Elektromag.kompatibilita- sbírka příkladů a testů

105
1010
102
2
9
2
22
70
r
=⋅⋅
⋅
⋅
⋅⋅=
Δ
Δ
⋅
π
≈
−
−−
−
t
I
r
S
U
μ
.
Z
P
Z
V
V
P
U
r1
H
H
U
r2
l
h
a
S
ΔI/Δt
r

S
ESD
U
r
H
i
ESD
r

50 kA
3 m
a
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 9


Příklad: Malý vysílač vysílá signál o kmitočtu f = 300 MHz s výkonem P = 10 W.
Oblast vzdáleného elektromagnetického pole nastává tedy ve vzdálenostech
cm15
103002
103
22
6
8
=
⋅⋅π
⋅
=
π
=
π
>> &
f
c
x
λ
.
V místě ve vzdálenosti 3 m od antény vysílače je intenzita elektrického pole
V/m10
103
1010
3,03,0
3
3
x
=
⋅
⋅
⋅=⋅≈
−
−
x
P
E ,
která v 10 cm dlouhém vodiči (l
ef
≈ 20 cm) indukuje rušivé napětí o velikosti
V22,010
fexr
=⋅=⋅= lEU .
Příklad: V komplexu

kancelářských

budov je

„nežádoucí“ vodivá smyčka vytvořena
z části energetického napájecího vede-
ní

a části datového vedení, které jsou

„spojeny“

uvnitř

systému

osobního

po-
čítače zapojeného na jejich konce.
Smyčka má plochu a x l = 15 x 10 m
2
.
Do hromosvodu budovy uhodil blesk,
při němž protekl hromosvodovým systé-
mem budovy proudový puls 200 kA/μs.

Vzdálenost hromosvodového svodu
budovy od středu uvedené „smyčky“ je
r = 50

m.

Ve smyčce se indukuje ruši-
vé napětí o velikosti
kV1001010200
06
0151
102
2
6370
r
=⋅⋅⋅
⋅
⋅⋅=
Δ
Δ
⋅
π
≈
−
t
I
r
S
U
μ
.
Nebude-li energetický i datový

(teleko-
munikační) vstup budovy vybaven účin-
nou přepěťovou ochranou (na obrázku naznačenou ve formě plynem plněných
výbojek), bude

tímto indukovaným přepětím osobní počítač okamžitě zničen.

6.16 Do hromosvodu budovy uhodil blesk, při němž protekl
hromosvodovým systémem budovy proudový impulz
50 kA s dobou nárůstu 8 μs. Dva spotřebiče uvnitř
budovy jsou propojeny nízkonapěťovou dvojlinkou o
délce 5 m a vzájemnou vzdáleností svých vodičů 5 mm.
Dvojlinka probíhá paralelně s hromosvodovým svodem
ve vzdálenosti cca 0,5 m. Jak velké rušivé napětí je indu-
kováno ve „smyčce“ tvořené oběma vodiči dvojlinky ?
Jsou-li vstupní odpory obou spojených spotřebičů 50 Ω,
určete velikost rušivého proudu na jejich vstupech.
6.17 Čtvercová smyčka 20 x 20 cm je umístěna ve volném
prostoru v sousedství s vodičem, kterým protéká
harmonický proud 0,5 A o kmitočtu 5 kHz. Dvě strany
smyčky jsou vedeny paralelně k tomuto vodiči ve
vzdálenosti 5 cm a 25 cm. Přerušíme-li smyčku, vypočtěte napětí vznikající v tomto
přerušení indukcí proudem ze sousedního vodiče.
S
S
T
S
T
a
U
r
energie
data
r
H
ΔI/Δ t
l
a
5 m
0,5 m
10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

6.18 Silný elektromagnetický impulz (NEMP) má špičkovou hodnotu magnetického pole
133 A/m, špičkovou hodnotu elektrického pole 50 kV/m a dobu náběžné hrany 10 ns. Jak
velké napětí indukuje tento impulz ve vodivé smyčce s průměrem 10 cm ? Jak velký
posuvný proud vyvolá tento impulz v kruhové štěrbině (otvoru) o stejném průměru
vytvořeném v kovové ploše ? Srovnej tyto hodnoty s napětím, příp. posuvným proudem,
které ve stejné smyčce (ve stejné kruhové štěrbině) indukuje elektromagnetický impulz
blesku (LEMP) se stejnými špičkovými velikostmi magnetického a elektrického pole a
dobou náběžné hrany 1 μs.
6.19 Elektronické zařízení se vstupním odporem 1 kΩ a vstupní
kapacitou 1 nF je ovlivňován blízkým energetickým vedením
220 V/50 Hz, s nímž má společný vztažný vodič. Určete
kmitočtový průběh velikosti rušivého napětí přeneseného z
energetického vedení na vstup elektronického zařízení za
předpokladu, že parazitní vazební kapacita mezi oběma
systémy je 1 nF. Počítejte pro rozsah kmitočtů 10 Hz až
1 MHz. Posuďte, jak se změní vypočtený průběh při
a) změně vstupní kapacity elektronického zařízení na
hodnotu 100 nF,
b) změně vstupního odporu elektronického zařízení na hodnotu 100 Ω.
Z obou případů vyvoďte závěry pro učinné snížení uvedeného typu parazitní kapacitní
vazby.
Tutoriál č. 3 – varianta A
Způsoby omezování rušení – odrušovací prostředky a přepěťové ochrany
7.1 Objasněte princip odrušovací tlumivky, popište její zapojení do napájecího vedení a
principy správné činnosti. Specifikujte základní vlastnosti a technické parametry kvalitních
odrušovacích tlumivek včetně vlivu vlastní rezonance tlumivky.
7.2 Popište používané konstrukční typy odrušovacích tlumivek. Vysvětlete princip činnosti
odrušovací tlumivky s proudovou kompenzací a způsoby jejího použití.
7.3 Reálná odrušovací tlumivka má náhradní schéma dle obrázku. Její indukčnost je 100 μH,
kapacita vinutí je 6,15 pF a odpor vinutí 10 Ω. Odvoďte vztah pro výpočet vložného útlumu
odrušovacího filtru tvořeného sériově zapojenou
tlumivkou těchto parametrů. Vstupní a výstupní impe-
dance filtru mají shodnou hodnotu Z
S
= Z
Z
= 50 Ω.
Vypočtěte a graficky zobrazte průběh vložného útlumu
tohoto filtru v pásmu 10 kHz až 1000 MHz. Jak velký je
mezní kmitočet filtru a vlastní rezonanční kmitočet
uvedené tlumivky ? Posuďte, do jakého nejvyššího kmitočtu lze daný odrušovací filtr
využívat. Při řešení předpokládejte, že ohmický odpor tlumivky je veličina kmitočtově
nezávislá.
7.4 Odrušovací tlumivka je zapojena sériově se zatěžovacím odporem 50 Ω za účelem
potlačení rušivého signálu o kmitočtu 100 MHz. Určete velikost indukčnosti této tlumivky
tak, aby způsobila zmenšení úrovně rušivého signálu 100 MHz na dané zátěži o 20 dB.
LR
C
0
U
r
C
vaz
C
vst
U
1
R
vst
220 V/50 Hz
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 11


7.5 Určete

parazitní

kapacitu

od-
rušovací tlumivky 1,2 μH,
jejíž měřený kmitočtový
průběh impedance je uveden
na sousedním obrázku.
7.6 Zemní tlumivka v odrušo-
vacím filtru LC má hodnotu
indukčnosti 1 mH a mezi-
závitovou parazitní kapacitu
10 pF. Určete rezonanční
kmitočet této tlumivky a
velikost její impedance na
kmitočtu 30 MHz.
7.7 Tlumivka s proudovou kompenzací má konstrukci dle
obrázku. Při spojení svorek 3-4 je impedance tlumivky
na svorkách 1-2 rovna Z
1
= j3·10
6
Ω na kmitočtu 50
MHz. Při spojení svorek 2-3 je impedance tlumivky na
svorkách 1-4 rovna Z
2
= j·10
6
Ω na kmitočtu 50 MHz.
Určete vlastní a vzájemnou indukčnost této proudově
kompenzované tlumivky.
Návod: Dle principu činnosti proudově
kompenzované tlumivky uvažte, že její
náhradní schéma pro protifázové proudy
I
P
a soufázové proudy I
S
má podobu dle
následujících obrázků.
7.8 Tlumivka s proudovou kompenzací je dle obrázku
připojena mezi zdroj harmonického napětí s
amplitudou 10 V a kmitočtem 100 MHz a
zatěžovací odpor 1 kΩ. Vlastní indukčnost obou
cívek tlumivky je L = 30 μH, jejich vzájemná
indukčnost činí M = 27 μH. Určete amplitudu
napětí na zátěži za předpokladu, že soufázové
proudové složky jsou proudově kompenzovanou
tlumivkou plně odstraněny.
Návod: Na základě principu činnosti proudově kompenzované
tlumivky uvažte, že její náhradní schéma pro protifázové
proudy IP má podobu dle následujícího obrázku.
7.9 Tlumivka s proudovou kompenzací má vlastní indukčnosti obou cívek 28 mH a koeficient
vzájemné indukčnosti 0,98. Určete „zbytkovou“ indukčnost, kterou tato tlumivka vykazuje
vůči protifázovým proudům. Jakou hodnotu musí mít koeficient vzájemné indukčnosti, aby
proudově kompenzovaná tlumivka vůbec neovlivňovala (netlumila) protifázové proudy ?
Návod: Koeficient vzájemné indukčnosti je definován jako

L
M
LL
M
=
⋅
=
21
k ,
když jsme uvážili, že dle zadání je L
1
= L
2
. Dále uvážíme, že na
základě principu činnosti proudově kompenzované tlumivky má
její náhradní schéma pro protifázové proudy I
P
podobu dle
sousedního obrázku.
n
n
1
2
3
4
~
1 kΩ
L - M
L - M
>
<
I
P
I
P
L - M
L - M
>
<
I
P
I
P
L + M
L + M
>
I
S
I
S
>
L - M
L - M
>
<
I
P
I
P
KMITOČET [MHz]
IMPEDANCE [
Ω
]
12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

7.10 Objasněte funkci odrušovacích kondenzátorů, jejich zapojení do vedení a zásady jejich
správného použití. Vysvětlete vliv vlastní rezonance kondenzátoru a délky jeho přívodů na
charakteristiky odrušení.
7.11 Popište používané konstrukční typy odrušovacích kondenzátorů a způsoby jejich zapojení
pro potlačení soufázového a protifázového rušení na vedení. Specifikujte parametry
odrušovacích kondenzátorů třídy X a třídy Y a požadavky na ně kladené.
7.12 Jednoprvkový kondenzátorový odrušovací filtr je tvořen paralelně zapojeným dvojpólovým
kondenzátorem o hodnotě kapacity 250 nF a délkou páskových přívodů 2 x 5 mm. Každý z
přívodů představuje indukčnost o hodnotě cca 3 nH a ztrátový odpor cca 0,1 Ω. Nakreslete
úplné schéma odrušovacího filtru s tímto kondenzátorem a odvoďte vztah pro výpočet jeho
vložného útlumu. Vstupní a výstupní impedance filtru mají hodnotu Z
S
= Z
Z
= 50 Ω.
Vypočtěte a graficky zobrazte průběh vložného útlumu tohoto filtru v pásmu kmitočtů 10
kHz až 1000 MHz. Jak velký je mezní kmitočet filtru a vlastní rezonanční kmitočet
uvedeného kondenzátoru ? Posuďte, do jakého nejvyššího kmitočtu lze daný odrušovací
filtr reálně využívat.
7.13 Určete parazitní in-
dukčnost přívodů kera-
mického odrušovacího
kondenzátoru 470 pF,
jehož měřený kmito-
čtový průběh impedan-
ce je uveden na sou-
sedním obrázku.
7.14 Pojednejte o princi-
pech a požadovaných
vlastnostech odrušova-
cích filtrů LC. Jaké
jsou hlavní problémy
při návrhu síťových
odrušovacích filtrů ?
7.15 Odrušovací kondenzátorový filtr je tvořen paralelně zapo-
jeným kondenzátorem s parazitním odporem R = 0,04 Ω
a indukčností přívodů L = 5 nH. Filtr pracuje v
impedančním systému Z
S
= Z
Z
= 50 Ω. Vypočtěte
kmitočtový průběh vložného útlumu tohoto filtru a
zobrazte jej graficky v rozsahu 1 MHz až 1000 MHz pro
hodnoty C = 0,1 , 0,01 a 0,001 μF. Určete jednotlivé rezonanční kmitočty toho filtru.
7.16 Rušivý signál o kmitočtu 100 MHz působí na vstupu tranzistorového zesilovače, jehož
vstupní impedance na kmitočtu 100 MHz činí 60 Ω. Určete velikost odrušovacího
kondenzátoru, který bude zapojen paralelně ke vstupu zesilovače a který odvede 60 %
celkového rušivého proudu.
7.17 Zdroj harmonického signálu 100 MHz s vnitřním odporem 50 Ω je zatížen odporem 50 Ω.
Určete velikost odrušovacího kondenzátoru, který bude připojen paralelně k této zátěži a
který sníží velikost výstupního napětí o 20 dB na daném kmitočtu.
7.18 Specifikujte hlavní zásady konstrukce a správného konstrukčního umístění síťových
odrušovacích filtrů LC. Uveďte typická zapojení filtrů a vysvětlete princip použití tzv.
zemní tlumivky v zapojení filtru.
R
C
Z
S Z
Z
L
KMITOČET [MHz]
IMPEDANCE [m
Ω
]
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 13


7.19 Navrhněte síťový odrušovací filtr LC typu dolní propust pracující v 50 Ω impedančním
systému, s mezním kmitočtem 10 kHz a vložným útlumem 30 dB na kmitočtu 50 kHz. Na-
vrhněte strukturu filtru a určete hodnoty jednotlivých prvků L,C, které považujte za ideální.
7.20 Odrušovací filtr LC je tvořen jediným půlčlánkem
složeným z reálné tlumivky a reálného kondenzátoru s
funkčními parametry L = 9 mH, C = 22 nF a parazitními
parametry C
P
= 10,4 pF, L
S
= 8 nH. Filtr pracuje v
impedančním systému Z
S
= Z
Z
= 60 Ω. Vypočtěte
kmitočtový průběh vložného útlumu tohoto filtru a
zobrazte jej graficky v rozsahu 1 kHz až 100 MHz.
Určete jednotlivé mezní kmitočty toho reálného filtru
mezi oblastmi, v nichž vložný útlum s rostoucím
kmitočtem roste, je přibližně konstantní, příp. klesá.
7.21 Navrhněte síťový odrušovací filtr LC typu dolní propust pracující v síťovém impedančním
systému Z
S
= Z
Z
= 10 Ω, s mezním kmitočtem 100 kHz a minimálním vložným útlumem
40 dB na kmitočtu 200 kHz. Navrhněte strukturu filtru a vypočtěte hodnoty jednotlivých
prvků L a C, které považujte za ideální. Jaký úbytek síťového napětí 50 Hz vznikne na
sériových tlumivkách filtru (počítejte jen přibližně v % jmenovitého napájecího napětí) ?
7.22 Navrhněte sdělovací odrušovací filtr LC typu dolní propust pro telekomunikační účely
pracující v impedančním systému Z
S
= Z
Z
= 600 Ω, s mezním kmitočtem 1 kHz a
minimálním vložným útlumem 20 dB od kmitočtu 2 kHz výše. Navrhněte strukturu filtru a
vypočtěte hodnoty jednotlivých prvků L a C, které považujte za ideální.
Příklad: Napájecí síť 50 Hz se jmenovitým napětím 220 V a jmenovitým proudem 100 A
napájí spotřebič (zátěž) odebírající proud 20 A. Určíme impedanci napájecí sítě
z podmínky, že při plném zatížení na ní vzniká maximální úbytek napětí ve výši
5 % jmenovité hodnoty, tedy
Ω=⋅= 11,0
100
220
05,0
S
Z .
Odpovídající impedance zátěže na kmitočtu 50 Hz je pak rovna
Ω=
⋅−
= 45,10
20
22005,0220
Z
Z .
Nemá-li na tlumivce (tlumivkách) síťového odrušovacího filtru vzniknout
větší úbytek napájecího napětí než 1 % jeho jmenovité hodnoty, musí být
celková induktivní reaktance tlumivek na kmitočtu 50 Hz X
L
= ω L ≤ 0,01
.
Z
Z
,
tedy příslušná velikost indukčnosti tlumivek
mH33,0
502
45,1001,0
=
⋅π
⋅
≤L .
Obsahuje-li tedy např. filtr celkem tři sériové odrušovací tlumivky, nesmí jejich
celková indukčnost přesáhnout tuto hodnotu, tj. indukčnost každé z nich musí
být menší než 0,11 mH.
Podobně celková susceptance paralelně spojených kondenzátorů filtru na
kmitočtu 50

Hz

B
C
=

ωC ≤ 0,01
.
(1/Z
Z
), takže maximální kapacita kondenzátorů
F05,3
10,45502
01,0
μ=
⋅⋅π
≤C .
Tuto hodnotu nesmí překročit celková kapacita všech paralelně zapojených
kondenzátorů filtru.

L
C
Z
S Z
Z
L
S
C
P
14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

7.23 Jaké znáte speciální druhy odrušovacích filtrů ? Vysvětlete, co jsou filtry EMP a filtry
TEMPEST. Jaké jsou základní odlišnosti datových odrušovacích filtrů vůči síťovým
odrušovacím filtrům ? Uveďte možné způsoby realizace datových filtrů.
7.24 Navrhněte datový odrušovací filtr LC typu dolní propust pracující v impedančně
přizpůsobeném systému Z
S
= Z
Z
= 1 kΩ, s mezním kmitočtem 3,4 kHz a vložným útlumem
40 dB na kmitočtech od 6 kHz výše. Navrhněte strukturu filtru a vypočtěte hodnoty
jednotlivých prvků L a C, které považujte za ideální.
7.25 Navrhněte odrušovací filtr LC typu dolní propust s charakteristickou impedancí 50 Ω, s
pásmem propustnosti do 0,1 MHz a útlumem 30 dB na kmitočtu 0,15 MHz.
7.26 Co jsou přepěťové ochranné prvky ? Specifikujte jejich druhy a použití. Pojednejte o
principu činnosti, základních statických a dynamických parametrech a konstrukci plynem
plněných bleskojistek a výbojek. Jaký druh přepěťové ochrany zajišťují ?
7.27 Elektromagnetický puls (EMP) dopadá na plynovou přepěťovou výbojku, která v
zapáleném stavu představuje odpor 100 Ω. Drátové přívody výbojky o délce 9 cm tvoří
indukčnost 0,1 μH. EMP vyvolá v obvodu proudový impuls o velikosti 50 A s dobou
nárůstu 1 ns. Určete velikost napětí, které přitom vznikne na plynové výbojce. Jak krátké
by musely být drátové přívody použité výbojky, aby toto napětí nepřekročilo 6000 V ?
7.28 Které součástky řadíme mezi jemné přepěťové ochrany ? Popište jejich obvyklé
konstrukce, vlastnosti, základní charakteristiky a parametry. Vzájemně srovnejte jednotlivé
součástky z hlediska omezovaných úrovní přepětí a z hlediska rychlosti reakce.
7.29 Voltampérová charakteristika
varistoru může být popsána
mocninovou funkcí typu
I = K·U

α
.
Její jedna větev je nakreslena
na obrázku. Pro vyznačené
velikosti proudů 1 mA a 1 A
stanovte hodnoty parametrů K a
α . Vypočtěte rovněž velikosti
statických odporů varistoru při
proudech 0,1 μA a 1 A .
7.30 Jaké je obvodové zapojení
kombinovaných přepěťových
ochran ? Popište jejich činnost,
průběhy napětí, důvody použití. Objasněte výhody a nevýhody vlastní kapacity
přepěťových ochranných prvků a vliv délky jejich přívodů.
Tutoriál č. 3 – varianta B
Měření rušivých signálů – principy a metody
8.1 Popište elementární koncepci a sestavu měřicí soupravy pro měření rušivých elektro-
magnetických signálů. Specifikujte základní dělení metod a způsobů měření podle druhu
přenosu rušení. Definujte měřené veličiny, základní techniky a hlavní zásady měření.
Elektromagnetická kompatibilita - sbírka příkladů a kontrolních testů pro kombinované studium 15


8.2 Pojednejte o měření rušivých signálů s umělou zátěží (umělou sítí) vedení LISN. Stanovte
základní vlastnosti LISN, blokové schéma a zajišťované funkce, popište vstupy a výstupy
LISN. Charakterizujte obvody V a Δ, jejich zapojení a účel. Co je to tzv. standardní umělý
operátor. Popište základní uspořádání měřicího pracoviště s umělou sítí LISN.
8.3 Vypočtěte kmitočtový průběh modulu impedancí umělých sítí LISN dle ČSN CISPR 16-1,
jejichž schémata jsou na obrázku. Počítejte v kmitočtovém pásmu 10 kHz až 30 MHz.
50 µH
5 Ω
50 Ω 50 µH 50 Ω
5 µH
1 Ω
50 Ω
100 Ω
50 Ω

a) b) c) d)
a) 50 Ω/50 µH + 5 Ω pro 9 kHz až 30 MHz (nízkonapěťové napájecí sítě);
b) 50 Ω/50 µH pro 0,15 MHz až 30 MHz (průmyslové napájecí sítě);
c) 50 Ω/5 µH + 1 Ω pro 0,15 MHz až 100 MHz (palubní napájecí sítě);
d) 150 Ω pro 150 kHz až 30 MHz (klasické napájecí sítě).
8.4 Rušivé napětí na napájecím vedení
230 V je měřeno pomocí umělé sítě
LISN, jejíž jedna fázová sekce je
zapojena dle obrázku. Vypočtěte, o
kolik voltů, příp. o kolik % se vlivem
vložení LISN mezi vnější energetickou
síť a zkoušený objekt sníží napájecí
napětí tohoto objektu při kmitočtu napájecího napětí 50 Hz.
8.5 Umělá síť LISN, jejíž jedna fázová
sekce je zapojena dle obrázku, je podle
normy ČSN CISPR 22 určena k měření
rušivého napětí na napájecím vedení v
rozmezí kmitočtů 150 kHz až 30 MHz.
Vypočtěte velikost vysokofrekvenční
impedance Z, do které pracuje zkou-
šený objekt při extrémních hodnotách
impedance vnější napájecí sítě – nakrátko a naprázdno. Výpočet proveďte pro oba krajní
kmitočty požadovaného kmitočtového pásma.
8.6 Popište metodiku měření rušivých signálů pomocí napěťových sond. Uveďte základní
princip a schéma zapojení sond, základní požadavky a základní způsoby jejich použití.
Charakterizujte aktivní a pasivní napěťové sondy EMC.
8.7 Uveďte základní popis, princip činnosti a konstrukce proudové sondy pro měření rušivých
proudů na vedení. Definujte přenosovou admitanci proudové sondy a uveďte další
používané parametry sond