Písemky

na dokonalým zemnicím systémem.
2.7 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.
K umělým zdrojům přepětí, jejichž význam v posledních letech stále vzrůstá, patří lokální
elektrostatické výboje (ESD – Electrostatic Discharge). S jejich vlivem je nutno počítat všude
tam, kde se vyskytuje třecí pohyb mechanických částí (kovových a/nebo dielektrických – pevných, kapalných či plynných). Přestože energie lokálních výbojů je velmi nízká (často menší než 10 mJ), je jejich napěťová úroveň jednotek až desítek kV velmi nebezpečná pro elektronické prvky a zařízení.
Pro většinu moderních elektronických součástek a integrovaných obvodů pracujících
s nepatrnými proudy a vysokými pracovními odpory (obvody CMOS apod.) je pravděpodobně největším provozním nebezpečím elektrostatický náboj vznikající na osobách při jejich chůzi, pohybu končetin či třením částí oděvu. Osoba tak může běžně dosáhnout napětí proti zemi 5 ÷ 15 kV.
K elektrostatickým výbojům dochází zejména při současné kumulaci následujících podmínek:
• Pracovníci obsluhující elektronické přístroje mají nevhodné oblečení z hlediska vzniku
vysokého elektrostatického napětí – jejich oděvy jsou ze syntetických tkanin.
• Povrchy stolů, židlí i podlahová krytina jsou z umělých hmot s vysokým izolačním odporem.
• Nízká vlhkost vzduchu v místnosti.
2.10 Pojednejte o zdrojích a příčinách kontinuálního(spojitého) elektromagnetického rušení a možných opatřeních proti němu. Problematika CB radia a kabelových komunikačních rozvodů.
Nejznámějšími zdroji tohoto rušení jsou rozhlasové a televizní vysílače, příp. radarové
vysílače. Jejich signály jsou buď parazitně injektovány do kabelových a jiných vedení, nebo se
šíří pouze vyzařováním.
CB Základním zdrojem potenciálního rušení u této služby je časté – byť zakázané – překračování povoleného vf. vyzařovaného výkonu zařazením výstupního výkonového zesilovače do anténního přívodu stanice. Z obr. 2.13 je zřejmé, že spektrum takto „ošetřeného“ signálu obsahuje kromě funkční složky 27 MHz i řadu nežádoucích harmonických složek: druhá harmonická přitom spadá do pásma 1. TV kanálu, třetí do pásma mobilních rádiových služeb.
Nepřípustně vysokou úroveň mají i další harmonické.
Na vyzařování kabelových rozvodů se podílí prosakování vf. signálu pláštěm souosých kabelů a vf. netěsnostmi prvků rozvodu (rozbočovače, konektory, účastnické šňůry a zásuvky). Stejnými cestami se mohou dostat i vnější rušivé signály dovnitř kabelového rozvodu a (celoplošně) tak rušit TV či rozhlasový příjem. Stupeň rušení je především věcí kvality koaxiálního kabelu, uplatňuje se zde však i stínění budov, způsob uložení vedení i úroveň užitečného signálu v té části kabelového rozvodu, která je vystavena rušení.
2.11 Co je to NEMP ? Popište jeho vznik a základní charakteristiky. Srovnejte NEMP a LEMP
z hlediska jejich kvantitativních parametrů a rušivých účinků.
Zvláštní zdroje rušení-nukleární elektromagnetický impulz (NEMP – Nuclear Electromagnetic Pulse), který je doprovodným jevem jaderného výbuchu. Účinky tohoto velmi strmého výkonového impulzu jsou destrukční pro všechna okolní elektrotechnická zařízení. Jejich dosah závisí na typu jaderné nálože a výšce její exploze nad zemí. Nukleární impulz NEMP je tvarově podobný impulzu blesku LEMP
Vazební mechanismy přenosu rušivých signálů
3.1 Vysvětlete vznik parazitní galvanické vazby mezi obvody či systémy a specifikujte její
základní charakteristiky. Jaké jsou zásady k minimalizaci této vazby společnou impedancí ?
Galvanická vazba neboli vazba společnou impedancí je vazbou dvou elektrických systémů či bloků, jejichž proudové smyčky se uzavírají společnými úseky spojovacích vedení, tedy přes společnou impedanci.
Pro minimalizaci galvanických vazeb společnou impedancí napájecích, signálových či
zemních obvodů je tedy zejména nutné:
• dostatečně dimenzovat společný zemnicí vodič – zemní plochu (obr. 3.4.a) a jednotlivé bloky
k němu propojovat přímou cestou masivním vodičem (obr. 3.4.b). Těmito kroky se sníží
velikost „vstupního“ rušivého zemního napětí Uz zemní smyčky;
• u signálových vodičů neslučovat společný vodič (obr. 3.4.c);
• nevytvářet společné části napájecích přívodů k jednotlivým blokům (obr. 3.4.d);
• elektronická zařízení různých technologií vybavit samostatnými napájecími zdroji (obr.
3.4.e);
• v možných případech zcela vzájemně galvanicky oddělit např. funkčně související signálové
a výkonové obvody jednoho zařízení
3.3 Vznik parazitních zemních proudových smyček a možnosti jejich odstranění či potlačení
jejich vlivu. Popište způsob a charakteristiky rozpojení zemní smyčky.
Vlivem nahodilých (bludných) zemních proudů vzniká mezi těmito body nahodilé rušivé zemní napětí Uz . Podle obr. 3.3.a pak toto napětí přes uzavřenou zemní smyčku vyvolává na vstupu zařízení 2 (spotřebič) rušivé napětí Ur . Základním principem zmenšení tohoto rušivého napětí je zvětšit celkovou impedanci zemní smyčky, zvýšit její útlum, případně ji elektricky zcela rozpojit. Nízkofrekvenční „přerušení“ zemní smyčky lze realizovat jednobodovým uzemněním celého systému podle obr. 3.3.b. Zemní smyčka je nyní galvanicky rozpojena malou zemní kapacitou
zařízení 2 (přijímače) vůči společné zemi.
3.4 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 ?
3.5 Popište vznik parazitní kapacitní vazby mezi galvanicky oddělenými obvody a zásady
jejího odstranění.
Kapacitní vazba galvanicky oddělených obvodů je modelově naznačena na obr. 3.5.a.
Vodiče 1 a 2 představují rušicí vedení (obvod), vodiče 3 a 4 rušené vedení (obvod). V případě, že
délka obou vedení (obvodů) l je podstatně kratší než vlnová délka rušivého signálu o nejvyšším
uvažovaném kmitočtu, lze obvod a vazby v něm popsat náhradním schématem podle obr. 3.5.b.
V něm náhradní impedance Zi je závislá na impedančních parametrech rušicího obvodu 1-2
a náhradní impedance Z závisí na impedančních parametrech rušeného obvodu 3-4. Ze schématu
je zřejmé, že výstupní rušivé napětí Ur rušeného obvodu bude nejmenší při vyvážení příslušného
kapacitního můstku, tedy např. při C13 . C23 a C14 . C24 . Toho lze dosáhnout zkroucením obou
párů vodičů (vodiče 1 a 2 a také vodiče 3 a 4), příp. aspoň rušeného vedení, tj. vodičů 3 a 4. Touto úpravou se rovněž sníží parazitní induktivní vazba obou vedení (obvodů). Kapacitní vazbu lze též snížit užitím stíněných vodičů dle obr. 3.5.c, jejichž dobře vodivá stínění S1 a S2 jsou galvanicky spojena s jedním (vztažným) vodičem každého páru vedení (obvodu).
3.7 Jak vzniká parazitní kapacitní vazba mezi obvody se společným (vztažným) vodičem a jaké
jsou zásady a technická opatření pro její zmenšení ?
Vlivem parazitní vazební kapacity C13 ovlivňuje signálový výstup obvodu A stav na vstupu (nesouvisejícího) klopného obvodu D. Oba obvody mají společný vztažný vodič 2. Stejný typ vazby nastává též mezi vodiči ve vícežilovém kabelu.
technická opatření pro její zmenšení
• Co nejvíce zmenšit vazební kapacitu C13 maximálním vzájemným oddálením obou vodičů 1 a 3, jejich co nejkratším souběžným vzájemným vedením, příp. zamezením jejich souběžnému vedení, volbou co nejmenších průřezů obou vodičů a co nejmenší hodnotou permitivity izolace mezi vodiči, příp. permitivity materiálu desky plošného spoje.
• Realizovat co největší kapacitu C32 , která na vstupu ovlivňovaného obvodu omezuje velikost přeneseného rušivého napětí dle vztahu (3.2). To lze provést např. vzájemným těsným přiblížením, případně zkroucením vodiče 3 se vztažným vodičem 2.
• Zajistit nízkoohmové impedanční poměry v navázaném (ovlivňovaném) obvodu, tedy hodnotu R32 udržovat na co nejmenší velikosti.
• Rychlost časových změn všech napětí (signálů) v obvodu Δu/Δt omezit na minimální možnou hodnotu postačující ke správné činnosti daného obvodu. V praxi to např. znamená, že digitální obvody by měly pracovat se signály jen o takových opakovacích kmitočtech, jež jsou nezbytně nutné pro jejich správnou funkci, nikoli se „zbytečně“ vyššími.
• Vzájemně elektricky odstínit oba ovlivňující se vodiče buď stíněním vodiče 3 podle obr. 3.8.a, nebo zavedením pomocného „stínicího“ spoje s nulovým potenciálem na desce plošného spoje mezi vodiče 1 a 3 podle obr. 3.8.c.
3.10 Uveďte příklad parazitní kapacitní vazby dvou zařízení vůči zemi a technické možnosti
jejího odstranění.
Viz.3.7
3.12 Vysvětlete vznik parazitní induktivní vazby, její základní fyzikální vlastnosti a způsoby její
minimalizace. Jaké zásady je třeba dodržovat při souběžném vedení různých druhů kabelů ?
Prochází-li obvodem elektrický proud, vzniká v okolním prostoru magnetické pole, a to
konstantní nebo proměnné, v závislosti na časovém průběhu proudu. Ve vodičích, které jsou
v časově proměnném magnetickém poli, se indukuje napětí, jehož velikost roste se zvyšováním
kmitočtu, příp. s rostoucí rychlostí časových změn proudu v primárním obvodu. Při časové
změně magnetického toku Φ se v obvodu indukuje rušivé napětí dané Faradayovým indukčním
zákonem jako
Pro minimalizaci parazitní induktivní vazby mezi obvody je třeba, aby:
• délka souběžně probíhajících vodičů obou obvodů byla minimální;
• vzdálenost obou obvodů byla co největší;
• velikost proudové smyčky rušeného obvodu (obvodu přijímače) byla co nejmenší.
Z hlediska maximálního omezení parazitních vazeb mezi kabely je nezbytně nutné jejich rozdělení do samostatných vzájemně elektromagneticky stíněných rozvodných sekcí.

Způsoby omezování rušení – odrušovací prostředky
4.1 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.
Odrušovací tlumivky se zapojují do proudových obvodů odrušovaného zařízení, jsou jejich rozměry v prvé řadě dány velikostí protékajícího pracovního proudu. Principiální zapojení odrušovací tlumivky mezi zdroj rušení (např. výstup energetické sítě) a přijímač rušení (např. napájecí vstup přístroje) je uvedeno na obr. 4.1.a. Odrušovací tlumivka je zapojena v sérii s vnitřní impedancí (vnitřním odporem) sítě ZS a vstupní impedancí (odporem) napájecího vstupu chráněného přístroje ZZ
Je zřejmé, že tlumivku lze pro účinné potlačení rušení na vedení použít pouze v nízkoimpedančních systémech, kdy impedance zdroje i přijímače rušení jsou mnohem menší než reaktance tlumivky na kmitočtech odrušovaného pásma (ZS + ZZ > 1 a značné rozptylové magnetické pole, které vyžaduje použití stínicích krytů. Některé z konstrukcí odrušovacích tlumivek na feritovém jádru jsou na obr. 4.3. b) Tlumivky pro potlačení nesymetrické složky rušení v napájecích obvodech, tzv. tlumivky s proudovou kompenzací. Princip této tlumivky na obr. 4.4 spočívá v tom, že fázový a zpětný vodič (příp. fázové vodiče a zpětný vodič) jsou navinuty na společném jádru ve stejném smyslu tak, že pro pracovní proud 50 Hz a pro protifázové rušivé proudy mají jejich magnetické toky opačný směr, vzájemně se ruší a výsledná indukčnost pro pracovní proud 50 Hz je téměř nulová. Pro soufázové rušivé proudy
obou vodičů (tedy pro rušivé proudy protékající oběma vodiči ve stejném směru) mají
magnetické toky souhlasný směr, takže efektivní indukčnost pro tyto proudy je značná. Přitom
zde nedochází ani k přesycení jádra, ani k úbytku napětí v obvodu pracovního proudu 50 Hz.
4.4 Objasněte funkci odrušovacích kondenzátorů, jejich zapojení do vedení a zásady správného
užití. Vliv vlastní rezonance kondenzátoru a délky jeho přívodů na charakteristiky odrušení.
Použití odrušovacích kondenzátorů nebo kondenzátorových filtrů je účinné tehdy, je-li jejich
reaktance mnohem menší než vnitřní impedance zdroje rušení a impedance napájecí sítě.
Odrušovací kondenzátor je tedy nutno užívat ve vysokoimpedančních systémech, při nižších
hodnotách impedancí zdroje a přijímače rušení účinnost odrušení kondenzátorem klesá.
Indukčnost přívodů vytváří s vlastní kapacitou kondenzátoru parazitní rezonanční obvod, nad jehož rezonančním kmitočtem má odrušovací kondenzátor induktivní charakter a jeho vložný útlum s rostoucím kmitočtem klesá. To je doloženo na obr. 4.6 pro několik hodnot délky přívodů dvojpólového kondenzátoru. Přívod o délce 5 mm přitom představuje indukčnost cca 5 ÷ 10 nH. Dobré odrušovací kondenzátory proto musí mít délku přívodů co nejkratší, což je především otázkou jejich vhodného konstrukčního provedení. Z toho hlediska jsou nejvýhodnější průchodkové a zejména koaxiální průchodkové kondenzátory.

4.5 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.
Odrušovací kondenzátory se vyrábějí jako dvojpólové, trojpólové, čtyřpólové či vícepólové. Použití jednotlivých druhů závisí především na tom, chceme-li kondenzátorem potlačit soufázovou (IS) nebo protifázovou složku (IP) rušivého proudu na vedení. Typické případy jsou na obr. 4.9. Bezpečnostní dvojpólové kondenzátory CY v obr. 4.9.a odstraní soufázové rušivé proudy z obou vodičů odrušovaného vedení, zatímco odrušovací kondenzátor CX mezi vodiči potlačí protifázový rušivý proud a nepropustí jej na vstup chráněného obvodu. Trojpólové odrušovací kondenzátory (obr. 4.9.b) ochrání spotřebič jen vůči soufázovým rušivým proudům, ne však vůči protifázovému rušení. Opačný účinek má zapojení čtyřpólového odrušo- vacího kondenzátoru dle obr. 4.9.c: odstraní protifázový rušivý proud, neodstraní však soufázové
rušení postupující po obou vodičích vedení ke vstupu spotřebiče. Oba druhy rušivých signálů
(soufázový i protifázový) jsou odstraněny při použití pětipólového odrušovacího kondenzátoru
dle obr. 4.9.d.
Odrušovací kondenzátory dělí na dvě tří