Sähkömagneettinen yhteensopivuus

RF-antenni EMC-laboratoriossa.

Sähkömagneettisella yhteensopivuudella (engl. electromagnetic compatibility, EMC) tarkoitetaan elektronisen laitteen tai järjestelmän kykyä toimia luotettavasti luonnollisessa toimintaympäristössään. Laite ei saa myöskään tuottaa kohtuuttomasti sähkömagneettisia häiriöitä ympäristöönsä. Tämä koskee myös laitteen osien välistä vuorovaikutusta. Sähkömagneettiset häiriöt (engl. electromagnetic interference, EMI) ovat ei-toivottua sähkömagneettista vuorovaikutusta laitteen sisällä tai laitteiden välillä.

Esimerkkejä sähkömagneettisista yhteensopimattomuuksista:

• GSM-puhelimen aiheuttamat häiriöt sen läheisyydessä oleviin puutteellisesti suojattuihin elektroniikkalaitteisiin
• Yhdysvalloissa poliisilaitos valitti, että rahapelikoneet aiheuttivat harmillista häiriöitä partioiden käyttämään viestintäjärjestelmään;
• Kun pietsoelektronista tupakansytytintä käytettiin pysäköintihallin sisäänpääsypuomin ohjauskaapin läheisyydessä, aukaisi sytyttimestä säteillyt sähkömagneettinen pulssi puomin;
• Vuonna 1982 käydyssä Falklandin sodassa brittien sotalaiva HMS Sheffield (D80) tuhoutui Exocet-ohjuksen osuessa siihen. Laivan ohjuspuolustusjärjestelmä oli kytketty pois päältä aluksen omasta viestintäjärjestelmästä tulleen häiriön vuoksi.

Häiriöiden kytkeytymismekanismit

Sähkömagneettisen säteilyn neljä kytkeytymistyyppiä

• Säteilevä kytkeytyminen (sähkömagneettinen aalto) radiokentän kautta
• Induktiivinen kytkeytyminen korostuneesti magneettikentän kääminomaisten rakenteiden kautta
• Kapasitiivinen kytkeytyminen korostuneesti sähkökentän kondensaattorinomaisten rakenteiden kautta
• Galvaaninen eli johtuva kytkeytyminen johtimia pitkin. Tähän syynä voi joskus olla huonosti toteutettu maadoitus.

EMC-häiriötyyppejä

• Johtuva RF-häiriö
• Säteilevä RF-häiriö
• Sähköstaattinen purkaus (ESD)
• Kertaluontoiset ja toistuvat transienttihäiriöt
• Sähkömagneettinen pulssi (EMP)

Häiriöiltä suojautuminen

Sähkömagneettisen säteilyn haitat aiheuttavat monilla teknologian aloilla ei toivottavia riskejä ja häiriöitä. Näitä häiriöitä on välttämätöntä valvoa ja vähentää, jotta haittoja esiintyisi mahdollisimman vähän.

Häiriön kytkeytymismekanismin selvittäminen

Jotta häiriöiltä pystytään suojautumaan täytyy selvittää:

• Häiriölähde
• Häiriön siirtotie
• Häiriön vastaanottaja

Häiriösäteilyn ja häiriönsietokyvyn saaminen direktiivien mukaiseksi

EMC-direktiivi säännöstelee laitteiden sähköistä yhteensopivuutta EU-alueella, jonka noudattamisesta lopuksi vastaa laitteen valmistaja. EU:n alueella laitteen valmistaja takaa CE-merkinnällä laitteen olevan EU:n direktiivien mukainen, johon kuuluu EMC-direktiivi.

EMC-suunnittelu

EMC-suunnittelu on tärkeää ja pakollista, joka on otettava huomioon laitteen suunnittelun alussa. Ihanteellista olisi häiriölähteen vaimennus tai poisto ennen häiriön leviämistä . Hyvällä suunnittelulla voidaan välttyä jatkokustannuksilta. Suunnittelussa tulee huomioida:

• Kotelointi – Laitteen kotelointi mahdollisimman tiivisti ja johtavasta materiaalista
• Johtojen sijoittelu – Laitteen johdot lyhyinä, ilman ylimääräisiä silmukoita sekä kierretyn parikaapelin käyttö
• Komponenttien sijoittelu – Toisiaan häiritsevät komponentit erilleen ja liitoksissa olevat lähekkäin
• Maadoitus

Maadoitus

Maadoitus on eräs merkittävä johtumalla kytkeytyvien häiriöiden lähde. Maadoittamalla halutaan yleensä muodostaa signaalin- ja virran paluureitti, joka sulkee virtapiirin. Samaa maata pystyy käyttämään useampikin piiri, mutta piirien määrän lisääntyessä myös maadoituksen kautta kytkeytyvien häiriöiden määrä lisääntyy. Maajohtimen impedanssi pyritään pitämään mahdollisimman pienenä, mutta sillä on kuitenkin impedanssia, minkä seurauksena jokaisen piirin virrat vaikuttavat toisiinsa. Lisäksi maadoitusta tehtäessä maajohtimeen voi jäädä silmukoita, jotka aiheuttavat induktanssia. Maajohdin itsessään saattaa toimia häiriöitä lähettävänä ja vastaanottavana antennina.

Maadoitusta suunniteltaessa joudutaan usein ottamaan huomioon EMC:tä tärkeämpiä asioita kuten sähköturvallisuus.

Kotelointi

Emc-häiriöitä voidaan rajoittaa koteloimalla laite ja laitteen sisäisiä komponentteja. Huonosti suunniteltu kotelo ottaa vastaan sekä aiheuttaa häiriöitä. Koteloinnin toimivutta on vaikea simuloida ja lopullinen toimivuus ilmeneekin vasta testaamalla valmista tuotetta mm. EMI-testillä. Suuret aukot koteloinnissa päästävät läpi pienempi taajusita signaalia ja näin ollen aiehuttaen suurempikaistaisia häiriöitä.

Koteloinnissa häiriöalttiuteen vaikuttavat:

• Muoto

-Aukot, esim. tuuletukselle, suojataan "metalliritilällä". Aukon muoto ei vaikuta, vain suurin läpimitta.

-Saumat, maalikerros saumakohdassa aiheuttaa usein suuren aukon.

-Johtojen läpivientien tulee olla kotelon kanssa samassa potentiaalissa, ts. sähköisessä yhteydessä

• Materiaali

-Johdekoteloinnilla vaimennetaan laitteesta aiheutuvia sekä ulkopuolelta vaikuttavia häiriösignaaleja(kts. Faradayn häkki) ja sähkökenttiä.

-Magneettikentiltä voidaan suojautua käyttämällä koteloinnissa magneettikentän suuntaukseen materiaaleja joiden permeabiliteetti on suuri(µ>>1), ts. ferromagneettisia materiaaleja.

• Komponenttien sijoittelu - laitekokonaisuuksia koteloidessa tulee ottaa huomioon laitteen eri osien keskenäiset häiriöt. Ongelmakohtia voidaan myös koteloida erikseen.

Kaapelointi

Suunnittelemalla huolellisesti kaapelointi ja johdotukset voidaan minimoida johtimien aiheuttamia ja vastaanottamia häiriöitä. Johdotuksia suuniteltaessa tulisi huomioida mm. seuraavia asioita:

• Johdinsilmukoiden aiheuttama induktanssi

- Mikäli johtimet muodostavat silmukoita, niitä voidaan ajatella pieninä keloina, jolloin ne muodostavat induktanssia.

Johtimien määrä ja silmukan pinta-ala vaikuttavat merkittävästi induktanssin suuruuteen

Pitämällä johtimet mahdollisimman pieninä ja ottamalla huomioon muodostuvat silmukat, induktanssia voidaan pienentää.

• Johtimien välinen kapasitanssi

- Johtimet kytkeytyvät kapasitiivisesti, koska johtimia voidaan ajatella pieninä levyinä joiden välissä on eristemateriaalia. Kapasitiivistä kytkeytymistä voidaan estää eristämällä johtimet metallikuoren sisään ja mikäli mahdollista sijoittamalla johtimet siten että niiden välille jäävä pinta-ala on mahdollisimman pieni ja etäisyys suuri.

• Magneettikenttä

- Kierretyllä parilla vastakkaiset silmukat kumoavat johtimen aiheuttaman magneettikentän vaikutuksen.

• Johtimien antenniominaisuudet

- Johtimet toimivat antenneina, kuten mitkä tahansa muutkin johtavat kappaleet. Lisäksi johtimilla on usein paljonkin pituutta, mikä varmistaa johtimen toimivuuden antennina. Korkeille taajuksille riittää jo hyvinkin pieni johtimen pätkä antenniksi.

Laitteen testaus

Laitteen sähkömagneettista yhteensopivuutta voidaan testata EMC-laboratorioissa. Testit jakaantuvat häiriönlähetys- ja häiriönsietotesteihin.

EMC-säännökset

EU:ssa elektroniikkalaitteiden sähkömagneettista yhteensopivuutta säännellään EMC-direktiivi 2004/108/EY. Ajoneuvojen EMC-vaatimuksia käsittelee direktiivi 2004/104/EC .

Teknisesti EMC-vaatimuksia ja vaatimustenmukaisuuden testausta säätelee mm. monet CISPR:n, IEC:n ja CENELEC:n standardit.

EMC-valvonta (sähkömagneettisten häiriöiden valvonta Suomessa)

Viestintävirasto vastaa yleisradio- ja TV-vastaanottimien vaatimustenmukaisuuden valvonnasta. Muiden tuotteiden lähettämiä sähkömagneettisia häiriöitä valvoo Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes). Tukes ylläpitää avointa tietokantaa myyntikieltoon asetetuista tuotteista . Maahantuoja (valmistaja) on velvoitettu poistamaan myynnistä tuotteet, jotka eivät täytä EMC-direktiivin vaatimuksia.

Yleiset lähteet

1. Tampereen teknillinen yliopisto, Elektroniikan laitos: EMC-testaustyö 27. syyskuuta 2005. Viitattu 3. syyskuuta 2007.