Elektromagnetická kompatibilita

Transkript

1 Elektromagnetická kompatibilita zbytečnost či i nutnost? Pre-compliance test Prof. Ing. Jiří Svačina, CSc. Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 1

2 ElectroMagnetic Compatibility EMC ElektroMagnetische Verträglichkeit EMV ЭлектроМагнитная Совместиммость ЭMC 2

3 Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je schopnost zařízení, zení,, systému či i přístroje p vykazovat správnou činnost i v prostředí,, v němž n působí jiné zdroje elektromagnetických signálů (přírodní či umělé), a současně svou vlastní elektromagnetickou činností nepřípustně pustně neovlivňovat ovat své okolí,, tj. neprodukovat signály, jež by byly nepřípustně pustně rušivé pro jiná zařízení zení (technická či i biologická). 3

4 Historie EMC Vznik v šedesátých letech minulého století v USA. Dlouhou dobu (10 aža 15 let) předmětem zájmu z jen odborníků ve vojenském m a kosmickém m průmyslu. V sedmdesátých a osmdesátých letech postupný přesun p zájmů i do všech v oblastí civilního života.. Hlavní důvody: prudký rozvoj mikroprocesorové techniky (PC) rozvoj celosvětových elektronických komunikací (ze- jména celoplošných mobilních, satelitních) Dnes je EMC neoddělitelnou součástístí všech oblastí života (důvody technické,, zdravotní,, bezpečnostní a ekonomické) 4

5 Důvody pro respektování EMC Velké a trvale stoupajícího množství elektrických a elektro- nických zařízenízení a spotřebičů od druhé poloviny 20. století. Stále se rozšiřující využívanévané spektrum EM signálů v kmi- točtových tových pásmech p prakticky od 0 Hz do stovek GHz. Různá elektrická zařízenízení pracují na velmi odlišných úrovních výkonu; maximální poměr r těchto t výkonů může dosáhnout aža 10 20, tj. 200 db. velmi vysoká pravděpodobnost podobnost vzájemného rušení 5

6 Vzájemný vztah elektromagnetické kompatibility a spolehlivosti H. M. Schlicke (1968) Systém m sám s m o sobě může e být dokonale spolehlivý bude však prakticky bezcenný v provozu, pokud současně nebude elektromagneticky kompatibilní. Spolehlivost a elektromagnetická kompatibilita jsou neoddělitelné požadavky na systém, který mám fungovat v každé době a za všech okolností. 6

7 Příklady nedodrženíení EMC a jejich důsledků Zničení stíhacího ho letounu Tornado v roce Příči- nou bylo rušení elektronického řídicího systému letad- la elmag.. vlněním. Letadlo letělo lo v malé výšce nad vysílačem velkého výkonu v Holkirchenu u Mnichova.. V důsledku selhání automatického systému řízení se zřítilo. Hmotná škoda byla 100 miliónů marek. 7

8 Potopení britského křižníku k ku Sheffield v r během b falk- landské války. Příčinou bylo nedodržení EMC mezi komunikačním zařízením zením m lodi a jejím protiletadlo- vým rádiovýmr obranným systémem pro rušení cílové navigace nepřá- telských raket. Systém m působil p tak velké rušení rádiové komunikace, že e musel být během b rádiového spojení lodi s velitelstvím m ve Velké Británii vypínán. n. A právě v takovém okamžiku odpálilo argentinské stíhací letadlo raketu Exocet, která křižník k potopila. Křižník K k za několik n miliard liber byl zničen, dvacet lidí přišlo o život. 8

9 Havárie rakety typu Persching II v SRN v důsledku d elektrosta- tického výboje. Při i převozu p rakety byl její pohon neúmyslně odpálen elektrostatickou elektřinou z okolní bouřky. Havárie v hutích v USA v roce Příčinou havárie bylo rušení mikroprocesorového systému řízení jeřábu přenášejícího ejícího licí pá- nev s tekutou ocelí příruční vf.. vysílačkou. Pánev se předčasně převrhla a rozžhavený kov zabil jednoho dělníka a čtyři i další zranil. Vyřazení systému dálkového přenosu p dat na vesmírné stanici SpaceLab. Systém m byl vyřazen z provozu napěťovým pulzem, který vznikl po zapnutí elektrického vysavače. Vysavač nebyl testován n na EMC a přesto p se ocitl na palubě kosmické stanice. 9

10 Havárie v cukrovaru Mělník k po instalaci odstředivek s tyristo- rovými měniči o výkonu 200 kw. Po jejich připojení k napájecí síti 22 kv vzniklo takové kolísání a deformace napájecího napětí, že nastal skupinový výpadek sítěs aktivací napěťových ochran. Přitom P zhoršení kvality napájecí sítě vyvolaly samy měniče, které byly připojeny na síťs přímo bez filtrace. Vznikla tak paradoxní situace, kdy zdroj rušení se nakonec stal svou vlastní obětí. Intenzivní rušení zcela přerušilo rádiové spojení na lodích Lab- ské plavby na kmitočtech tech 1 2 MHz a v dolech na Ostravsku, kde byla navíc narušena i funkce havarijního ho vypínání důlního kom- bajnu.. Zdrojem rušení byl tyristorový měnič (část pohonu kombaj- nu), na lodích byl zdrojem rušení mikroprocesorový řídicí systém. 10

11 Havárie ve zdravotnických zařízeních. zeních Diagnostická souprava na jednotce intenzivní péče monitorovala životní funkce připoje- ných pacientů.. Spínání okolních spotřebičů však vyvolávalo valo v kardioskopu přídavné pulzy,, které byly vyhodnocovány ny jako nesynchronní tep srdce. Navíc c vadný startér blízké zářivky vyvolával val hlášení překročení ení meze tepů a blokoval měření.. Celá souprava musela být vyměněna na za jiný systém m od jiného výrobce, splňující požadavky EMC. Rušení záznamu znamu EKG. V pražské poliklinice vykazoval záznam z znam zapisovače e EKG silné náhodné škubání,, což zdánlivě indikovalo kritický stav pacienta. Po užití odrušovacích ovacích ch prostředků byl v tomto jevu identifikován n záznam z znam morseovky. Ukázalo se, že e jde o krátko- vlnné vysílání ministerstva dopravy, které mělo anténu nu 150 m od polikliniky. Porucha byla odstraněna na aža úplným odstíněním místnosti EKG a užitím m elektrokardiografu odolného proti rušení. 11

12 Rušení televizního příjmup amatérské a občanské vysílání (CB) blízký FM vysílač domácí spotřebiče (vysoušeč vlasů,, holicí strojek, vrtačka) elektrický zvonek blízký osobní počítač a jeho kabeláž elektrické otevírání garáže, bezdrátový zvonek apod. 12

13 E M C biologických systémů Cílem je posouzení vlivu EM polí na živé organizmy, zejména na člověka technických systémů Cílem je výzkum vzájemného působení a zajištění koexistence technických prostředků, přístrojů a zařízení. zení. 13

14 EMC biologických systémů Dva druhy účinků EM polí na živé organizmy: Tepelné účinky ohřev biologických tkání vystavených účinkům m EM pole (velké intenzity). Netepelné účinky déle trvající expozice polí s rela- tivně nízkou výkonovou úrovní. Potenciální vliv na centrální ner- vový systém, imunitní systém, krevní oběh, příp. p p. genetické a karcinogenní účinky. Dlouhodobé výzkumy velké rozdíly v interpretaci účinků na organizmus tvorba tzv. hygienických norem 14

15 Nejvyšší přípustnépustné hodnoty indukovaných proudů, absorbovaných výkonů a hustoty ozáření podle vyhlášky Ministerstva zdravotnictví ČR č.. 480/2000 Sb. SAR [W/kg] Vyhláška 480/2000 určuje uje rovněž způsoby, jimiž se splnění uvede- ných podmínek zjišťuje a vyhodnocuje. 15

16 Pro nejvytíženější enější kmitočtovétové pásmo 100 khz 10 GHz je mez SAR (Specific Absorption Rate měrný pohlcený vý- kon) ) 0,4 W/kgW pro zaměstnance pracující s vf. zařízenímizeními a 0,08 W/kg pro ostatní osoby (pro obyvatelstvo). Tyto meze nesmí být překročeny eny při i expozici (době působení) delší než 6 minut. Vpřípadě padě expozice jen malé části těla t (např. působení mobilních telefonů) ) se meze SAR zvyšují na 10 W/kgW pro zaměstnance (20 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky), ky), 2 W / kg pro ostatní osoby (4 W / kg pro ruce, chodidla a kotníky). ky). Nejcitlivějším orgánem jsou oči, o kde neprobíhá dostatečné chlazení krevním m prouděním m a může e dojít např.. k zákalu. 16

17 SAR mobilních telefonů Typ SAR [W/kg] Nokia ,19 Siemens M35i 1,14 Siemens S35i 0,99 Nokia ,81 Nokia ,72 Ericsson T18s 0,61 Nokia ,22 Prakticky žádný dnešní telefon nepřekračuje ekračuje povolené meze. Hodno- tu SAR lze snížit pomocí planárních integrovaných antén,, které jsou na zadní straně krytu telefonu a vyzařují pouze směrem od hlavy (na rozdíl l od vnějších antén, n, kde se v hlavě pohlcovalo aža 50 % výkonu. 17

18 EMC technických systémů Základní řetězec EMC a příklady p jednotlivých oblastí Zdroj elmag.. rušen ení Přenosové prostřed edí, Rušený elmag.. vazba objekt, přijímač rušen ení EM procesy v atmosféře elektrostatické výboje motory, spínače, relé energetické rozvody polovodičovéové měniče zářivky, pece,, svářečky domácí spotřebiče rozhlasové a TV vysílače počítače, číslicové systémy vzdušný prostor zemnění energetické kabely napájecí vedení stínění signálové vodiče datové vodiče společná napájecí síť číslicová technika počítače měřicí přístroje automatizační prostředky telekomunikační systémy systémy přenosu p dat rozhlasové přijímače televizní přijímače 18

19 Základní členění problematiky EMC Elektromagnetická kompatibilita kompatibilita EMC EMC Elektromagnetická interference interference (rušení) (rušení) EMI EMI příčiny rušení vznik a šíření rušivých signálů Elektromagnetická susceptibilita susceptibilita (odolnost, (odolnost, imunita) imunita) EMS EMS důsledky rušení ochrana zařízenízení před rušením 19

20 Různé aspekty problematiky EMC EMC je oborem výrazně systémovým a aplikačním. Problematika EMC v sobě slučuje uje vědní,, technické a aplikační poznatky prakticky ze všech v oblastí elektrotechniky a elektroniky: silnoproudou a výkonovou elektrotechniku a elektroenergetiku, rádiovou komunikaci a telekomunikaci, informační techniku včetně softwarového inženýrství, měřicí a automatizační techniku, analogovou, číslicovou a mikroprocesorovou techniku včetně návrhu desek plošných spojů z hlediska EMC, techniku antén, n, šíření a příjmu p elektromagnetických vln, vysokofrekvenční a mikrovlnnou techniku, lékařskou elektroniku, automobilovou a spotřební elektroniku, mikroelektroniku a další. 20

21 Problematika měření a praktického posouzení EMC je pro konečné posouzení EMC daného zařízení zení rozhodující. Měření elektromagnetické interference (EM rušení) měření EM rušení na vedení (napájecím, datovém m aj.), měření EM rušení vyzařovaného zařízením zením m do okolí, kontrola vyzařování prototypů a osazených desek plošných ných spojů. Testování elektromagnetické odolnosti (imunity) odolnost vůči i poklesům m a přerušení ení napájecího napětí, odolnost vůči i rychlým elektrickým přechodným p jevům m (burst), odolnost vůči i elektrostatickým výbojům m (ESD), odolnost vůči i rázovým r vysokoenergetickým impulzům m (blesk), odolnost vůči i magnetickým polím m (spojitým, pulzním), odolnost vůči i silným elektromagnetickým polím. 21

22 Měřicí a testovací pracoviště EMC zkušebny EMC Od testování EMC na čipu mikroelektronických obvodů a elektronických součástek stek přes testování přístrojů a elektrických zařízení, zení, 22

23 měření EM vyzařování a testování EM odolnosti automobilů a dalších dopravních prostředků,, strojů a vozidel, 23

24 až po testy EMC vojenské techniky, letadel a kosmických sond. 24

25 25

26 Tři i největší zkušebny EMC v České republice EZÚ Elektrotechnický zkušební ústav Praha TESTCOM Technický a zkušební ústav telekomunikací a pošt t Praha VTÚPV Vojenský technický ústav pozemního vojska Vyškov 26

27 Legislativa EMC tvorba norem a předpisů EMC se se s postupující globalizací,, volným pohybem zboží a tvorbou celosvětového trhu stává stále důležitější.. Je nutno stanovit jednotné normy a meze přípustných p pustných hodnot rušivých signálů pro určitý typ zařízení, zení,, přesné a reprodukovatelné podmínky pro jejich měření a ověřování ování odolnosti. Postupné vytváření závazných právních a technicko-normativních normativních dokumentů norem EMC s celosvětovou, příp. p p. evropskou platností.. Jen tak budou vytvořeny předpoklady p k zamezení nežádoucích ch EM emisí a zvyšování odolnosti zařízení zení a systémů proti EM agresivitě prostředí. Např. v Evropě je splnění příslušných tzv. harmonizovaných evropských no- rem (a to nejen norem EMC) deklarová- no značkou Conformité Européenne. 27

28 Směrnice Rady Evropské unie č. 2004/108/EC European Directive 2004/108/EC Směrnice č /108/EC byla v každém m státě Evropské unie přeložena ena do národního jazyka a schválena vládami jako zákon s platností od (v ČR R Nařízení vlády č.. 616/2006 Sb.). Zboží prodávané na evropských trzích musí tuto Směrnici respekto- vat.. To znamená, že e každý výrobce, distributor či prodejce musí prokázat, že e jeho výrobek je se Směrnicí č /108/EC v souladu, tedy že e splňuje tzv. harmonizované evropské normy EN pro oblast EMC vydávanévané Evropskou komisí pro normalizaci v elektrotechnice CENELEC. Tyto normy nejsou sice závazné, ale dodržení jejich technických požadavků dává předpoklad, že příslušný výrobek či i zařízení zení vyhovuje požadavkům Směrnice EU. 28

29 Od roku 1997 probíhá v České republice intenzivní harmonizace všech národních technických norem, tj. jejich obsahové slaďování (přejímání) ) s harmonizovanými nor- mami EU. ČSN IEC... ČSN EN... ČSN ISO... ČSN ETS... Zařízení,, která splňují ustanovení harmonizovaných českých technických norem,, automaticky vyhovují i příslušným evropským či i mezinárodním m normám m a lze je tedy exportovat i na evropské,, příp. p p. další zahraniční trhy. 29

30 Mezinárodní normalizace a standardizace v oblasti EMC mám i své dalekosáhlé ekonomické aspekty a důsledky.. Bez proka- zatelného splnění příslušných norem EMC nelze elektrotechnické výrobky exportovat do daných zemí. Směrnice Rady EU č /108/EC stanoví obecné požadavky EMC pro uvedení přístroje či i zařízení zení na evropský trh. Bez jejich splnění a jeho závazného prokázání je prodej zařízení zení (ale i jeho vystavení či reklama) ) zakázán n a finančně sankcionován. n. Zkušenosti enosti ukazují, že e otázkám m EMC je nutno věnovat v pozornost již při i vývoji nového zařízení. zení.. Jen cca 10 % výrobků,, při p i jejichž vývoji nebyly zásady z EMC respektovány, vyhoví zkouškám m EMC. Dodatečné úpravy jsou pak vždy v dy značně nákladné. Optimální náklady na zajištění EMC obvykle činí asi 2 aža 10 % celkových vývojových a výrobních nákladů (podle velikosti a rozsáhlosti zařízení). zení). Je-li EMC sledována od samého počátku vývoje zařízení, zení,, lze náklady n na ni snížit dokonce pod 1 %.% 30

31 Zastoupení hlavních uživatelských u oblastí na evropském m trhu EMC Letecký, kosmický a vojenský průmysl Elektronické zpracování dat Průmysl, lékařství Automobilový a spotřební průmysl Civilní sdělovací technika, komunikace Podíl na evropském trhu [ % ] 31

32 Podíly hlavních produktů na evropském m trhu EMC Filtry a odrušovací prostředky Stíněné a absorpční prostory Vodivé stínicí povlaky Testovací a měřicí přístroje Cejchovací přístroje a aparatury Vodivé těsnění Vodivé polymerní materiály Spojovací kabely a konektory Služby v oblasti EMC Ostatní Podíl na evropském trhu [ % ] 32

33 Speciální aspekty a oblasti nasazení EMC se vzhledem k univerzálnímu významu EMC stále rozrůstají. Vojenská a obranná oblast jde o bojeschopnost složitých elektronických vojenských zařízení zení i v náročných ných bojových podmínkách a současně o vliv jejich elektromagnetické činnosti na okolní civilní zařízení zení a systémy. Celá jedna oblast obrany státu, tu, tzv. elektronický boj (včetně nově vyvíjených tzv. EM zbraní) ) není z tohoto pohledu ničím jiným, než narušováním m EMC protivníkových kových komunikačních a vojenských elektronických systémů. Vojenská pracoviště věnují problematice EMC velkou pozornost od samého jejího vzniku a mají obvykle náskok před civilním sektorem. Vojenské normy EMC (MIL-STD) jsou přís-nější než odpovídající dající civilní předpisy. 33

34 Elektronická bezpečnost, zachování a ochrana,, příp. p p. utajení (citlivých) dat před elektromagnetickým únikem a zcizením. Aktuálnost ochrany dat vyvstala zejména s masovým rozvojem a nasazením m výpočetní techniky. Problematika ochrany dat je klíčovou otázkou např.. ve finanč- nictví, bankovnictví, průmyslovém m výzkumu a vývoji, jaderné energetice,, ale i diplomatických službách a jinde. Z technického ho pohledu EMC jde o tvorbu elektromagneticky zabezpečených ených prostorů, tj. elektromagneticky stíněných ných místností,, zajištění dokonalého odrušení a filtrace všech kabelových vstupů a vý- stupů (energetických i datových) a zvýšení elektromagnetické odolnosti použitých informačních a komunikačních technologií program TEMPEST TEMPEST 34

35 Automobilová EMC aplikace zásad z EMC v automobilovém, m, příp. p. dopravním m průmyslu. Obrovský nárůst n počtu elektrických a elektronických subsystémů a bloků v každém m automobilu, vlaku, lodi a dalších dopravních prostředcích. ch. Jde přitom p nejen o elektrotechniku a elektroniku ve vlastním pohonném, ovládacím m a řídicím m systému dopravního pro- středku, ale téžt o elektronické komunikační, navigační, infor- mační, bezpečnostní a zábavní prostředky v něm n m vestavěné. Očekává se, že e v roce 2010 bude cena tohoto elektronického vybavení středního automobilu tvořit více v než 30 % celkové ceny vozidla. Zajištění EMC vozidel je dnes velmi významným faktorem i z hlediska bezpečnosti dopravy a všech v jeho účastníků. Problematika automobilové EMC byla do le- gislativy EU a dalších evropských (nečlenských) zemí plně zahrnuta od roku

36 EMC vozidel EMC vozidla jako celku včetně nutných pevně zabudovaných elektrických pohonných, ovládacích, ch, příp. p p. řídicích ch komponent EMC komponent a subsystémů ESA určených Electronic pro volitelné Sub-Assembly zabudování do do vozidla Testování ESD odolnosti airbagu 36

37 Medicínská EMC elektromagnetická kompatibi- lita lékařských diagnostických a terapeutických přístrojů a implantovaných zařízení. zení. Ochrana, řízení a management elek- tromagnetického spektra regulace využití kmitočtového tového spektra jakožto formy přírodního bohatství,, přidělování a regulace obsazenosti kmitočtových tových pásem a jednotlivých služeb v nich. EMC ve fotonice a nanotechnologiích rozšiřování ování působnosti EMC do oblasti optických a fotonických systémů a do oblastí submikronových technologií.... a další,, nově vznikající speciální oblasti EMC 37

38 Speciální vybavení laboratoře Zkušební a testovací laboratoř EMC Ústavu stroje pro radioelektroniky měření rušivých signálů FEKT VUT spektráln v Brně Přístroje pro měření rušivých signálů spektrální analyzá- tory a speciální měřicí přijímače e od 9 khz do 13,2 GHz vybudovaná za podpory MŠMT MT České republiky a projektu Evropské unie TEMPUS IB JEP , umožňuje uje realizovat předcertifikační testy EMC jak v oblastech měření rušivého vyzařování, tak i ve většině oblastí elektromagnetické odolnosti. 38

39 Měřicí antény ny a sondy pro blízké a vzdálené pole od 9 khz do 2 GHz širokopásmová anténa na typu Bilog 39

40 Testovací přístroje pro zkoušky ky elektromagnetické odol- nosti vůči i kolísání napájecího napětí,, vůči i rychlým transientům m (burst), vůči i blesku, vůči i elektrostatickým výbojů (ESD) 40

41 Elektronická eliminace vnějších rušivých signálů (rušivého elektromagnetického pozadí) Tue 20 Feb 2007 vnější rušiv ivé signály skutečný průběh 41

42 Je EMC zbytečná? Zkusme ji určitou dobu ignorovat a.... brzy nám n m přestane p správně fungovat většina v elektrotechnických a elektronických přístrojů, zařízenízení a systémů nemluvě o nekontrolovaném m vlivu elektromagnetických signálů na živé organizmy. 42

43 43

44 Děkuji za pozornost Prof. Jiří Svačina Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně Purkyňova 118, Brno feec.vutbr.cz cz 44