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).