Písemky

dy:
kondenzátory třídy X a kondenzátory třídy Y (tzv. bezpečnostní). Odrušovací kondenzátory
třídy X jsou určeny pro použití tam, kde jejich průraz nemůže ohrozit bezpečnost lidského života. Velikost kapacity kondenzátorů třídy X není omezena a volí se z hlediska konkrétních potřeb při odrušení. Kondenzátory třídy X se dále dělí na podtřídy X1 a X2. Kondenzátory X1 se používají tam, kde je nebezpečí výskytu přepěťových špiček větších než 1,2 kV. V případě menších přepětí se užívají kondenzátory X2. Odrušovací kondenzátory třídy Y se zapojují mezi fázový a ochranný vodič či uzemněný kryt přístroje všude tam, kde je omezena přípustná hodnota unikajícího (svodového) proudu. Mezi „živými“ částmi a ochranným vodičem či krytem
přístroje musí být tedy připojen výlučně odrušovací kondenzátor Y o hodnotě nejvýše 10 nF pro svodový proud 0,75 mA a nejvýše 50 nF pro proud 3,5 mA.
4.7 Pojednejte o principech a požadovaných vlastnostech odrušovacích filtrů LC. Jaké jsou
hlavní problémy při návrhu síťových odrušovacích filtrů ?
K dokonalejší ochraně před působením vysokofrekvenčního rušení šířícího se po vedení se
používají odrušovací filtry, nejčastěji filtry LC typu dolní propust, které bez potlačení propouštějí
signály (proudy) s kmitočtem nižším než je určitý mezní kmitočet fm a naopak tlumí složky,
jejichž kmitočet je vyšší než tento mezní kmitočet.
Hlavní problémy při návrhu síťových odrušovacích filtrů:
1.Impedance energetické sítě silně závisí na typu a provedení sítě a značně se mění v závislosti na
kmitočtu v širokém rozsahu od jednotek až po stovky Ω.
2. Celková indukčnost tlumivek odrušovacího filtru (pokud není použita jejich proudová
kompenzace nesmí být větší než taková, při níž průchodem síťového proudu 50 Hz
na nich nevznikne úbytek napětí větší než 1 % až 2 % jmenovité hodnoty napájecího napětí.
3. Vložný útlum odrušovacího filtru v nepropustném pásmu s rostoucím kmitočtem teoreticky
neustále vzrůstá. V praxi však parazitní vlastnosti reálných tlumivek a kondenzátorů omezují
kmitočtové pásmo a hodnotu útlumu filtru. Od určitých kmitočtů, kdy začne převládat parazitní
indukčnost kondenzátorů a parazitní kapacita tlumivek, se může původní dolní propust změnit na
horní propust, a tím rušení v oblasti vysokých kmitočtů naopak zhoršit. To je aktuální zejména při odrušení zařízení velkých výkonů, kdy je značný problém realizovat tlumivky pro proudy 100 A a větší s vlastním rezonančním kmitočtem aspoň 1 ÷ 10 MHz.
4. Použití odrušovacího filtru na energetickém napájecím vstupu zařízení nesmí zhoršit
provozní podmínky vlastního zařízení ani napájecí sítě nebo ohrozit jejich správnou činnost.
5. Důležitou roli hrají i ekonomické a konstrukční otázky, tj. cena filtru, jeho rozměry a váha.
Všechny tyto veličiny by měly být minimalizovány.
4.8 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.
Při výpočtu hodnot prvků L a C článků dolních propustí na obr. 4.12 vycházíme z požadované
hodnoty mezního kmitočtu fm a z požadované velikosti vložného útlumu na určitém kmitočtu f
v pásmu nepropustnosti. Charakteristický odpor R se volí tak, aby byl přibližně roven vnitřnímu
odporu (velikosti impedance) sítě ZS a odporu (velikosti impedance) zátěže ZZ , které považujeme za shodné s obvyklou hodnotou 50 Ω. Nemá-li např. na sériově zapojených tlumivkách ve filtru vznikat větší úbytek napájecího napětí než 1 % jeho jmenovité hodnoty, nesmí jejich celková reaktance při kmitočtu 50 Hz přesáhnout 1 % impedance zátěže ZZ na tomto kmitočtu. Podobně celková susceptance paralelně spojených kondenzátorů filtru nesmí při 50 Hz přesáhnout 1 % hodnoty vodivosti zátěže 1/ZZ při tomto kmitočtu.
Pozn. Ze všech uvedených důvodů neurčitosti návrhu odrušovacího filtru je vždy třeba po předběžném výpočtu vyzkoušet navržený vzorek na konkrétním zařízení, pro něž je určen, a podle výsledků měření provést nutné úpravy.
Použití zemní tlumivky:
používají tam, kde se soufázové složky rušivého proudu uzavírají přes parazitní kapacity mezi
fázovým vodičem a zemním vodičem a zemí se dostávají do chráněného zařízení. Použitím zemní tlumivky se značně zvýší impedance parazitních zemních smyček a omezí se tak přenos rušivých soufázových proudů. Typickým použitím filtrů se zemními tlumivkami jsou odrušovací filtry zařízení s elektronickými, zejména číslicovými obvody, počítače, řídicí systémy apod. Tyto filtry mají obvykle asi o 10 dB větší útlum než normální síťové filtry.
4.12 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.
Speciální druhy odrušovacích filtrů
filtry NEMP, příp. LEMP, nazývané též filtry EMP
filtry TEMPEST (Temporary Emanation and Spurious Transmission – přechodné úniky
a nepravé přenosy)
EMP - Tyto filtry byly vyvinuty pro ochranu elektronických zařízení proti působení rušivých impulzů velké intenzity. Na rozdíl od běžných síťových odrušovacích filtrů LC má filtr EMP na svém vstupu zapojeny ještě součástky omezující přepětí (bleskojistky, varistory, ochranné diody apod.). Tyto filtry se užívají všude tam, kde je nebezpečí výskytu přepěťových pulzů v důsledku bouřek, spínacích pochodů apod. schopných ohrozit správnou funkci zařízení.
TEMPEST - Slouží k zamezení úniku informací předávaných telekomunikačními zařízeními a zařízeními pro přenos dat, které mohou být zneužity nepovolanými osobami.
Tyto filtry se vyznačují velmi jakostními parametry: vysokým útlumem 80 až 100 dB ve velmi širokém kmitočtovém rozsahu obvykle od 10 kHz až 1 GHz. Je zřejmé, že takový filtr musí být tvořen mnohastupňovým řetězcem článků LC umístěných ve vysoce kvalitním elektromagneticky
stíněném a hermeticky uzavřeném pouzdru se speciálními vstupními a výstupními konektory.
datové filtry - Jejich základní odlišností od síťových filtrů je nižší pracovní proud a napětí datových filtrů. Datové filtry pracují v impedančně přizpůsobených systémech (ZS = ZZ) a jimi propouštěné užitečné signály (datové či sdělovací) jsou značně širokopásmové.

Možné způsoby realizace datových filtrů: pomocí vícestupňového filtru LC
4.26 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 ?
Jako přepěťové ochranné prvky označujeme součástky, příp. jejich kombinace, sloužící
k potlačení či omezení napěťového přepětí vznikajícího na přenosových vedeních v důsledku
některých rušivých elektromagnetických dějů, např. blesku, elektrostatických výbojů, spínacích
pochodů apod.
plynem plněné výbojky (bleskojistky). Jejich elektrody jsou umístěny v keramickém či skleněném pouzdru naplněném vzácným plynem (argonem či neonem) pod slabým tlakem. Tato konstrukce (obr. 4.18) zajišťuje vysokou přesnost a reprodukovatelnost parametrů výboje. Plynové bleskojistky se používají buď jak přepěťová ochranná součástka, nebo jako galvanické oddělení vodičů, které za normálního provozu nemají být vzájemně vodivě spojeny. Jde o různé zemní systémy či konstrukce vystavené působení korozních proudů. Jakmile napětí mezi těmito konstrukcemi přesáhne hodnotu zápalného napětí bleskojistky, dojde k jejich galvanickému propojení, a to po dobu trvání přepětí.
Při nízkém napětí je vliv výbojky na chráněný systém či obvod velmi nepatrný: izolační odpor
výbojky je větší než 1010 Ω a vlastní kapacita výbojky je mnohem menší než 10 pF. Přesáhne-li
napětí na výbojce hodnotu tzv. zápalného napětí UZ (podle konstrukce bleskojistky v rozmezí od
několika desítek V do několika kV), dojde k „zapálení“ výbojky a její odpor prudce klesá až o
deset řádů. Výbojka přitom přechází do režimu doutnavého výboje, při němž je napětí mezi elektrodami omezeno na hodnotu 60 ÷ 120 V. Umožní-li impedance obvodu, v němž je bleskojistka zapojena, aby jí protékal vyšší proud než cca 100 mA, přejde výbojka při těchto vyšších proudech do režimu obloukového výboje a napětí na ní klesne na nízké hodnoty 10 ÷ 30 V.
Nevýhodou plynem plněných bleskojistek je poměrně dlouhá doba odezvy (jednotky až 100 µs), velká závislost zapalovacího napětí na strmosti nárůstu napětí a poměrně nízké napětí na oblouku, které ztěžuje samovolné zhasnutí oblouku po odeznění přepětí.
Plynem plněné výbojky jsou základním prvkem hrubých přepěťových ochran elektrotechnických a elektronických zařízení i energetických a telekomunikačních vedení. Jejich předností jsou vysoké sváděné proudy, vysoká výkonová zatížitelnost a velmi malá vlastní kapacita, která je nejnižší ze všech ochranných přepěťových prvků uvedených v Tab. 4.3. Konstrukčně se bleskojistky vyrábějí buď jako „klasické“ součástky s drátovými přívody nebo v podobě „kapslí“ s plošnými kontakty pro montáž do koaxiálních vedení, průchodek a konektorů.
4.27 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.
Mezi tyto prvky patří především tzv. varistory. Varistor je nelineární napěťově závislý polovodičový rezistor se symetrickou A-V charakteristikou naznačenou na obr. 4.21. Z ní především plyne zásadně odlišný princip přepěťové ochrany varistorem a bleskojistky: zatímco bleskojistka nebezpečné přepětí na vstupu chráněného zařízení v podstatě zkratuje, varistor je omezí na určitou hodnotu téměř nezávislou na protékajícím proudu. Varistory se vyráběj zejména z kysličníku zinečnatého ZnO nebo z karbidu křemičitého SiC. V rozsahu provozních napětí má
odpor varistoru vysokou hodnotu řádu 1012 Ω a varistorem protéká jen zanedbatelný proud. Při překročení velikosti ochranného napětí odpor varistoru prudce klesá na velikost 1 ÷ 10 Ω,
přičemž varistorem může protékat proud až desítek A. Varistor přitom může absorbovat značnou energii vysokonapěťových rušivých impulzů. Reakční doba varistoru činí nízké desítky ns a je tedy mnohem kratší, než doba reakce plynem plněných bleskojistek. Vlastní kapacita varistorů je poměrně velká (0,4 ÷ 40 nF) a komplikuje jejich použití jako přepěťových ochran ve vysokofrekvenčních systémech.
4.30 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.
Zapojení je tvořeno kombinací plynem plněné bleskojistky jako hrubé přepěťové ochrany a kaskádou varistoru a supresorové Zenerovy diody jako jemných přepěťových ochran. Jak je naznačeno na napěťových průbězích v jednotlivých bodech zapojení na obr. 4.22, bleskojistka omezí špičkovou velikost strmého vstupního přepěťového impulzu na cca 600 V, tuto hodnotu pak varistor omezí na cca 150 V a následně Zenerova dioda sníží toto omezení na úroveň cca 40 V. Protože rychlejší prvky jemné ochrany by reagovaly dříve než výkonová, leč pomalejší hrubá ochrana (bleskojistka), omezily by tyto prvky vstupní napěťovou vlnu dříve. Tím by však došlo jednak k vyřazení hrubé ochrany (bleskojistka by vůbec „nezapálila“), jednak k nepřípustnému přetížení prvků jemné ochrany příliš vysokým napětím.
Z tohoto důvodu je třeba jednotlivé stupně kombinované ochrany oddělit zpožďovacími články LC či RC, které jsou tvořeny buď sériovými indukčnostmi > 20 µH (obr. 4.22), nebo rezistory s odporem > 5 Ω. Příslušnou kapacitu zde tvoří vlastní kapacita ochranného přepěťového prvku. Při montáži hrubých a jemných ochran do napájecích rozvodů nn se k vytvoření těchto oddělovacích zpožďovacích článků někdy využívá přímo impedance příslušných kabelů. Tyto ochrany pak nesmějí být vzájemně montovány blíže než asi 6 m.
Elektromagnetické stínění a jeho charakteristiky
5.1 Definujte účinnost (efektivnost) elektromagnetického stínění neomezené kovové přepážky
a jeho dílčí složky: útlum odrazem, absorpční útlum a útlum vlivem mnohonásobných
odrazů. Objasněte základní fyzikální mechanismy jejich vzniku, formulujte jejich
matematické vyjádření a fyzikálně je interpretujte.
Určit efektivnost stínění dle obr. 5.1 znamená stanovit složky elektromagnetické vlny
proniknuvší do stíněné oblasti (z . t) při známé velikosti dopadající vlny Ei , Hi , známých parametrech stínicí přepážky (ε , µ , σ , t ) a známých parametrech obklopujícího prostředí (ε0 , µ0). Při řešení vycházíme ze systému Maxwellových rovnic jak pro okolní prostředí, tak i pro kovové prostředí stínicí přepážky.

Útlum odrazem R:
Útlum odrazem R vzniká vlivem částečného odrazu energie vlny na impedančním rozhraní
mezi vzduchem (dielektrikem) s impedancí Z0 a kovovou stěnou přepážky s impedancí ZM a rovněž na „výstupním“ rozhraní mezi kovovou stěnou ZM a dielektrikem (vzduchem) Z0. Útlum odrazem nezávisí na tloušťce t stínicí kovové stěny, takže účinné elektrické stínění lze vytvořit i z tenké, avšak vysoce vodivé (Z0 >> ZM ) přepážky.
Absorpční útlum A:
Tento útlum vzniká pohlcením části energie elektromagnetické vlny při jejím průchodu stínicí kovovou přepážkou o tloušťce t vlivem tepelných ztrát.
Útlum vlivem mnohonásobných odrazů M:
Při průchodu elektromagnetické vlny vodivou stínicí přepážkou dochází na rozhraních
k opakovaným odrazům, jak je schematicky naznačeno na obr. 5.2. Skládání mnohonásobně
odražených vln může mít nezanedbatelný vliv na celkový útlum kovové přepážky.
Je-li stínění z dobře vodivého kovu (Z0 >> ZM) a jeho tloušťka t je podstatně větší než hloubka
vniku (t >> δ), je z předchozího výrazu M = 0 dB a vliv mnohonásobných odrazů na celkovou účinnost stínění lze zanedbat. Pak je přibližně SE = R + A . Je-li naopak stínicí přepážka tenká ve srovnání s hloubkou vniku (t > 1) materiály.
Blízké magnetické pole:

kde r je vzdálenost zdroje (smyčky) od stínicí přepážky. V blízké zóně, kdy r