EMC v technické praxi II: Rušivé signály, jejich zdroje a šíření

EMC v technické praxi II: Rušivé signály, jejich zdroje a šíření

Karel Künzel, Jaroslav Žáček

Druhá část seriálu článků je věnována poněkud systematičtějšímu pohledu na oblast elektromagnetické kompatibility. Začínáme od počátku, tj. od zdrojů elektromagnetických rušivých signálů. Různá hlediska klasifikace zdrojů rušivých signálů jsou doplněna příklady nejběžnějších zdrojů rušení. Signál se stane rušícím až tehdy, pronikne-li k rušenému zařízení. Proto jsou další odstavce věnovány možnostem šíření rušivých signálů a charakteristice prostředí, v němž se šíří. Při pochopení těchto základních skutečností lze porozumět nejen různým situacím, ale také volbě a návrhu prostředků potlačujících rušení, na které budou zaměřeny další části seriálu. Přitom je cílem ušetřit čtenáře složitých rovnic a teorie. Vzhledem k častým odkazům na normy je poslední kapitola článku věnována základnímu přehledu norem ohledně EMC a jejich použití v praxi.

1. Úvod

První část seriálu o elektromagnetické kompatibilitě (Electromagnetic Compatibility – EMC, [1]) pojednává o požadavcích na EMC z hlediska evropské i české legislativy a o růstu požadavků na podrobnější znalost této problematiky i u elektrotechniků-praktiků a konečných uživatelů, kteří s ní přicházeli do styku jen zprostředkovaně. S hlubším seznámením je třeba začít tam, kde elektromagnetické rušení vzniká, tj. popsat základní charakteristické rysy různých druhů rušivých signálů a způsoby jejich šíření. Tyto jevy lze klasifikovat z několika pohledů na podstatu elektromagnetického rušení. Zavedené třídění posléze usnadní orientaci v soustavě norem věnovaných EMC a budou na ně navazovat i další části seriálu zaměřené např. na prostředky pro zmírňování a potlačování rušení.

2. Zdroje rušivých signálů a jejich třídění

2.1 Třídění podle původu
Abychom se v širokém spektru zdrojů elektromagnetického rušení neztratili, je třeba uvést některá základní hlediska, podle kterých lze tyto jevy třídit. Patrně nejjednodušší je třídění rušivých signálů podle charakteru jejich původu na:

• přírodní,
• umělé.

Rušivé signály z přírodních zdrojů nevznikající činností člověka. Sem náležejí především přírodní elektromagnetické jevy v atmosféře (výboj blesku) a jevy mimozemského původu (polární záře, rušivé emise Slunce apod.). Jsou to převážně nepravidelné vysokofrekvenční rušivé signály.

Signály umělé, vznikající v důsledku činnosti člověka, které mohou být příčinou rušení, lze dále dělit na signály vytvářené:

• záměrně,
• nezáměrně.

Záměrně vytvářené signály se po proniknutí na nežádoucí místa stávají rušivými signály (signály rádiových, televizních a radarových vysílačů, signály HDO, mobilních telefonů, ale také výkonové přenosy elektrické energie o velkých napětích a proudech).

Nezáměrně vytvářené rušivé signály vznikají jako vedlejší produkt přeměn a řízení elektrické energie a při dalších činnostech. Náležejí sem zejména rušivé jevy vznikající na nelineárních zátěžích (např. obloukové pece, zářivky, polovodičové měniče), při poruchách napájení (zkraty, zemní spojení, činnost výkonových spínačů a pojistek apod.) a mnoho dalších jevů, včetně elektrostatických výbojů vznikajících při pohybu hmot v izolujícím prostředí.

2.2 Třídění podle kmitočtové oblasti

2.2.1 Definice oblastí
Třídění podle kmitočtu je z mnoha hledisek zásadní, protože poskytuje dobrý přehled o charakteru a rozdílech mezi jednotlivými ději, a úzce souvisí jak se způsoby šíření, tak s výběrem vhodných omezujících a odrušovacích prostředků. Základní dělení na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční oblast je tradičně vymezeno kmitočtem 9 kHz. Pod touto hranicí se nacházejí nízkofrekvenční jevy většinou spojené s kmitočtem elektrorozvodné sítě a jeho harmonickými, které se obvykle uvažují do řádu padesát. Oblast nad 9 kHz je vyhrazena vysokofrekvenčnímu rušení, kdy však je často normami sledována oblast až od 150 kHz výše.

2.2.2 Nízkofrekvenční rušení
Nízkofrekvenční rušení souvisí s takovými jevy, jako jsou pomalé změny napájecího napětí, flikr, zvlnění stejnosměrného napájecího napětí, krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí, nesymetrie napětí, signály v napájecích sítích a elektrická a magnetická pole, dále stručně charakterizovanými.

Pomalé změny napájecího napětí mimo přípustné tolerance jsou většinou vyvolány významnými změnami výkonu odebíraného z rozvodné sítě. Příčinou mohou být spotřebiče typu obloukové pece, svařovací, elektrolytická a galvanizační zařízení, pohony s velkými výkony a další zařízení charakteru trvalé zátěže s měnícími se parametry.

Flikr neboli opakující se krátkodobá změna napájecího napětí se projevuje zejména kolísáním svítivosti žárovkových svítidel (blikání). Příčinou jsou opakované prudké změny zatížení rozvodné sítě kolísáním odběru např. při bodovém svařování apod. Pro lidské oko je nejkritičtější kmitočtová oblast od zlomků do několika desítek hertzů.

Zvlnění stejnosměrného napájecího napětí se projevuje trvalou přítomností střídavé složky v důsledku např. nedokonalé filtrace usměrněného síťového napětí, nebo na zařízení napájeném z akumulátorů při jejich dobíjení za provozu.

Krátkodobé poklesy a přerušení napájecího napětí způsobené spínáním zátěží, poruchovými jevy a jejich odstraňováním (opětné zapínání). Tyto jevy jsou charakterizovány zbytkovým napětím a dobou trvání. Některá připojená zařízení mohou bez zvláštních opatření v případě takové poruchy zkolabovat, popř. ztratit data.

Nesymetrie napětí, zpravidla jako kombinace amplitudové a fázové nesymetrie třífázového napájecího systému způsobená připojením nesymetrické třífázové zátěže nebo velkými jednofázovými či dvoufázovými zátěžemi (např. u střídavé trakce).

Signály v napájecích sítích reprezentuje především HDO, popř. jiné komunikační přenosy v sítích nn, vn a vvn. Kmitočty těchto signálů nejsou shodné s kmitočtem sítě a jeho násobky, ale zpravidla spadají do nízkofrekvenční oblasti. Při náhodném vzniku rezonancí např. s kompenzačními prostředky a reaktancemi sítě a zátěží může dojít až k havárii.

Elektrická a magnetická pole se na rozdíl od všech předchozích případů, kde se rušivé signály šíří po vedení, šíří prostorem. Rušivá elektrická pole jsou vytvářena především vodiči vrchního vedení vn, vvn a zvn. Významná magnetická pole vytvářejí vodiče protékané značnými proudy, jako svařovací kabely, přívody elektrod obloukových pecí, galvanizačních a elektrolytických lázní apod. Mohou se také přechodně vyskytnout v blízkosti vodičů při zkratech a jiných proudových rázech v elektrizační soustavě.

2.2.3 Vysokofrekvenční rušení
U vysokofrekvenčního rušení je rozlišení způsobu šíření významnější než u nízkofrekvenčního rušení. Přitom je třeba mít na zřeteli, že při vhodných podmínkách může rušivý signál šířený po vedení využít toto vedení jako vysílací anténu a pokračovat ve formě elektromagnetického pole. Obdobně může nastat i opačný jev, kdy rušivé elektromagnetické pole může být zachyceno vedením nebo další částí zařízení jako přijímací anténou a dále se šířit „po vedení“. O tom, zda rušivý signál přijde k rušenému zařízení po vedení, nebo polem, rozhoduje především konkrétní konfigurace zdroje a příjemce rušení, charakter prostředí, vzájemná vzdálenost a způsob propojení apod.

Vysokofrekvenční rušení v oblasti od 9 do 150 kHz je zapříčiněno především rušivými signály generovanými výkonovými polovodičovými měniči a spínanými zdroji zejména v rozsahu kmitočtů odvozených od nosného kmitočtu pulsně šířkové modulace. Přestože jde o poměrně silné rušivé signály, normy tuto oblast z hlediska emisí zatím většinou nepokrývají.

Rušení v oblasti nad 150 kHz zpravidla bývá označováno jako rádiové rušení. Významnými zdroji emisí jsou opět polovodičové měniče a spínané zdroje s ději spojenými se spínáním a rozpínáním polovodičových součástek budícími vysokofrekvenční kmitání spolupůsobením parazitních indukčností a kapacit připojených součástek a obvodů. Dalšími zdroji mohou být průmyslová, vědecká a lékařská vysokofrekvenční zařízení produkující tyto kmitočty jako hlavní produkt, tj. např. zařízení pro dielektrický, indukční a mikrovlnný ohřev, elektroerozní obrábění atd. Zdrojem vyzařovaného rušení jsou rovněž výboje a jiskření na velmi namáhaných částech izolátorů, korónové výboje a jiskření na nedokonalých kontaktech. Zcela evidentním rušivým zdrojem jsou pevné a mobilní rádiové vysílače.

Přechodné děje jsou charakterizovány jednorázovými nebo různě často opakovanými napěťovými nebo proudovými impulsy tvaru rázové nebo tlumené kmitavé vlny. Mezi vysokofrekvenční jevy jsou řazeny právem, protože vzhledem ke strmé náběžné hraně rušivých impulsů spadá generované spektrum do vysokofrekvenční oblasti (v některých případech sahá až po desítky megahertzů). Tyto jevy jsou spojeny především s atmosférickými a elektrostatickými výboji a dále se spínacími jevy v elektrických sítích a rozvodech, jako např. vypínáním indukčních zátěží, poruchami a průrazy izolace, spínáním kompenzačních kondenzátorů apod. Zdrojem uvedených jevů bývají také rychle spínající moderní výkonové polovodičové součástky. Tyto jevy mohou být nepříjemně zesilovány při odrazech šířících se vln na koncích impedančně nepřizpůsobeného vedení. Některé z těchto rušivých přechodných vlivů jsou energeticky vydatné, např. rušení vyvolané přímým nebo blízkým úderem blesku s možnými destrukčními účinky. Jiné jevy jsou natolik rychlé, že se velmi snadno šíří parazitními cestami i vyzařováním do širokého okolí.

3. Šíření rušivých signálů

3.1 Cesty šíření
Nutným předpokladem „úspěšného rušení“ je existence cesty, kterou se rušivý signál šíří od zdroje k zařízení citlivému na rušení. Rušivé signály se v zásadě šíří třemi způsoby: kontaktně po vedení nebo bezkontaktně vazbami či vyzařováním.

3.2 Šíření po vedení
K šíření rušivého signálu je nutné přímé propojení napájecími nebo datovými vodiči. Galvanické propojení je pro elektrický signál velmi vhodným prostředím, ačkoliv se impedanční poměry pro rušivé signály mohou od impedančních poměrů pro kmitočet pracovního signálu výrazně lišit. Na vedení se přitom rozeznávají dva typy rušivého napětí: symetrické a nesymetrické (obr. 1).

Obr. 1. Typy rušivých signálů šířících se po vedení

Symetrické napětí je charakterizováno jako napětí mezi dvěma libovolnými vodiči daného vedení. Je to napětí vyvolané rušivým zdrojem připojeným mezi tuto dvojici vodičů, např. připojeným polovodičovým měničem. Symetrické rušivé napětí vyvolá rušivý proud uzavírající se ve smyčce tvořené dotčenou dvojicí vodičů.

Nesymetrické napětí se objevuje mezi pracovními vodiči (z hlediska rušení na společném potenciálu) a vztažným bodem – např. zemí nebo kostrou zařízení. Je to rušení vyvolané např. napětím indukovaným rušivým polem společně do všech vodičů vedení proti zemi. Nesymetrické rušivé napětí vyvolá rušivý proud uzavírající se ve smyčce mezi vedením a zemí, popř. kostrou spotřebiče. Na obr. 1b jsou ukázány možné rozdíly v případě výkonového napájení, kdy se rušivý proud vyvolaný nesymetrickým napětím může uzavírat buď uvnitř přívodu ochranným zemním vodičem (případ A), nebo mezi všemi přívodními vodiči a zemí, popř. uzemněnou konstrukcí (případ B). Vzhledem k tomu, že impedance jednotlivých vodičů proti zemi je obecně různá, různé napěťové úbytky při nesymetrickém rušení často současně vyvolají symetrické rušení a výsledkem je kombinované rušení obou typů.

Obr. 2. Vazba společnou impedancí

Poměrně zákeřný způsob přenosu rušivých signálů je přenos prostřednictvím společné impedance (někdy též vazba společnou impedancí), kdy zdroj rušení a rušený přístroj nemají společný živý nebo datový vodič, ale mají společnou impedanci – obvykle v obvodu zemnicího vodiče. Rušivý proud sváděný do země ze zdroje rušení vyvolá na společné impedanci úbytek napětí UR, působící jako rušení na druhém, „odděleném„ přístroji (obr. 2). Tento společný vodič přitom může být zcela vyhovující z bezpečnostního hlediska, tj. z hlediska síťového kmitočtu, při kterém vykazuje zanedbatelnou impedanci. Pro vysokofrekvenční rušivý proud ovšem může reaktanční složka impedance vyvolat značné napěťové úbytky.

3.3 Šíření vazbami
Šíření vazbami mezi zdrojem a příjemcem především vzniká mezi blízkými vodiči, např. při vedení ve společném kabelu nebo po společné trase. Uplatňují se při tom vzájemné indukčnosti mezi vodiči a kapacita mezi vodiči. Vzájemná indukčnost se přibližně pohybuje v desetinách mikrohenry na metr délky vzájemného souběhu vodičů při jejich vzdálenostech do deseti centimetrů. Přitom blízkost uzemněných konstrukčních částí tuto vazbu výrazně zmenšuje. Pro kapacitu obdobně platí hodnoty v jednotkách pikofaradů na metr délky.

3.4 Šíření vyzařováním
Šíření vyzařováním znamená takový stav, kdy rušivý signál je k rušenému zařízení předáván prostřednictvím vyzařovaného elektromagnetického pole. Je vhodné uvažovat tyto dva případy:

• v blízkém poli neplatí popis rovinnou vlnou a konstantní poměr elektrické a magnetické složky pole, tj. v obvyklých případech ve vzdálenostech kratších, než je dvojnásobek vlnové délky vyzařovaného rušení (např. pro 100 MHz je to vzdálenost přibližně 6 m),

• vzdálené pole je pro posuzování úrovně rušení vhodnější, protože může být popsáno rovinnou vlnou a přijímač i vysílač mohou být uvažovány jako náhradní anténa (uplatňuje se ve vzdálenostech větších než je uvedeno shora, jestliže jsou oproti ní rozměry vysílače i přijímače podstatně menší).

Popisované pole je charakterizováno buď vyzařovaným výkonem, např. ve wattech na čtvereční metr, nebo intenzitou elektrického pole ve voltech na metr, popř. intenzitou magnetického pole v ampérech na metr. Úrovně se nejčastěji uvádějí vztažené k referenční úrovni, např. v decibelech na mikrovolt na metr.

4. Prostředí

Pro stanovení EMC výrobku je rozhodující, pro jaké elektromagnetické prostředí je určen. Toto prostředí je charakterizováno očekávanými úrovněmi elektromagnetického rušení jak v elektromagnetickém poli obklopujícím výrobek, tak v napájecích či datových vodičích; k výrobku. Podle očekávané intenzity rušení se rozlišují různé kategorie prostředí, a to:

• chráněné prostředí, vyznačující se velmi nízkými úrovněmi rušení, zajišťovanými např. odrušovacími prostředky na vstupech vedení do místnosti, zálohovaným napájením apod. (prostředí typické např. pro výpočetní centra, některé laboratoře apod.),

• obytné prostředí, vyznačující se relativně nízkými úrovněmi rušení, kde se nevyskytují silně rušící zdroje (zejména prostředí v obytných objektech napájených z veřejné rozvodné sítě nn, ale i v dalších takto napájených prostorech, jako jsou např. obchody, supermarkety, kanceláře, banky, kina, provozovny lehkého průmyslu, dílny apod.),

• průmyslové prostředí, vyznačující se vysokými úrovněmi rušení, kde se vyskytují silně rušící zdroje a které je napájeno z neveřejné průmyslové rozvodné sítě, která není určena pro napájení obytných objektů.

Ve zvláštních případech mohou být specifikována i další elektromagnetická prostředí vyznačující se specifickými rušivými signály, jako např. rozvodny vn a vvn, nemocniční prostředí, prostředí telekomunikačních ústředen, trakčních vozidel apod.

Pro jednotlivá prostředí jsou stanoveny meze emisí, tzn. maximální přípustné úrovně jednotlivých typů emitovaného rušení, a příslušně vyšší meze odolnosti, tzn. minimální přípustné hodnoty odolnosti výrobku proti jednotlivým typům rušení. Odstup mezi maximální přípustnou úrovní konkrétního emitovaného rušení a minimální přípustnou hodnotou odolnosti proti tomuto rušení v daném prostředí bývá označován jako rezerva kompatibility a respektuje vzájemné spolupůsobení několika rušivých zdrojů v daném prostředí.

Obr. 3. Vztah mezi přípustnými emisemi a požadovanou odolností podle typu prostředí

Vztah mezí rušením a odolností zařízení pro různá prostředí je naznačen na obr. 3. Je samozřejmé, že výrobek určený pro méně rušivé prostředí musí mít nižší (přísnější) mez emise, ale současně se připouští nižší (méně přísná) mez odolnosti v porovnání s výrobkem určeným pro prostředí „více rušivé“. Je-li např. výrobek určen pro použití v obytném i průmyslovém prostředí, musí mít meze emisí odpovídající obytnému prostředí a meze odolnosti odpovídající průmyslovému prostředí.

Normy předepisující konkrétní hodnoty mezí zpravidla rozlišují pouze obytné prostředí a průmyslové prostředí.

5. Normy elektromagnetické kompatibility

5.1 Vznik norem
Úvodní článek seriálu o EMC v technické praxi [1] specifikoval evropskou a českou legislativu pro zajištění EMC. Ustanovení evropské směrnice a odpovídajícího českého nařízení vlády jsou ovšem natolik obecná, že nemohou být využívána ke konkrétnímu posuzování elektromagnetické kompatibility jednotlivých výrobků. K tomu jsou určeny mezinárodní a české normy.

Úsilí o stanovení mezí elektromagnetického rušení bylo vyvoláno především rozvojem telekomunikačních služeb již v první polovině minulého století, kdy v jednotlivých státech, včetně tehdejšího Československa, vznikaly státní normy na ochranu proti rádiovému, tj. vysokofrekvenčnímu rušení. Později se požadavky ohledně EMC rozšiřovaly a se vznikem evropského hospodářského prostoru se objevila nutnost sjednotit požadavky na kompatibilitu minimálně v evropském měřítku. Proto se nyní tvorbě norem (nejen) pro oblast EMC věnují mezinárodní organizace, na jejichž činnosti se ČR aktivně podílí. Jsou to:

• IEC – Mezinárodní elektrotechnická komise, která tvoří elektrotechnické normy s celosvětovou působností, označené IEC s příslušným číslem normy,

• CENELEC – Evropská normalizační komise pro elektrotechniku, která ve spolupráci s IEC vytváří evropské elektrotechnické normy, označené EN a číslem shodným s číslem odpovídající (převzaté) normy IEC,

• CISPR – Mezinárodní speciální komise pro rádiové rušení, tvořící normy CISPR v oblasti vysokofrekvenčního rádiového rušení, z nichž vybrané přejímá CENELEC jako evropské normy EN s modifikovaným číselným označením,

• ETSI – Evropský telekomunikační normalizační institut, zabývající se mj. rušením v rámci telekomunikací, tj. rovněž vysokofrekvenčním rádiovým rušením, nikoliv však v rámci směrnice o EMC, ale pod tzv. směrnicí R&TTE (rádiová a telekomunikační koncová zařízení); vybrané normy ETSI opět přejímá CENELEC jako evropské normy ETSI EN se shodným číselným označením.

České normy, vydávané Českým normalizačním institutem (ČNI), již posledních asi deset let vznikají přejímáním mezinárodních norem ekvivalentním překladem, s označením ČSN IEC, ČSN EN, ČSN CISPR, ČSN ETSI EN a se shodným původním číslem normy. Podobně je tomu i v ostatních členských státech Evropské unie.

5.2 Harmonizované normy
Pro ověřování shody výrobku se základními požadavky na EMC jsou určeny harmonizované normy, tj. normy odsouhlasené a přijaté všemi státy EU. Harmonizovanými normami jsou vyhlášeny zveřejněním v Úředním věstníku EU a následně u nás ve Věstníku ČNI. Tyto harmonizované normy uvádějí konkrétní meze emisí a odolnosti pro výrobek a konkrétní elektromagnetické prostředí. Pokud mezím uvedeným v harmonizovaných normách výrobek vyhoví, má se za to, že splňuje základní požadavky na EMC. Použití norem tak sice není povinné, ale představuje nejjednodušší cestu prokázání shody. Jinak je třeba dokazovat, že zařízení bylo navrženo a vyrobeno s přihlédnutím k dosaženému stavu techniky tak, aby tyto základní požadavky splnilo.

Harmonizované normy EMC se dále člení na kmenové normy a normy výrobků a skupin výrobků.

Kmenové normy jsou harmonizované normy pro nejširší oblast elektrotechnických výrobků, pokud není vydána úžeji zaměřená výrobková norma. V současné době jsou vydány a platné čtyři kmenové normy:

• ČSN EN 61000-6-1: Odolnost – Prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu,
• ČSN EN 61000-6-2: Odolnost pro průmyslové prostředí,
• ČSN EN 61000-6-3: Emise – Prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu,
• ČSN EN 61000-6-4: Emise – Průmyslové prostředí.

Normy výrobků a skupin výrobků jsou normy pro jednotlivé třídy výrobků, které stanovují specifické požadavky na EMC a způsoby jejich ověřování. V současné době je harmonizováno asi 120 evropských výrobkových norem EMC, jako např. pro drážní zařízení, elektrické spotřebiče pro domácnost, obráběcí a tvářecí stroje, průmyslová, vědecká a lékařská vysokofrekvenční zařízení, motorová vozidla, rozhlasové a televizní přijímače, zařízení informační techniky apod. Je-li pro výrobek vydána odpovídající výrobková norma, má přednost před normou kmenovou.

5.3 Základní normy
Základní normy uvádějí jednak některé všeobecné údaje o druzích elektromagnetického rušení, jeho zdrojích a způsobech šíření, jednak údaje o způsobech zkoušení EMC, uspořádání zkušebních pracovišť a požadavcích na jejich vybavení, o metodice zkoušek apod. Protože nejsou bezprostředně určeny k ověřování shody, nejsou to normy harmonizované. Je však na ně odkazováno v jednotlivých harmonizovaných normách, takže tam není nutné opakovat podrobné údaje o tom, jak se jednotlivé meze ověřují. Za základní normy EMC slouží zejména ČSN EN nebo ČSN IEC 61000 řady 1 (Všeobecně), 2 (Prostředí), 4 (Zkušební a měřicí technika) a 5 (Směrnice o instalacích a zmírňování vlivů).

Důležitá skutečnost je, že normy jsou dokumenty, které podléhají autorskému zákonu, takže je nelze svévolně rozmnožovat. Aktuální seznam platných norem je možné nalézt např. na webové stránce uvedené v odkazech na konci článku.

6. Závěr

Současná situace při provozu elektrických zařízení je charakteristická značným množstvím dalších relativně blízkých zařízení nejrůznějšího charakteru, která se mohou vzájemně rušit. Prvním krokem k pochopení podstaty takových jevů v konkrétním případě vždy je stanovení rušivých zdrojů a možného způsobu šíření rušivých signálů. Teprve zjištění uvedených skutečností umožňuje zvolit účinnou strategii k potlačení rušení ať již na straně jeho vzniku, při jeho šíření nebo při zvyšování odolnosti citlivých zařízení. Významnou okolností je také znalost obvyklých a také přípustných úrovní rušení i odolnosti v uvažovaném prostředí. Dobrým vodítkem mohou být normy EMC. Ty jsou v praxi nezbytné při prokazování shody výrobku při jeho uvádění na trh.

Literatura: