Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Podstawy kompatybilności elektromagnetycznej dr inż. Piotr Pietrzak pietrzak@dmcs.pl pok. 54, tel. 631 26 20 www.dmcs.p.lodz.pl opracowano na podstawie: Alain Charoy Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych
Uziemienie Podstawową funkcją uziemienia jest odprowadzenie do ziemi prądu, który płynie do (lub odpływa z) całego obwodu zewnętrznego względem badanego układu. Z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy urządzeń elektronicznych, ważniejszym czynnikiem od zapewnienia uziemienia o niskiej impedancji jest wyrównanie potencjałów wszystkich mas dostępnych jednocześnie. We wszystkich typach sieci, poza sieciami TT, występujące w urządzeniach prądy upływu i prądy zwarcia płyną przez przewody uziemiające (przewód ochronny PE), jednak nie płyną w uziomie. W każdym z typów sieci stosowanych w przemyśle (TN-S, TN-C oraz IT), obwód prądu upływu płynącego przez przewód ochronny zamyka się przez połączenie punktu neutralnego z ziemią!!!
Uziemienie W praktyce nie da się uniknąć występowania prądów upływu nawet o bardzo dużej wartości ze względu na przepływ prądu przez kondensatory przeciwzakłóceniowe, instalowane pomiędzy przewodami fazowymi a masą. Dopuszczalne jest wystąpienie prądu upływu o natężeniu do 5 % natężenia prądu fazowego znamionowego. W typowej sieci elektroenergetycznej na 1MVA zainstalowanej mocy może wystąpić prąd upływu o natężeniu 1A. W sieciach zasilających dużą liczbę urządzeń informatycznych natężenie prądu upływu może osiągnąć ponad 10A. Zasilacze zawierające układy impulsowe falowniki lub prostowniki generują w przewodzie ochronnym prądy wielkich częstotliwości. Oznacza to brak możliwości zabezpieczenia sieci zasilających tego typu urządzenia wyłącznikami różnicowo-prądowymi czułymi na prąd o zwiększonej częstotliwości. Ponieważ prądy upływu i zwarcia są prądami wewnętrznymi (nie płyną do ziemi), wartość rezystancji uziemienia jest w tym przypadku nieistotna.
Uziemienie Podstawową rolą uziemienia w przypadku zakłóceń asymetrycznych, jest odprowadzenie asymetrycznych prądów wpływających z zewnątrz do obiektu. Prądy asymetryczne stanowią najczęstsze i najtrudniejsze do wyeliminowania źródło zakłóceń. W celu ich minimalizacji stosuje się separację galwaniczną, która w pewnych przypadkach może jednak okazać się niewystarczająca (wielkie częstotliwości, przepięcia o bardzo dużych amplitudach). Z tego powodu konieczne jest stosowanie ograniczników przepięć i/lub filtrów dla przewodów zewnętrznych. Zaleca się stosowanie pierwotnych ograniczników przepięć między każdym przewodem a uziemieniem nie między przewodem a masą. Rozwiązanie takie pozwala ograniczyć przepływ prądu przez połączenia sieci mas.
Uziemienie Jeśli to możliwe, dla każdego sygnału wejściowego/wyjściowego należy stosować ograniczniki przepięć względem masy urządzenia chronionego. Skuteczne działanie zabezpieczenia równoległego (między przewodem a ziemią lub masą) wymaga zapewnienia jak najmniejszej impedancji pomiędzy przewodem ochronnym a masą długość przewodu łączącego ogranicznik przepięć z chronionym urządzeniem powinna być jak najmniejsza. Impedancja uziomu nie ma znaczącego wpływu na skuteczność zabezpieczenia przed przepięciami zewnętrznymi.
Uziemienie Niepołączone, oddzielne uziemienia (np. dwóch niezależnych budynków) na danym obszarze często można traktować jako sprzężone. Sprzężenie uziomów nie zapewnia wyrównania potencjałów pomiędzy nimi mogą wystąpić duże różnice napięć. Wszystkie uziomy na danym terenie należy łączyć w sieć wyrównującą potencjały.
Uziemienie vs. masa elektryczna Uziemienie jest fizycznym połączeniem elementów, które mogą przewodzić prąd elektryczny z ziemią. Stanowi ono wspólny potencjał elektryczny dla zasilania sieciowego. Podstawową rolą uziemienia jest odprowadzenie prądów zakłóceń wpływających przewodami zewnętrznymi względem układu elektronicznego. Przewodnik, który ma kontakt elektryczny z ziemią (gruntem) odprowadza płynące w nim prądy asymetryczne. Uziemienie nie wpływa w istotny sposób na pracę wewnętrznych obwodów urządzeń elektronicznych. Uziemienie znajduje się zbyt daleko od obwodów, aby miało wpływ na ich połączenia wyrównawcze przy wielkich częstotliwościach. Prąd wielkiej częstotliwości mogą odprowadzić jedynie przewody masy o długości mniejszej niż jedna trzydziesta długości fali. Każdy przewód (kabel), także o znacznym przekroju, przy częstotliwości, przy której długość fali przekracza wartość /30, ma impedancję większą niż 50, co oznacza, że nie może zapewnić ekwipotencjalności. W odróżnieniu od przewodów masy zakopany przewodnik nie jest dobrą anteną, nie oscyluje.
Uziemienie vs. masa elektryczna Masa jest to punkt wspólny zasilania układu elektronicznego, w stosunku do którego mierzone są wszystkie potencjały występujące w urządzeniu, jak również wartości napięć wejściowych oraz wyjściowych. Całość dostępnych struktur przewodzących stanowiących masę układu elektronicznego odgrywa istotną rolę w zapewnieniu jego prawidłowego działania. Aby masa mogła stanowić potencjał odniesienia należy zachować jednakowy potencjał wszystkich przyłączonych do niej elementów. Ekwipotencjalizacja mas jest istotna zarówno jeśli chodzi o bezpieczeństwo ludzi, jak i dobre funkcjonowanie połączonych układów. Ekwipotencjalizacja stanowi jedno z podstawowych zadań w procesie projektowania i instalacji urządzeń. Przewód masy (tzn. znajdujący się nad ziemią) odprowadza prądy praktycznie bez strat. Niekorzystnym zjawiskiem jest możliwość wpadnięcia w rezonans przy wielkiej częstotliwości.
Uziemienie vs. masa elektryczna Masa nie musi mieć potencjału ziemi. Masa jest przyłączona do sieci uziomów jedynie ze względu na bezpieczeństwo. Powierzchnia o potencjale masy nie tylko zapewnienia potencjał odniesienia, ale często pełni także rolę ekranu. Przewód łączący masę z uziomem nazywamy przewodem uziemiającym. Przewód uziemiający nie jest zakopany i stanowi szczególny przewód masy. W praktyce stosowane są cztery rodzaje przewodów uziemiających: przewody ochronne (PE), przewody dodatkowe (m.in. obudowy przewodzące), przewody uziemiające połączone z uziomami naturalnymi, takimi jak rury wodociągowe (powinny one być krótkie i zainstalowane na wejściu do budynku), przewody uziemiające łączące uziomy z przewodami odprowadzającymi urządzenia piorunochronnego.
Masa elektryczna W praktyce nie da się uniknąć przepływu prądów pasożytniczych w przewodach masy. Wprowadzane są one przez wspólną impedancję oraz wnikają przez często występujące pętle masy przez sprzężenie elektromagnetyczne. Prądy przepływające w obwodach mas nie wpływają negatywnie na pracę urządzeń elektronicznych. Brak ekwipotencjalności mas sprzężonych powoduje przepływ prądów zakłóceniowych wielkiej częstotliwości w przewodach sygnałowych, co może prowadzić do zakłócenia lub nawet uszkodzenia urządzenia. Konieczność podziału prądów przepływających przez obwody mas wymaga utworzenia sieci zamkniętej mas. Dzięki niej możliwe jest zachowanie dostatecznej ekwipotencjalności tego typu obwodów.
Sieć mas elektrycznych W większości przypadków masę stanowią wszystkie metalowe części urządzenia, w tym zewnętrzne, zwane częściami przewodzącymi dostępnymi. Część przewodząca dostępna część przewodząca urządzenia lub instalacji elektrycznej, która może być dotknięta, i która w warunkach normalnej pracy instalacji nie znajduje się pod napięciem, lecz w wyniku uszkodzenia izolacji podstawowej może znaleźć się pod napięciem. Dwie części jednocześnie dostępne, to znaczy znajdujące się w zasięgu dotyku bezpośredniego, powinny mieć napięcie o wartości niższej niż dopuszczalne graniczne napięcie dotykowe U D, które może występować w warunkach określonych czynnikami zewnętrznymi (w normalnych warunkach i zwiększonego zagrożenia). Umowne napięcie dotykowe graniczne dopuszczalne wynosi: 50 V (wartości skutecznej) napięcia przemiennego lub 120 V napięcia stałego w normalnych warunkach, 25 V (wartości skutecznej) napięcia przemiennego lub 60 V napięcia stałego w warunkach zwiększonego zagrożenia (np. w czasie budowy obiektu).
Sieć mas elektrycznych Niebezpieczne napięcie dotykowe może wystąpić podczas zwarcia, jeżeli prąd zakłóceniowy nie jest ograniczony do wartości wystarczająco małej, biorąc pod uwagę impedancję uziemienia. Jeżeli między obudowami urządzeń pełniącymi rolę masy zapewniono wyrównanie potencjałów, to ryzyko porażenia zanika.
Sieć mas elektrycznych Coraz więcej urządzeń elektronicznych wymienia informację z innymi urządzeniami, często znajdującymi się w dużej odległości. Najlepszym sposobem na zagwarantowanie prawidłowej pracy urządzeń połączonych wspólnym kablem sygnałowym jest zachowanie jednakowego potencjału w całym obszarze. Rozwiązanie takie jest szczególnie istotne dla urządzeń wykorzystujących sygnały wielkich częstotliwości ponad 30 MHz. W instalacjach rzeczywistych nie da się uniknąć powstawania pętli mas. Pętlą masy nazywamy powierzchnię zawartą między przewodem wiodącym sygnał użyteczny użytkowym (kabel pomiarowy, kabel sterujący, przewód zasilający) a najbliższą masą.
Sieć mas elektrycznych Przepływ prądu asymetrycznego w pętli mas może wystąpić na skutek sprzężenia płyta masy-pętla oraz na skutek sprzężenia przez wspólną impedancję. Prąd płynący w pętli masy może zakłócić działanie obwodów elektronicznych zarówno od strony nadajnika sygnału, jak i od strony odbiornika. Zastosowanie separacji galwanicznej ogranicza jedynie przepływ prądów małej częstotliwości. Separacja galwaniczna staje się nieskuteczna w zakresie wielkich częstotliwości, dla których pętla masy zamyka się przez pojemność wynikającą z przerwy galwanicznej między masami. W takim przypadku pętla masy może silnie rezonować, ponieważ jest słabo tłumiona. Należy dążyć do zminimalizowania powierzchni pętli masy, czego efektem jest redukcja oddziaływania pól zakłócających.
Sieć mas elektrycznych Pętle pomiędzy przewodami masy elektrycznej noszą nazwę pętli między masami. Jeżeli dwie sąsiadujące ze sobą masy nie są połączone, to różnica potencjałów między nimi może osiągać duże wartości. Połączenie wszystkich dostępnych mas elektrycznych tworzy ich sieć zamkniętą, wyrównującą potencjały tych mas. Zaleca się, by prądy pasożytnicze mogły płynąć swobodnie w sieci mas. Z tego powodu tworzone są dodatkowe pętle między masami. Zwiększenie liczby pętli między masami i zmniejszenie ich wymiarów sprzyja poprawie ekwipotencjalności mas. W sieci pętli mas elektrycznych (struktura kratowa) występuje efekt klatki Faradaya ograniczający wnikanie/emisję pól elektromagnetycznych, w szczególności z zakresu 10 khz do 10 MHz (m.in. częstotliwości napięć indukowanych przez prąd wyładowania atmosferycznego). W obwodach drukowanych wielowarstwowych łączy się obwody mas przelotkami umieszczonymi wzdłuż pętli masy.
Sieć mas elektrycznych Tworzenie pętli między masami poprawia ekwipotencjalizację mas poprzez równoległe połączenie elementów przewodzących (zarówno przy małej, jak i przy wielkiej częstotliwości). Pętle między masami powinny być zawsze zamknięte, niezależnie od rodzaju połączonych urządzeń. Sieć zamknięta mas poprawia ekwipotencjalność, jednak nie zastępuje przewodów ochronnych. Spełnienie zasad bezpieczeństwa wymaga instalacji pomiędzy urządzeniami a uziemieniem przewodów PE o odpowiednio dużym przekroju (co najmniej równym przekrojowi przewodów fazowych dla przekrojów do 35 mm 2 ). Przewody łączące ograniczniki przepięć lub przewody odprowadzające urządzenia piorunochronnego powinny być podłączone do uziemienia indywidualnie. W praktyce stosuje się jeden z 3 sposobów połączenia mas, zapewniającego ekwipotencjalność systemu.
Sieć mas elektrycznych Promieniowe połączenia mas z uziomem Rozwiązanie polega na dołączeniu do każdego urządzenia indywidualnego przewodu uziemiającego. Często zakłada się, że w przypadku awarii jednego z urządzeń inne powinny mieć potencjał zbliżony do potencjału uziomu (ziemi) przy małej częstotliwości jest to założenie nieprawidłowe.
Sieć mas elektrycznych Promieniowe połączenie przewodów uziemiających jest rozwiązaniem niekorzystnym ponieważ: oferuje największą z możliwych impedancji wspólnej między urządzeniami przepływ prądu doziemnego powoduje powstanie znacznie większej różnicy potencjałów niż przy innych sposobach połączeń z uziomem, powoduje często powstanie ogromnych rozmiarów pętli mas pole magnetyczne (np. od wyładowania atmosferycznego) indukuje w pętli mas różnicę potencjałów, która jest większa niż przy każdej innej metodzie uziemienia. Metoda połączenia promieniowego mas z uziomem może być stosowana w przypadku urządzeń analogowych z izolowanymi czujnikami lub izolowanymi układami elektronicznymi. Nie przynosi ona jednak żadnych korzyści. Zapewnienie pełnej izolacji urządzenia jest niezwykle trudne. W przypadku wykorzystania kabli PE (stanowiących element wiązki przewodów) poszczególnych podobwodów do połączenia ich potencjałów odniesienia w tablicy rozdzielczej z uziemieniem, konieczne jest zastosowanie dodatkowych połączeń wyrównujących te potencjały.
Sieć mas elektrycznych Połączenie mas z najbliższym przewodem ochronnym Połączenie wszystkich urządzeń zapewnia jeden przewód ochronny, co dodatkowo obniża koszt instalacji. Pętle mas mają mniejszą powierzchnię, a wspólna impedancja między połączonymi urządzeniami jest mniejsza niż w przypadku promieniowego połączenia z uziomem. W przypadku podłączenia do wspólnego przewodu ochronnego urządzenia emitującego zakłócenia i urządzenia podatnego na te zakłócenia, zdolność odprowadzenia tych zakłóceń przez przewód ochronny może okazać się niewystarczająca.
Sieć mas elektrycznych Połączenie masy z najbliższą masą Polega na stosowaniu przyłączy wyrównujących potencjały i niskoimpedancyjnej zamkniętej sieci mas. Zapewnia powstawanie pętli mas o niewielkich powierzchniach. Ze względów bezpieczeństwa konieczne jest stosowanie przewodów ochronnych PE zapewniających w przypadku pojawienia się awarii redukcję napięcia dotykowego do wartości bezpiecznej, bez względu na właściwości sieci mas.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Obwody zasilania napięciem przemiennym W celu odseparowania od zakłóceń zewnętrznych, do zasilania napięciem przemiennym urządzeń wykorzystuje się transformatory separacyjne. Dla transformatora separacyjnego zaleca się połączenie jednego z jego wyprowadzeń po stronie wtórnej do masy (jeden z przewodów fazowych w układach jednofazowych lub przewód neutralny w układach trójfazowych). Pozostawianie przewodu neutralnego układu zasilającego bez podłączenia jest nieprawidłowe.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Transformator separacyjny powinien być zainstalowany jak najbliżej odbiorników. Przewód neutralny powinien być przyłączony do masy/uziemienia tylko w jednym punkcie. W celu zmniejszenia wspólnej impedancji obwodu, przewody zasilające powinny być łączone promieniowo, począwszy od tablicy rozdzielczej niskiego napięcia. Przewody ochronne PE powinny tworzyć sieć zamkniętą wspólnie z masami mechanicznymi.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Obwody zasilania napięciem stałym Główną zasadą obowiązującą dla obwodów zasilanych prądem stałym jest łączenie głównych obwodów zasilania z masą obudowy, znajdującą się jak najbliżej wyjścia zasilacza. Należy zapewnić jak najkrótsze połączenia z masą elektryczną potencjałów odniesienia obwodów cyfrowych, obwodów analogowych oraz pozostałych obwodów zasilania. Powyższa zasada ma na celu: zapewnienie poszczególnym obwodom elektronicznym takiego samego potencjału, jak potencjał obudowy (w celu usunięcia sprzężenia pojemnościowego z obudową) w przypadku zastosowania separacji galwanicznej w obwodach zasilania, odprowadzenie prądów resztkowych wielkiej częstotliwości (kluczowanie) przenikających przez pojemność transformatora przetwornicy DC/DC do masy mechanicznej, przy czym wydzielone, odseparowane części układu elektronicznego (interfejsy, obwody wejściowe/wyjściowe) nie powinny być przyłączone do masy obudowy.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Karty cyfrowe Każda karta cyfrowa powinna mieć własną sieć masy, najlepiej wykonaną w postaci siatki o małych rozmiarach oczek. Sieć masy obwodów cyfrowych powinna być połączona z masą obudowy w możliwie największej liczbie punktów. Wszystkie przewodzące elementy obudowy, łącznie z płytami czołowymi powinny mieć bezpośredni kontakt, tworząc wspólną masę obudowy urządzenia. Połączenie masy karty cyfrowej z obudową powinno być jak najkrótsze (maksymalnie kilka centymetrów, mierząc od zewnętrznej strony obudowy). Do tego celu często wykorzystywane są śruby mocujące płytkę drukowaną do obudowy.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Połączenie masy pomiędzy płytą główną systemu a jego pozostałymi elementami (np. kartami) powinno zapewnić jak najlepszą ekwipotencjalność dla potencjału odniesienia. Połączeń mas powinno być możliwie jak najwięcej, przy czym powinny one być rozmieszczone równomiernie. Zwraca uwagę fakt, że wiele standardów (VME, VXI) nie spełnia tego wymagania. Długość połączenia głównych kondensatorów przeciwzakłóceniowych na wejściu i wyjściu każdego obwodu zasilania nie powinna przekraczać 5 cm. Jeśli to możliwe napięcie zasilania obwodów cyfrowych oraz potencjał odniesienia powinny być doprowadzone do powierzchni wewnętrznych płytki obwodu drukowanego (plane). Dla układów pracujących przy wielkiej częstotliwości należy stosować kondensatory przeciwzakłóceniowe o małej pojemności, rozmieszczone równomiernie na całej powierzchni płytki obwodu drukowanego. Ich rolę mogą pełnić kondensatory filtrujące włączane na wejściu zasilania każdego układu scalonego.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Karty mieszane analogowo-cyfrowe W urządzeniach zawierających obwody analogowe i cyfrowe należy dążyć do oddzielenia części analogowej od cyfrowej układy analogowe o niższych poziomach są bardziej narażone na zakłócenia. Jeżeli nie ma możliwości zastosowania odrębnych zasilaczy, zasilanie dla części analogowej urządzenia powinno być podłączone poprzez filtry za częścią cyfrową. Miejsce rozdzielenia obwodów powinno znajdować się w strefie wspólnej dla części analogowej i cyfrowej (np. w obrębie przetworników AC lub CA). Takie rozwiązanie zapobiega przepływowi prądów cyfrowych przez obwody zasilania wrażliwej części analogowej. Obowiązuje zasada: obwody czyste" należy zasilać poprzez brudne. Nie należy prowadzić żadnego elementu obwodu sygnału cyfrowego w części analogowej ze względu na ryzyko sprzężenia przez zamknięty obwód elektryczny może popłynąć prąd wywołany indukcją magnetyczną.
Przyłączenie obwodów zasilania do masy Potencjału odniesienia obwodów analogowych nie należy podłączać w wielu punktach do obudowy, w szczególności gdy przetwarzane sygnały mają małą amplitudę lub w pobliżu występuje źródło silnego pola magnetycznego (np. uzwojenie transformatora). Jeżeli w obrębie części analogowej występuje połączenie masy z obudową, nie może ono być jedynym połączeniem tego typu należy przede wszystkim zapewnić połączenie w części zasilającej. Poziom napięcia pochodzącego od zaburzeń magnetycznych jest najczęściej rzędu miliwoltów. Napięcia o tej wartości są nieszkodliwe dla układów cyfrowych, mogą jednak wpływać negatywnie na pracę układów analogowych. Sygnały analogowe pochodzące z różnych źródeł, doprowadzone lub wyprowadzone z przetwornika analogowo-cyfrowego lub cyfrowoanalogowego należy oddzielić od masy tego przetwornika.