När en störningssituation uppkommer finns det alltid en eller flera störningskällor, ett eller flera störningsoffer och en eller flera kopplingsvägar via olika kopplingsmekanismer. Finns fler än en kopplingsväg är dessa oftast parallella och det krävs att alla kopplingsvägar åtgärdas, förutsatt att alla kopplingsvägar var och en för sig eller tillsammans medför att störningsoffrets störningströskel överskrids. En effektiv avstörningsaktivitet (preventiv eller åtgärdande) prioriterar således den eller de kopplingsvägar, som medför kraftigast störningspåverkan. Alternativt försöker man reducera störningskällans emissionsnivå. Det senare kan vara den mest optimala lösningen, särskilt när en och samma störningskälla påverkar flera offer. Självklart kan även offrets störningskänslighetströskel förändras till det bättre.

 

Kopplingssätten delas vanligen upp i ledd (ledningsbunden) koppling och fältkoppling. Vid ledd koppling pratar vi om strömmar och spänningar, vilka är bundna till elektriska ledare (ledande strukturer, ledningar eller kablar). Man kan säga att de elektriska vågorna, eller fälten, följer ledningar och kablar samt elektriskt ledande strukturer. Fältkoppling brukar delas upp i närfälts- och fjärfältskoppling, se Figur B20.

Närfältskopplingen sker med dominant elektriska fält, dvs kapacitiv koppling, eller med dominant magnetiska fält, dvs induktiv koppling. Varierande spänningar i en krets ger upphov till ström i intilliggande krets via den kapacitiva kopplingen och varierande ström i en krets ger upphov till spänning i intilliggande krets via induktiv koppling. Dessa två kopplingssätt förekommer givetvis samtidigt, men ett av sätten kan vara dominant. När vi har närfältskoppling mellan ledningar eller kablar benämns detta ”överhörning”. Ordet överhörning stammar från telefontekniken: grannens telefonsamtal kunde höras pga denna oönskad överhörning.

 

I fjärrfältsfallet har vi koppling med elektromagnetisk våg, dvs vi har en energiöverföring med både elektrisk (E) och magnetisk (H) fältvektor. Dessa vektorer samverkar så att de alltid på sk fjärrfältsavstånd har samma förhållande sinsemellan. Detta förhållande benämns fältimpedans och är i fjärrfältsfallet alltid 377 ohm (ungefär 120 π ohm).

 

Den mest dominanta orsaken till radiofrekvent fältpåverkan är, att infallande fält genererar gemensam-mode-strömmar och -spänningar i kablar. Kablar och ledningar anslutna till apparater utgör mottagarantenner och leder den av störningsfältet genererade gemensam-modströmmen in i apparaten, se Figur B19. Strömmen sluts sedan via strökapacitanser mellan lådan och omgivningen. En eventuell direktanslutning (jordning) till omgivningen ökar strömmen och därmed inkopplingen, åtminstone på lägre frekvenser. Störningen sprider sig lätt från ledning till ledning eller till kretskort.

Således: varierande strömmar och spänningar i en krets, ledning eller kabel ger upphov till både när- och fjärrfält och dessa fält ger upphov till spänningar och strömmar i andra kretsar, ledningar och kablar. Radiofrekventa fjärrfält kan kopplas in genom att inducera strömmar på till apparaten anslutande ledningar och kablar, vilka leder in störningen till känsliga kretsar. Fält kan även koppla in direkt till känsliga kretsar inuti apparaten, utan medverkan från kablar, om apparatskärm saknas eller är otillräcklig.

 

Notera att kopplingssätten, för en viss störningssituation, kan vara blandade och sker via ledning, fält eller båda. Förutom parallella kopplingsvägar kan det i varje sådan enskild kopplingsväg finnas seriekoppling (se Figur B20).

Störningskoppling till krets

Det finns tre principiella kopplingsmekanismer för en störande signal att ta sig in i en krets. Dessa är: gemensam impedans, närfältskoppling (överhörning) och fjärrfält-till kabelkoppling. Störningen kan koppla i normal mod (differentiell mode, DM) eller i gemensam mod (common mode, CM). I alla tre fallen är oftast gemensam-mod-kopplingen dominerande. En gemensam mod-signal kan inte störa utan omvandling till normal-mod.

 

Radiofrekventa störningar, både emitterade och mottagna, är ofta dominanta i gemensam mod. Nyttosignalerna är däremot avsedda att verka i normal mod. Förenklat kan man påstå, att alla nyttiga signaler avses att verka i normal mod. Ju längre bort från källan störningseffekten sprids ju mer kommer gemensam mod att dominera. På motsvarande sätt är den dominerande kopplingsvägen in i en krets ofta gemensam mod. För att störningen skall kunna påverka måste den ofta först omvandlas från normal mod till gemensam mod vid källan och därefter från gemensam mod till normal mod vid offret.

 

Här följer korta beskrivningar av de olika kopplingsmekanismerna, men mer ingående beskrivningar finns i avsnittet Fördjupning nedan.

Gemensam impedanskoppling

Om två kretsar är ihopkopplade så, att en impedans är gemensam, blandas de två kretsarnas signaler. Detta är den vanligaste orsaken till störningsproblem. Se vidare fördjupningsavsnittet nedan.

Kapacitiv koppling

När två kretsar befinner sig nära varandra kan de påverka varandra via de strökapacitanser, som är oundvikliga mellan kretsarna. Det är spänningsförändringen mellan ledningar som driver en kapacitiv ström till offerkretsen. Se vidare fördjupningsavsnittet nedan.

Induktiv koppling

Närliggande kretsar påverkar varandra även induktivt: den ena kretsens magnetfält inducerar en spänning i den andra. Signalströmmen (önskad eller oönskad) genererar ett magnetfält, vilket inducerar en spänning i den störda kretsen. Se vidare fördjupningsavsnittet nedan.

Överhörning

Oftast behöver man ta hänsyn till att både kapacitiv och induktiv närfältskoppling existerar samtidigt med gemensam-impedanskoppling, dvs bidragen från alla tre kopplingssätten måste summeras. Denna oönskade koppling kallas ofta för överhörning. Se vidare fördjupningsavsnittet nedan.

Fjärrfältskoppling

När en krets, ledning eller kabel befinner sig i ett elektromagnetiskt fjärrfält (planvåg) induceras, i likhet med närfältskoppling, samtidigt både DM- och CM-spänningar. Dessa spänningar är bl a funktioner av infallande fältets riktning, DM- och CM-slingornas storlek och fältstyrkan. Emedan CM-slingor oftast är betydligt större än DM-slingor så blir CM-spänningar större än DM-spänningar. Se vidare fördjupningsavsnittet nedan.

Störningsoffer

Potentiella störningsoffer är ofta analoga kretsar, såsom olika slags förstärkare och radiomottagare. Dessa arbetar med låga signalnivåer och därför är dess ingångar känsliga för störande signaler, som ibland har högre nivåer än nyttosignalen. Störning ger sig tillkänna när störningsnivån är i samma storleksordning som förstärkarens känslighet, vilken bestäms av brusnivån. Överskrider störningsnivån förstärkarens linjära område bildas övertoner till störningssignalen och risk finns även för likriktning av störningssignalen. Det senare kan bl a orsaka arbetspunktsförskjutning. Om störningssignalens frekvens är högre än förstärkarens bandbredd, t ex om en radiosändarsignal påverkar en audioförstärkare, ger denna likriktning upphov till att störningssignalens modulation styr förstärkaren. Det senare manifesteras av att man ur t ex en audioförstärkare kan höra radioprogram (amplitudmodulerad signal, AM) utan ansluten radiomottagare.

 

Störningsoffer med digital elektronik har i allmänhet större störningstolerans än analogteknik, såsom mikroprocessorutrustning, styrsystem, datorer, men är mer känsliga för bland annat transienta störningar, såsom relästörningar och ESD, som kan orsaka t ex omstart av en processor, minnesändringar eller urspårning av programförlopp.

 

Vid tillräckligt höga störningsnivåer händer det att elektronikkretsar går sönder. Trasig elektronik orsakas oftast av kraftiga elektromagnetiska fenomen, till exempel åska och ESD, men även måttliga överspänningar hos drivspänningar kan knäcka kretsar. Interna drivspänningar kan ju bli för höga pga yttre kraftig påverkan, vilket orsakar sekundärfel. Även tillfällig sänkning av t ex nätspänning kan resultera i förstörd kraftelektronik.

FÖRDJUPNING

Gemensam impedanskoppling

Två signalkretsar med en gemensam återledare, t ex i en kabel eller på ett kretskort utan jordplan, påverkar varandra via den gemensamma impedansen (Zg = r + j 2 π f L) i återledaren, se Figur B21 (inimpedansen är >> Zg). Den ena kretsens signalström medför ett spänningsfall över Zg,vilket hamnar i serie med den andra kretsens nyttosignal. Vid låga frekvenser dominerar inverkan pga resistansen i ledningen, men med ökande frekvens kommer ledningens induktans att dominera. Detta är en av de vanligaste orsakerna till störningsproblem. Den gemensamma impedansen kan vara vilken ledande struktur som helst och det behöver inte vara signalering som drabbas.

I Figur B 22 visas ett exempel på gemensam impedanskoppling där två signaler stör varandra och rippelström från strömförsörjning stör båda signalerna via den gemensamma impedansen Zg. I detta exempel består den gemensamma impedansen av en enkel ledning. I ett mönsterkort är ju signal- och strömförsörjningsretur oftast samma ledare (0V eller GND) och då beror graden av överhörning på hur mycket signal- och strömförsörjnings-returströmvägarna blandas. Detta är i sin tur beroende på mönsterkortsutformningen. Är kortet ett enkelt mönsterkort med ledarmönster för dessa ledare är denna typ av överhörning vanlig.

 

Finns det däremot jordplan i mönsterkortet kommer returströmmarna att flyta under varje enskild aktiv ledare för höga frekvenser. Således blandas inte returströmmarna och därmed ingen gemensam-impedans-koppling. Detta beroende på att strömmen drivs av det spänningsfält som signalen alstrar mellan ledare och jordplan. Man kan även säga att strömmen tar den enklaste vägen, dvs den väg där impedansen är lägst. Detta är där den magnetiska kopplingen mellan signalledare och jordplan är som störst, dvs direkt under signalledare, se figur B23.

Ett annat exempel på gemensam-impedanskoppling är, när flera kretsar delar på en strömförsörjningskälla: belastningsströmförändringar orsakad av en krets resulterar i drivspänningsförändringar, vilka påverkar andra kretsar. Se Figur B24.

I det tidigare åskavsnittet beskrevs hur blixtström i marken orsakar spänningsskillnader mellan olika markanslutna system (t ex el- och telesystem); detta är ett exempel på gemensam-impedanskoppling. Ytterligare exempel är när olika apparater i anläggningar är ihopkopplade med skydds- och potentialutjämningsledare. I en anläggning ska den sk beröringsspänningen mellan två apparater helst inte kunna bli högre än 50 V. Således bör signalöverföringskretsar (mellan apparater) dimensioneras för att tåla minst 50 V nätfrekvent spänning!

I Figur B 25 koncentrerar vi oss på den störda kretsen och anger störningssituationen med störningsströmmen Ig. Vi ser att spänningen över Zin är summan av signalspänning och spänningsfallet över parallellimpedansen Zg // Zr. För att minska störningspåverkan kan vi reducera Zg. Denna möjlighet kan tillämpas för låga störningsfrekvenser och för korta avstånd. Även Ig kan man försöka reducera, vilket oftast inte är så lätt. En tredje, och effektivare, åtgärd är att bryta upp förbindelsen mellan signalkretsen och Zg (signalreturer ska helst inte kopplas samman med Zg och aldrig i mer än en punkt), införa balanserad signalöverföring eller använda isolerande signalkretsar (relä, isolerförstärkare, transformator, isolerat montage, optokopplare mm).

 

När isolationslösningar används får inte den strökapacitans, C, som ”bryggar över” isolationsbarriären glömmas bort, se Figur B 26; ju lägre C desto bättre.

Varje signal bör överföras med ett ledarpar (undantag för mönsterkort). Ett alternativ är fiberoptisk signalöverföring, vilket ofta är den bästa lösningen i störda miljöer.

Kapacitiv koppling

När två kretsar befinner sig nära varandra kan de påverka varandra via de strökapacitanser, som är oundvikliga mellan kretsarna, se Figur B 27. Spänningen U mellan den störande kretsens ledningar driver en kapacitiv ström Ic till offerkretsen:

 

Ic = C dU / dt eller

Ic = j ω C U

 

Där C är den effektiva kapacitansen mellan ledningarna, dU / dt är spänningsderivatan och ω = 2 π f.

Om påverkan är för stor i den störda kretsen kan man reducera strökapacitansen genom att separera kretsarna, reducera parallellimpedansen i den störda kretsen eller minska störningsspänningens derivata, dess amplitud eller dess frekvens. Notera att U inte nödvändigtvis behöver vara en nyttig signal; oftast är det inte det. Ett sätt att reducera C är att skärma det enaeller bägge ledningsparen (mer om kabelskärmning i senare avsnitt). Om den störda kretsen är symmetrisk och balanserad hjälper även tvinning av signalledarparen.

Induktiv koppling

Närliggande kretsar påverkar varandra även induktivt: den ena kretsens magnetfält inducerar en spänning i den andra, se Figur B28. Signalströmmen Is genererar ett magnetfält, vilket inducerar en spänning Ul i den störda kretsen. Denna spänning fördelas mellan impedanserna, Z1 och Z2, i kretsen:

 

Ul = Lm dIs / dt eller

Ul = j ω LmIs

 

där Lm är den ömsesidiga induktansen mellan kretsarna, dIs / dt de störande strömmens derivata och ω = 2 π f.

Om påverkan är för stor i den störda kretsen kan man reducera den ömsesidiga induktansen genom att separera kretsarna, reducera den mest störda av Z1 eller Z2 samt minska derivatan hos störningsströmmen Is, dess amplitud eller dess frekvens. Notera att Is inte nödvändigtvis behöver vara en nyttig signal; oftast är det inte det. Ett sätt att reducera Lm är att skärma det ena eller bägge ledningsparen (mer om kabelskärmning i senare avsnitt). Även tvinning av signalledarparen kan hjälpa.

Kombinerad närfältskoppling

Oftast behöver man ta hänsyn till att både kapacitiv och induktiv överhörning existerar samtidigt. En ”summamodell” visas i Figur B29 (notera att gemensam-impedans-koppling är inte medtagen, denna ska läggas till). Den kapacitivt kopplade strömmen fördelas mellan de två kretsimpedanserna och den induktivt kopplade spänningen spänningsdelas mellan impedanserna. Vi får således:

 

Une = Ul [Zl / (Zl + Z2)] + Ic [(Zl Z2 ) / ( Zl + Z2)]

Ufe = Ul [Z2 / (Zl + Z2)] + Ic [(Zl Z2 ) / ( Zl + Z2 )]

Une är närändesspänningen (spänningen över den impedans som är placerad närmast störningsgeneratorn Us) och Ufe fjärrändesspänningen. Notera att denna modell gäller då ledarlängderna är elektriskt korta. Då är störningsspänningen orsakad av den kapacitiva kopplingen lika stor och har samma ”riktning” i båda ändarna, dvs över Zl och Z2. Ul spänningsdelas däremot mellan Zl och Z2 samt får olika tecken i de båda ändarna. Överhörningen kan alltså vara olika stor i de båda ändarna. Närfältskoppling sker både mellan ledarpar (differentiell koppling, DM) och mellan kablar (gemensam-mod-koppling, CM).

När en krets, ledning eller kabel befinner sig i ett elektromagnetiskt fjärrfält induceras, i likhet med närfältskoppling, samtidigt både DM och CM-spänningar, se Figur B30. Ett bekymmer med fjärrfältskoppling är, att man i en installation inte vet från vilken riktning fältet kommer. Vid dimensionering brukar man därför använda ett slags värsta-fallet-modell. En sak som skiljer närfälts- och fjärrfältkoppling åt är, att i fjärrfältsfallet har den elektriska fältvektorn E och den magnetiska H alltid har sammaförhållande sig emellan (vinkelräta), nämligen fältimpedansen 377 ohm. Båda vektorerna deltar i kopplingen, men beror av infallsvinkel, ledarseparation, lednings- eller kabellängd, förläggning och frekvens samt impedansförhållanden. Utan att gå in i detaljer (referens Clayton Paul) gäller följande, se Figur B31:

 

Us = 0,02 A fMHz E [V] för f < fres

Us är den inducerade spänningen, A är ledningens eller kabelns slingyta (m2), fMHz är fältets frekvens (MHz) och E fältstyrkan (V/m). Modellen bygger på att det är magnetfältskopplingen som är dominant. I Figur B31 anges kopplingsfaktorn Us / E i dBmeter, dvs antalet volt per volt/meter inkopplad spänning. För frekvenser lägre än ledningens eller kabelns resonansfrekvens fres ökar inkopplingen med tio gånger per tio gångers ökning av frekvensen. Vid resonans och för frekvenser däröver betraktas värsta-fallet-inkopplingen vara densamma oberoende av frekvensen. Detta är detsamma som att ”lednings- eller kabel-antennen” inte blir effektivare än vad den är vid resonans. Resonansfrekvensen bestäms av ”antennens” form.

 

Om vi betraktar formeln ovan ser vi vad som kan göras för att reducera påverkan från ett fjärrfält:

• minska slingytan A genom att tvinna ihop ledarpar och förlägga kablar nära jordstruktur,
• reducera fältstyrkan E med skärmning (se särskilt avsnitt) och
• filtrera spänningen Us (se särskilt avsnitt).

Frekvensen kan vi sällan göra något åt, ty vi rår inte över sändaren.

Avslutning

Detta var den andra kursen (del 1 och 2) i vår EMC-kursserie. Denna kursdel kan sägas utgöra en ”paraplykurs” för alla resterande delkurserna i denna serie. Vi har beskrivit 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 hittar ni i slutet av Electronic Environment.

 

 

 

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!