TFMT13 Fö: Elektriska störningar

Per SandströmInstitutionen för Fysik, Kemi och Biologi

Linköpings universitet

Elektriska störningar

Akustiska — buller Elektriska — brus, brum, signaler och transienter

Uppkomst klassificerar: Kapacitiv störning

Induktiv störning

Strålning

elektrostatisk urladdning

ledningsbunden störning

Teori för kapacitiv störning (störmodell)

u(t) = ˆ U sinω t Störande ledare

C

Störd ledare Osc. Ustör

U Rin Cin

Jord Jord Fig. 1.

Osc. ingång Rin //Cin ≈1M Ω //20pF

Spänningsdelning med C och osc. till jord.

Störmodellen forts.

Osc. impedansen Rin //Cin =Rin ⋅ 1

jωCin

Rin + 1jωCin

= Rin

1+ jωRinCin

= Rin

N

Ustör

U=

Rin

N1

jωC+ Rin

N

= jωRinC

N + jωRinC= jωRinC

1+ jωRin Cin + C( )

A. Låg frekvens ωRin C + Cin( )<<1

Ustör

U= jωRinC

B. Hög frekvens ωRin C + Cin( )>>1

Ustör

U= C

C + Cin

(kapacitiv sp. delning)

Exempel: Kapacitiv störning

Exempel: ˆ U = 25V och C = 20pF. Osc.Rin //Cin ≈1M Ω//20pF

Rita i diagram ˆ U stör som funktion av frekvensen.

Lösning:

A. Låga frekvenser ˆ U stör = jωRinC ˆ U =

= 2πf ⋅106Ω⋅ 20⋅10−12F ⋅ 25V = π ⋅10−3 ⋅ f lutande asymptot

B. Höga frekvenser

ˆ U stör = C

C + Cin

ˆ U = 20pF

20pF + 20pF25V =12,5V horisontell asymptot

Exempel: Kapacitiv störning forts.

ˆ U stör (V) 14

12 10 8 6

4 2

0 f (kHz) 0 2 4 6 8 10 12 14

Störmodellen beskriver ett högpassfilter Asymptoternas skärningspunkt ger gränsfrekvensen 4 kHz

Exempel: Kapacitiv störning forts. Störmodellen beskriver ett högpassfilter Asymptoternas skärningspunkt ger gränsfrekvensen 4 kHz

Om Cin tas bort erhålls ett rent RC-högpassfilter

Högpassfilter är deriverande för låga frekvenser. Ustör = jωRinCU

Symboliska metoden innebär d

dt→ jω

Generellt gäller ustör(t) =RinCd

dtu(t)

Ex:

u(t) = ˆ U sinωt deriveras till ustör(t) = ωRinC ˆ U cosωt

Åtgärder vid kapacitiv störning

Använd skärmade kablar Partvinnade och skärmade kablar Koaxialkablar Lägg kablar i rör Det räcker med tunn skärm t. ex Al-folie Jorda skärmen/Lågohmig jordning Undvik utstickande ledare utanför

skärmen

Störande ledare

C oscilloskop

Skärm (koax)

Jord

Direkt till jord

Åtgärder vid kapacitiv störning forts.

Störande ledare

C oscilloskop

<1 kΩΩΩΩ

Lågohmig resistans

Stor ström Liten ström

Åtgärder vid kapacitiv störning forts.

Välj lågohmig signalgenerator (standard 50 Ω)Ω)Ω)Ω)

Störande ledare

C oscilloskop

50 ΩΩΩΩ

Signalgen.

Hela störströmmen går via signalgeneratorn

Verklighet: Tur- och returledare

Signalgenerator Störgenerator5 V pp1 kHz 10 kHz

Oscilloskop

Signalöverförande sladdar Störande sladd

Test av inverkan av kretsresistans i signalöverföringen

Signalgenerator Störgenerator5 Vpp1 kHz 10 kHz

Oscilloskop

Skärmning

Signalgenerator Störgenerator5 Vpp1 kHz 10 kHz

Oscilloskop

Till jord

Teori för induktiv störning (störmodell)

B(t)

Area=A e

Magn. flödestätheten B (tesla = Vs/m2)

Magn. flödet φφφφ = = = =Β ΑΒ ΑΒ ΑΒ Α (Vs/m2)(m2) = Vs=Weber

Induktionslagen:

e= − dφdt

= −AdB

dt e∝ A

di

dt Strömderivata, Area

Induktiv störning: Exempel och åtgärder

Ex. Sinusström i (t) = ˆ I sinωt ger störspänning Aω ˆ I cosω t

Ex. Pulsström ger pulstransient +

Låg störfrekvens (svårt)

Låg störström (svårt)

Öka avståndet till strömmen (kan gå)

Minska Arean (lätt)

Åtgärder mot induktiv störning

Minska Arean

Signalgen.

Ta bort en jord

Åtgärder mot induktiv störning forts.

Partvinnad kabel+skärm

Signalgen.

Skärm till jord

(minskar dessutom kap. störn.)

Skärmning av magnetfält är svårt

Fodrar tjock skärm av Al, Cu (tungt) Mindre tjock skärm av Fe (tungt) Tunn skärm av my-metall (dyr)

Strålning

Höga frekvenser: E-fält + B-fält (EM-våg)

Strålningskällorna är sändare för radio, TV, mobilradio, amatörradio, mobiltelefoni och mikrovågor (radar).

Frekvensområdet 20 MHz till 10 GHz.

Strålning har mycket lång räckvidd

E-fält, H-fält avtar som 1/r2 (kort räckvidd)

EM-fält avtar som 1/r

Samverkan av elektriska och magnetiska fält bildar en elektromagnetisk våg, EM-våg.

Strålning forts.

EM-våg

Ledningar blir antenner

Skärmlåda: Nät Hel plåt

Plåt (tunn)

Metallnät (maskstorlek välj m.a.p. våglängden)

In/Ut-kablar förses med ”Filter”

Kabelskärmar anslutes till skärmlåda

Kablar skall gå in och ut mitt på hel plåt

ESD (Electrostatic Discharge)

Urladdning mot jordad utrustning.

tid (ns)

ström (A)

1 50

10 - 20

ESD forts.

Strömstöt flyter genom chassit till jord

Tidsderivata di/dt av storleksordningen 1010 A/s

Ger upphov till ett snabbt varierande magnetfält

Inducerar spänningar i slingor i omgivningen

Ömtåliga komponenter i slingorna kan skadas Spänningspulser kan ge feltolkning i digital- utrustning

En modell av en uppladdad person

100 - 300 pF

300 - 3000 ohm

2 - 25 kV

Olika fall. Det du tar i är

a) metall och i kontakt med jord (jordat instrumentchassi) b) metall och icke i kontakt med jord c) isolator

ESD forts

En gnista kan störa induktivt via strömmen som flyter då gnistan slår över.

En gnista orsakas av en hög spänning. En gnista är således även en kapacitiv störkälla.

Det snabba förloppet gör att gnistan också är en strålande störkälla.

ESD-skada Antal ESD events per timme (beräknat enligt ANSI C63.14)

(Första punkten visar beräknat antal urladdningar mellan 200 - 400V, andra mellan 400-600V osv.’)

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

0 2 4 6 8 10

Series1

Ett annat exempel. Risk för fel orsakade av ESD som funktion av spänning

Figure 1: Calculating Net Risk from ESD Event and Device Failure Rates

ESD-urladdning

Ledningbunden störningSkärmtopogi

Kabelstege Apparatskåp Kabelränna

Tele

El Faser + nolla

Transientskydd

Plåt

Potentialutjämnare Inre ref. pkt

Jordtag

Ledningbunden störning forts.

Regler:

Alla kablar går in via plåten

Alla kabelskärmar anslutes till plåten

Alla ledare förses med transientskydd vid plåt

Låda med transientskydd anslutes till plåten

Skåp, kabelstegar och rännor potentialutjämnas

Potentialutjämning via inre ref. pkt (inre jord)

Jordtaget får inte dras in i anläggningen

Faradays bur

Hel metall

Inget inne i buren

Partiell bur (reducering i ett eller två steg)

Finskydd Grovskydd

Transorber/Mov/Filter Gnistgap/Mov

Endast skåp och apparatlådor av metall sänker störnivån

Plåt+nät A/V mA mV

µA µV

=A mV

Ledningsbundna störningar/Transientskydd

Gnistgap Metalloxid Varisto r Transorber

Transientskydd

Inkommande Resttransient transient med våldsam derivata

Trådängd < 1cm

S G MOV TAZ

Trestegsraket: Transient VoltageSuppression Diode(Transorb, Transil…)

Varistor - karaktäristik

Transient Voltage Suppression Diode Ventilavledare för 400/230 V

Gnistgap Metalloxidvaristor (MOV)

Transientskydd för svagströmGnistgap

Metalloxidvaristor

Det finns en uppsjö av transientskyddskomponenterallt från ytmonterat till högspänning!

Exempel på färdiga moduler

Data/Tele skyddMed gasurladdningskydd + TVSD

230V lågeffektMed gasurladdnings-skydd + varistor

230kV Krav på produkter

Produkter som ska säljas på marknaden måste uppfylla krav Inte störa omgivningen för mycket

Trådbundet

Strålning

Tåla en viss mängd störningar (immunitet) utifrån Trådbundet

Strålande ESD

Vara elektriskt säkra

Det finns EU-direktiv och standarder som reglerar detta (EMC-direktiven).