabely,

napájecí vedení,

zemnění, stínění,

signálové vodiče,

datové vodiče

číslicová technika,

počítače, měřicí

zařízení a přístroje,

automatizační prostře

dky, telekomunikač-

ní systémy, systémy

pro přenos dat,

rozhlasové a tele-

vizní přijímače


© VR - ZS 2009/2010

První oblast zdrojů elektromagnetického rušení zahrnuje

zkoumání obecných otázek mechanismů vzniku rušení,

jeho charakteru a intenzity. Patří sem jednak tzv. přírodní

(přirozené) zdroje rušivých signálů (Slunce, kosmos, elek-

trické procesy v atmosféře apod.), jednak tzv. umělé zdro-

je rušení, tj. zdroje vytvořené lidskou činností ("man

made noise"), k nimž patří technická zařízení - zapalovací

systémy, elektrické motory, výroba, přenos a distribuce

elektrické energie, elektronická zařízení, elektronické sdě-

lovací prostředky, tepelné a světelné spotřebiče apod.


© VR - ZS 2009/2010

Druhá oblast zdrojů elektromagnetického rušení se zabý-

vá elektromagnetickým přenosovým prostředím a vazba-

mi, tedy způsoby i cestami, kterými se rušící energie ze

zdroje rušení dostává do rušených objektů - přijímačů

rušení.


© VR - ZS 2009/2010

Třetí - konečná oblast se zabývá problematikou objektů

či přijímačů rušení a klasifikací typů, podrobnou specifi-

kací rušivých účinků na základě analýzy konstrukčních a

technologických parametrů zařízení i z toho plynoucí je-

jich elektromagnetickou odolností.

Skutečná souvislost uvedených tří oblastí základního ře-

tězce EMC je samozřejmě mnohem složitější.

Ve skutečném řetězci EMC se nikdy nejedná o jediný

zdroj rušení a jediný přijímač, ale vždy o vzájemné vztahy

více systémů vzájemně se všestranně ovlivňujících.

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Pokud by se podařilo zcela odstranit kteroukoli část to-

hoto řetězce, ztratila by elektromagnetická kompatibilita

svůj smysl, neboť dané zařízení či systém by byl absolut-

ně kompatibilní.

Kromě obávanějšího průmyslového a přepěťového rušení

mohou ohrozit správnou činnost elektronického systému i

rušivé signály kontinuálního (spojitého) charakteru, je-

jichž působení trvá obvykle buď nepřetržitě (příp. jen s

krátkými přerušeními) nebo alespoň relativně delší dobu.


© VR - ZS 2009/2010

Zvláštním zdrojem rušení je tzv. nukleární elektromag-

netický impuls (NEMP - Nuclear Electromagnetic

Pulse), který vzniká jako doprovodný jev při jaderném

výbuchu.

Ochrana je řešena v rámci vojenské speciální výroby (tak-

že je součástí utajovaných skutečností) a pro běžnou si-

tuaci je málo využívána – její cena je vysoká a kromě

jaderné techniky a energetiky se jeví „zbytečná“.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

Rozlišují se dva různé typy zkoušek:

- typové zkoušky prováděné v laboratoři;

- zkoušky prováděné po instalaci zařízení v podmínkách jeho ko-

nečné montáže (post-instalační zkoušky).

Zkušební úrovně dle ČSN EN 61000-6-1

V normě ČSN EN 61000-6-1, která se vztahuje na zařízení použí-

vaná v prostředí obytném, obchodním a lehkého průmyslu.

Zkušební plán musí být odsouhlasen výrobcem a zkušební labora-

toří i uživatelem.

Zkušební úroveň nesmí za žádných okolností přesáhnout specifi-

kaci výrobku.

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Zkouška musí být provedena podle zkušebního plánu včetně ově-

ření vlastností zkoušeného zařízení tak, jak jsou definovány v tech-

nické specifikaci.

Zkoušené zařízení musí být provozováno v jeho normálních pro-

vozních podmínkách – při standardní nebo předem vyspecifiko-

vané činnosti.


© VR - ZS 2009/2010

Zkušební plán musí specifikovat:

- typ zkoušky, která bude prováděna

- zkušební úroveň

- polaritu zkušebního napětí (povinné jsou obě polarity)

- interní nebo externí buzení generátoru

- trvání zkoušky, ne kratší než 1 minuta

- počet aplikací zkušebního napětí

- vstupy zkoušeného zařízení, které se podrobují zkoušce

- reprezentativní provozní podmínky zkoušeného zařízení

- posloupnost aplikací zkušebního napětí na vstupy, jak následují

po sobě, nebo posloupnost aplikací na kabely příslušející k více

než jednomu obvodu, atd.

- pomocná zařízení.

Grafické znázornění – pro

laboratorní typovou zkoušku


© VR - ZS 2009/2010

Grafické znázornění – pro

laboratorní typovou zkoušku


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2014

Znázornění vzájemné působení různých systémů je tedy velmi slo-

žité a komplexní, což je aspoň náznakově naznačeno ,.,.


© VR - ZS 2009/2010

Každé elektrotechnické zařízení je současně jak zdrojem

elektromagnetického rušení, tak i jeho přijímačem pracu-

jícím v určitém elektromagnetickém prostředí.

Pro každé takové zařízení definuje obecná norma

ČSN-IEC 61000-1-1 některé základní pojmy,

jejichž základní vztah je na obrázku.


© VR - ZS 2009/2010

Všechny výrobky, nejen spotřební elektronika, prodávané v ČR (tj.

vyrobené v ČR nebo dovezené do ČR) musejí odpovídat zákonu č.

22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky, a z hlediska

EMC (elektromagnetické kompatibility) nařízení vlády 169/97 Sb.

Při nákupu zařízení, a to i starších, dbát na odrušení a vyžadovat

od dodavatele osvědčení o splnění podmínek EN 50081-1 nebo

EN 50081-2.


© VR - ZS 2014

Grafické znázornění – úrovně: vyzařování a odolnosti


© VR - ZS 2009/2010

rezerva

EMC

Úroveň vyzařování je rušení generované samotným kon-

krétním spotřebičem či zařízením měřené předepsaným

způsobem a vyjádřené např. v [dBm] v závislosti na kmi-

točtu.

Mez vyzařování je maximální přípustná (tj. normami po-

volená) úroveň vyzařování daného zařízení.

Rozdíl těchto úrovní vyjadřuje tzv. rezerva návrhu da-

ného zařízení z hlediska EMI.


© VR - ZS 2009/2010

Podobně …

Úroveň odolnosti je maximální úroveň rušení působícího

na konkrétní zařízení, při němž nedochází ještě ke zhor-

šení jeho provozu.

Mez odolnosti je nejnižší normou požadovaná úroveň

odolnosti daného zařízení.

Rozdíl obou těchto úrovní udává rezervu návrhu zařízení

z hlediska odolnosti k EMS.


© VR - ZS 2009/2010

Rozdíl meze (mezí) odolnosti a meze (mezí) vyzařování

je nazýván rezervou (rozpětím) EMC daného zařízení.

Výše uvedená norma zavádí rovněž pojem tzv. kompa-

tibilní úrovně , jakožto úrovně rušení, při níž je dosaženo

ještě "přijatelně vysoké" pravděpodobnosti EMC zařízení.

Rozdíly mezí vyzařování a mezí odolnosti vůči této kom-

patibilní úrovni (v [dB]) jsou nazývány rezerva (rozpětí)

vyzařování a rezerva (rozpětí) odolnosti.

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Aby zkoušené zařízení vyhovělo požadavkům EMC, musí

být úroveň jeho vyzařování vždy nižší než maximální pří-

pustná úroveň, tj. než mez vyzařování.

Podobně úroveň odolnosti zařízení musí být vždy větší

než minimální požadovaná úroveň, tj. než mez jeho

odolnosti.

Navíc, mez odolnosti musí být vyšší než mez vyzařování,

neboť jen tak je dosaženo dostatečné rezervy EMC

daného zařízení.


© VR - ZS 2009/2010

Konkrétní velikosti rezervy návrhu zařízení z hlediska

EMI a EMS nejsou nijak předepsány a jejich míra je

výlučnou záležitostí výrobce daného zařízení.

Jsou-li rezervy zvoleny příliš velké, vede to ke zbytečné-

mu zvýšení nákladů - na odrušení, na parametry odrušo-

vacích prostředků, na stínění a na další ochranu EMC.

Vývoj i konečná cena daného zařízení se tím zvyšuje.


© VR - ZS 2009/2010

Naopak, jsou-li rezervy návrhu příliš malé, vzniká velké

riziko, že zařízení nevyhoví zkouškám EMC či provozním

požadavkům a musí být dodatečně odrušováno, odstiňo-

váno apod., což je obvykle ještě pracnější a nákladnější

než v předchozím případě.

Ukazuje se, že v závislosti od velikosti a rozsáhlosti zaří-

zení by optimální náklady na zajištění EMC měly činit asi

2 až 10 % celkových vývojových nákladů zařízení.

Jsou-li otázky EMC sledovány od samého počátku vývoje

zařízení, lze náklady snížit dokonce pod hodnotu 1 %.


© VR - ZS 2009/2010

Klasifikaci rušení i jejich zdrojů lze uskutečnit podle

mnoha různých hledisek. Některé možné případy jsou

naznačeny v obrázku.

Z hlediska zamezení rušení jsou v centru naší pozornosti

především umělé interferenční zdroje, tj. zdroje vzniklé

lidskou technickou činností.

Přírodní (přirozené) zdroje rušivých signálů musíme

brát jako fakt, jehož vzniku většinou nemůžeme zabránit;

zbývá tedy jen předcházet jejich následkům.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

Klasifikace

interferenčních

signálů

ČSN-EN

55014

Uvedená norma definuje tzv. mžikovou (impulsní) po-

ruchu jako poruchu s dobou trvání ne delší než 200 ms,

která je oddělena od následující mžikové poruchy nej-

méně o 200 ms.

Mžiková porucha může skládat z nepřerušené řady impulsů nebo

být tvořena seskupením jednotlivých impulsů kratších než 200 ms.

Oba tyto časové intervaly jsou vztaženy k úrovni mezí spojitého

rušení.

Jednorázová mžiková porucha jako nepřerušená řada impulsů (a) a

jako seskupení jednotlivých impulsů (b) netrvající déle než 200 ms.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

Jednorázová mžiková porucha – omezení doby trvání

na max. 200 ms.


© VR - ZS 2009/2010

Vyhodnocení mžikových poruch:

nespojité rušení - a) dvě mžikové poruchy v intervalu 2s vzdá-

lené od sebe o více než 200 ms;

spojité rušení - b) jedna mžiková porucha delší než 200 ms, c) dvě mžikové poruchy v odstupu menším než 200 ms


© VR - ZS 2009/2010

Vyhodnocení mžikových poruch:

spojité rušení - d) více než dvě poruchy v intervalu 2 s.

09.2009

Grafické znázornění typických případů průběhů rušivých signálů

pro napětí v napájecí energetické síti - mohou se projevovat různý-

mi formami deformace harmonického napájecího napětí 50 Hz..


© VR - ZS 2009/2010

Další typ rušení související se spínacími pochody – objevil se oko-

lo roku 1970 – přinesla polovodičová usměrňovací a řídicí

technika. Tj. usměrňovače diodového či tyristorového a triako-

vého typu a tyristorové řízení výkonových průmyslových zařízení

(pohonů), např. nejrůznějších hnacích strojů v průmyslových pod-

nicích a výrobnách, hnacích soustrojí tramvají, trolejbusů, loko-

motiv. Dále při tyristorové regulaci otáček velkých motorů, např. u

výtahů, těžních klecí a podobných strojních systémů.


© VR - ZS 2009/2010

Při činnosti všech těchto obvodů a zařízení jsou opakovaně spínány

velké proudy, takže zde vznikají rušivá napětí v podobě periodicky

se opakujících impulsů doprovázená silnými rušivými eklektro-

magnetickými poli. Napěťové pulsy značně deformují průběh na-

pájecího napětí. Kmitočtové spektrum rušivých signálů sahá až do

kmitočtů desítek MHz.

Jsou-li tyto usměrňovače a polovodičové spínače, regulátory či

měniče připojeny k energetické napájecí síti přímo bez patřičné

filtrace, příp. bez přepěťových ochran, deformují svými výstupními

průběhy síťové napětí do té míry, že mohou způsobit celoplošné

výpadky energetické sítě.

Viz následující obrázky.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

Obr. 2.6. Deformace síťového

napětí vlivem diodového usměr-

ňovače a polovodičových měni-

čů – reálné průběhy sejmuté z

obrazovky osciloskopu.

V praxi jedním z nejrozšířenějších zdrojů průmyslového rušení jsou

kolektory elektrických motorů.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušení

kolektorového

motoru


© VR - ZS 2014

Výtah musí odpovídat normám ČSN EN 55011 pro zařízení třídy B

– měření rušivých napětí na síťových svorkách v pásmu 150 kHz až

30 MHz a ČSN EN 50081-1 pro prostředí obytné, obchodní,

kancelářské a lehkého průmyslu.


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014


© VR - ZS 2014

Další typ rušení vzniká v napájecích sítích nízkého napětí při čin-

nosti mechanickcých stykačů a jističů, případně me-

chanických relé. Při přechodovém jevu rozpojování obvodu

obsahujícího indukčnost dochází v okamžiku rozpojení kontaktů

k rychlé změně (přerušení) proudu (se strmostí hrany proudového

impulsu) di/dt a tím na indukčnosti (cívce) vzniká vysoké rušivé

napětí u = -L.di/dt. Mezi kontakty vznikne obloukový výboj, který

představuje „spoj“ a proto napětí mezi oběma kontakty klesne

skokem k nule.

Následkem poklesu napětí musí být, že výboj zhasne. Vzhledem k

oscilačnímu principu daného účastí indukčnosti v obvodu bude děj

pokračovat tím, že mezi kontakty opět narůstá napětí.


© VR - ZS 2009/2010

Proces se opakuje pokud jeho velikost opět překročí průraznou pev-

nost vzduchu mezi vzdalujícími se kontakty spínače (to záleží na

velikosti rozpojovaného napětí, na rychlosti vzdalování se kontaktů

spínače i na velikosti indukčnosti rozpojovaného obvodu), oblouk

mezi kontakty se opět zapálí a celý děj se může několikrát opakovat.

Na rozpojovaných kontaktech vznikají velmi strmé impulsy s krát-

kou náběžnou hranou jen několika ns, ale s napětím několika kV –

lze aplikovat obrázek s tvarem proudového impulsu při úderu blesku

(viz dále).

Výsledkem je jednak vznik rušivě působícího elektromag-

netického pole a jednak i možnosti vzniku naindukova-

ného přepětí.


© VR - ZS 2009/2010

Značně silné rušící účinky vykazují venkovní energetická ve-

dení vysokého (vn) a velmi vysokého (vvn) napětí.

Patří k těm zdrojům rušení, která se obtížně vyhledávají a ještě

obtížněji odstraňují. Produkované rušivé spektrum sahá od kHz až

ke GHz.

Výsledkem je, že negativně ovlivňuje provoz jakékoli radiokomuni-

kační služby a řadu dalších elektronických (např. lékařských aj.)

zařízení a přístrojů – včetně měřicích a řídících systémů.


© VR - ZS 2009/2010

Zdrojem rušivých signálů vedení vn a vvn jsou výboje dvojího

druhu.

Koronové výboje vznikají jen u vedení vvn (110 kV a více) na

nerovnostech vodičů, na armaturách a zařízeních rozvoden.

Korona se podobá doutnavému výboji a její spektrální složky nepře-

sahují 10 MHz. Velikost výbojů se zvyšuje za vlhka (projevuje se

jako intenzivní slyšitelný praskot pod vedením vvn a v jeho okolí).

Současně opět vzniká rušivé elektromagnetické pole.

Kapacitní …


© VR - ZS 2009/2010

09.2009

Kapacitní výboje jsou typické pro vedení vn 22 kV, kde vznikají

na nedokonalém spojení kovových předmětů nacházejích se v těsné

blízkosti částí vedení pod napětím. Tj. kovové kloubové spoje zá-

věsných izolátorů, u nichž se v důsledku koroze vytvoří izolační

vrstvička a dielektricky se oddělí kovové části kloubového spoje. Po

překročení dielektrické pevnosti této vrstvičky či při jejím mecha-

nickém narušení (např. při kývání izolátoru ve větru) dojde k jiskro-

vému výboji. Za suchého počasí bývá toto rušení větší, za vlhka

někdy i zcela vymizí.

Vznikající kmitočtové spektrum sahá až k 1 GHz a rušivý signál se

"dobře" vyzařuje částmi armatur i vlastním vn vedením.

Opět i zde současně vzniká rušivé elektromagnetické pole.


© VR - ZS 2009/2010

Rušivě působí i jiné druhy elektrických výbojů, např. u zářivek

a osvětlovacích či jiných výbojek. Startéry zářivek se přemosťují

odrušovacími kondenzátory, které zkratují vysokofrekvenční složky

vznikající při rozpojování startérového kontaktu.

Šíření do napájecí sítě pak omezuje do přívodu zapojená tlumivka a

odrušovací kondenzátory.

Velmi častým zdrojem rušivých signálů, polí a poruch jsou zapalo-

vací obvody zážehových spalovacích motorů – dříve byly

v tomto případě největším zdrojem motorky.


© VR - ZS 2009/2010

Zdroje napěťového přepětí lze z hlediska jejich původu

rozdělit na dvě skupiny: přírodní zdroje a zdroje uměle

vytvořené lidskou činností.

.Zatímco zařízení s diskrétními součástkami snesla napě-

ťové přepětí až několik kV, moderní integrované obvody

(s počtem součástek až několik miliónů na čipu) bývají

poškozovány napětími již od několika V a to i při mizivě

malé energetické úrovni přepětí.


© VR - ZS 2009/2010

Nejdůležitějším přírodním zdrojem přepětí je především bleskový

výboj, jakožto nejsilnější přírodní elektrický výboj.

Úder blesku ohrožuje elektrická zařízení až do vzdálenosti cca 4 km.

Vybíjení atmosférické elektřiny bleskem způsobuje vznik strmého

elektromagnetického impulsu (v literatuře označovaného zkratkou

LEMP - Lightning Electromagnetic Pulse), který má na zasažená i

vzdálenější zařízení rušivé až destrukční účinky.

Z kmitočtového hlediska produkuje blesk rušení o hodnotě až

140 dBmV v pásmu 2 - 30 kHz.

Dále úroveň rušení klesá se strmostí 20 dB/dek. až do kmitočtu cca

100 MHz.


© VR - ZS 2009/2010

Nepřímý účinek blesku spočívá v zavlečení napěťového rázového

impulsu z vnějšího vedení nízkého, případně i vysokého napětí do

vnitřního silového rozvodu budov.

V tomto případě je důležité, aby na vstupu budovy byla nainstalo-

vána primární přepěťová ochrana (bleskojistky, varistory) a aby

budova byla vybavena dokonalým zemnicím systémem.


© VR - ZS 2009/2010

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Proudový impuls při úderu blesku a jeho základní parametr

K umělým zdrojům přepětí, jejichž význam v posledních letech stále

vzrůstá, patří lokální elektrostatické výboje (ESD - Electrostatic

Discharge).

S jejich vlivem je nutno počítat všude tam, kde se vyskytuje třecí

pohyb mechanických částí (kovových a/nebo dielektrických – pev-

ných, kapalných či plynných).

Přestože energie lokálních výbojů je velmi nízká (často menší než

10 mJ), je jejich napěťová úroveň jednotek až desítek kV velmi

nebezpečná pro elektronické prvky a zařízení.


© VR - ZS 2009/2010

Největším provozním nebezpečím elektrostatický náboj vznikající

na osobách při jejich chůzi, pohybu končetin či třením částí oděvu.

Osoba tak může běžně dosáhnout napětí proti zemi 5 - 15 kV.

Závislost napětí elektrostatického výboje na vlhkosti vzduchu a dru-

hu materiálu, který elektrostatický náboj vytváří.


© VR - ZS 2009/2010

Závislost napětí elektrostatického výboje na vlhkosti vzduchu a dru-

hu materiálu, který elektrostatický náboj vytváří.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

Proudový impuls při vybití elektrostatického náboje

09.2009


© VR - ZS 2009/2010

Srovnání úrovní

mimozemských

poruch a šumů s

úrovněmi jiných

interferenčních

zdrojů a jejich

spektrální

rozložení

Respektování zásad EMC úzce souvisí s kvalitou a spolehlivostí

výrobků.

Neznalost zásad a podmínek EMC může za určitých okolností způ-

sobit značné hospodářské škody, havárie technických zařízení či

ohrozit život a zdraví lidí.

Uvádí se, že celkový objem evropského obchodu s výrobky a služ-

bami EMC přesáhl v roce 1999 jednu miliardu dolarů při meziroč-

ním nárůstu zhruba 15 %.

Jde tedy o problematiku rozvíjející se velmi dynamicky i z výrobní-

ho a obchodního hlediska.


© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

Teritoriální rozdělení evropského trhu EMC


© VR - ZS 2009/2010

6. Teritoriální rozdělení evropského trhu EMC.

Obr. 1.7. Podíly hlavních produktů

Podíly hlavních produktů na evropském trhu EMC

Odrušovací prostředky jsou technickými prostředky,

které se užívají k omezování elektromagnetického rušení

v kterékoli části řetězce EMC.

Používají se jak k potlačení rušivých signálů u jejich

zdroje, tak i pro zvýšení odolnosti "přijímacího" zařízení

proti němu.

Omezení rušení vyzařováním, příp. zvýšení odolnosti vůči

elektromagnetickým polím nelze obvykle dosáhnout bez

použití správně provedeného stínění.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky

Nesprávná volba odrušovacího prostředku nejen že nepři-

nese očekávaný efekt, ale může být dokonce příčinou

zhoršení parametrů odrušovaného zařízení nebo ohrožení

bezpečnosti obsluhy.

Nevhodně zvolený odrušovací prostředek nebo jeho ne-

správná montáž a instalace může ve svém výsledku zvýšit

celkovou hladinu rušení tak, že výsledek je horší (špatný).


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky

Podmínkou správné volby odrušovacích prostředků je

znalost jejich fyzikálních vlastností a technických para-

metrů a současně znalost chráněných obvodů a principů

vazeb – vše v závislosti na kmitočtu.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky

Mezi odrušovací prostředky patří zejména:

- odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry,

- odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry,

- odrušovací filtry LC,

- přepěťové ochranné prvky (bleskojistky, plynem plněné

výbojky, varistory, omezovací diody),

- elektromagnetické, elektrické a magnetické stínění.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky

Odrušovací tlumivky jsou nejnákladnějšími a nejobjemnějšími pasiv-

ními prvky užívanými v technice odrušování - buď samostatně nebo

jako součást odrušovacích filtrů. Protože se odrušovací tlumivky

zapojují do proudových obvodů odrušovaného zařízení, jsou jejich

rozměry v prvé řadě dány velikostí protékajícího pracovního proudu.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky - odrušovací tlumivky

Odrušovací kondenzátory mohou být používány buď samostatně,

nebo spojené do určitých kombinací tzv. kondenzátorových filtrů,

nebo jako součásti odrušovacích filtrů LC, příp. článků RC.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky - odrušovací kondenzátory

Indukčnost přívodů vytváří s vlastní kapacitou kondenzátoru para-

zitní rezonanční obvod, nad jehož rezonančním kmitočtem má od-

rušovací kondenzátor induktivní charakter a jeho vložný útlum

s rostoucím kmitočtem klesá.

Kvalitní odrušovací kondenzátory musí mít délku přívodů co nej-

kratší, což je především otázkou jejich konstrukčního provedení.

Nejvýhodnější jsou průchodkové a zejména koaxiální průchodkové

kondenzátory.

Jejich několik konstrukčních variant spolu s kmitočtovým průbě-

hem vložného útlumu je naznačeno na obrázku.

Umožňuje-li to konstrukce odrušovaného zařízení, dáváme proto

průchodkovým koaxiálním kondenzátorům přednost před ostatními.


© VR - ZS 2009/2010



© VR - ZS 2009/2010



© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky - odrušovací filtry

K dokonalejší ochraně před působením vysokofrekvenčního rušení

šířícího se po vedení se používají odrušovací filtry, nejčastěji filtry

LC typu dolní propust.

Jako síťový odrušovací filtr označujeme filtr zapojený do energe-

tické napájecí sítě či do napájecího vstupu přístroje.

Tento druh odrušovacího filtru je asi v současné praxi EMC nej-

častější.


© VR - ZS 2009/2010


Odrušovací filtr jako lineární


© VR - ZS 2009/2010


Příklady zapojení komerčních síťových


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky – zvláštní odrušovací filtry

Zvláštním druhem síťových odrušovacích filtrů jsou tzv. filtry

NEMP, příp. LEMP, nazývané též filtry EMP.

Tyto filtry byly vyvinuty pro ochranu elektronických zařízení

proti působení rušivých impulsů velké intenzity.

Na rozdíl od běžných síťových odrušovacích filtrů LC má filtr

EMP na svém vstupu zapojeny ještě součástky omezující přepětí

(bleskojistky, varistory, ochranné diody apod.).


© VR - ZS 2009/2010


Jiným speciálním typem odrušovacích filtrů jsou tzv. filtry

TEMPEST (Temporary Emanation and Spurious

Transmission - přechodné úniky a nepravé přenosy).

Slouží k zamezení úniku informací předávaných tele-

komunikačními zařízeními a zařízeními pro přenos

dat, které mohou být zneužity nepovolanými osobami.


© VR - ZS 2009/2010


Technická specifikace filtrů TEMPEST je přísně tajná a liší se

filtr od filtru.

Tyto filtry se vyznačují velmi jakostními parametry - vysokým

útlumem 80 až 100 dB ve velmi širokém kmitočtovém rozsahu

- obvykle od 10 kHz až 1 GHz.

Je zřejmé, že takový filtr musí být tvořen mnohastupňovým ře-

tězcem článků LC umístěných ve vysoce kvalitním elektromag-

neticky stíněném a hermeticky uzavřeném pouzdru se speciál-

ními vstupními a výstupními konektory.


© VR - ZS 2009/2010


Zkratka TEMPEST se stala synonymem pro všechny

aktivity a opatření v souvislosti s nežádoucím vyzařo-

váním či odposlechem elektronicky přenášených

zpráv a dat.

V USA je jako TEMPEST označován celý národní pro-

gram na ochranu počítačů a periférií před nežádoucím

odposlechem dat.


© VR - ZS 2009/2010


V telekomunikačních zařízeních se používají tzv. datové filtry

(Data - Line Filters) k omezení rušivých signálů na datových a

signálových vedeních.

Jejich základní odlišností od síťových filtrů je nižší pracovní proud

a nižší pracovní napětí datových filtrů.

Datové filtry obvykle pracují v přizpůsobených systémech (ZS =

ZZ) a jimi propouštěné užitečné signály (sdělovací či datové)

bývají značně širokopásmové.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky – přepěťové ochranné prvky

Obr. 3.12. Příklad provedení a útlum

přepěťových ochranných prvků

Název

Plynem plněné

bleskojistky

(výbojky)

Varistory

(Voltage Dependent

Resistors - VDR)

Klasické

Zenerovy diody

Supresorové diody

(Transient Absorbing

Zener - TAZ diody)

Schematická

značka

Ochranné napětí [V] 10 ÷ 12 000 6 ÷ 2 000 2,4 ÷ 200 6 ÷ 440

Max.í proud po dobu

1 ms [A]500 120 10 200

Max. absorbovaná

energie [J]60 2 000 0,1 1

Přípustné výkonové

zatížení [W]800 2 50 5

Vlastní kapacita [pF] 0,5 ÷ 10 40 ÷ 40 000 5 ÷ 15 000 300 ÷ 15 000

Doba reakce [ns] > 1 000 25 10 0,01

Druh ochrany hrubá hrubá jemná jemná

Komplexní odrušovací filtry EMP - hlavním úkolem pře-

pěťových ochranných prvků v těchto filtrech je omezit velikost

přepěťových rušivých impulsů, které se mohou dostat na vstup

filtru, a tím snížit nároky na velikost vložného útlumu následného

filtru LC.

Teplotně závislý odpor (termistor) sériově zapojený do větve plyno-

vé bleskojistky je tepelně vázán se vstupní tavnou pojistkou celého

filtru a způsobí její rychlé přetavení v případě velmi vysokého

vstupního přepěťového impulsu, jímž je výbojka zapálena.


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky – komplexní ochranné prvky


© VR - ZS 2009/2010

Odrušovací prvky – komplexní ochranné prvky

Zapojení síťového odrušovacího filtru

s přepěťovými ochrannými prvky

VACULÍKOVÁ, P., VACULÍK, E. aj. Elektromagnetická kompa-

tibilita elektrotechnických systémů. Grada Publishing, Praha 1998

SVOBODA, J. aj. Základy elektromagnetické kompatibility. Skripta

FEL ČVUT. Vydavatelství ČVUT, Praha 1993

CHATTERTON, P. A., HOULDEN, M. A. EMC - Electromagnetic

Theory to Practical Design. John Wiley, New York 1991

HABIGER, E. Elektromagnetische Verträglichkeit. Hüthig Buch

Verlag, Heidelberg 1992

RODEWALD, A. Elektromagnetische Verträglichkeit - Grundla-

gen, Experimente, Praxis. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995


© VR - ZS 2009/2010

Literatura:

SVAČINA, J. Základy elektromagnetické kompatibility (EMC)

Část 5: Elektromagnetická odolnost a její testování. Elektrorevue,

2001/25, Brno 2001

SVAČINA, J. Elektromagnetická kompatibilita, principy a metody.

Brno: Vysoké učení technické. 2001 "Připojujeme se k Evropské

Unii", svazek 2

VONDRÁK, M. Elektromagnetická kompatibilita v teleinformatice

- cvičení. Skripta FEL ČVUT v Praze. Vydavatelství ČVUT, Praha

1998


© VR - ZS 2009/2010

KÜNZEL, K. – ŽÁČEK, J.: EMC v technické praxi I: Legislativní

požadavky. Automa, 2006, roč. 12, č. 2 a č. 3.

http://www.odbornecasopisy.cz/au020659.htm


© VR - ZS 2014


V prezentaci byly z veřejně dostupných internetových zdrojů

použity také informace autorů – např.

Ing. Richard Jelínek, CSc.

Prof. Ing. Jiří Svačina

Ing. Josef Jansa

doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc

doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc.

Ing. Karel Künzel, CSc.

© VR - ZS 2014

T- MaR

… a to by bylo

vše

6......


© VR - ZS 2014

T- MaR

© VR - ZS 2014

Documents

CW01 - Teorie · 2014. 12. 9. · CW01 - Teorie měření a regulace Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb ©2014 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS –2014/2015 cv. 6