Utgående från en typisk störningssituation går vi igenom möjliga störnings­källor, störningsoffer och kopplingsvägar. Vi ger tips om åtgärder för att förebygga eller avhjälpa störningsproblem. De olika EMC-fenomenen förklaras och enkla modeller används för att skapa en bred förståelse för EMC-ämnet utan att behöva ingående kun­skaper i elläran. Behärskar man Ohms lag förstår man lätt kursinnehållet. Flera EMC-termer och begrepp definieras.

 

Eftersom en produkts EMC-egenskaper är en del av produktens kvalitet krävs att de flesta som kommer i beröring med utveckling, installation och underhåll har en grundläggande insikt i vad EMC står för och vad som behöver göras för att uppnå tillräckliga EMC-egenskaper. Se det tidigare kursavsnittet EMC-Introduktion.

 

Vi beskriver i detta kursavsnitt olika störningssituationer och ger tips om åtgärder. I nästkommande kurs Avstörning och skydd och alla kurser där­efter, som bl a behandlar zonindelning, skärmning och filtrering, ger vi mer detaljerade råd om hur man ska konstruera för störningsfrihet, dvs EMC.

Inledning: Störningssituation

I varje störningssituation finns alltid minst en störningskälla och ett stör­ningsoffer (som ju manifesterar störningsproblemet) samt någon form av elektromagnetisk koppling mellan dessa. Det finns olika kopplingsmekanis­mer och det kan finnas mer än en kopplingsväg, vilka kan vara oberoen­de av varandra. Notera att olika kopplingsvägar oftast uppträder parallellt. Ibland består en kopplingsväg av flera seriekopplade kopplingsmekanismer. Att gränsen mellan ostört och stört offer överskrids, kan bero på för kraftig störningskälla, att kopplingen mellan störningskällan och offret är för hög eller att offret är för känsligt. En störningskälla kan vara en önskad signal, t ex utsignalen från en radiosändare, eller ett oönskat fenomen, såsom åska.

 

Notera, att i svenskan används ordet ”störning” för både det störande elek­tromagnetiska fenomenet och verkan därav!

 

Ett klassiskt exempel: Figur B 1 beskriver en enkel men typisk störningssituation. En person sät­ter på sin radio för att njuta av musik, men ett gräsligt oljud kommer från högtalarna. Det visar sig att grannen använder en elektrisk borrmaskin. När kommutatorn roterar uppstår oönskade gnistor vid borstarna. Dessa  gnistor representerar stötströmmar och störningsenergi. Störningsenergin utbreder sig via nätkabeln och vidare ut i byggnadens elsystem. Elledning­arna fungerar även som störningssändarantenner. Störningarna utbreder sig således parallellt, dels som fält (där nätkabeln är sändarantennen) och dels som spänningar och strömmar i kablarna. Fältet tränger igenom radions plasthölje och fångas upp av apparatens interna ledningar och kopplas till någon halvledare. Störningsströmmarna passerar apparatens kraftenhet och hamnar delvis i samma halvledare.

Antag att lika mycket störningsenergi kopplas till denna halvledare varje väg. Vår musiklyssnande granne anskaffar ett bra nätfilter och monte­rar det vid radions nätkabelintag. Sjunker störningsnivåerna? Nej, hen erhåller en knappt märkbar störningsreducering, dvs filtret tog endast bort hälften (maximalt) av den befintliga störningseffekten. Den resteran­de fältkopplade störningseffekten kvarstår. Vad gör han nu då? Jo, efter lite funderande hämtar han och virar in radion i aluminiumfolie samt ansluter densamma till filtret. NU dämpas störningen tillräckligt för att oljudet ska upphöra. Om han nu vill lyssna på ett radioprogram uppstår nytt oljud i högtalarna, ty det störande fältet fångas ju upp av antennen. Vad göra? Jo, eftersom inte radions antenn (som plockar upp både stör­ningsfältet och de nyttiga radiosignalerna) kan viras in i aluminiumfolie, knackar han på hos grannen och i samverkan filtrerar och skärmar de borrmaskinen.

 

Figur B 2 visar förenklat de olika kopplingssätten för störningsenergi: ledd eller ledningsbunden koppling samt fältkoppling. Den senare brukar delas upp i närfältskoppling (kapacitiv eller induktiv koppling) och fjär­fältskoppling (radiovågor).

Störningar kan vara apparatalstrade (transienta eller kontinuerliga) eller naturalstrade (oftast transienta), som åska och ESD (electrostatic dischar­ge). Vanligen befinner sig störningskällan i den störda apparaten eller i dess närhet.

De vanligaste störningsorsakerna i en apparat, system eller installation är nätkopplade störningar (orsakade av andra till nätet anslutna apparater eller åska, men även pga brister i elnätet), urladdning av statisk elektricitet (ESD) och radiosändare. Olika typer av störningar tar sig in i apparaten via dess kablar, oftast dess nätkabel.

DM – CM

Specifikt för störningsströmmar och spänningar är att de kan uppträda i både differential mode (DM) och common mode (CM) till skillnad från en ”vanlig” signal eller spänning, vilken enbart är avsedd att uppträda i differential mode. Dessutom kan common-mode-ström flyta utan gal­vanisk förbindelse till någon returväg; det finns ju alltid kapacitans till omgivningen. Differential-mode-spänning är skillnadsspänningen mellan ledarpar (ström i olika riktningar). Common-mode-spänning uppträder med samma polaritet och amplitud på samtliga ledningar i en kabel re­lativt en gemensam referens (jord), se Figur B 3. Common-mode-ström flyter i samma riktning i alla ledare i en kabel. Common-mode-spänning medför ingen spänningsskillnad mellan ledare i ett par, såvida inte det råder osymmetri (obalans).

STÖRNINGSKÄLLOR

Kraftiga störningskällor

Apparater innehållande elektronik inklusive radiomottagare kan bli stör­da av: reläer, kontaktorer och magnetventiler, vilka styrs av mekaniska brytare, switchade kraftaggregat eller frekvensomriktare, drivkretsar till motorer och stegmotorer. Dessa el-komponenter, om de inte är avstör­da på rätt sätt (se kommande avsnitt om avstörning), kan generera stör­ningstransienter på flera kV. Transienterna fortplantar sig i första hand utefter ledningar. På grund av att dessa transienter har relativt korta om­slagstider (storleksordning ns) täcker de frekvenser upp till flera 100-tals  MHz. Spänningsförändringar med korta omslagstider kopplar lätt vidare via strökapacitanser till andra ledningar.

 

Radiosändare (t ex mobiltelefon) kan tack vara relativt höga fältstyrkor på nära håll agera som störningskällor.

Digitala kretsar som störningskällor

All digital elektronik, som använder klocksignaler för regelbunden om­ ställning av logiska tillstånd, genererar övertoner upp i GHz-området och agerar, tillsammans med anslutna ledningar, som oavsiktliga radiosändare.

 

Denna emission kan hindra radiokommunikation att fungera tillfredsstäl­lande genom att radiomottagare störs. Dessa emissionen kan även störa känsliga ingångar i närliggande elektronik (oftast analog). Fenomenet kan utnyttjas för avlyssning och spionage, vilket militären kallar röjande signa­ler (RÖS). Varje digitalt kretskort innehåller mängder av kretsar, som ge­nom sitt arbetssätt alstrar bestämda störningsfrekvenser. Kretsarna driver ström i slingor, vilka genererar fält med samma frekvensinnehåll.

 

Figur B 4 illustrerar en störningssituation där en dator agerar som en oav­siktlig radiosändare och orsakar störningar i TV-mottagningen. Bilden illustrerar att störningarna kan koppla båda som ledningsbunden stör­ning och som fältkopplad störning. Störningarnas frekvensspektra härrör från ordnade signaler och ger upphov till linjespektra, ett för varje signal. Mottagaren blir störd på signalernas grundtonsfrekvenser och deras över­tonsfrekvenser.

Vi har varit med om ett fall där linjebussars kommunikation via radio i 86 MHz-bandet omöjliggjordes på längre avstånd pga störningar genererade av bussens egna digitala informationsskyltar.

 

Man kan utföra ett enkelt experiment: håll en transistorradio i närheten av en digital utrustning och svep i mellanvågsbandet – massor av stör­ningsfrekvenser kommer att fångas upp av radion.

 

Vi tittar närmare på hur dessa störningar uppkommer: Digitala kretsar arbetar med trapetsformade periodiska signaler (se kurs­avsnittet Kort repetition av ellära samt andra grundbultar för att slipa störningar, avsnitt Binär periodisk signal på Electronic Environments hemsida). Om vi betraktar dessa signaler i frekvensdomänen, finner vi att signalen består av ett stort antal sinusformade signaler (Fourieranalys) vars amplituder bestäms av signalamplitud, signalfrekvens, arbetsfaktor (förhållande mellan pulslängd och periodtid) och pulsernas omslagstider. I modernare digitala konstruktioner (med högre klockfrekvenser) kom­mer signalens spektra att förskjutas högre och högre upp i frekvensområ­det, dvs signalens bandbredd ökar.

 

Figur B 5 visar störning orsakad av digitala kretsars spänningsmat­ning. En logikkrets utgång är ofta uppbyggd som en totempålekonfi­guration med två transistorer. Vid omslag leder bägge transistorerna en kort stund samtidigt, vilket ger upphov till en strömpuls genom kretsen. Denna ström levereras av avkopplingskondensatorn. När utsignalen slår om från låg till hög nivå levererar avkopplingskondensatorn även en strömpuls till belastningen (uppladdning av belastningskapacitansen). Summaströmmens pulslängd är lika med stig- och falltiderna. Emedan denna strömpuls har lika pulslängd som omslagstiderna genereras ett spektrum med endast en brytfrekvens (f1 = f2), vilket avtar med 40 dB/ dekad över brytfrekvensen.

Åtgärder: Minska slingytan A genom att lägga returledare intill mat­ningsledare samt montera avkopplingskondensatorn nära kretsen.

 

Figur B 6 visar spänningsmatning för en krets och en enskild signalväg mellan två digitala IC-kretsar på ett enkellagerskort. Fältemission från strömslingorna är en funktion av slingytorna (A, a) och strömmarnas (IDM, IPWR) enskilda toners amplituder och dess frekvenser i kvadrat.

Åtgärder: Man kan effektivast minska fältemissionen genom att minska slingytan genom att lägga returledare intill signalledare. En avkopplings­kondensator per krets rekommenderas också för att minska emissionen.

I båda fallen ovan minskas alla slingytor med ett obrutet kopparlager som återledare (jordplan). Välj dessutom kretsar med längsta möjliga omslags­tider och lägsta möjliga omslagsström.

Fältemission på grund av Common-mode-ström

Radiofrekvent fältemission kan orsakas av att spänningar och strömmar uppträder i sk common-mode (se Figur B 7). Ofiltrerade kablar och led­ningar anslutna till apparatlådor utgör ”antenner”: ledningarna inuti lå­dan plockar upp störningsfält och för ut de inducerade spänningarna och strömmarna ur lådan, detta helt oberoende av lådans skärmningsegenska­per. Denna dubbla antennverkan sker oavsett om ledningarna är anslutna till kretsar, helt oanslutna eller tom när de är anslutna till skärmen (ex.: skyddsledare kan fungera som en antenn för RF-störningar).

Elförsörjning som störningskälla

Bristande nätspänningskvalitet är en av de vanligaste orsakerna till att  apparater och system inte fungerar tillfredsställande. Nätavbrott, om­kopplingstransienter, spänningssänkningar samt spänningsvariationer är exempel på störningar som kan orsakas av elnätet. Alla störningstyper, som tar sig in i apparater, system och installationer via elnätet, genere­ras inte av elförsörjningssystemet, utan av andra apparater och system, vilka är anslutna till nätet. Möjlig elkvalitet beskrivs i standarden SS-EN 50160. Denna standard anger den elkvalitet vi kan förvänta oss i en an­läggnings anslutningspunkt. Apparater och system bör minst vara tåliga mot dessa störningar.

 

Gemensam matning för olika användarkategorier är exempel på vanlig störningsorsak relaterade till elnät:

Om belysning, elvärme och elektromekaniska belastningar använder samma stigare, elcentral eller grupp som elektronik (datorer, styr- och mätutrustning, m.fl.) är risken stor för störningar. Detta beror bl a på att när belastningen ändras ger det upphov till spänningsändringar som funktion av elnätets utimpedans. Den senare varierar från några ohm till några hundra ohm beroende på frekvens.

 

De fenomen som orsakar flest nätspänningsrelaterade störningar är spän­ningsavbrott, spänningssänkningar och överlagrade transienta överspän­ningar. Övertoner på grund av olinjär belastning kan orsaka problem för andra och är därför reglerad i standarder harmoniserade till EMC-direktivet.

Möjlig elkvalitet enligt SS-EN 50160

SS-EN 50160 är den svenska versionen av en europastandard, i vilken den elkvalitet beskrivs en abonnent kan förvänta sig i en leveranspunk. I Sverige har elleverantörer oftast bättre kvalitet än vad som står beskrivet i denna standard. I andra länder kan elkvaliten dock variera. Det är alltid viktigt att kontrollera hur el-kvaliteten är på den aktuella installationsplatsen. Om olika installationer, system eller apparater matas från samma mat­ningskälla eller nät, kan koppling lättare ske mellan dessa och olika delar kan lättare störa varandra.

Åtgärder

Det är en god förebyggande åtgärd att försöka minska matningens gemen­samma impedans genom rätt installationsteknik. Åtminstone uppdelad matning eller separata transformatorer rekommenderas, se Figur B 8. Anslut samarbetande utrustningar till samma gruppcentral, såsom dato­rer och datorkringutrustning, styrsystem och datainsamlingsutrustning. Använd separata stigare och kabelstegar för störande laster och känslig elektronik.

Fyrledarsystem, TN-C

Med fyrledarsystem (TN-C) avses system där fyra ledare (tre fasledare och en PEN-ledare) används mellan transformator, huvudcentral och un­dercentraler. Karakteristisk för en fyrledarinstallation är att PE-ledaren (skyddsjord) kopplas samman med N-ledaren (Neutral) vid transforma­torn eller i huvudcentralen (HC). Från HC dras sedan fyra ledare vidare i anläggningen till de olika undercentralerna (UC), se Figur B 9. Från UC fördelas däremot fem ledare, dvs skilda N- och PE-ledare.

Lastströmmen i PEN-ledarna ger upphov till spänningsfall i desamma och därmed spänningsskillnader mellan olika PE-anslutna apparater. Detta kan medföra störning av signalförbindelser med dubbla ”jordanslutningar”. Dessutom fördelas lastströmmen mellan PEN-ledarna och olika PE-le­daranslutna apparater och olika ”jordförbindelser”, vilket innebär att nätfrekventa (50 Hz samt övertoner) strömmar flyter på ”fel” ställen. Vi kallar dessa strömmar för vagabonderande strömmar, vilka bland annat ger upphov till förhöjt nätfrekvent magnetfält.

 

Figur B 10 visar problem med vagabonderande strömmar i en datornät­verksinstallation i en fastighet med fyrledarsystem (TN-C). Vid olika be­lastningar på undercentralerna kommer en potentialskillnad att uppstå mellan PE-potentialerna mellan den högre och vänstra UCn.

Eftersom datorerna är anslutna till var sin undercentral med jordad nät­kabel, uppträder denna jordpotentialskillnad mellan datorernas metall­höljen. Om vi sammankopplar datorerna via en skärmad nätverkskabel (LAN) kommer nätfrekvent ström att flyta i skärmen. Denna ström flyter i en stor slinga, som sluts via undercentralerna och PEN-ledaren, och ger upphov till magnetfält. Notera även att emedan kabelskärmen har en viss impedans kommer det att vara en nätfrekvent spänning mellan apparater­nas metallhöljen!

Femledarsystem, TN-S

I ett väl fungerande femledarsystem (TN-S) finns inga vagabonderande strömmar samt obetydliga potentialskillnader mellan olika ”jordpunkter” i systemet och därmed betydligt färre störningsproblem (se Figur B 11).

Femledarsystem bör övervakas (summaströmmen skall vara låg) samt PE-och N-ledarna får endast vara sammankopplade i en punkt, till exempel i transformatorns nollpunkt.

Praktikfall: Maskininstallation – Hyvel

En maskininstallation (hyvel) på ett sågverk har blivit utpekad som stö­rande för andra apparater i sin omgivning. Det påstods bland annat att maskinen stör ut andra apparater och system vid nödstopp samt att den stör frekvensomriktare i den egna maskinen. Maskinleverantören i Sverige riggade upp en motsvarande installation. Mätningar kunde belägga att påståendena var rimliga och åtgärder kunde utarbetas. Maskinen innehöll bland annat nio kraftiga elmo­torer med mjukstartare och broms samt flera frekvensomriktare för reglering av motorerna. Vissa återkommande arbetsmoment krävde av säkerhetsskäl att alla motorerna stoppades samtidigt. Det visade sig, att för att åstadkomma detta, öppnade maskinskötaren en säker­hetslarmad (maskindirektivkrav) lucka, med följd att alla motorer nödstoppades samtidigt.

 

Detta genererade orimliga störningar på anslutande elförsörjningsnät. I normalfallet, enligt konstruktörens avsikt, skulle operatören ha använt sig av en för ändamålet avsedd mjukstoppssekvens. Men den valda ma­növern, med lucköppning och efterföljande nödstopp, krävde färre hand­grepp och gick snabbare än den avsedda mjukstoppssekvensen.

Åska som störningskälla

Åska är ett av få naturliga fysiska fenomen som kan påverka el- och elek­tronik. Det är allmänt känt att el- och elektronik-utrustning kan förstöras eller får omfattande funktionsstörningar vid åskväder. Sommaren och hösten är de värsta åskperioderna, men åska kan förekomma under hela året. Skador uppträder oftare på landsbygden än i tätbebyggda områden och vissa typer av apparater förstörs oftare än andra.

 

Vid åskväder uppstår olika potentialer i olika delar av åskmolnet och re­lativt marken. När potentialskillnaden (spänningen) blir för stor relativt luftens isoleringsförmåga ”kortsluts” de olika laddningsmängderna; det vi kallar blixturladdning. Urladdning, eller potentialutjämning, kan ske både inom och mellan moln samt mellan moln och mark. Vid urladdning mot mark ”träffas” oftast höga byggnader, master och torn, träd etc.

• 1 – 25 pulser per blixt
• 1:a pulsen: upp till 100 k (negativ blixt), 200 k (positiv blixt) 1 μs < tr1 < 5 μs, τ50 = 50 μs, τ0 = 100 μs
• Följande pulser: upp till 30 kÂ; 0,1 μs < trn < 5 μs
• Förlängs puls: ca 100 A, upp till 0,1 s
• Laddning: 0,1 – 25 C

En blixt består sällan av en urladdningspuls, se Figur B 12. Det kan vara upp till 25 urladdningspulser i en blixturladdning, där den första urladd­ningen är den kraftigaste.

Det behövs inte en direktträff för att orsaka en skada i en anläggning eller apparat, se Figur B 13. Materiel, som drabbas av större eller mindre del av blixtströmpulser, sprängs eller smälter. Mindre mängd av strömmen eller inducerade spänningar brukar orsaka att elektronikutrustningar skadas eller störs. En blixt kan ses som en strömförande krets, som inducerar spänningar och strömmar i all ledande material i sin omgivning, inklusive marken. Se Figur B 14.

I ett kontorslandskap med flera arbetsstationer utspridda över hela vå­ningsplanet eller i flera våningsplan, har kraftförsörjningen och nätverks­kommunikationen ibland realiserats genom att dra allt kablage i taket för att sedan låta ”grenar” hänga ner vid respektive arbetsstation. Nätverket och elnätet dras vidare upp till nästa våning och det är inte säkert att dessa två kablage går i samma kabelränna. De kan dras med flera me­ters mellanrum, vilket skapar vertikala slingor. Ett blixtnedslag en bit ifrån byggnaden ger upphov till ett kraftigt magnetfält, som inducerar spänningar i de vertikala slingorna. Dessa spänningar kan bli uppemot flera tusentals volt. Det är en uppenbar risk att någonting går sönder. Normala installationer klarar sig oftast, ty signal- och kraftkablage lig­ger i horisontalplanet och den vertikala blixtens magnetfältsvektor skär inte igenom detta plan. Således induceras liten spänning i installationska­blaget. Om man däremot råkar skapa vertikala slingor kommer man att få problem med åskförstörd utrustning utan att byggnaden är ”träffad”.

 

Skulle byggnadens åskledarsystem med vertikala nedledare utsättas för blixtström kommer vertikala slingor att medföra än värre problem. Ge­nom att istället dra datanätverkskablage och elnätskablage i närheten av varandra (inte för nära för vi vill inte ha störande överhörning från elnä­tet) reduceras slingytan och därmed också de inducerade spänningarna. Med metallkabelkanaler minskas fältinkopplingen ytterligare.  I och med att man numera använder WiFi och andra radiobaserade sys­tem har denna typ av åskrelaterade problem minskat.

 

Elnät, telenät och kabel-TV-nät är exempel på utbredda ledarstrukturer, som ofta är offer för åskrelaterade överspänningar. Mest utsatta är de ty­per av apparater som samtidigt är anslutna till två eller flera av dessa nät, såsom basstationer till trådlösa telefoner, faxar, modem, TV-apparater, mm (se Figur B 13). Det som sker är, att det uppstår stor potentialskillnad, dvs spänning, mellan dessa olika nät. Detta emedan blixtströmmen fördelas ut i marken och marken har en viss resistans. Dessa överspänningar mellan den berörda apparatens olika anslutningar (t ex mellan nätanslutning och teleled­ning) orsakar förstörelse av apparatens komponenter. Apparater som enbart är anslutna till ett av dessa nät går inte sönder lika ofta. På landsbygden är det ofta långt mellan transformator- och telestationer. Dessutom är markre­sistiviteten högre, jämfört med förhållande i tätbebyggda områden, med följ att åsköverspänningar blir högre på landet. Dessutom är el- och telekablar ofta installerade på stolpar på landsbygden medan de är nedgrävda i marken i tättbebyggda områden, med lägre inducerade spänningar som följd.

ESD

ESD = ”ElectroStatic Discharge” – urladdning av statisk elektricitet. ESD och elektronik har flera beröringspunkter. Här tar vi upp ESD som en mycket vanligt källa till störningar för elektronikapparater och system under drift. ESD medför alltid risk för förstörelse. Föremål och personer kan pga laddningsseparation, dvs när ytor sepa­reras från eller gnids mot varandra, laddas till flera tiotals kV potenti­alskillnad relativt varandra och sin omgivning. När potentialskillnaden mellan olika föremål blir för stor relativt luftens isoleringsförmåga, sker urladdning med omslagstid mindre än en nanosekund och med pulstopp­strömmar i storleksordning flera tiotals ampere.

 

ESD kan orsaka förstörelse på grund av att dessa spänningar och ström­mar samt tillhörande fält kopplas till känsliga oskyddade kretsar. Exem­pelvis när urladdning sker mot öppet kontaktdon, manöverdon eller mot tangentbord. Vissa kretstyper förstörs vid så låga ESD-spänningar som några tiotals volt.

ESD som störningsorsak

ESD och åska är naturfenomen och är därmed en uråldrig störningsform, som, till skillnad från de flesta andra, ej orsakas av andra apparater. En av de första tålighetsstandarderna behandlade just ESD. Vintern är en särskild ESD-vänlig period, speciellt i inlandet där klimatet är torrare. Speciellt utsatta är områden med torr utomhusluft (högtrycksväder).

 

ESD-urladdning, ibland kallad inomhus-åska, kan orsaka förstörelse i elektronikkomponenter, eller, i värsta fall, latenta fel och betydande para­meterförsämring hos komponenter. Vi måste konstruera våra apparater så att de tål både direkt ESD-urladd­ning mot åtkomliga delar och indirekta påverkan genom urladdning mot andra föremål, se Figur B 15.

Radiosändare som störningskälla

Radiosändare kan uppträda som störningskällor. Det finns flera exempel på att kraftiga radiosändare oavsiktligen stör el- och elektronikkretsar. De första elektroniska insprutningsmotorerna i bilar var känsliga för radiofrekvent fältpåverkan. När en av dessa biltyper kom i närheten av Motala mellanvågssändare (numera tagen ur drift), slutade motorn att fungera pga att insprutningselektroniken blev utstörd av de radiofrekven­ta fälten. En rolig episod sägs ha inträffat under den forna Sovjetledarens Chrustjovs besök. Från hans flyg anropades basen inför landning via ra­dio. Varmed alla larmsirener satte igång att tjuta pga att anropet utlöste övervakningssystemet.

 

En förtöjd bilfärja i Göteborgs hamn uppträdde ”konstigt” ostabilt under lastning av fordon i lugnt väder. Förtöjningen omväxlande lossade eller spändes under påverkan av en walkie-talkie, som användes ombord för att dirigera lastningstrafiken.

 

Bortsett från att inte använda radiosändare i onödan eller att sända med lägsta möjliga effekt, så är det svårt att ”avstöra” en licensierad radiosän­dare; det är ju dess uppgift att sända. Mobiltelefoner beskylls ofta för att orsaka störningsproblem och de är ofta förbjudna att vara påslagna i vissa utrymmen på grund av störningsrisken (exempelvis ombord på flygplan och inom sjukhus). Ofta kan man inte begränsa eller helt stänga av det påverkande radiofrekventa fältet (störningskällan) utan man måste jobba med störningsoffrets tålighet, alternativt kopplingsvägen, t ex genom att öka avståndet mellan källa och offer.

Tabell B 1 visar en sammanställning av exempel på förväntade fältstyrkor från olika källor. Vi kan se att mobiltelefoner och radarsändare kan ge kraftiga störningsfält. Tabellen visar också att närheten till källan har större betydelse än sändarens uteffekt (fältstyrkan avtar linjärt med ök­ande avståndet).  Relevanta tålighetsstandarder har för avsikt att skydda apparater och sys­tem från oavsiktligt fältpåverkan från bl a radiosändare.

Källor som stör radiomottagare och känsliga ingångar

Radiomottagare och känsliga analoga ingångar kan störas av mikropro­cessorer och andra digitala kretsars aktivitet. All digital aktivitet, som t ex när grindar slår om, genererar korta strömpulser i sina ut- respektive ingångsslingor och är därmed oavsiktliga radiosändare med stort frek­vensinnehåll.

Switchade enheter som störningskällor

Apparatalstrad störning orsakad av frekvensomformare är vanligt före­kommande både i bostadshus och i industrin. Enligt information från Post och Telestyrelsen (PTS) sker ofta att fjärrstyrda klockors (ur) mot­tagning av synkroniseringssignal omöjliggörs av radiostörningar från frekvensomformarstyrda ventilationsutrustningar i bostadshus. Vid problemlösning i industriinstallationer har vi ofta funnit radiostörning­ar från frekvensomformare som felkälla. I enstaka fall, med flera frek­vensomformare installerad i samma skåp, har även frekvensomformare stört ut varandra. Alltså figurerade de både som störningskälla och stör­ningsoffer.

 

Exempel på störande switchade enheter: effektstyrning till elmotorer, frek­vensomvandlare, mjukstartare, tyristorstyrning, stegmotorstyrning. switch­ad strömförsörjning, solcellanläggningars omvandlare och optimerare.

 

Figur B 16 visar ett principschema över en motorstyrenhet, dess störnings­spektrum samt common-mode-strömmens pulsform och storleksordning.

Frekvensomvandlaren består i princip av en diodbrygga, som likriktar den matande nätspänningen: 230 Vac till ca 500 Vdc, och som matar en transistorbrygga. Transistorernas omslag (flankerna) ger upphov till strömpulser i strökapacitanser till samförlagda kablar, motorhöljen och annan ledande struktur. Den pulsade common-mode störningsströmmen har ett brett övertonsspektrum och ger upphov till bl a radiostörning. Även mät- och styrsystem störs lätt.

Åtgärder:

• Längre omslagstider i transistorerna.

Kommentar: inte lätt eftersom teknologin strävar efter kortare omslagsti­der, bl a för att minska värmeutvecklingen i transistorerna. Användaren av en köpt motorstyrenhet kan inte påverka.

• Filtrering på omvandlarens utgång.

Kommentar: filter är inte billiga, beroende på höga arbetsströmmar till mo­torn. Montering av filtret kräver också omtanke för att fungera som avsett.

• Skärmad kabel, rätt ansluten, mellan omvandlarens skärmade hölje och motorhöljet.

Kommentar: den vanligaste lösningen.

• Omvandlaren inbyggd i motorhöljet.

Kommentar: förmodligen den effektivaste lösningen.

 

Alla dessa fall kräver även filtrering av nätspänningen till omvandlaren. Likaså behöver styr- och mätkablar anslutna till omvandlaren åtgärdas med skärmning eller filtrering.

Switchade spänningsomvandlare som störningskälla

Switchade spänningsomvandlare är kraftiga störningskällor och kan or­saka felfunktioner i elektronik samt försämra eller förhindra radiomot­tagning. En spänningsomvandlare kan agera som en oavsiktlig (och icke licensierad) radiosändare, dvs en störningskälla. Störningen uppträder vanligast som ledningsbunden radiofrekvent emission med frekvenser upp till flera hundra MHz samt som radiofrekvent fältemission vid frekvenser från ca 10 MHz och uppåt. Se upp med köpta switchade spänningsaggre­gat avsedda för inbyggnad. De säljs ofta som öppna kretskort. De påstås vara CE märkta. Kontrollera noggrant vad CE märkningen avser, vilka  standardkrav de lovas uppfylla och villkoret för uppfyllande av en viss emissionsnivå. Öppna, okapslade spänningsaggregat är oftast inte dekla­rerade för något krav alls avseende radiofrekvent fältemission; tillverka­ren anser att det är upp till användaren att skärma spänningsaggregatet tillsammans med övrig elektronik.

 

I Figur B 17 visas en schematisk spänningsomvandlare i uppkoppling för mätning av ledningsbunden emission med en nätekvivalent (simulerar nä­tets utimpedans). Den matande nätspänningen likriktas av en diodbrygga, som i sin tur matar en transistor, vilken därefter ”hackar” den likriktade nätspänningen med en mycket högre frekvens än nätspänningens 50 Hz, för att den skall kunna transformeras till en annan nivå via en transfor­mator med mindre volym än vad som krävts för 50 Hz.

Transistorn omväxlande sluter och bryter strömmen genom transistorn och transformatorn. Spänningen Uc i en punkt mellan transformatorn och transistorn har en trapetsformad kurvform. Switchtransistorn är ofta monterad på en kylfläns. Mellan transistorn och kylflänsen finns en strökapacitans vars storlek bestäms av transistorkåpans storlek, isoler­brickans tjocklek och dielektricitetskonstant. Spänningsomslagen driver en pulsström genom denna kapacitans. Strömmen är en common mode ström, som går ut på elnätet och flyter i en utbredd slinga innan den hittar tillbaka till källan: effekttransistorn.

 

Figur B 18 identifierar de enskilda störningskällorna i ett switchande aggregat:

• Diodbryggan
• Primärkretsen
• Sekundärkretsen
• Common mode strömläckage från Switchtransistorn

Diodbryggan: en till synes enkel likriktare med enbart resistiv last kan ge upphov till ledningsbundna störningar, som i sin tur kan alstra störnings­fält. Störningen beror på halvledardiodernas relativt långa återhämtnings­tid (”recovery time”). Det finns ett stort antal laddningsbärare i transist­orns sk PN-övergång när spänningen ändrar polaritet. Dessa evakueras snabbt en kort tid efter spänningens nollgenomgång. Detta medför en sk kommuteringsströmpuls, trots att dioden är spärrad. Denna puls har ett brett spektrum med 100 Hz repetitionsfrekvens (vid 50 Hz matning).

 

Åtgärder: Använd så kallade ”soft recovery-dioder”, vilka ger lägre emis­sion. Störningsströmmen genererar fält i proportion till den slingyta strömmen tillåts omsluta. Slingytan kan reduceras med en kondensator i storleksordningen nF tvärs över bryggan eller över varje diod.

 

Primärkretsen är en störningsalstrande strömslinga vars pulsade ström flyter från glättningskondensatorn, via transformatorn till switchtran­sistorn och tillbaka. Strömmens spektrum når upp i MHz-området och genererar fält i omvandlarens omgivning.

 

Åtgärder: Arean på nämnda strömslinga skall begränsas så långt som möjligt. Detta genom att hålla layouten tät och ansluta en avkopplings­kondensator så nära transformatorn och transistorn som möjligt.

 

Sekundärkretsen: Kommuteringspulser genereras även av sekundärsidans likriktardiod. Åtgärder: dioden skall vara av sk ”soft- recovery” typ och stömpulsslingans yta ska vara liten.

 

Common mode ström genereras i omvandlingsprocessen så som beskrevs tidigare. Denna ström skall i möjligaste mån begränsas, annars ger den upphov till radiostörningar. Se också upp med den induktiva kopplingen till andra närliggande kretsar.

 

Åtgärder: kapacitansens och därmed strömmens storlek bestäms av transistorkåpans dimensioner, isolerbrickans tjocklek och dielektrikum. Ibland används en skärmad isolerbricka för att komma till rätta med problemet.

 

Elmotorer

Särskilt störande är mekaniskt kommuterande elmotorer, såsom lik­strömsmotorer. Dessa genererar radiostörningar likt den relästörning vi beskriver på en annan plats, på grund av att den genom sitt arbetssätt repetitivt sluter och bryter ström via induktiv last.

 

Åtgärder: Välj elmotorer där tillverkaren har ansträngt sig att reducera störningen genom t ex utformning och val av borstar eller genom i motorn inbyggd skärmning och filtrering. Se vidare kommande kurs om avstörning.

AVSLUTNING

Detta var del 1 av den andra kursen i vår EMC-kursserie. Denna kursdel kan sägas utgöra en ”paraplykurs” för alla resterande delkurserna i denna serie. Vi beskrivert de mest fundamentala modellerna i EMC-tekniken. Övriga kurser ger inblick i olika EMC-teknikområden såsom zonindel­ning, skärmning, filtrering och jordning.

 

Fortsätt nu med självtest genom att välja svarsalternativ i Frågor och Svar. De rätta (eller mesta rätta) svaren publiceras i nästa utgåva av Electronic Environment.

Frågor och svarsalternativ, del B-1:

 

Miklos Steiner, redaktion@electronic.se

Ulf Nilsson, emculf@gmail.com

 

Har du frågor eller synpunkter är du hjärtligt välkomna med dessa till info@electronic.se. Vi utlovar inga personliga svar (även om det kan bli så), men vid behov publicerar vi tillrättalägganden. Vi uppskattar ditt engagemang!