Elektromag.kompatibilita- sbírka příkladů a testů

ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA


Sbírka příkladů a kontrolních testů
pro kombinované bakalářské studium




Prof. Ing. Jiří Svačina, CSc.



ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 1







OBSAH





Tutoriál č. 1 ........................................................................................................ 2
Elektromagnetická kompatibilita – úvod, definice, vznik a vývoj ......................................... 2
Jednotky některých veličin v oblasti EMC ............................................................................. 2
Normalizace v oblasti EMC .................................................................................................... 3
Nejdůležitější zkratky a akronymy z oblasti EMC ................................................................. 4
Tutoriál č. 2 ......................................................................................................... 5
Rušivé elektromagnetické signály a jejich zdroje ................................................................... 5
Vazební mechanismy přenosu rušivých signálů ..................................................................... 6
Tutoriál č. 3 – varianta A .................................................................................. 10
Způsoby omezování rušení – odrušovací prostředky a přepěťové ochrany ........................... 10
Tutoriál č. 3 – varianta B .................................................................................. 14
Měření rušivých signálů – principy a metody ........................................................................ 14
Tutoriál č. 4 – varianta A .................................................................................. 20
Elektromagnetické stínění a jeho charakteristiky .................................................................. 20
Tutoriál č. 4 – varianta B .................................................................................. 25
Elektromagnetická odolnost a její testování .......................................................................... 25
Seznam doporučené literatury .......................................................................... 27




2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Tutoriál č. 1


Elektromagnetická kompatibilita – úvod, definice, vznik a vývoj
1.1 Definujte pojem a předmět elektromagnetické kompatibility EMC. Specifikujte základní
členění EMC.
1.2 Vysvětlete vzájemný vztah spolehlivosti a EMC.
1.3 Pojednejte o ekonomických aspektech a souvislostech EMC. Co jsou a jak se přibližně určí
optimální náklady na EMC vyvíjeného, příp. vyráběného zařízení.
1.4 Popište předmět zájmu EMC biologických systémů. Jaké jsou hlavní mechanismy působení
elmag. vln, polí a signálů na živé organismy ? Jaké jsou jeho základní účinky a projevy ?
1.5 Co jsou tzv. hygienické normy EMC ? Vysvětlete základní termíny a pojmy Vyhlášky
ministerstva zdravotnictví č. 480/2000 Sb.
1.6 Popište tzv. základní řetězec EMC a vyložte význam jeho jednotlivých částí. Uveďte
praktické příklady.
1.7 Jak lze metodicky využít základní řetězec EMC při zkoumání kompatibility určitého
zařízení či systému ?
1.8 Objasněte členění EMC na dvě oblasti: EMI a EMS. Vysvětlete tyto pojmy, jejich obsah a
vzájemné souvislosti.
1.9 Vysvětlete obsah a význam některých základních pojmů EMC: úroveň a mez vyzařování,
úroveň a mez odolnosti, rezerva návrhu zařízení, rezerva EMC, kompatibilní úroveň. Jejich
vzájemné vztahy objasněte náčrtkem.
Jednotky některých veličin v oblasti EMC
2.1 Vyjádřete následující hodnoty napětí v jednotkách [dBμV] a ve výkonových jednotkách
[dBm] na odporu 50 Ω:
a) 23 mV b) 670 μV c) 3,2 V
2.2 Vyjádřete následující hodnoty napětí v jednotkách [dBμV] a ve výkonových jednotkách
[dBm] na odporu 50 Ω:
a) 0,1 µV b) 1 mV c) 300 mV
2.3 Vyjádřete následující hodnoty napětí v jednotkách [dBμV] a ve výkonových jednotkách
[dBm] na odporu 50 Ω:
a) 21 mV b) 30 V c) 48 mV
2.4 Vyjádřete následující hodnoty napětí v jednotkách [dBμV] a ve výkonových jednotkách
[dBm] na odporu 50 Ω:
a) 0,3 V b) 0,5 μV c) 200 mV
2.5 Přepočtěte následující hodnoty na napětí ve [V]:
a) – 26 dBµV b) – 35 dBm c) – 16 dBm
2.6 Přepočtěte následující hodnoty na napětí ve [V]:
a) 36 dBµV b) – 28 dBmV c) 20 dBm
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 3


2.7 Odvoďte obecný převodní vztah mezi napětím vyjádřeným v [dBμV] a výkonem
vyjádřeným v [dBm], který toto napětí vyvolá na odporu 50 Ω.
Návod: Vyjděte ze základního vztahu mezi výkonem a napětím P[W] = U
2
[V]/50 a
upravte jej tak, aby výkon byl vyjádřen v [mW] a napětí v [μV]. Obě strany takto
upraveného vztahu logaritmujte.
2.8 Přepočtěte následující úrovně intenzity elektrického pole na hodnoty ve [dBµV/m]:
a) 100 µV/m b) 1 mV/m c) 200 V/m
2.9 Efektivní hodnota napětí na zátěži 50 Ω má velikost 120 μV. Určete střední hodnotu
činného výkonu pohlceného touto zátěží a vyjádřete jeho velikost v [dBm].
2.10 Měřič elektromagnetického rušení udává střední hodnotu výkonu signálu –37 dBm na
zátěži 50 Ω. Určete tomu odpovídající efektivní velikost (harmonického napětí) a vyjádřete
ji v [dBμV].
2.11 Zdroj signálu s vnitřním odporem 50 Ω je nastaven
na údaj svého měřiče –26 dBm. Dle obrázku je tento
zdroj zatížen odporem R
Z
= 150 Ω. Určete velikost
napětí na této zátěži a vyjádřete ji v [dBμV].
Návod: Uvědomte si, že údaj (–26 dBm) měřiče
vyjadřuje hodnotu výkonu zdroje signálu
při jeho zatížení odporem R
Z
= 50 Ω.
2.12 Norma ČSN CISPR 22 určuje přípustnou napěťovou
mez rušení na vedení jako hodnotu 56 dBμV při měření pomocí tzv. umělé sítě s impedancí
50 Ω na kmitočtu 150 kHz. Určete tomu odpovídající přípustnou proudovou mez rušení a
vyjádřete ji v [dBμA].
Normalizace v oblasti EMC
3.1 Vysvětlete základní členění norem EMC na normy základní, kmenové a předmětové. Co
jsou to normy závazné a doporučené ? Objasněte jednotlivé pojmy, jejich vzájemné vztahy
a rozdíly.
3.2 Charakterizujte hlavní normalizační grémia a organizace v oblasti EMC: IEC, ISO, CISPR,
CEN, CENELEC a ČNI. Charakterizujte následující pojmy a jejich vzájemné souvislosti:
světové normy IEC, CISPR, evropské normy EN, české normy ČSN. Objasněte pojem
„harmonizace norem“.
3.3 Vysvětlete technický a ekonomický význam Směrnice č.336/89/EEC (Evropská direktiva).
Co vyjadřuje značka CЄ a jak ji lze získat ? Charakterizujte oba možné postupy certifikace:
vlastní certifikace (cesta norem) a technický popis výrobku (cesta prováděcího předpisu).
Vysvětlete pojem „kompetentní (notifikovaný) orgán“.
3.4 Charakterizujte stav legislativy EMC v České republice a vytváření českých norem EMC.
Jak vypadá česká značka shody ? Jaký je postup harmonizace českých norem a jak je tato
harmonizace formálně vyjádřena ?
zdroj signálu
R
S
= 50 Ω
R
Z
U
VÝST
U
0~
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Nejdůležitější zkratky a akronymy z oblasti EMC
4.1 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: AF
VDR
EMS
4.2 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: AMN
TEMPEST
EN
4.3 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: ČSN
TAZ
ESD
4.4 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: BALUN
SE
GTEM
4.5 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: RFI
SA
IEC
4.6 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: CDN
QP
ISO
4.7 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: CE
OFTS
LEMP
4.8 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: CEN
OATS
LISN
4.9 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: CENELEC
NEMP
DUT
4.10 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: CISPR
MOV
EMP
4.11 Vysvětlete (jednou či dvěma větami) český význam následujících anglických zkratek z
oblasti EMC: CWG
MIL-STD
EMI
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 5


Tutoriál č. 2
Rušivé elektromagnetické signály a jejich zdroje
5.1 Popište základní zdroje rušivých signálů a jejich členění podle různých hledisek. Definujte
a charakterizujte jednotlivé skupiny těchto zdrojů. Uveďte příklady jednotlivých kategorií a
jejich typické představitele.
5.2 Definujte základní charakteristiky mžikových (impulzních) poruch, definujte základní
vzájemné rozlišení spojitých a nespojitých poruch z hlediska EMC. Nakreslete
charakteristické časové průběhy a uveďte jejich základní kvantitativní parametry.
5.3 Charakterizujte průmyslové zdroje rušení a uveďte jejich typické příklady a průběhy
rušivých signálů v síťovém napájecím napětí.
5.4 Popište časové průběhy rušivého napětí a mechanismy jeho vzniku při rozpínání a spínání
obvodů s indukčností. Jak lze tato rušivá napětí odstranit, příp. omezit ?
5.5 Charakterizujte mechanismy vzniku výbojů na energetických vedeních. Popište vzájemné
rozdíly charakteristik koronových a kapacitních výbojů a popište možnosti jejich omezení.
5.6 Pojednejte o přírodních zdrojích napěťového přepětí. Charakterizujte bleskový výboj a jeho
přímé a nepřímé účinky. Nakreslete časový průběh impulzu blesku a specifikujte jeho
hlavní kvantitativní proudově časové parametry.
5.7 Proudový impulz blesku
má tvar a velikost dle
obrázku. Matematicky jej
lze popsat funkcí tzv.
dvojité exponenciály ve
tvaru

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−⋅=
−−
BA
ee)(
0
ττ
tt
Iti
.

Ze zadaných parametrů im-
pulzu určete hodnoty para-
metrů této funkce, tj. veli-
činy I
0
, τ
A
a τ
B
.
5.8 Periodický řídicí signál pro logické obvody TTL má průběh dle obrázku. Jeho velikost
A = 3,5 V, opakovací kmitočet f = 1/T = 1 MHz,
doba t
0
+ t
r
= 0,5 μs a t
r
= 0,15 μs. Velikost n-té
harmonické složky tohoto signálu lze

vyjádřit jako

( ) ( )
T
t
T
t
T
tt
T
tt
T
tt
AC
r
r
r0
r0
r0
n
n
nsin
n
nsin
2
π
π
⋅
+
π
+
π
⋅
+
⋅= .
Vypočtěte velikosti jednotlivých harmonických složek tohoto signálu n = 0, 1, 2, ... Jejich
hodnoty vyjádřete v obvykle užívané jednotce [dBμV/MHz]. Počítejte až do takové
harmonické složky n, jejíž velikost je alespoň o 60 dB menší než amplituda 1. harmonické
složky (n = 1).
5.9 Co je to NEMP ? Popište jeho vznik a základní charakteristiky. Srovnejte NEMP a LEMP
z hlediska jejich kvantitativních parametrů a rušivých účinků.
200 kA
10 µs
250 µs
i
t
0
celkový náboj
C300d =⋅=
∫
tIQ
µs/kA200dd == tIS
strmost impulzu v počátku
celková energie impulzu
∫
= MJ10d~
2
tIW
T
t
r
t
0
t
A
6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

5.10 Vysvětlete mechanismus a podmínky vzniku lokálních elektrostatických výbojů ESD,
jejich charakter a možnosti omezení. Načrtněte časový průběh impulzu ESD a specifikujte
jeho parametry. Popište možné účinky ESD na elektronické součástky a obvody.
5.11 Pojednejte o zdrojích a příčinách kontinuálního elektromagnetického rušení a možných
opatřeních proti němu. Problematika CB radia a kabelových komunikačních rozvodů.
Vazební mechanismy přenosu rušivých signálů
6.1 Vysvětlete vznik parazitní galvanické vazby mezi obvody či systémy a specifikujte její
základní charakteristiky. Jaké jsou zásady k minimalizaci této vazby společnou impedancí ?
Příklad: Společná část zemnicího systému napájecího a mikroprocesorového řídicího
bloku elektronického zařízení je tvořena koaxiálním kabelem o délce 0,5 m
s měrnou indukčností 300 nH/m. V napájecím bloku je sepnut proud 1 A za dobu
0,1 μs. Na společné impedanci obou bloků tím vznikne napětí
V5,1
101,0
1
103005,0
d
d
6
9
r
=
⋅
⋅⋅⋅=⋅≈⋅=
−
−
t
I
L
t
I
LU
Δ
Δ
,
které působí jako rušivý signál pro řídicí blok zařízení.
6.2 Společná část zemnicího systému napájecího a řídicího bloku elektronického zařízení je
tvořena koaxiálním kabelem o délce 0,75 m s měrnou indukčností 350 nH/m a měrným
odporem 5 Ω/m. V napájecím bloku je sepnut proud 1 A za dobu 0,1 ms. Určete maximální
velikost rušivého napětí, které tím vznikne na společné impedanci obou bloků. Jak
„pomalé“ by muselo být sepnutí uvedeného napájecího proudu, aby tato maximální velikost
rušivého napětí nepřekročila 3 V ?
6.3 Vznik parazitních zemních proudových smyček a možnosti jejich odstranění či potlačení
jejich vlivu. Popište způsob a charakteristiky rozpojení zemní smyčky.
6.4 Vysvětlete princip konstrukce, způsob zapojení a činnost oddělovacích a neutralizačních
transformátorů pro rozpojení parazitních zemních smyček. Jak jsou konstruovány a jak
pracují feritové útlumové kroužky ?
6.5 Popište vznik parazitní kapacitní vazby mezi galvanicky oddělenými obvody a zásady
jejího odstranění.
Příklad: Signálový kabel je veden souběžně s energetickým napájecím vedením tak, že
vzájemná kapacita mezi nimi je 100 pF. V napájecím vedení je sepnuto napětí
400 V během časového intervalu 0,1 μs. V signálovém kabelu tím vznikne rušivý
proud
mA400
101,0
400
10100
d
d
6
12
r
=
⋅
⋅⋅=
Δ
Δ
⋅≈⋅=
−
−
t
U
C
t
U
CI .
6.6 Signálový kabel je veden souběžně s energetickým napájecím vedením tak, že vzájemná
kapacita mezi nimi je 200 pF. V napájecím vedení je sepnuto napětí 500 V během časového
intervalu 0,1 ms. Jak velké rušivé napětí tím vznikne na zatěžovací impedanci 50 Ω
signálového kabelu ? Jak malá musí být parazitní kapacita mezi oběma kabely, aby rušivé
napětí na uvedené zátěži nepřekročilo 1 V ?
6.7 Jak vzniká parazitní kapacitní vazba mezi obvody se společným (vztažným) vodičem a jaké
jsou zásady a technická opatření pro její zmenšení ?
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 7


6.8 Po úderu blesku protekl hromosvodovým svodem proudový impulz se špičkovou hodnotou
I ≈ 200 kA. Odpor hromosvodového svodu činí cca R
Z
≈ 5 Ω. Mezi signálovým spojova-
cím vedením dvou elektronických systémů a hromosvodovým svodem existuje parazitní
kapacitní vazba o veli-
kosti C
1
≈ 10 pF. Kapa-
cita vedení vůči zemi činí
cca C
2
≈ 1000 pF. Určete,
jak velké rušivé napětí U
r

se po úderu blesku pře-
nese touto parazitní kapa-
citou na vstupy Z
V
a Z
P

připojených elektronic-
kých

zařízení.

Navrhněte
(obecně) technická opat-
ření, která by toto rušivé
napětí minimalizovala.
6.9 Elektronické zařízení se vstupním odporem 1 kΩ a vstupní kapacitou 1 nF je ovlivňováno
blízkým energetickým vedením 220 V/50 Hz, s nímž má společný vztažný vodič.
Vypočtěte kmitočtový průběh velikosti rušivého napětí přeneseného z energetického vedení
na vstup elektronického zařízení za předpokladu, že
parazitní vazební kapacita mezi oběma systémy je
a) 1 nF, b) 0,3 nF.
Počítejte pro kmitočty 10 Hz až 1 MHz. Pro oba pří-
pady rovněž určete velikost přeneseného napájecího
napětí 220 V/50 Hz z energetického vedení na vstup
elektronického zařízení.
6.10 Uveďte příklad parazitní kapacitní vazby dvou zařízení vůči zemi a technické možnosti
jejího odstranění.
6.11 Sestavte náhradní schéma obvodu
parazitní kapacitní vazby vůči zemi
podle obrázku a jeho analýzou odvoďte
výraz pro hodnotu rušivého napětí U
r
na
vstupních svorkách přijímače rušení.
Vypočtěte velikost tohoto napětí na
kmitočtu napájecí sítě 50 Hz, je-li rušivé
napětí v zemi U
Z
= 100 V a parazitní
kapacity vedení vůči zemi C
1
= C
2
=
2000 pF. Hodnota výstupní impedance “zdrojového” bloku je Z
V
= 150 Ω a vstupní
impedance přijímače rušení je Z
P
= 1 MΩ. Spojovací vedení považujte za velmi krátké a
bez ohmických ztrát.
6.12 Vysvětlete vznik parazitní induktivní vazby, její základní fyzikální vlastnosti a způsoby její
minimalizace. Jaké zásady je třeba dodržovat při souběžném vedení různých druhů kabelů ?
6.13 Signálový kabel je veden souběžně s energetickým napájecím vedením na úseku 3 m
dlouhém. Vzájemná indukčnost mezi oběma vedeními je 700 nH/m. V napájecím vedení
byl přerušen odebíraný proud 75 A během časového intervalu 10 ms. Jak velké rušivé
napětí vznikne v signálovém kabelu ? Jak „pomalé“ by muselo být přerušení uvedeného
proudu, aby maximální velikost rušivého napětí nepřekročila 3 V ?

Z
P
Z
V
U
rI
r1
I
r2
C
1
C
2
VP
U
z
Z
P
Z
V
S
I
R
Z
C
1
C
2
U
r

U
r
C
vaz
C
vst
U
1
R
vst
220 V/50 Hz
8 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

6.14 Po

úderu

blesku
protekl

svodem

hromosvodu

prou-
dový impulz se str-
mostí 200 kA/μs.
Ve vzdálenosti r =
25 m je přenosové

vedení dvou systé-
mů dle obrázku.
Uvedená sestava
tvoří dvě proudové
smyčky: jednu me-
zi oběma vodiči
vedení a druhou
mezi přenosovým
vedením, zemnicí-
mi vodiči a společnou zemní plochou systémů. Určete, jak velké rušivé napětí se indukuje v
obou smyčkách, je-li délka vedení l = 20 m, vzájemná vzdálenost obou vodičů a = 0,4 cm a
jeho výška nad zemí h = 60 cm.
Příklad: Signálový kabel je veden souběžně s energetickým napájecím vedením na úseku
2 m dlouhém. Vzájemná indukčnost mezi oběma vedeními je 500 nH/m. V
napájecím vedení skokem vzrostl odebíraný proud o hodnotu 50 A během
časového intervalu 10 μs. V signálovém kabelu se tím indukuje rušivé napětí


V5
1010
50
105002
d
d
6
9
r
=
⋅
⋅⋅⋅=
Δ
Δ
⋅≈⋅=
−
−
t
I
M
t
I
MU
.

6.15 Do hromosvodu budovy uhodil blesk, při němž protekl
hromosvodovým systémem budovy proudový impulz 50
kA s dobou nárůstu 8 μs. Hromosvodový svod má vlastní
měrnou indukčnost 0,5 μH/m a měrný odpor 0,02 Ω/m.
Jak velké rušivé napětí vznikne na hromosvodovém
svodu v rozsahu výšky jednoho poschodí budovy, tj.
délky 3 m ?


Příklad: Do kovového krytu elektronického přístroje se vybil
náboj z ruky operátora, čímž vznikl lokální elektrosta-
tický výboj (ESD). Krytem přitom protekl proudový
impulz s časovou strmostí

ΔI

/

Δt =

10

A/ns. Část obvo-
vodu uvnitř krytu tvoří čtvercovou smyčku o straně
1 cm, jejíž střed je od místa průtoku proudového im-
pulzu krytem vzdálen o 5 cm. Při tomto výboji je ve
smyčce indukováno napětí o velikosti


V41010