Sähkömagneettinen yhteensopivuus

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
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;[1]
  • Kun pietsoelektronista tupakansytytintä käytettiin pysäköintihallin sisäänpääsypuomin ohjauskaapin läheisyydessä, aukaisi sytyttimestä säteillyt sähkömagneettinen pulssi puomin;[1]
  • 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.[1]

Häiriöiden kytkeytymismekanismit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkömagneettisen säteilyn neljä kytkeytymistyyppiä

Häiriöiden kytkeytyminen voidaan jakaa neljään päätyyppiin:

EMC-häiriötyyppejä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Häiriöiltä suojautuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jotta häiriöiltä pystytään suojautumaan täytyy selvittää:

  • Häiriölähde
  • Häiriön siirtotie
  • Häiriön vastaanottaja

Häiriösäteilyn ja häiriönsietokyvyn saaminen direktiivien mukaiseksi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Maa on minimi-impedanssinen piirin virtojen paluujohdin. Maadoitus aiheuttaa suuren osan galvaanisesti kytkeytyvistä häiriöistä joko suoraan, induktiivisesti, kapasitiivisesti tai RF-säteilyn kautta. Maadoitusta suunniteltaessa häiriöiden minimointi ei ole ainoa suunnittelun lähtökohta.

Yhteisimpedanssisia häiriöitä syntyy, kun kytketään useita piirejä samaan maadoitusjohtimeen. Maadoitusjohtimessa on aina mukana impedanssia, jonka takia siinä kulkeva virta aiheuttaa jännitehäviöitä, jotka esiintyvät häiriöinä muissa samaan maahan kytketyissä piireissä. Mitä korkeampitaajuuksinen häiriö on kyseessä, sitä enemmän aiheuttaa maajohtimen induktiivinen reaktanssi häviöitä johtimeen. Korkeilla taajuuksilla ja jännitepiikkien aikana tämä maadoitusjohtimen reaktanssi on merkittävämpi kuin sen resistanssi.

Maadoitusjohtimet voivat muodostaa suljettuja silmukoita, jotka ottavat vastaan häiriöitä muuttuvista magneettikentistä. Pitkät, suorat johtimet maadoituksessa toimivat antennina RF-säteilyn häiriöille. Maadoitusjohtimen lähellä kulkeva toinen johdin voi aiheuttaa siihen kapasitiivisesti johtuvia häiriöitä.[2]

Kotelointi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

EMC-häiriöitä voidaan rajoittaa koteloimalla laite ja laitteen sisäisiä komponentteja. Onnistunut suojakotelointi suojaa sekä radiotaajuisilta häiriöiltä että sähkö- ja magneettikenttien kautta kytkeytyviltä häiriöiltä. Huonosti suunniteltu kotelo ottaa vastaan sekä aiheuttaa häiriöitä. Koteloinnin toimivuutta on vaikea simuloida ja lopullinen toimivuus ilmeneekin vasta testaamalla valmista tuotetta. Sähkölaitteen kotelo on usein kytketty maadoitukseen, jolloin se suojaa laitetta myös ulkopuolelta tulevilta sähköstaattisilta purkauksilta.

Koteloinnissa häiriöalttiuteen vaikuttavat:

Taajuus Aallonpituus λ/16
50 Hz 6 000 km 375 km
1 000 Hz 300 km 18,8 km
10 kHz 30 km 1,88 km
100 kHz 3 km 188 m
100 MHz 3 m 0,188 m
1 GHz 30 cm 1,88 cm
10 GHz 3 cm 1,88 mm
  • Muoto
– Yksittäiset aukot esimerkiksi tuuletukselle pyritään pitämään mahdollisimman pieninä. Vain aukon suurin läpimitta vaikuttaa sen toimintaan antennina.
– Likimääräisenä suunnittelusääntönä johtavassa suojakotelossa on λ/16 sääntö. Eli jos laitekotelossa oleva rako tai aukon läpimitta on tätä suurempi, alkaa aukosta päästä säteily läpi.
– Jopa pelkkä maalikerroksen ja kotelon sauma voi toimia pituutensa puittessa antennina.
– Johtojen läpivientien tulee olla kotelon kanssa samassa potentiaalissa, ts. sähköisessä yhteydessä
  • Materiaali
– Koteloimalla laite johtavalla materiaalilla 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, kuten erityisesti häiriöille alttiita komponentteja, voidaan myös koteloida erikseen.

Kaapelointi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaapeloinnin huolellisella suunnittelulla voidaan vähentää johtimien aiheuttamia ja vastaanottamia häiriöitä. Kaapeloinnin suunnittelussa tulee ottaa huomioon ainakin seuraavat asiat:

Kaikissa vaihtovirtajohtimissa esiintyy induktanssia. Ongelma on erityisen suuri, jos johtimet muodostavat silmukoita, jolloin niitä voidaan ajatella keloina. Muodostuvan kelan induktiiviset ominaisuudet riippuvat silmukoiden määrästä ja niiden pinta-alasta. Myös vaihtovirran taajuus vaikuttaa induktanssin määrään.
Johtimien keskinäisellä asennolla on merkitystä induktanssin kannalta. Magneettikentän vuon osuessa kohtisuorasti johtimeen on induktanssin vaikutus suurin. Vastaavasti johtimen kulkiessa magneettikentän vuon suuntaisesti ei induktanssia juurikaan aiheudu. Induktanssin vaikutusta voi myös vähentää kasvattamalla kaapeleiden välisiä etäisyyksiä ja suojaamalla kaapelit materiaalilla, jolla on suuri permeabiliteetti.
Johtimet kytkeytyvät kapasitiivisesti, jos johtimet ovat toistensa sähkökenttien vaikutusalueella. Tällöin johtimia voidaan pitää tasokondensaattorin levyinä, joiden välissä on eristemateriaalia. Johtimien välille muodostuvan kapasitanssin edellytyksenä on, että johtimet ovat eri potentiaalissa.

Kapasitiivista kytkeytymistä voidaan estää koteloimalla johtimet sähköä johtavalla materiaalilla, jolloin sähkökenttä johtuu koteloon johtimien sijasta. Johtimien välistä etäisyyttä voidaan myös kasvattaa niin, että ne eivät ole enää toistensa sähkökenttien vaikutusalueella. Kapasitiiviseen kytkeytymiseen vaikuttaa myös johtimien keskinäinen asento: mitä pienempi johtimien välinen kohtisuora pinta-ala on sitä pienempi kapasitanssi niiden välille muodostuu.

Kierretty pari koostuu kahdesta johtimesta, jotka on kierrytty keskenään. Kierretyn parin suojausvaikutus perustuu siihen, että muuttuvan magneettikentän indusoimat virrat ovat johtimen vastakkaisissa silmukoissa eri vaihessa, joten ne kumoavat toisensa. Johdinten kiertäminen vähentää myös kaapelin ulospäin aihettaman häiriön määrää. Kiertäminen ei kuitenkaan suojaa kaapelia sähkökentän aiheuttamilta häiriöiltä.
  • Johtimien antenniominaisuudet
Johtimet toimivat antenneina, joiden ominaistaajuus riippuu johtimen pituudesta. Suurilla taajuuksilla jo lyhytkin johdin voi aiheuttaa häiriötä.

Laitteen testaus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Laitteen on täytettävä kansainväliset laatustandardit, jotta sen toimintavarmuus ja turvallisuus olisi taattu. Standardien mukaan laite ei saa tuottaa liikaa sähkömagneettisia häiriöitä ja toisaalta sen tulee kestää vaadittava määrä häiriöitä. Häiriöt voivat olla joko säteileviä tai johtuvia.

Laitteen sähkömagneettista yhteensopivuutta voidaan testata EMC-laboratorioissa. Testit jakaantuvat häiriönsieto- ja häiriönlähetystesteihin.

Häiriönsietotestaus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Säteilevien häiriöiden sietotestaus voidaan toteuttaa käytämällä korkeatehoista radiotaajuuslähdettä tai elektromagneettisia pulsseja, jotka kohdistetaan testattavaan laitteeseen.

Johtuvien häiriöiden sietotestaus voidaan toteuttaa tehokkaalla signaaligeneraattorilla kytkemällä se laitteeseen.

Häiriönlähetystestaus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Laitteen lähettämiä häiriösignaaleja voidaan mitata esimerkiksi spektrianalysaattorilla tai oskilloskoopilla. Häiriösignaaleja mitataan eri puolilta ja etäisyyksiltä laitetta.

EMC-säännökset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

EU:ssa elektroniikkalaitteiden sähkömagneettista yhteensopivuutta säännellään EMC-direktiivi 2004/108/EY. Ajoneuvojen EMC-vaatimuksia käsittelee direktiivi 2004/104/EC [3].

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

EMC-valvonta (sähkömagneettisten häiriöiden valvonta Suomessa)[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 [4]. Maahantuoja (valmistaja) on velvoitettu poistamaan myynnistä tuotteet, jotka eivät täytä EMC-direktiivin vaatimuksia[5].

Yleiset lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Tim Williams: EMC for Product Designers, Third Editon, s. 11. Newnes, 2001. ISBN 0-7506-4930-5.
  2. Ott.H. W.: Noise reduction techniques in electronic systems, 2nd Editon. John Wiley & Sons, Inc., 1998.
  3. "http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/electrical/emc/"
  4. "http://marek.tukes.fi"
  5. "http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:390:0024:0037:en:PDF"