LETNIK 18. ŠT. 1-2/200911

STROKOVNI PRISPEVKI

Uvod

Skoraj vsak uporabnik katerekoli električne ali elektronske naprave se je že imel priložnost srečati z nepričakovanimi pojavi, ki zmotijo ali pa celo uničijo delovanje naprave. Takšni značilni primeri so: neprijetni zvok v zvočniku radijskega ali TV sprejemnika, če je v njegovi bližini mobilni telefon ali če v bližini sprejemnika delujejo nekatere električne naprave (sesalec, sekljalnik,…), prenehanje delovanja ali napačno delovanje elektronske ali električne naprave ob nihanju ali kratkih prekinitvah omrežne napetosti, ob naravnih ali nenaravnih elektrostatičnih razelektritvah in podobno. Našteti pojavi so posledica medsebojnih vplivov med različnimi elektronskimi ali električnimi napravami, ali pa so posledica zunanjih vplivov na naprave. Vsi ti neželeni medsebojni vplivi se prenašajo v obliki elektromagnetne energije in jih zato lahko poimenujemo elektromagnetne motnje. Ti pojavi so znani že od samega začetka razvoja in uporabe električnih ali elektronskih naprav, komponent in sistemov, resno pa so z njimi začeli ukvarjati z njihovo množično uvedbo v široko uporabo. Sodobni električni gospodinjski aparati so prav tako izpostavljeni tem pojavom in so nanje dovzetni ali pa jih generirajo in tako lahko vplivajo na naprave v svoji okolici.

1 Osnovni pojmi

1.1 Elektromagnetna združljivost (Electromagnetic compatibility – EMC)

Z omenjenimi pojavi se ukvarja področje elektrotehnike, poimenovano Elektromagnetna združljivost. To je inženirska veda, ki je nastala z namenom, da zagotavlja pravilno, zanesljivo in varno delovanje električnih elementov, naprav ali sistemov, ki za svoje delovanje rabijo in/ali generirajo elektromagnetno energijo.S stališča elektronskega elementa, naprave ali sistema pa elektromagnetno združljivost (EMC) lahko definiramo kot zmožnost elementa, naprave ali sistema, da zadovoljivo deluje v elektromagnetnem okolju brez vnašanja nesprejemljivih elektromagnetnih motenj v to okolje. Za neko električno komponento, napravo ali sistem lahko rečemo, da so elektromagnetno združljivi, če:

med delovanjem ne moti druge električne komponente, naprave ali sistema,ni dovzetna na emisije motenj drugih električnih komponent, naprav ali sistemov,ne moti sama sebe.

1.2 Elektromagnetna interferenca (Electromagnetic Interference - EMI)

Iz navedenega sklepamo, da so vzroki, ki vplivajo na elektromagnetno združljivost (EMC) elektromagnetne motnje. Elektromagnetne motnje lahko opišemo kot elektromagnetni pojav, s katerim se po vodnikih ali preko praznega prostora neželeni vplivi prenašajo med električnimi napravami, komponentami ali sistemi, in s tem na njih škodljivo vplivajo tako, da spremenijo njihovo delovanje ali povzročijo njihovo uničenje. Posledice vpliva elektromagnetnih motenj na električni element, napravo ali sistem imenujemo Elektromagnetna interferenca - EMI. EMI definiramo kot poslabšanje lastnosti elementa, naprave ali sistema zaradi elektromagnetnih motenj.

1.

2.

3.

Elektromagnetna združljivostAvtor: Zlatko Njegovec

Zlatko Njegovec, dipl. inž. Zlatko Njegovec, dipl. inž. elektronike, je zaposlen v elektronike, je zaposlen v Programu POINT v razvoju Programu POINT v razvoju Inteligentnega domaInteligentnega doma

Neželeni medsebojni Neželeni medsebojni vplivi se prenašajo v obliki vplivi se prenašajo v obliki elektromagnetne energije elektromagnetne energije in jih zato lahko imenujemo in jih zato lahko imenujemo elektromagnetne motnje elektromagnetne motnje

EMI definiramo kot poslabšanje EMI definiramo kot poslabšanje lastnosti elementa, naprave ali lastnosti elementa, naprave ali sistema zaradi elektromagnetnih sistema zaradi elektromagnetnih motenj motenj

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200922

Slika 1: Osnovni problem Slika 1: Osnovni problem elektromagnetne združljivostielektromagnetne združljivosti

Omejiti želimo medsebojne Omejiti želimo medsebojne vplive zaradi motenj ter doseči vplive zaradi motenj ter doseči elektromagnetno združljivostelektromagnetno združljivost

Slika 2: Posledice Slika 2: Posledice elektromagnetnega sklopaelektromagnetnega sklopa

1.3. Imunost in dovzetnost električnih komponent, naprav in sistemov na elektromagnetne motnje

Elektromagnetne interference, ki povzročajo neželene vplive na električne komponente, naprave in sisteme, so posledica elektromagnetnih motenj, ki nastajajo ob njihovem delovanju. Če električno komponento, napravo ali sistem opazujemo s stališča EMI, jo lahko obravnavamo kot oddajnik ali sprejemnik elektromagnetnih motenj.

Medsebojne vplive zaradi motenj želimo omejiti (doseči združljivost!). Zato je potrebno, po eni strani, nivo sevanja motenj elektronskega elementa naprave ali sistema zniževati na sprejemljivi nivo, po drugi strani pa zagotavljati neobčutljivost elementa naprave ali sistema na vplive motenj. Občutljivost električnega elementa na elektromagnetne motnje lahko opisujemo z imunostjo na EMI ali z dovzetnostjo za EMI. Imunost je mera, ki podaja zmožnost sistema, da nemoteno deluje v okolju, ki je onesnaženo z elektromagnetnimi motnjami.Dovzetnost je mera, ki podaja vplive elektromagnetnih motenj na električne ali elektronske naprave.

1.3 Elektromagnetne motnje

Elektromagnetna motnja je vsak elektromagnetni pojav, ki lahko negativno vpliva na lastnosti elementa, naprave ali celo sistema. Fizikalno pa so elektromagnetne motnje valovanje, ki je sestavljeno iz električnih in magnetnih valov, ki lahko vplivajo na tokokroge, ki so lahko sklenjeni ali odprti. Valovanje električne komponente elektromagnetnega polja s svojim vplivom v odprti zanki, ki deluje kot sprejemna antena, generira napetost, valovanje magnetne komponente polja pa v zaključeni tokovni zanki generira tok.

Motilna elektromagnetna valovanja so nepredvidljiva in jih je matematično skoraj nemogoče opisati. Pomembno je to, da elektromagnetna motnja ne more uničiti naprave ali vezja. Uničenje povzroči zaradi motnje inducirana napetost ali tok. V praktičnem primeru, npr. pralnega stroja, elektromagnetna motnja vpliva

STROKOVNI PRISPEVKI

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200933

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 3: Model elektromagnetne Slika 3: Model elektromagnetne motnje ali EMImotnje ali EMI

Slika 4: Sevalne in prevodne Slika 4: Sevalne in prevodne motnjemotnje

na njegovo ožičenje, ki deluje kot antena ali kot tokovna zanka. Posledica je napetostni in tokovni šum, ki sta dodana normalnim signalom v žicah. Model, uporaben za obravnavo in reševanje problemov, ki nastajajo zaradi elektromagnetnih motenj, sestavljajo trije osnovni gradniki (sl.3):

vir sevanja motenj, pot motenj med izvorom in sprejemnikom,sprejemnik sevanja motenj.

Viri elektromagnetnih valovanj različnih moči in frekvenc so lahko naravni ali umetni. Naravni vir je zemlja s svojim magnetnim poljem in vremenskimi pojavi v atmosferi, sonce z elektromagnetnimi motnjami ali zvezde s kozmičnimi sevanji.

Glavni izvor umetnega sevanja so sistemi brezžičnih komunikacij. Močna neželena sevanja ustvarjajo tudi električne naprave, v katerih pri delovanju nastajajo elektro-obločni plameni in iskrenja. Opazno sevajo nekatere elektronske naprave, pri katerih je veliko hitrih preklopov. Sevajo pa tudi naprave, pri katerih elektronika ni ključni gradnik (avtomobili svečke, električna orodja,...).

Pot motilnega elektromagnetnega valovanja med izvorom in sprejemnikom lahko poteka skozi prazen prostor ali pa po fizičnih vodnikih. Pri prenosu valovanja skozi prazen prostor so odločilnega pomena kapacitivni ali induktivni sklopi med izvorom in sprejemnikom. Fizične povezave, po katerih se prenaša elektromagnetno valovanje, so galvanske, po napajalnih ali ozemljitvenih vodnikih. Glede na pot, po kateri se motnje prenašajo med izvorom in sprejemnikom, lahko motnje delimo na sevalne motnje, ki se prenašajo skozi prazen prostor, in prevodne motnje, ki se prenašajo po fizičnih vodnikih.

Na enak način, glede na to, na katero vrsto motenj so naprave občutljive, okarakteriziramo dovzetnost ali imunost naprav na tiste, ki so dovzetne ali imune na sevalne, in tiste, ki so dovzetne ali imune na prevodne motnje.

•••

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200944

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 5: Doseganje EMC z Slika 5: Doseganje EMC z dušenjem motenj na izvorudušenjem motenj na izvoru

Sprejemniki, na katere elektromagnetna valovanja kvarno vplivajo, so v prvi vrsti vsa živa bitja s človekom na čelu. Trajno izpostavljanje EM valovanju ima lahko usodne posledice. Seveda vplive teh motenj hitreje opazimo pri napravah. Sevanja škodujejo celo tako robustnemu sistemu, kot je elektronika v letalu. Da bi čimbolj zmanjšali možnost pojava EMI v letalu, je med poletom prepovedana uporaba mobilnih telefonov in ostalih elektronskih naprav.

2 Tipični primeri EMC

Za nastanek neželenih učinkov motenj morajo obstajati vsi trije opisani gradniki. Ni težko razumeti, da odstranitev samo enega v celoti odpravi težave. Žal pa odstranitev kateregakoli od teh elementov ni možna. Lahko pa motnje in njihove učinke omejimo med njihovim nastankom, prenosom in sprejemom.

Omejitev na izvoru: moč neželenih motenj omejimo tako, da jih ohranimo pod nivojem, ki povzroča neželene učinke na bližnjih napravah. Omejitev med prenosno potjo: prenosno pot poskušamo spremeniti - podaljšati ali pa motnjam postaviti ovire tako, da zmanjšamo njihov vpliv.Omejitev motenj v sprejemniku: takoj po sprejemu motnje jo poskušamo zmanjšati tako, da ne povzroči neželenega vpliva na katerokoli komponento na strani sprejemnika.

2.1 Sevanje - radio-frekvenčne motnje

V sodobnem svetu nas zaradi zelo velikega števila različnih brezžičnih komunikacij obkroža množica elektromagnetnih valovanj različnih delovnih frekvenc. Celotno frekvenčno območje, namenjeno komunikacijam, imenujemo območje radijskih frekvenc, ki sega od 10 kHz do 100 GHz. Poleg osnovne naloge, tj. prenos želenih informacij, lahko takšna valovanja povzročajo neželene vplive na bližnje elektronske naprave. Z namenom zmanjšanja takšnih pojavov moramo frekvenčno območje oddajnika in njegovo sevalno moč prilagoditi tako, da ne bo povzročal neželenih vplivov na elektronske naprave in sisteme, ki vsebujejo za motnje dovzetna elektronska vezja. Na ta način oddajnik naredimo elektromagnetno kompatibilen. To dosežemo z impedančnimi prilagoditvami med oddajnim ojačevalnikom in anteno, z delnimi električnimi oklepi (Faradayeva kletka), usmerjenostjo anten ipd.

Seveda pa zaradi osnovnega namena oddajnika njegovo sevanje lahko omejimo le delno, tako da še vedno lahko pride do neželenih vplivov na elektronske naprave. To nas sili v postopke, s katerimi same elektronske naprave ščitimo in jih tako naredimo čim manj občutljive na elektromagnetna sevanja. S tem te naprave tudi naredimo elektromagnetno kompatibilne. To dosegamo tako, da najdemo v vezju ali napravi mesto, kjer prihaja do

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200955

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 6: Doseganje EMC z zaščito Slika 6: Doseganje EMC z zaščito elektronskih napravelektronskih naprav

Sl. 7: Eletrostatične napetostiSl. 7: Eletrostatične napetosti

induciranja napetostnega ali tokovnega motilnega signala zaradi vpliva elektromagnetnega valovanja. Na tem mestu opravimo dušenje tega signala na sprejemljivi nivo. V primerih, ko imamo opravka z napravami, ki pri delovanju skrbijo tudi za varnost uporabnika (npr. vezje za ABS v avtomobilu) naprave preventivno ščitimo tudi z električnim oklepom (sl.6).

V praksi se včasih srečujemo tudi s problemom obratne narave. Elektronske ali električne naprave, ki po svoji funkciji sicer niso namenjene delovanju v področju radijskih frekvenc, pri delovanju lahko generirajo motnje, ki so v področju radijskih frekvenc. Do teh pojavov prihaja zaradi visokih delovnih frekvenc naprav in vezij ali njihovih višjih harmonskih komponent, kjer do izraza prihajajo induktivne lastnosti povezav, kapacitivni sklopi med povezavami in parazitne upornosti, ki jo ima vsaka povezava v napravi ali vezju. Elektronski elementi imajo tudi parazitne reaktančne komponente, ki so običajno majhne, da neposredno ne vplivajo na funkcije naprave, lahko pa preoblikujejo signale, zato je njihov učinek na nek način skrivnosten. Elektromagnetno združljivost naprav v tem primeru dosegamo tako, da odkrijemo izvor ali signalno pot motnje, ki nastane zaradi vpliva parazitnih elementov, in ga tam omejimo. Velja princip iz slike 5. Običajna praksa za dosego tega je uporaba različnih elektronskih filtrov v napravah ali vezjih samih, ki služijo kot pasti za motilne signale.

2.2 Elektrostatične razelektritve

Elektrostatične razelektritve so morda najbolj znan pojav pri obravnavi EMC, saj se dnevno srečujemo z njim (naelektritev plastičnega glavnika pri česanju, prasketanje sintetičnih oblačil pri slačenju, preskok elektrostatičnega naboja pri hoji po sintetičnih tleh,…). Pri teh pojavih se zaradi prisotnosti elektrostatičnega naboja v določenem prostoru lahko

Elektrostatična napetost kot funcija 20%RH 80%RHrelativne vlažnosti (kV) (kV)Hoja po plastičnih tleh 12 0,25Hoja po sintetičnem tepihu 35 1,5Dvig polietilenske škatle 20 0,6Drsenje polietilenske škatle po tleh 18 1,5Odstranitev polivinila s tiskanine 12 1,5

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200966

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 8: Elektrostatična Slika 8: Elektrostatična razelektritevrazelektritev

LC filtri zadušijo motnje in LC filtri zadušijo motnje in preprečujejo izhod motenj iz preprečujejo izhod motenj iz same napravesame naprave

človeško telo naelektri tudi na zelo visok statični potencial. Ta je odvisen od človekove aktivnosti, materialov v prostoru in od prisotnosti vlage (slika 7). Ob približevanju kakršnemukoli prevodnemu delu ali ob dotiku z njim pa se ta naboj izprazni - pride do izenačitve potencialov. Pri tem začutimo rahel električni udar, ki je posledica toka, ki pri tem nastane. Če se ta pojav zgodi ob uporabi neke električne ali elektronske naprave, ima lahko poleg neprijetnega občutka za človeka ta dogodek usodne posledice za napravo. Tok, ki v tem primeru steče, si poišče najlažjo pot in pri tem lahko uniči ali delno uniči (načne) občutljiva elektronska vezja.

Na imunost elektronskih vezij, uporabljenih v napravi, težko vplivamo. Ta je predvsem odvisna od proizvajalca vezij. Zato pa EMC naše naprave glede na elektrostatične praznitve izboljšujemo s preprečevanjem možnosti praznitev skozi v napravo vgrajena vezja. To najpogosteje dosegamo z uporabo izolacijskih ohišij, ki imajo zadosti veliko izolacijsko trdnost, da preprečijo praznitve. Če to ni možno, lahko uporabljamo tudi prevodna ohišja

ali prevodne nanose na izolacijska ohišja, ki jih ozemljimo. Na ta način tok praznitve odvedemo, preden je le-ta dosegel vezje, ki ga na ta način ščitimo. V tem primeru težimo k temu, da ima sistem ozemljitve čim manjšo upornost zaradi najbolj učinkovitega odvajanja toka praznitve. Tukaj velja omeniti, da elektrostatični naboj ne generira izključno človek s svojimi dejanji. Ta se lahko generira tudi v nekaterih električnih napravah, še posebej v tistih, ki vsebujejo vrtjive dele, med katerimi prihaja do trenja. Takšen primer je npr. pralni stroj. V primeru, če nobena jermenica v stroju ni ozemljena in jermen ni prevoden, se lahko na jermenu ostvarja zelo visok elektrostatični naboj, zaradi česar prihaja do večkratnih praznitev in možnosti za neželene pojave.

2.3 Hitri prehodni pojavi

Hitri prehodni pojavi so posledica hitrih preklopov induktivnih bremen, pri čemur ponavadi nastaja iskrenje. Takšno breme je npr. prani stroj z univerzalnim motorjem, pri katerem med vrtenjem prihaja do močnega iskrenja na stiku krtačk in komutatorja. To pa povzroči motilno elektromagnetno valovanje v zelo širokem frekvenčnem spektru (9kHz do 1 GHz) in manjšimi energijami, ki se prenašajo po fizičnih vodnikih (glej sl. 4: Prevodne motnje). Glede na omenjeni spekter lahko trdimo, da skoraj ni elektronske naprave, ki ne bi bila dovzetna na takšne motnje. Zaradi tega, ker so energije teh motenj nizke, te ponavadi ne povzročajo odpovedi delovanja, temveč motnje v delovanju.

Glede na napisano moramo vsako elektronsko napravo obravnavati kot potencialni sprejemnik ali generator hitrih prehodnih pojavov. Zato moramo pri doseganju elektromagnetne združljivosti ščititi napravo pred vplivi hitrih prehodnih pojavov od zunaj, ter napajalno omrežje, iz katerega se naprava napaja, ščititi pred motnjami, ki jih generira sama naprava.

Da naša naprava ne seva neželene motnje v omrežje, na napravah uporabljamo t. i. omrežne ali vhodne filtre, ki preprečujejo izhod motenj iz same naprave. Ti filtri so LC vezja, ki zadušijo motnje. Ti filtri ravno tako dušijo motnje, ki so že prisotne v omrežju, in tako preprečujejo njihov vdor v našo napravo.

Seveda se dogaja tudi to, da naprava lahko moti sama sebe, tj. vezja, ki so znotraj nje. V tem primeru ta vezja ščitimo posebej z uporabo lokalnih filtrov, elektronskih zaščitnih vezij (transient protectors), ločilnimi

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200977

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 9: Nekaj vzrokov za Slika 9: Nekaj vzrokov za nastanek napetostnega impulzanastanek napetostnega impulza

transformatorji, linearnimi regulatorji in podobno. Torej lahko rečemo, da se za doseganje EMC pri hitrih prehodnih pojavih morata uporabljati principa, simbolično prikazana na slikah 5 in 6.

2.4 Visoko - napetostni impulzi v napajalni napetosti

Visoko - napetostni impulzi v napajalnem omrežju nastanejo zaradi preklopov reaktivnih bremen (npr. zelo močan elektromotor ali vezje za korekcijo faktorja moči), pri čemur se v omrežje nepričakovano sproščajo večje količine energije. Zaradi tega v omrežju, ki predstavlja neko induktivnost, prihaja do induciranja napetosti, ki lahko uniči iz omrežja napajane naprave. Podobno se zgodi v primeru izolacijskega preboja v omrežju, zaradi česar za kratek čas steče zelo velik tok, ki povzroči induciranje napetosti. Pogost primer, zaradi katerega se v omrežju pojavi napetostni impulz, je oddaljena strela.

Trajanje takega napetostnega impulza je lahko nekaj milisekund, kar pomeni, da le-ta vsebuje veliko energije. Običajno so posledice delovanja takega impulza na vezje z lahkoto prepoznavne, saj so vidne ožganine. Za dosego EMC naprave glede na visoko - napetostne impulze, ponavadi uporabljamo zaščitne elemente, kot so napetostno občutljivi upor (VDR), supresorske diode (TVS), iskrišča ipd. VDR upor priključimo med napajalne priključke takoj na priklopu omrežne napajalne napetosti na napravo. Hitre supresorske diode pa uporabljamo zraven vezij, ki jih želimo ščititi. Oba omenjena elementa delujeta tako, da porabita višek energije impulza, ki bi sicer lahko uničil elektronsko vezje.

Velja omeniti, da gre v primeru direktne atmosferske praznitve za takšno energijo, da zaščita ni možna.

2.5 Kratke prekinitve in napetostna nihanja omrežne napajalne napetosti

Napetostna nihanja in krajše prekinitve nastanejo zaradi napak v nizko, srednje ali visoko napetostnih prenosnih omrežjih. Nastanejo lahko tudi zaradi preklopa med glavnim napajalnim virom in alternativnim začasnim napajalnim virom (UPS).

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200988

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 10: Napetostna nihanja in Slika 10: Napetostna nihanja in kratke prekinitvekratke prekinitve

Slika 11: Napetost in tok v Slika 11: Napetost in tok v primeru nelinearnih bremenprimeru nelinearnih bremen

Ne glede na območje ali čas velja, da sta omenjena pojava vedno prisotna v napajalnih omrežjih. EMC električnih naprav običajno pri takih pojavih zagotovimo z ustrezno uporabo energijskih elementov, ki v samem vezju zgladijo napake v napajalni napetosti.

2.6 Višje harmonske komponente omrežne napetosti

Idealna oblika omrežne napajalne napetosti je čisti sinus z nazivno frekvenco 50 ali 60 Hz. Dandanes je takšno obliko napetosti v omrežju skoraj nemogoče srečati. Običajno je oblika sinusa bolj ali manj popačena. Po Furijerjevi teoriji o delitvi nesinusnih signalov na višje harmonske komponente ima to za posledico prisotnost višjih harmonskih komponent sinusne oblike v omrežju. Ta pojav je posledica nelinearnih bremen, ki so priključena na omrežje. Za takšna bremena je značilno, da oblika toka bremena ni sinusna in zvezna, temveč je tok »trgan« (sl.11). To je tipična oblika toka, ki teče skozi napajalnike, ki se uporabljajo v TV aparatih, računalnikih, mikrovalovnih pečicah in podobnih napravah široke potrošnje.

Na impedancah omrežja takšni tokovi povzročijo nelinearne padce napetosti, ki popačijo sinusno napetost. V omrežju pa se tvorijo višje harmonske komponente toka, ki so lihi večkratnik osnovnega harmonika (50 Hz). V tem primeru je doseganje EMC združljivosti odvisno le od bremen, ki jih vsebuje električna naprava. Število višjih harmonikov v tem primeru omejujemo z uporabo tim. korekcijo faktorja moči.

LETNIK 18. ŠT. 1-2/200999

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 12: Inducirana napetost Slika 12: Inducirana napetost ali tok na tiskanem vezju zaradi ali tok na tiskanem vezju zaradi vpliva impulznega magnetnega vpliva impulznega magnetnega poljapolja

2.7 Impulzno magnetno polje

Impulzna magnetna polja vedno obstajajo v bližini energijskih kablov, transformatorjev in elektromotorjev. Močni impulzi magnetnega polja, ki so posledica hitrih sprememb toka v vodnikih, lahko v vezjih, ki se nahajajo blizu teh vodnikov, inducirajo motilne tokove, zaradi katerih lahko pride do napačnega delovanja vezij.

Za dosego zahtev EMC je običajno edina zaščita pred vplivom impulznega magnetnega polja uporaba magnetnega oklepa iz železne pločevine.

V tem poglavju smo našteti le del EMC pojavov. Glede na to, katere naprave obravnavamo, oz. kakšen je njihov namen, poznamo še več teh pojavov, ki jih pa ob tej priložnosti ne bomo obravnavali.

3 EMC in standardi

V razlagah iz prejšnjih poglavjih smo EMC obravnavali kot kategorijo, ki jo lahko ovrednotimo. To se nanaša tako na sevanja kakor tudi na dovzetnost oz. imunost na motilna elektromagnetna polja. Vsako opisano motnjo lahko objektivno ovrednotimo z ustreznimi merilnimi metodami, ki so natančno določene s strani mednarodnih standardov Ti tudi določajo dovoljene mejne vrednosti EMC veličin za posamezne vrste naprav. Krovna tehnična organizacija za ustvarjanje norm, ki se nanašajo na elektromagnetno združljivost, se imenuje IEC (International Electrotechnical Comission). Poleg IEC se s elektromagnetno združljivostjo ukvarja tudi nevladna organizacija CISPR (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques). IEC zbera poročila, pripravi predloge standardov in jih posreduje organizaciji, imenovani CENELEC (Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique), ki skrbi za standarde v Evropski skupnosti. CENELEC predloži standarde Evropskemu parlamentu in sprejete morajo prevzeti vse članice Evropske skupnosti.

EMC standardi, ki jih je določila IEC, se nanašajo na sevanje motenj ter na imunost naprav na motnje. Pri tem obstajajo dve vrsti standardov:

osnovni standardi, ki se ukvarjajo s posameznimi vrstami interferenc, in standardi, ki pokrivajo točno določene vrste izdelkov.

V nadaljevanju so našteti standardi, ki se ukvarjajo z različnimi interferencami, ki vplivajo na EMC in se nanašajo na gospodinjske aparate.

Standardi za sevanje motenj:EN 55014-1: sevanje prevodnih motenj, sevanje impulznih motenj, sevanje harmonskih motenj in sevalna moč

V okviru tega standarda so elektronske naprave glede sevanje razdeljene v dva razreda: Razred A: naprave, katerih dopustno sevanje je večje, vendar je njihova uporaba omejena. Značilen predstavnik takšnih naprav so tovarniški stroji. Zanje se šteje, da delujejo v področju, kjer je dostop nadziran, torej ne povzročajo težav sosedom, oziroma naključnim mimoidočim. Razred B: ostrejše zahteve glede generiranja motenj. To so naprave, ki so namenjene za široko potrošnjo. Podano je najvišje dopustno elektromagnetno polje, ki ga sme generirati opazovana naprava.

••

•

LETNIK 18. ŠT. 1-2/20091010

STROKOVNI PRISPEVKI

Ob uvedbi elektronskih vezij v Ob uvedbi elektronskih vezij v gospodinjske aparate je prišlo gospodinjske aparate je prišlo do pomembnega vpliva na do pomembnega vpliva na robustnost aparatarobustnost aparata

Standardi za imunost:IEC61000- 4-3 - sevano elektromagnetno poljeIEC61000- 4-6 – sevane prevodne motnjeIEC61000- 4-2 – elektrostatične razelektritveIEC61000- 4-4 – hitri prehodni pojaviIEC61000- 4-4 - Visoki napetostni impulzi v napajalni napetostiIEC61000- 4-11 - Kratke prekinitve in napetostna nihanja omrežne napajalne napetostiIEC61000- 4-8 – impulzno magnetno polje

Imunost je definirana v treh nivojih: kriterij C dopušča, da naprave začasno odpovedo, vendar se njihove funkcije čez čas same obnovijo,kriterij B predpostavlja, da po koncu motnje naprava normalno deluje, kriterij A zahteva, da motnje pod dopustno mejo sploh ne vplivajo na delovanje naprave.

4 EMC in gospodinjski aparati

Električni gospodinjski aparati morajo biti elektromagnetno združljivi, tako kot to zahtevajo IEC standardi. To dokazujemo z njihovo certifikacijo po vseh zgoraj navedenih in standardiziranih zahtevah za sevanje in imunost. Dokazilo v obliki merilnega poročila in certifikata o EMC izda s strani IEC akreditirana, neodvisna certifikacijska institucija. V našem primeru je to SIQ.

4.1 Imunost sodobnih gospodinjskih aparatov

V zadnjem obdobju se je v gospodinjskih aparatih v velikem obsegu uveljavila uporaba elektronskih vezij, ki služijo za krmiljenje delovanja aparatov in njihovo upravljanje s strani uporabnika. Ta vezja so v aparate vpeljala nove prijaznejše načine upravljanja, omogočila so optimizacijo porabe energije, njihovo povezljivost in druge tehnične prednosti. V njih se uporabljajo sodobne digitalne in analogne polprevodniške elektronske komponente, ki pa so zaradi kompleksnosti, načina delovanja in tehnologije dovzetne na vplive elektromagnetnih motenj. Poleg tega je na elektronskih krmilnih vezjih prisotno večje število tudi drugih polprevodniških aktivnih ter pasivnih komponent, ki so ravno tako dovzetne na vplive motenj. Glede na to lahko sklepamo, da je ob uvedbi elektronskih vezij v gospodinjske aparate prišlo do pomembnega vpliva na robustnost aparata. Zato moramo posebno pozornost posvečati imunosti in dovzetnosti elektronskih naprav na motnje, ki lahko povzročajo tudi nevarne napake v delovanju aparatov ali pa celo uničenje elektronskih vezij. To pa lahko povzroči negativne posledice na trgu v obliki nezadovoljstva uporabnika z delovanjem aparata ali povečanje števila odpovedi v garancijski dobi.

Po množični uvedbi uporabe različnih elektronskih vezij je v praksi res bilo opaženo povečanje števila servisnih posegov v garancijski dobi aparatov. Podrobnejša analiza izgrajenih in zamenjanih vezij nam je pokazala, da velik delež teh vezij normalno deluje. To in analiza vzrokov za servisne posege nas je pripeljalo do sklepanja, da so vezja bila zamenjana zaradi napačnega delovanja, ki je lahko bilo posledica motenj.

Vsi aparati, ki so bili plasirani na trg, so bili elektromagnetno združljivi v skladu z IEC standardi, kar je dokazljivo z merilnimi protokoli in certifikati. To pomeni, da nivoji za imunost, ki nam jih določajo standardi, vedno ne zadostujejo. V spopadu s tem problemom smo iskali rešitve po več poteh:

Dvig standardiziranih nivojev imunosti aparatov na motnje. Ti nivoji so bili tudi vneseni v interni tehnični predpis, ki je zavezujoč tako za aparate kot za elektronska vezja. Uvedba dodatnih nestandardiziranih testov aparatov in naprav, s katerimi ugotavljamo dovzetnost elektronskega vezja na motnje in ustrezne zaščite elektronskega vezja.

•••••••

•••

1.

2.

LETNIK 18. ŠT. 1-2/20091111

STROKOVNI PRISPEVKI

Slika 13: Cena zaradi izboljšanja Slika 13: Cena zaradi izboljšanja EMCEMC

Odločili smo se za izgradnjo Odločili smo se za izgradnjo razvojnega testnega laboratorija razvojnega testnega laboratorija za meritve imunosti aparatov in za meritve imunosti aparatov in elektronskih vezijelektronskih vezij

Slika 14: Laboratorij za testiranje Slika 14: Laboratorij za testiranje imunostiimunosti

Uvedba metod simuliranja internih motenj, ki nastajajo v samem aparatu ali elektronskem vezju, in zaščita pred temi motnjami.

Ti ukrepi pa pri aparatih, ki so bili že vpeljani v proizvodnjo, niso preprosti in poceni. Pojavijo se potrebe po uvedbi dodatnih zaščitnih komponent (filtrov), po spremembah elektronskih vezij ali celo spremembah aparatov, kar pa vpliva na stroške izdelave aparatov. Približna ocena gibanja stroškov (podano v več različnih virih – in iz izkušenj) zaradi izboljšanja imunosti v posameznih fazah življenjske dobe izdelka je prikazana na sliki 13. Nujno je, da se s tem problemom začnemo ubadati že v zgodnji razvojni

fazi, ko koncipiramo aparat in njegovo krmilno vezje. Želene nivoje imunosti moramo doseči že po fazi načrtovanja aparata in elektronskega vezja. To ni najugodnejši način samo zato, ker se s tem izognemo problemom na trgu, temveč tudi zato, ker v tej fazi lahko poiščemo tehnično in cenovno najučinkovitejše rešitve. Z namenom doseganja tega cilja smo v Gorenju d. d opravili obravnavo problema z analizo obstoječega stanja ter dodatna izobraževanja na področju imunosti. Ugotovili smo, da je za dosego cilja potrebno opraviti, ne glede na to ali je elektronsko krmilno vezje bilo razvito pri zunanjem dobavitelju ali v Gorenju, v fazi načrtovanja že na razvojnih prototipih aparatov ali elektronskih vezjih objektivno analizo imunosti in poiskati najustreznejše rešitve.Za to pa so potrebne tehnične možnosti, ki omogočajo meritve imunosti vsakega izdelka, ki ga šele razvijamo. Glede na to smo se odločili za izgradnjo razvojnega testnega laboratorija za meritve imunosti aparatov in elektronskih vezij.

3.

LETNIK 18. ŠT. 1-2/20091212

STROKOVNI PRISPEVKI

Laboratorij je opremljen z napravami, ki omogočajo simulacije motenj in meritve imunosti aparatov, tako kot to narekujejo IEC standardi. Opremljen je tudi z dodatnimi napravami, s katerimi opravljamo analize imunosti elektronskih krmilnih enot in njihovo optimizacijo v fazi razvoja. V tem laboratoriju smo poleg standardnih testov imunosti aparatov in elektronskih vezij razvili še dodatne simulacije internih motenj v aparatu in teste imunosti elektronskih vezij na te motnje. To smo tudi vnesli kot zahteve v interni tehnični predpis. Ustvarjeni so tudi pogoji za razvojno delo na aparatih in elektronskih vezjih pri doseganju povišanih nivojev imunosti na najučinkovitejši način.

V EMC laboratoriju so razvojnim ekipam Gorenja, d.d. dane možnosti za objektivno ocenjevanje imunosti gospodinjskih aparatov, proizvedenih v Gorenju ali drugje, in možnosti za kontrolirane razvojne aktivnosti za doseganje želenega nivoja imunosti. Na ta način želimo doseči ustrezno robustnost in zanesljivost delovanja naših gospodinjskih aparatov tudi v primerih, ko ti delujejo v okoljih, v katerih so prisotne močnejše elektromagnetne motnje, kot jih dovoljujejo EMC standardi.

Sistem za regulacijo prototipnih hladilnih aparatov Gorenje

Avtor: Peter Mrak

Peter Mrak, univ. dipl. inž. Peter Mrak, univ. dipl. inž. elektrotehnike, je zaposlen elektrotehnike, je zaposlen v Razvojnem laboratoriju v Razvojnem laboratoriju Programa HZA in vzporedno Programa HZA in vzporedno opravlja na Mednarodni opravlja na Mednarodni podiplomski šoli Jožeta Stefana podiplomski šoli Jožeta Stefana doktorski študij.doktorski študij.

Da bi dosegli optimalno Da bi dosegli optimalno delovanje aparatov, smo delovanje aparatov, smo razvili sistem, ki nam omogoča razvili sistem, ki nam omogoča krmiljenje in regulacijo krmiljenje in regulacijo prototipnih aparatovprototipnih aparatov

1 Uvod

Razvojni laboratorij Programa Hladilno-zamrzovalnih aparatov opravlja meritve karakteristik hladilnih aparatov. Te karakteristike so porabe električne energije in temperature, ki jih aparati dosegajo. V laboratoriju se ukvarjamo tudi z merjenjem novih prototipnih aparatov in tako aktivno sodelujemo pri razvoju aparata (od zasnove naprej).

Konstrukcija in vgrajene (električne) komponente v nov aparat same po sebi ne zagotavljajo delovanja aparata, zato je potrebno razviti še algoritem vodenja aparata oziroma regulacijo. Pri tem želimo, da aparat deluje optimalno. Optimalno delovanje pomeni, da hladilni aparat drži hladilni prostor na določeni temperaturi oziroma znotraj določenih mej in ima pri tem minimalno porabo. V laboratoriju smo v ta namen razvili sistem, ki nam omogoča krmiljenje in regulacijo prototipnih aparatov.

Z izdelavo regulacijskega sistema, ki mu lahko nastavljamo parametre regulacije, smo pospešili določevanje algoritma vodenja. Dobili smo tudi možnost preizkušanja različnih načinov regulacije in s tem hitrejše določevanje optimalnega algoritma vodenja hladilnega aparata.

2 Regulacija temperature v hladilnem aparatu

Regulacijo temperature izvajamo s pomočjo termostata. Izvedba termostata je lahko elektromehanska ali elektronska. Naloga obeh je, da regulirata nastavljeno temperaturo v hladilnem prostoru. Sodobni hladilni aparati uporabljajo izključno elektroniko, da lahko zagotavljajo funkcije aparata (regulacija, prikaz, alarm, ura…). Primarna vloga elektronike aparata pa je vsekakor regulator, ki na podlagi izmerjene temperature na tipalu krmili kompresor (slika 1).

Proces hlajenja, ki poteka v hladilnem aparatu (slika 1), lahko ponazorimo z regulacijsko zanko (slika 2).

Hlajenje je izvedeno z vklopi in izklopi kompresorja; kadar kompresor deluje, temperatura v hladilnem prostoru pada. Kadar kompresor miruje,