EMC Les Inleiding, overzichten en inhoudsopgave. Vak

L

^57.98

^00.0

EMC

Inleiding, overzichten en inhoudsopgave

De inleidingsles is bedoeld als introductie in het vak EMC. EMC is een uitgebreid vakgebied, dat begint bij het maken van elektronische schakelingen tot het installeren van installaties. Deze cursus is bedoeld voor ontwerpers vanaf kastniveau tot ontwerpers van systemen en elektrotechnische installaties. Het ontwerpen van elektronische schakelingen valt buiten het bestek van de cursus.

Bij het opzetten van de cursus is ervan uitgegaan, dat er een zekere basiskennis is op de gebieden:

– wiskunde, speciaal logaritmen en dB-rekening;

– natuurkunde, speciaal de trillingsleer en de kurkentrekkerregel;

– elektriciteitsleer, speciaal de wetten van Ohm, Kirchhoff, Lenz en Faraday.

Sommige van deze onderwerpen zijn kort herhaald. De in de cursus gebruikte formules, vuistregels en constanten zijn in deze inleidingsles opgenomen.

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 2

1 Inleiding in de cursus EMC

1.1 Doel van de cursus

Het doel van de cursus is kennis bij te brengen op het gebied van de Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC). EMC is het vakgebied dat de beïnvloeding van apparaten door elektromagnetische (EM)

verschijnselen beschrijft en maatregelen aangeeft om deze

beïnvloeding te voorkomen of, als beïnvloeding aanwezig is, deze op te heffen.

In de cursus worden de basisbegrippen van het EMC-gebied

verklaard. Er wordt ingegaan op de maatregelen, die aan elektrische en elektronische apparaten, systemen en installaties genomen moeten worden om onderlinge beïnvloeding te voorkomen. Ook de

beïnvloeding van en door apparaten, die in de omgeving van deze systemen en installaties opgesteld staan, worden behandeld.

Op de maatregelen aan de elektronica binnen de apparaten wordt slechts beperkt ingegaan.

Het voldoen aan EMC-eisen blijkt in de praktijk de betrouwbaarheid van installaties te verbeteren.

Naast het realiseren van een ongestoorde werking van elektrische en elektronische apparaten door het voorkomen van beïnvloeding is het binnen de Europese Unie (EU) wettelijk verplicht, dat in de handel gebrachte of in gebruik genomen apparaten en installaties aan de eisen van de EMC-richtlijn voldoen.

In verband daarmee worden de geldende normen op EMC-gebied besproken. Er wordt ingegaan op de metingen, die moeten aantonen dat aan de eisen, zoals die in de EMC-normen zijn vastgelegd, voldaan wordt.

Als een apparaat of een installatie aan de Europese eisen op EMC-gebied voldoet en tevens voldoet aan alle verdere voor het product geldende Europese richtlijnen, moet de CE-markering aangebracht worden (CE - Conformité Européenne). De eisen, die gelden om de CE-markering te mogen aanbrengen, worden niet in deze cursus behandeld.

Het samenbouwen van apparaten met een CE-markering, die dus aan de eisen van de EMC-richtlijn voldoen, garandeert niet, dat er geen interferentie tussen de apparaten zal optreden; dit hangt af van de manier van samenbouwen en de wijze van bekabeling.

1.2 Engelse uitdrukkingen

Een aantal EMC-normen zijn alleen in de Engelse taal verschenen. In het spraakgebruik zijn daardoor voor bepaalde verschijnselen de Engelse uitdrukkingen overgenomen en veelvuldig gebruikt. Voor het begrijpen van de literatuur op EMC-gebied zijn daarom in sommige gevallen deze Engelse uitdrukkingen vermeld.

1.3 Vermelde getallen zijn richtwaarden

In deze cursus worden een aantal waarden voor afmetingen, afstanden en dempingen genoemd. Deze zijn gebaseerd op de huidige inzichten in de EMC. Ze moeten echter als richtwaarden gezien worden. Er kan geen verantwoordelijkheid genomen worden voor de juistheid daarvan of voor eventuele gevolgen van onjuistheden.

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 3

2 Opzet van de cursus

Er zijn een aantal basisbegrippen gedefinieerd in de lessen 01.0 en 02.0. Deze zijn nodig om het EMC-jargon te kunnen begrijpen en verwarring met soortgelijke begrippen uit andere vakken te vermijden.

De overdracht van stoorsignalen via geleiding, overspraak, koppeling en straling wordt in les 03.0 besproken.

Een aantal effecten en verschijnselen, nodig bij de behandeling van de EMC-maatregelen, wordt in les 04.0 besproken. Dit zijn onder

anderen het skineffect, elektrostatische ontlading en

bliksemverschijnselen. Mogelijk stoorbronnen en stoorgevoelige apparaten worden genoemd. De soorten stoorsignalen met hun eenheden zijn in les 02.0 besproken. Op de berekening van dempingswaarden van stoorsignalen wordt in deze les ingegaan.

Enkele eigenschappen, die voor alle EMC-maatregelen gelden, worden besproken. Tenslotte wordt ingegaan op de EM-niveaus van verschillende categorieën apparaten en de indeling daarvan in zones.

In de daarop volgende lessen worden de EMC-maatregelen besproken en wel in les 05.0 de aardingsmaatregelen en de verbindingen daarvan met de veiligheidsaarde en de bliksembeveiligingsinstallatie, in les 06.0 de bekabeling inclusief het gebruik van kabeldraagsystemen, in les 07.0 de afscherming van behuizingen, ruimten en kabels, in les 08.0 filtering en overspanningsbeveiliging en in les 09.0 opstelling en het houden van afstand.

In les 09.0 wordt verder een overzicht van de EMC-maatregelen gegeven en de samenhang en het balanceren van de verschillende maatregelen. Enige bijkomende maatregelen als corrosiepreventie, waterdichtheid en onderhoud van de maatregelen komen aan de orde.

In les 10.0 worden de EN-normen voor EMC behandeld. Tenslotte wordt ingegaan op EMC-metingen. Dit onderwerp wordt slechts beknopt behandeld.

3 Studieaanwijzingen en toepassing van de stof

EMC is een vak van ervaring. Het duurt enige jaren, voordat die ervaring in de praktijk bereikt is. Deze cursus vormt een goede ondergrond om die ervaring te bereiken. Sommige onderwerpen worden slechts beknopt behandeld en de finesses zullen u daardoor ontgaan. Als er enige ervaring opgedaan is met het toepassen van een bepaalde EMC-maatregel moet u de stof nog eens weer doornemen; er zullen u dan details opvallen, die wellicht toepasbaar zijn bij het probleem.

In de EMC worden vaak de maatregelen op het gevoel toegepast. In deze cursus zijn een aantal rekenvoorbeelden opgenomen om te laten zien, dat aan bepaalde gevallen wel degelijk ook gerekend kan worden.

In de praktijk zal vaak de vraag gesteld worden, of het niet goedkoper kan. Meestal zal het antwoord moeten luiden: NEE!

Om onderscheid in de zwaarte van de maatregelen te kunnen maken zijn de EM-niveaus en de EM-zones ingevoerd. Bij toepassing van een lichtere maatregel dan nodig geacht moet een risico-analyse

uitgevoerd worden. Deze analyse valt buiten het bestek van de cursus.

Het weglaten van EMC-maatregelen uit kostenoverwegingen blijkt in de praktijk vaak in een later stadium te leiden tot het maken van veel,

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 4

tot een factor 10, hogere kosten om alsnog EMC van een systeem of een installatie te bereiken.

4 Overzichten

4.1 Overzicht van formules 1. Ohmse weerstand van een draad

R =ρ ⋅l/A waarin:

R = weerstand inΩ

ρ = soortelijke weerstand inΩm l = lengte van de draad in m A = doorsnede van de draad in m² 2. Impedantie van een zelfinductie

Z_L=ωL = 2πf⋅L waarin:

Z_L = impedantie van een zelfinductie inΩ

ω = hoekfrequentie in rad/s (radialen per seconde) f = frequentie in Hz

L = zelfinductie in H 3. Capaciteit

C =εA / d =ε0⋅εr⋅A / d waarin:

C = capaciteit in F ε = permittiviteit in F/m

ε0 = permittiviteit van vacuüm in F/m εr = relatieve permittiviteit van de stof A = oppervlak in m²

d = afstand in m Voor lucht geldt:

C = 8,85⋅10⁻¹²A / d

4. Impedantie van een capaciteit Z_C= 1 / (ωC) = 1 / (2πf⋅C) waarin:

Z_C = impedantie van een capaciteit inΩ ω = hoekfrequentie in rad/s

f = frequentie in Hz C = capaciteit in F

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 5

5. Resonantiefrequentie in LC-kring ωr= 2πf_r= 1 /√MM M ML⋅C

waarin:

ωr = resonantiecirkelfrequentie in rad/s f_r = resonantiefrequentie in Hz

L = zelfinductie in H C = capaciteit in F 6. Koppelfactor

K = m / (L₁⋅L₂)^1⁄2 waarin:

K = koppelfactor

M = coëfficiënt van wederzijdse inductie in H L₁ = zelfinductie kring 1 in H

L2 = zelfinductie kring 2 in H 7. Golflengte

λ ⋅f = c waarin:

λ = golflengte in m f = frequentie in Hz c = lichtsnelheid in m/s

8. Spanning geïnduceerd door een magnetisch veld in een lus (wet van Faraday)

U = 7,9⋅10⁻⁶⋅µr⋅A⋅f⋅H [V]

waarin:

U = geïnduceerde spanning in V

µr = relatieve magnetische permeabiliteit A = oppervlak van de lus in m²

f = frequentie van het signaal in Hz H = magnetische veldsterkte in A/m 9. Geïnduceerde spanning

De door bliksemstroom geïnduceerde spanning in een lus is:

U = dΦ/dt =µ ⋅A (dI/dt) / 2πd = 2⋅10⁻⁷⋅µr⋅A⋅(dI/dt) / d waarin:

U = geïnduceerde spanning in V µr = relatieve permeabiliteit A = oppervlak van de lus in m² dI/dt = stroomsteilheid in A/s

gemiddelde afstand tussen stroomgeleider en lus in m

d =

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 6

10. Skindiepte δ= 1 /√MM M M M M M M M M{π⋅f⋅σ⋅µ}

= 503 /

√ M M M M M M M

δ = skindiepte in m f = frequentie in Hz

σ = soortelijke geleiding in S/m

µr = relatieve permeabiliteit van het metaal

Opmerking: De soortelijke geleidingσis het omgekeerde van de soortelijke weerstandρ, dusσ= 1 /ρ(ρinΩ⋅m).

Magnetische velden

11. Magnetisch veld van een lus H = I / 2 r

waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m I = stroom in A

r = straal van de lus in m

12. Magnetisch veld op afstand a van lus H = (I / 2 r) (r/a)³= I⋅r²/ 2 a³

waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m I = stroom in A

r = straal van de lus in m

a = afstand loodrecht op de lus, a.. r

13. Magnetisch veld van een draad (wet van Biot en Savart) H = I / 2πr

waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m I = stroom in A

r = afstand tot de draad in m

14. Magnetisch veld van twee parallelle draden H = I⋅d / 2π ⋅r²

waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m d = afstand tussen de draden in m I = stroom in A

r = afstand tot de draad in m

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 7

15. Magnetische inductie B =µ ⋅H

waarin:

B = magnetische inductie in T

µ = magnetische permeabiliteit in H/m H = magnetische veldsterkte in A/m 16. Magnetische flux

Φ=µ ⋅A⋅H = A⋅B waarin:

Φ = magnetische flux in Wb A = oppervlak in m²

Elektrische velden

17. Elektrische veldsterkte in het verre veld E = 7√MMP /r

waarin:

E = elektrische veldsterkte in V/m P = vermogen van de zender in W r = afstand tot de bron

18. Spanning in een staafantenne voor l,λ/10 U = E⋅l

waarin:

U = spanning op de geleider in V E = elektrische veldsterkte in V/m l = lengte van de geleider in m Elektromagnetische velden

19. Golfimpedantie Z = E / H

waarin:

Z = golfimpedantie inΩ

E = elektrische veldsterkte in V/m H = magnetische golflengte in A/m

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 8

20. Vermogensdichtheid S = E⋅H = E²/ Z = H²⋅Z E = √MM M MZ⋅S

H =√MM M MS /Z waarin:

Z = golfimpedantie inΩ

S = vermogensdichtheid in W/m² E = elektrische veldsterkte in V/m H = magnetische golflengte in A/m Stralingszones van velden

21. Stralingszones

De drie stralingszones van velden als functie van de afstand tot de bron zijn:

Nabije veld r,λ/ 10

Overgangsveld λ/ 10, r ,λ/ 2 Verre veld r.λ/ 2

waarin:

λ = golflengte in m

r = afstand tot de bron in m

Als alleen met het nabije en het verre veld gerekend wordt is de overgangstoestand:

r =λ/ 2π

Permeabiliteit en permittiviteit 22. Magnetische permeabiliteit

µ=µ0⋅µr

waarin:

µ = magnetische permeabiliteit in H/m

µ0 = magnetische permeabiliteit van het vacuüm in H/m µ_r = relatieve magnetische permeabiliteit van de stof 23. Permittiviteit

ε=ε0⋅εr

waarin:

ε = permittiviteit in F/m

ε0 = permittiviteit van vacuüm in F/m εr = relatieve permittiviteit van de stof

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 9

Resonanties en antennes

Staafantenne en éénzijdig aangesloten geleider 24. Resonantielengte

l = (1+2n)⋅¹⁄⁴λ; met: n = 0, 1, 2, 3, ...

waarin:

l = lengte van de geleider of antenne in m λ = golflengte in m

25. Resonantiefrequentie

f = (1+2n) c / 4 l; met: n = 0, 1, 2, 3, ...

f = 75 (1+2n) / l [MHz]

waarin:

f = frequentie in Hz c = lichtsnelheid in m/s

l = lengte van geleider of antenne in m

Draadantenne, dipoolantenne en tweezijdig aangesloten geleider 26. Resonantielengte

l = n⋅¹⁄²λ; met: n = 1, 2, 3, ...

27. Resonantiefrequentie

f = n⋅c / 2 l; met: n = 1, 2, 3, ...

f = 150 n / l [MHz]

28. Oriëntatie van geleiders en antennes K_α= K_maxcosα

waarin:

K_α = koppelfactor onder hoekα

K_max = maximale koppelfactor (elementen evenwijdig) α = hoek tussen de elementen

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 10

Demping van buizen 29. Rechthoekige buis

Demping algemeen:

a = 27,3 (l / b) {1−(f /f_g)²}^1⁄2 waarin:

a = demping in dB l = lengte in m

b = binnenafmeting grootste zijde van het buisje in m f = frequentie van het signaal in Hz

f_g = afsnijfrequentie in Hz Demping voor f , fg: a = 27,3 l / b dB

30. Ronde en zeshoekige buis Demping algemeen:

a = 31 (l / D) {1−(f /f_g)²}^1⁄2 waarin:

a = demping in dB l = lengte in m

D = binnendiameter van het buisje in m f = frequentie van het signaal in Hz f_g = afsnijfrequentie in Hz

Demping voor f , fg: a = 31 l / D dB Afsnijfrequentie 31. Rechthoekige buis

Afsnijfrequentie:

f_g= 150 / b [MHz]

waarin:

f_g = afsnijfrequentie in MHz

b = binnenafmeting grootste zijde van het buisje in m 32. Ronde en zeshoekige buis

Afsnijfrequentie:

f_g= 175 / D [MHz]

waarin:

f_g = afsnijfrequentie in MHz

D = binnendiameter van het buisje in m

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 11

4.2 Vuistregels

1. Zelfinductie van een geleider L_d= 1µH/m = 1⋅10⁻⁶H/m

Impedantie van een geleider ten gevolge van de zelfinductie:

Z_L= 2π10⁻⁶⋅f⋅l waarin:

Z_L = impedantie van de geleider inΩ f = frequentie in Hz

l = lengte van de geleider in m of:

Z_L= 6,3 f⋅l waarin:

f = frequentie in MHz

2. Capaciteit tussen twee draden of van een draad naar aarde C_d= 10 pF/m

4.3 Constanten

1. Permeabiliteit in vacuüm µ0= 4π10⁻⁷= 1,26⋅10⁻⁶H/m 2. Permittiviteit in vacuüm

ε0= 10⁷/ (4πc²) = 8,85⋅10⁻¹²F/m 3. Lichtsnelheid

c = 3,00⋅10⁸m/s (in vacuüm) 4. Golfimpedantie van het vrije veld

Z₀= 377Ω

5. Soortelijke weerstand Koper:ρ = 18.10⁻⁹Ωm

Opmerking: Voor verdere waarden zie les 04.0, tabel 1.

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 12

5 Afkortingen

Nederlands A - absorptie AR - aardrail

BBI - Bliksembeveiligingsinstallatie dB - decibel

EER - Europese Economische Ruimte EM - elektromagnetisch

EMC - Elektromagnetische compatibiliteit EMI - Elektromagnetische interferentie EN - Europese Norm

EU - Europese Unie F - filter

HF - hoogfrequent

HV - hoogspanning (. 30 kV) L - faseleider

LF - laagfrequent

LV - laagspanning (, 1 kV) MF - middenfrequent MR - multiple reflectie

MV - middenspanning (1 kV - 30 kV) N - nulleider

NEN - Nederlandse Norm NF - netfilter

PVI - potentiaalvereffeningsinstallatie R - reflectie

RF - radiofrequent TV - televisie Engels en Frans

AE - Auxiliary Equipment AMN - Artificial Mains Network CDN - Coupling Decoupling Network CE - Conformité Européenne

CISPR - Comité International des Perturbations Radioélectrique

CM - Common-mode

DCS - Distributed Control System DM - Differential-mode

DUT - Device under test EFT - Electrical Fast Transient EHF - extreme high frequency ELF - extreme low frequency ESD - ElectroStatic Discharge EUT - Equipment under test HF - High frequency IC - Integrated circuit

IEC - International Electrotechnical Commission ISM - Industrial, Scientific or Medical

ITE - Information Technology Equipment LISN - Line Impedance Stabilisation Network LEMP - Lightning Electromagnetic Pulse LF - low frequency

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 13

MF - medium frequency PCB - Printed Circuit Board PE - Protective Earth

SCADAS - Supervisory Control and Data Acquisition System SEMP - Switching Electromagnetic Pulse

SHF - super high frequency STP - Shielded Twisted Pair UHF - ultra high frequency

UPS - Uninterruptable Power Supply UTP - Unshielded Twisted Pair VHF - very high frequency VLF - very low frequency

VSDS - Variable Speed Drive System

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 14

6 Inhoudsopgave

Les 01.0 Definities en verklaring van begrippen 1 Inleiding in de EMC

2 Basisbegrippen en definities

Les 02.0 Basisbegrippen en interferentie 1 Frequentiespectrum

2 dB-rekening

3 Grootheden en eenheden 4 Ontstaan van interferentie 4.1 Emissie van stoorsignalen 4.2 Immuniteit voor stoorsignalen 4.3 Opbouw van een installatie 4.4 Interferentie

4.5 Veiligheids- of EMC-marge 5 EMC-Analyse

6 Effecten en verhelpen van interferentie 6.1 Effecten van interferentie

6.2 Oorzaken van interferentie 6.3 Verhelpen van interferentie 7 Bereiken van EMC

Les 03.0 Overdracht van stoorsignalen 1 Transportwegen

2 Magnetische velden 2.1 Inleiding

2.2 Lus 2.3 Draad

2.4 Twee parallelle draden

2.5 Magnetische inductie en magnetische flux 3 Galvanische verbinding; impedantie 4 Koppeling

4.1 Koppeling is oorzaak van interferentie

4.2 Koppeling via gemeenschappelijke impedanties 4.3 Capacitieve koppeling

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 15

4.4 Resonanties ontstaan door capaciteiten 4.5 Inductieve koppeling

4.6 Combinaties van koppelingen 5 Straling; koppeling via velden 5.1 Straling bron van interferentie

5.2 Verband tussen golflengte en frequentie 5.3 Koppeling van geleiders

5.4 Koppeling via magnetische velden 5.5 Koppeling via elektrische velden 5.6 Veldsterkte als functie van de afstand 5.7 Formules voor de elektrische veldsterkte 5.8 Koppeling via elektromagnetische velden 5.9 Resonanties

5.10 Voorbeelden van antennewerking

6 Oriëntatie van geleiders, lussen en antennes

Les 04.0 Inleiding in de EMC-maatregelen

1 Overzicht van enige begrippen uit de natuurkunde 2 Skineffect

2.1 Inleiding 2.2 Skindiepte

3 Stoorbronnen en stoorgevoelige apparaten 3.1 Stoorbronnen

3.2 Stoorgevoelige apparaten 4 Statische elektriciteit 4.1 Verschijnselen

4.2 Invloeden op elektronica

4.3 Ontstaan van elektrostatische lading

4.4 Maatregelen ter voorkoming van het ontstaan van ESD 4.5 Elektrostatische ontlading bij montage van

elektronische componenten 5 Bliksem

5.1 Inleiding 5.2 Soorten bliksem

5.3 Karakteristieken van een bliksemontlading

5.4 Berekening van de inductiespanning, veroorzaakt door een bliksemstroom

5.5 Gevolgen van een blikseminslag 6 Demping

7 Nauwkeurigheid van berekeningen

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 16

8 Keuze van EMC-maatregelen

9 Eigenschappen geldig voor alle EMC-maatregelen 9.1 Kosten, ruimte en gewicht

9.2 Werking van de EMC-maatregelen in twee richtingen 9.3 Balanceren van EMC-maatregelen

10 EM-niveaus en zone-indeling 10.1 EMC-eisen

10.2 EM-niveaus 10.3 EM-zones

10.4 Meervoudige zones

10.5 Voorbeelden van zone-indelingen Opgaven en opdrachten

Les 05.0 Aarding

1 Opbouw en werking van het EMC-aardingssysteem 1.1 Inleiding

1.2 Definitie van EMC-aardingssysteem 1.3 Werking van het EMC-aardingssysteem 1.4 Soorten aardingssystemen

2 Vormen van het EMC-aardingssysteem 2.1 Vormen van aardingssystemen

2.2 Impedantie 2.3 Aardvlak

2.4 Aardingsnetwerk of maasaarde

2.5 Eénpuntsaarde, stervormige aarde en serieaarde 2.6 Aardband en aardrail

2.7 Aarddraad

3 Aardverbindingen tussen metalen delen 3.1 Soorten aardverbindingen

3.2 Aardbanden voor apparatenaarding 3.3 Impedantie van aardverbindingen 4 Veiligheidsaarde en voedingsstelsel 4.1 Verbinding met EMC-aardingssysteem 4.2 Voedingsstelsels

4.3 Potentiaalvereffeningsinstallatie 4.4 Common-mode stromen

4.5 Eenvoudige installaties

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 17

5 Bliksembeveiligingsinstallatie 5.1 Maatregelen

5.2 Afstand BBI tot elektrische en elektronische delen;

zones

5.3 Indirecte bliksemontladingen 6 Instrumentatieaarde 6.1 Noodzaak

6.2 Uitvoering

7 EMC-aardingsmaatregelen op kastniveau 7.1 Aarding van componenten en apparaten 7.2 Aarding van kabelmantels

7.3 Kabeldraagsystemen

8 EMC-aardingsmaatregelen op installatieniveau 8.1 Inleiding

8.2 EMC-aardingssysteem 8.3 Industrieterrein 8.3.1 Aardingsnetwerk

8.3.2 Aarding; contact met de grond 8.3.3 Eenvoudige installaties 8.4 Gebouw

8.4.1 EMC-aardingssysteem; aardingsnetwerk 8.4.2 Constructieve metalen delen

8.4.3 Aardingsmaatregelen 8.4.4 Eenvoudige uitvoering

8.5 Hoge gebouwen en constructies

8.5.1 Torens, schoorstenen en dergelijke bouwwerken 8.5.2 Staalconstructies

8.6 Ruimten

8.6.1 EMC-aardingssysteem 8.6.2 Instrumentatieaarde

9 Overzicht van aardingsmaatregelen Les 06.0 Bekabeling

1 Inleiding 2 Kabelsoorten 2.1 Inleiding 2.2 Bedrading

2.3 Afgeschermde kabels

2.3.1 Kabels met enkelvoudige afschermmantel 2.3.2 Kabels met meervoudige afschermmantels 2.4 Coaxiale kabels

3 Afscherming van kabels en transfer-impedantie 3.1 Afschermdemping

3.2 Transfer-impedantie

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 18

4 Aansluiting van kabelmantels 4.1 Aansluiting aan beide einden

4.2 Aansluiting van kabelmantels bij de aanwezigheid van laagfrequente signalen

5 Kabelcategorieën 5.1 Indeling in groepen

5.2 Indeling naar spanningsniveaus 5.3 Leggen van kabels in categorieën 6 Resonanties in kabels

6.1 Resonanties in kabels

6.2 Resonantiefrequentiegebieden in installaties 6.3 EMC-maatregelen om resonanties te voorkomen

7 Tegengaan van het ontstaan van velden en koppelingen 7.1 EMC-maatregelen tegen het ontstaan van velden

7.2 Magnetische velden

7.2.1 Magnetische velden klein houden 7.2.2 Parallelle aardverbinding

7.2.3 Stroomdraden

7.3 EMC-maatregelen tegen het ontstaan van koppelingen 7.4 Kabellegging

7.5 Kabels nooit kriskras leggen 8 Glasvezelverbindingen 9 Netwerken

10 Kabeldraagsysteem 10.1 Inleiding

10.2 Soorten kabeldraagsystemen

10.3 Transfer-impedantie van kabeldraagsystemen 10.4 Constructie van kabeldraagsystemen

10.5 Kabelkanalen tussen kasten

10.6 Functie van kabelkanalen voor de EMC 10.7 Kabellegging en keuze van soort kabelkanaal 10.7.1 Normale eisen

10.7.2 Groot aantal kabels

10.7.3 Bijzondere omstandigheden 10.8 Verbinding kabelkanaal aan kast 10.9 Scheidingsschotten

10.10 Metalen constructiedelen als kabeldrager

11 Installatie van kabels in systemen en installaties 11.1 Kabelcategorieën

11.2 EM-omgeving

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 19

12 Installatie van kabels binnen kasten 12.1 Kabels

12.2 Losse bedrading 12.3 Wartels en connectoren Les 07.0 Afscherming

1 Principe van afscherming 1.1 Inleiding

1.2 Werking

1.3 Categorieën van afscherm- en filterdempingen 1.3.1 Inleiding

1.3.2 Soorten categorieën

1.3.3 Afschermcategorieën van EM-zones 1.3.4 Kastcategorieën

1.3.5 Categorieën van afgeschermde kabels 1.3.6 Dempingswaarden van filters

2 Theorie

2.1 Afschermdemping 2.1.1 Reflectie en absorptie

2.1.2 Theoretische demping van een plaat 2.2 Buizen; ‘waveguide-below-cutoff’

2.3 Invloed van openingen

3 Afschermmateriaal en verbindingsmethoden 3.1 Dempingswaarden van afschermmateriaal 3.2 Soorten afschermmateriaal

3.2.1 Metaalplaat 3.2.2 Metaalfolie 3.2.3 Metaalgaas

3.2.4 Geperforeerde metaalplaat 3.2.5 Honingraat

3.2.6 Opgebrachte metalen lagen 3.2.7 Kunststof met ingebrachte metalen 3.2.8 Doorzichtige panelen

3.3 Verbindingstechnieken 3.3.1 Contactvlakken blank

3.3.2 Afstand tussen verbindingspunten 3.3.3 Overlapping

3.3.4 Labyrint

3.3.5 Geleidende afdichtstrippen 3.3.6 Niet-losneembare verbindingen 3.3.7 Losneembare verbindingen 3.4 Afdekken van openingen 3.4.1 Grootte van de opening 3.4.2 Geleiding aan de randen

3.4.3 Massieve en geperforeerde plaat 3.4.4 Gaas

3.4.5 Honingraat

3.4.6 Geleidende doorzichtige lagen

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 20

4 In- en doorvoer van kabels 4.1 Inleiding

4.2 Contactering van kabelmantels 4.3 Kabelaansluitplaat

4.4 Niet-afgeschermde kabels 5 Afscherming van kasten 5.1 Inleiding

5.2 Onderbrekingen in een afscherming 5.3 Naden

5.4 Openingen 5.4.1 Deuren 5.4.2 Luiken

5.4.3 Ventilatieopeningen

5.4.4 Bedienings- en signaleringselementen en aanwijsinstrumenten 5.5 In- en doorvoer van kabels

5.6 Doorvoer van mechanische delen

5.6.1 Doorvoer van geleidende stangen, buizen en kokers 5.6.2 Doorvoer van isolerende stangen, slangen en buizen 5.7 Gesloten kast

5.8 Niet gesloten kast

6 Afscherming van ruimten 6.1 Inleiding

6.2 Afschermwand 6.3 Doorvoer van kabels

6.4 Doorvoer van mechanische delen 7 Meervoudige afscherming

Opgaven en opdrachten

Les 08.0 Filtering en overspanningsbeveiliging 1 Filtering

1.1 Inleiding 1.1.1 Doel van filters

1.1.2 Herkomst van stoorsignalen 1.1.3 Netvervuiling

1.2 Filtercomponenten 1.2.1 Eigenschappen 1.2.2 Weerstanden 1.2.3 Condensatoren 1.2.4 Blokkeercondensator 1.2.5 Zelfinducties

1.3 Principes van filters 1.3.1 Soorten filters 1.3.2 Aanrakingsgevaar

1.4 Werkfrequentiegebied van filters 1.5 Werking van netfilters

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 21

1.5.1 Demping 1.5.2 Netfrequentie 1.5.3 Praktisch netfilter 1.5.4 Dempingswaarden

1.6 Berekeningen aan filtercomponenten 1.6.1 Berekeningen aan impedanties 1.6.2 Netfrequentie

1.6.3 Demping voor frequenties in het werkgebied 1.6.4 Demping in praktische gevallen

1.7 Signaalleidingsfilters 1.8 Resonanties

1.9 Afmetingen van de filters 2 Ferrieten

2.1 Ferrietmateriaal en toepassingen 2.2 Kabel door ferrietring

2.3 Zelfinducties in filters 2.4 Ferrietmantels

3 Inbouw van filters 3.1 Inleiding

3.2 Plaatsing van de filters

3.3 Geen impedantie van filter naar aarde 3.4 Koppeling over filter

4 Filters in netleidingen

5 Andere oplossingen voor netleidingen 6 Filters in signaalleidingen

7 Overspanningsbeveiliging 7.1 Inleiding

7.2 Soorten pulsen 7.3 Afleidcomponenten

7.4 Overspanningsbeveiligingscircuits

7.5 Inbouw van overspanningsbeveiligingscircuits

Les 09.0 Opstelling, combinaties van maatregelen, corrosiepreventie, waterdichtheid en onderhoud

1 Opstelling en afstand 1.1 Inleiding

1.2 Vergroting van afstand 1.2.1 Koppeling

1.2.2 Oriëntatie van geleiders 1.2.3 Velden

1.2.4 Magnetische velden en magnetische stoorbronnen 1.2.5 Elektrische velden

1.2.6 Voorbeeld van beïnvloeding door magnetisch veld

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 22

1.2.7 Voorbeeld van beïnvloeding door een elektrisch veld 1.3 Opstelling en afscherming

2 Combinaties en balanceren van EMC-maatregelen Samenvatting van EMC-maatregelen

2.1 Inleiding 2.2 Overzicht

3 Inbouw van apparaten en elektronische circuits 3.1 Inleiding

3.2 Apparaten

3.3 Elektronische schakelingen 3.4 EMC-maatregelen

3.5 Inbouw in kasten en consoles 4 Voorkomen van corrosie 4.1 Inleiding

4.2 Galvanische reeks 4.3 Soorten corrosie

4.4 Maatregelen om corrosie te voorkomen 4.5 Gebruik van metalen

5 Waterdichtheid 5.1 Inleiding

5.2 Deksels

5.3 Deuren en luiken 5.4 Kabels

6 Onderhoud 6.1 Inspecties 6.2 Kritische delen

6.3 Uitvoeren van metingen 6.4 Onderhoudswerkzaamheden

Les 10.0 Normen, richtlijnen en metingen 1 Normen en richtlijnen

1.1 Internationale en Europese normen 1.2 CE-markering

1.3 Geldigheid 1.4 EN-normen

1.5 Nummering van normen 1.5.1 Inleiding

1.5.2 IEC-normen 1.5.3 CISPR-normen 1.5.4 EN-normen 1.6 EMI-normen 1.6.1 Inleiding 1.6.2 EMC-richtlijn

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0 23

1.6.3 Generieke normen 1.6.4 Basisnormen 1.7 Overzicht 2 Metingen

2.1 EMI- en EMC-metingen 2.2 Limieten

2.3 Soorten metingen 2.3.1 Hoofdindeling 2.3.2 Overzicht

2.3.3 EMI-metingen aan apparaten 2.4 Meetlaboratorium

2.4.1 Uitvoering van de metingen 2.4.2 Meetruimte

2.5 Meetapparaten 2.5.1 Inleiding

2.5.2 Meetapparaten voor emissiemetingen 2.5.3 Meetontvanger

2.5.4 Probes, koppelnetwerken en antennes

2.5.5 Probes en koppelnetwerken voor emissiemetingen 2.5.6 Antennes voor emissiemetingen

2.5.7 Meetapparaten voor immuniteitstests 2.5.8 Probes, koppelnetwerken en antennes voor

immuniteitstests 2.6 Testfaciliteiten

2.7 Uitvoering van EMI-metingen 2.7.1 Inleiding

2.7.2 Emissie van stoorspanning 2.7.3 Emissie van stoorstroom 2.7.4 Emissie van stoorvermogen 2.7.5 Emissie van magnetische velden 2.7.6 Emissie van elektrische velden

2.7.7 Immuniteit tegen elektrostatische ontladingen 2.7.8 Immuniteit tegen elektrische velden

2.7.9 Immuniteit tegen EFT/burst

2.7.10 Immuniteit tegen bliksemontladingen 2.7.11 Immuniteit tegen geleide stoorsignalen 2.7.12 Immuniteit tegen magnetische velden 2.7.13 Immuniteit tegen netspanningsvariaties 2.7.14 Stroominjectietest

2.8 Meten van netvervuiling 2.9 Afkeur- en goedkeurcriteria 2.10 Meetresultaten

2.11 Meetrapport 2.12 EMC-tests

Opgaven en opdrachten

PBNA/eiyy27/EP

57.98-00.0

Les 11.0 Examentraining 1 Examenopgaven 1 2 Examenopgaven 2

3 Uitwerking van examenopgaven 1 4 Uitwerking van examenopgaven 2

iei/1024 yyei/10

Koninklijke PBNA bv, postbus 9053, 6800 GS Arnhem. Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Dit is eveneens van toepassing op gehele of gedeeltelijke bewerking van de uitgave.

L

^57.98

^00.9

EMC

Uitwerking van de opgaven en opdrachten

Inhoud

1 Uitwerking van les 04.0, bladzijde 2 2 Uitwerking van les 07.0, bladzijde 4 3 Uitwerking van les 10.0, bladzijde 6

PBNA/eiyt16/EP

57.98-00.9 2

L

1 Uitwerking van les 04.0

1. EMC betekent: Elektromagnetische compatibiliteit EMI betekent: Elektromagnetische interferentie

EMC is de verdraagzaamheid tussen apparaten, bijvoorbeeld de verdraagzaamheid van een systeem of installatie in zijn EM-omgeving.

EMI is de storing van een apparaat.

2. De drie elementen van een stoorprobleem zijn:

– stoorbron(nen);

– transportwegen;

– gestoorde(n).

In geval van storing moet de emissie van stoorbronnen verlaagd worden en/of de immuniteit van gestoorden verhoogd. Daarnaast kunnen maatregelen op de transportwegen genomen worden. Bij de keuze van de maatregelen speelt het kostenaspect een rol.

3. De CM-spanning staat tussen geleiders of kabels en het aardvlak en de CM-spanning tussen geleiders.

4. a. De eenheid van stoorspanning isµV.

b. 77 mV = 77⋅10³µV komt overeen met:

20 log 77⋅10³= 98 dBµV.

c. Na een demping van 30 dB is de spanning:

98−30 = 68 dBµV, wat overeen komt met:

10^68/20= 2500µV = 2,5 mV.

5. a. De formule voor de magnetische veldsterkte in een lus is:

H = I⋅r²/ 2 a³ waarin:

I = 4 A

r = 3 cm = 0,03 m a = 10 cm = 0,1 m zodat:

H = 4 (0,03)²/ 2 (0,1)³= 2 A/m

De magnetische veldsterkte bedraagt 2 A/m.

b. De formule voor de magnetische veldsterkte van een draad is:

H = I / 2πr waarin:

I = 4 A

r = 10 cm = 0,1 m zodat:

H = 4 / 2π0,1 = 6 A/m

De magnetische veldsterkte bedraagt 6 A/m.

6. De formule voor de elektrische veldsterkte is:

E = 7√MMP /r waarin:

P = 100 kW = 1⋅10⁵W r = 100 m

zodat:

E = 7√MM M M₁₀⁵/100 = = 22 V/m

De elektrische veldsterkte bedraagt 22 V/m.

PBNA/eiyt16/EP

57.98-00.9 3

7. Voor de resonantiefrequenties van een tweezijdig aangesloten geleider geldt:

f = n⋅c / 2 l met: n = 1, 2, 3,...

waarin:

l = 6 m zodat:

f = n⋅3⋅10⁸/ 2⋅6 = n⋅25⋅10⁶Hz

De resonantiefrequenties zijn 25 MHz, 50 MHz, 75 MHz enzovoort.

8. Voor de skindiepte in koper geldt:

δ= 67 /√MMf [mm]

waarin:

f = 12 MHz = 12⋅10⁶Hz zodat:

δ= 67 /√MM M M M M_12⋅10⁶ = 0,02 mm

Een strip met een dikte van 2 mm is dus 2/0,02 = 100 skindieptes dik.

9. De formule voor de inductie van een bliksemstroom in een lus is:

U = 2⋅10⁻⁷⋅µr⋅A⋅(dI/dt)/d waarin:

A = 0,5 m² µr= 1

dI/dt = 60 kA/µs = 60⋅10⁹A/s d = 1,2 m

zodat:

U = 2⋅10⁻⁷⋅1⋅0,5⋅60⋅10⁹/1,2 = 5000 V = 5 kV De geïnduceerde spanning is 5 kV.

PBNA/eiyt16/EP

57.98-00.9 4

L

2 Uitwerking van les 07.0

1. Een aardverbinding moet bij voorkeur van een brede massieve band gemaakt worden. Zijn grote lengten niet te vermijden, dan is gevlochten litzeband het beste materiaal.

2. Een massieve aardbaan met een lengte niet groter dan 5 keer de breedte.

3. Een TN-S-stelsel moet bij voorkeur als voedingsstelsel gebruikt worden vanwege de gescheiden N- en PE-leidingen, wat bij het zoeken naar stoorstromen in het aardingssysteem van voordeel is.

4. Een aardingsnetwerk van een gebouw moet bestaan uit:

– alle metalen constructiedelen laagimpedant verbonden;

– de veiligheidsaarde;

– de bliksembeveiligingsinstallatie;

– ringleiding op elke verdieping;

– externe ringleiding verbonden met het aardingsnetwerk of aardelektroden;

– aardleidingen, die het aardingssysteem verkleinen tot een raster met mazen van 5 m×5 m tot 10 m×10 m.

5. a. Bij voorkeur worden afgeschermde kabels gebruikt.

b. De afschermdemping wordt gegeven door de transfer-impedantie.

6. Een kabelmantel moet bij doorvoer door een afschermwand bij voorkeur daarmee rondom galvanisch verbonden worden. Bij lage eisen aan de afschermdemping zijn andere methoden, die een

laagimpedantie verbinding garanderen, eveneens bruikbaar.

7. De belangrijkste eisen bij kabelleggen zijn:

– kabellengten klein houden;

– kabels indelen in kabelcategorieën;

– de kabelcategorieën separaat leggen;

– de kabelcategorieën loodrecht kruisen;

– kabels voeren op geleidend vlak, dat van kast tot kast loopt; bij enkele kabels is een parallelle aardverbinding voldoende;

– kabels niet in lussen leggen, maar bij voorkeur stervormig;

– kabels niet kriskras leggen;

– kabels eventueel afschermen door kokers of buizen.

8. Voor de magnetische inductie van een rechte draad in lucht (µr= 1) geldt:

B =µ ⋅H = 4π10⁻⁷⋅I / 2πr = 2⋅10⁻⁷I/r Worden de waarden:

B = 10µT = 10⋅10⁻⁶T I = 15 A

in de formule ingevuld, dan volgt voor de afstand:

r = 2⋅10⁻⁷⋅I/B = 2⋅10⁻⁷⋅15/10⋅10⁻⁶= 0,3 m

De stroomdraad mag niet binnen 0,3 m van het beeldscherm lopen.

9. De belangrijkste functies van het kabeldraagsysteem zijn:

– geleidend vlak onder de kabels;

– een afschermende werking.

10. De afschermdemping van openingen wordt hoofdzakelijk bepaald door de verhouding:

grootste afmeting van de opening tot golflengte van het stoorsignaal.

Bij dikke platen wordt de demping groter met toenemende dikte van de plaat.

PBNA/eiyt16/EP

57.98-00.9 5

11. Voor de afschermdemping van het ronde buisje geldt:

a = 31 l/D

Deze formule geldt alsλ.λg.

Voor de frequentie f = 300 MHz is de golflengte:

λ= c/f = 3⋅10⁸/300⋅10⁶= 1m

Voor het ronde buisje geldt voor de grensgolflengte:

λg= 2⋅0,86 D Er geldt:

D = 22 mm = 0,022 m zodat:

λg= 2×0,86×0,022 = 0,038 m

Dit is veel kleiner dan 1 m en dus geldt de formule voor de demping.

Met: a = 50 dB volgt voor de lengte van het buisje:

l = a⋅D / 31 = 50⋅0,022 / 31 = 0,035 m

De lengte van het buisje moet minimaal 35 mm zijn.

12. De losneembare galvanische verbinding met de hoogste afschermdemping is een mescontact in een U-vormige veer.

PBNA/eiyt16/EP

57.98-00.9 6

L

3 Uitwerking van les 10.0

1. Van een condensator neemt tot de resonantiefrequentie de impedantie af met de frequentie. De impedantie is laagfrequent hoog en neemt af met toenemende frequentie.

Een condensator wordt gebruikt:

– in filters als parallelelement voor het kortsluiten van stoorsignalen, meestal signalen met hoge frequenties, waar de impedantie laag is.

– als blokkeerelement voor de netspanning in meetprobes, dus bij een lage frequentie, waar de impedantie hoog is.

Van een zelfinductie neemt tot de resonantiefrequentie de impedantie toe. De impedantie is laagfrequent laag en neemt toe met toenemende frequentie. Een zelfinductie wordt gebruikt:

– in filters als serie-element voor het blokkeren van stoorsignalen, meestal signalen waarvan de frequenties hoog zijn, en waarbij de impedantie dus ook hoog is.

– in netwerken voor het blokkeren van de stoorsignalen van de netzijde, dus als filterelement.

2. Bij montagewerkzaamheden aan een kast kan een gevaar zijn, dat de condensatoren van de netfilters niet ontladen zijn.

3. Filters zijn meestal opgebouwd uit componenten, waarvan de impedantie frequentieafhankelijk is (zie vraag 1). Bij lage frequenties geeft dit een kleinere spanningsdeling, dus demping. Bij hoge

frequenties wordt de demping verlaagt door de aanwezigheid van parasitaire componenten.

4. a. Voor de impedantie van een condensator geldt:

Z = 1 / (ω ⋅C) = 1 / (2πf⋅C) Voor de netfrequentie volgt:

f = 50 Hz

C = 0,1µF = 0,1⋅10⁻⁶F zodat:

Z = 1 / (2π50⋅0,1⋅10⁻⁶) = 32⋅10³Ω= 32 kΩ Voor de laagste meetfrequentie geldt:

f = 9 kHz = 9⋅10³Hz zodat:

Z = 1 / (2π9⋅10³⋅0,1⋅10^-6) = 180Ω Voor de meetfrequentie:

f = 150 kHz = 150⋅10³Hz volgt:

Z = 1 / (2π150⋅10³⋅0,1⋅10⁻⁶) = 11Ω

b. Voor de impedantie van een zelfinductie geldt:

Z =ω ⋅L = 2πf⋅L

Voor de netfrequentie volgt:

f = 50 Hz

L = 50µH = 50⋅10⁻⁶H zodat:

Z = 2π50⋅50⋅10⁻⁶= 0,016Ω= 16 mΩ Voor de laagste meetfrequentie geldt:

f = 9 kHz = 9⋅10³Hz zodat:

Z = 2π9⋅10³⋅50⋅10⁻⁶= 2,8Ω

PBNA/eiyt16/EP

57.98-00.9

Voor de meetfrequentie:

f = 150 kHz = 150⋅10³Hz volgt:

Z = 2π150⋅10³⋅50⋅10⁻⁶= 47Ω

c. Bij filtering, bijvoorbeeld met een L-filter bestaande uit een zelfinductie en een condensator, hangt de bereikte demping ook af van de impedanties, die het filter van leidingen of apparaten ziet. Globaal volgt:

– voor een frequentie van 50 Hz dempt het filter weinig. Bovendien is de spanningsval over de zelfinductie klein, tot 60 A kleiner dan 1 V.

– voor een frequentie van 9 kHz zullen de stoorsignalen al een kleine demping ondervinden, meer door de impedantie van de zelfinductie dan die van de condensator, waarvan de waarde nog groot is, bijvoorbeeld ten opzichte van de impedantie van 50Ωof lager van leidingen.

– voor een frequentie van 150 kHz zullen de stoorspanningen merkbaar gedempt worden. De verhouding van de impedanties is dan een factor 4, dus nog niet erg groot.

d. Voor metingen kan de condensator als blokkerimpedantie voor de netspanning gebruikt worden.

De impedantie van 32 kΩzal de spanning over de meetweerstand met een factor 600 verlagen.

Dienen de componenten als filtercomponenten in netwerken voor metingen, dan geldt ongeveer hetzelfde als voor filtering en blokkering.

5. Koppeling van de ingaande en uitgaande leidingen van een filter kan de werking geheel of gedeeltelijk teniet doen.

6. Overspanningsbeveiliging dient om de amplitude van pulsen op leidingen, veroorzaakt door bliksemontladingen en schakelingen van hoge vermogens, te verlagen.

7. Een opstelling, waarbij afstand gehouden wordt tussen storende en stoorgevoelige eenheden, is eem goedkope EMC-maatregel, die als er ruimte is gebruikt moet worden.

8. Bij installaties, blootgesteld aan weersinvloeden, vochtige en chemische atmosferen, moet speciaal op corrosie en waterdichtheid gelet worden.

Voorbeelden zijn schepen, voedselverwerkende industrieën, waarbij veel water voor schoonmaken gebruikt wordt, zoals melkfabrieken en slachterijen en chemische industrieën, waarbij corrosieve dampen vrijkomen, zoals chloor.

9. De Europese of EN-normen worden in Europa gebruikt. Een hoofdindeling is:

– richtlijnen;

– productnormen;

– basisnormen.

10. EMC-metingen kunnen uitgevoerd worden door:

– EMC-meetlaboratorium van bedrijf;

– in het bedrijf door een EMC-adviseur;

– door een testhuis.

iei/107 eei/10

Koninklijke PBNA bv, postbus 9053, 6800 GS Arnhem. Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Dit is eveneens van toepassing op gehele of gedeeltelijke bewerking van de uitgave.

L

^57.98

^03.0

EMC

Overdracht van stoorsignalen

De manieren waarop stoorsignalen getransporteerd worden via geleiding en straling worden besproken.

Hiervoor is kennis van het ontstaan van magnetisch velden nodig. Daarnaast wordt op de inkoppeling van signalen in apparaten en leidingen ingegaan. Daarbij wordt ook op de oriëntatie van geleiders en lussen gelet.

Er worden, vooruitlopend op de les EMC-maatregelen, al enige maatregelen genoemd om interferentie te voorkomen.

Inhoud van de leskern 1 Transportwegen 2 Magnetische velden

3 Galvanische verbinding; impedantie 4 Koppeling

5 Straling; koppeling via velden

6 Oriëntatie van geleiders, lussen en antennes

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 2

Leskern

1 Transportwegen

Stoorsignalen kunnen op verschillende manieren van de bron naar de gestoorde vervoerd worden. De transportwegen kunnen in drie groepen verdeeld worden (zie les 01.0, afbeelding 5) en wel via:

– geleiding;

– koppeling;

– straling.

Elk van deze manieren kan weer onderverdeeld worden.

Geleiding

geleiding Geleiding van stoorsignalen vindt plaats door de verschillende geleiders tussen de stoorbron en de gestoorde. Dit kunnen zijn:

– net- en voedingskabels;

– signaalkabels;

– aardverbindingen in kabels;

– kabelmantels;

– aardingssysteem.

Dit wordt ook wel transport via een galvanische verbinding genoemd.

Koppeling

koppeling Koppeling wordt onderverdeeld in:

– koppeling via gemeenschappelijke impedanties in circuits;

– capacitieve koppeling;

– inductieve koppeling;

– combinaties van koppelingen.

Straling

straling Straling wordt onderverdeeld in transport via:

– magnetische inductie;

– magnetisch veld;

– elektrisch veld;

– elektromagnetisch veld.

2 Magnetische velden

2.1 Inleiding

Ten gevolge van stromen in geleiders ontstaan magnetische velden.

Om de transportwegen te kunnen begrijpen, worden deze magnetische velden eerst behandeld. Er worden formules gegeven voor de

berekening daarvan.

2.2 Lus

lus De magnetische veldsterkte H in het centrum van een lus ten gevolge van een stroom I in die lus wordt berekend met de formule

(afbeelding 1):

H = I/2 r

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 3

waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m I = stroom in A

r = straal van de lus in m

kurkentrekkerregel De richting van de veldsterkte wordt gevonden met de kurkentrekkerregel.

5798-030-001-D

r H=I/ 2 r

I

Afbeelding 1

Magnetische veldsterkte in het centrum van een lus

De magnetische veldsterkte neemt af met de afstand tot de lus. Deze afname is evenredig met de derde macht van de af stand

(afbeelding 2). De afname is ook afhankelijk van de grootte van de lus.

Voor een punt P op een afstand a loodrecht op het oppervlak van de lus, waarbij a groot is ten opzichte van r, geldt:

H = (I/2 r) (r/a)³= I⋅r²/2 a³ waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m I = stroom in A

r = straal van de lus in m

a = afstand loodrecht op de lus, a.. r

5798-030-002-D

H I

I P

a

Afbeelding 2

Afname van de magnetische veldsterkte als functie van de afstand tot de lus

Voorbeeld

In een lus met straal r = 5 cm loopt een stroom I = 5 A.

De magnetische veldsterkte in het centrum van de lus is:

H = I/2 r = 5/2×0,05 = 50 A/m

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 4

In een punt P op een afstand a = 15 cm van de lus is de magnetische veldsterkte:

H = I⋅r²/2 a³= 5×(0,05)²/2 (0,15)³= 2 A/m

2.3 Draad

draad De magnetische veldsterkte van een draad wordt gegeven door de wet van Biot en Savart. Deze zegt, dat de magnetische veldsterkte H van een draad (eigenlijk een oneindig lange draad), waarin een stroom I loopt op een afstand r gelijk is aan (afbeelding 3):

H = I/2πr waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m I = stroom in A

r = afstand tot de draad in m

De richting van de magnetische veldsterkte wordt gevonden door de kurkentrekker kurkentrekker zo te draaien, dat deze zich in de richting van de stroom

beweegt. De draairichting geeft de richting van het veld aan.

5798-030-003-D

r I

H=I/2 πr

Afbeelding 3

Magnetische veldsterkte van een draad

Vraag 1

Een draad, waarin een stroom van 30 A loopt, loopt op een af stand van 30 cm langs een kast. Bereken de magnetische veldsterkte bij de kastwand.

2.4 Twee parallelle draden

twee parallelle draden Twee parallelle draden van hetzelfde circuit op een afstand d worden beschouwd (afbeelding 4). De stromen in de draden hebben dezelfde grootte, maar lopen in tegengestelde richtingen.

De magnetische velden, die ze opwekken zullen elkaar gedeeltelijk compenseren. Des te dichter de draden bij elkaar lopen, des te kleiner de overblijvende magnetische veldsterkte. De formule voor de veldsterkte is:

H = I⋅d/2π ⋅r²

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 5

waarin:

H = magnetische veldsterkte in A/m d = afstand tussen de draden in m I = stroom in A

r = afstand tot de draad in m

5798-030-004-D

d l₁

l2

H1 H₂

Afbeelding 4

Magnetisch veld van twee parallelle draden

Vraag 2

Als de retourdraad van vraag 2 op 1 cm van de heengaande draad wordt gelegd, bereken dan met welke f actor de magnetische veldsterkte af neemt.

2.5 Magnetische inductie en magnetische flux Bij een magnetisch veld behoort een magnetische inductie en een magnetische f lux. De magnetische inductie wordt ook wel magnetische f luxdichtheid genoemd.

magnetische inductie Voor de magnetische inductie geldt:

B =µ ⋅H waarin:

B = magnetische inductie in T

µ = magnetische permeabiliteit in H/m H = magnetische veldsterkte in A/m magnetische flux De magnetische flux is:

Φ=µ ⋅A⋅H = A⋅B waarin:

Φ = magnetische flux in Wb A = oppervlak in m²

Hierin geldt voor de magnetische permeabiliteit:

µ=µ0⋅µr

waarin:

µ0= magnetische permeabiliteit van het vacuüm in H/m µr= relatieve magnetische permeabiliteit van een stof µ0= 4π10⁻⁷= 1,26⋅10⁻⁶H/m

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 6

Voorbeeld

De magnetische veldsterkte in een lus met oppervlak A = 1 dm²= 0,01 m²is H = 50 A/m². De relatieve magnetische permeabiliteit is µr= 1.

De magnetische inductie is:

B =µ ⋅H = 1,26⋅10⁻⁶⋅50 = 63⋅10⁻⁶T = 63µT De magnetische flux is:

Φ=µ ⋅A⋅H = 1,26⋅10⁻⁶⋅0,01⋅50 = 0,63⋅10⁻⁶Wb

3 Galvanische verbinding; impedantie

De hoogfrequent eigenschappen van een galvanische verbinding worden besproken.

Draad

draad De meest voorkomende galvanische verbinding is een draad. De ohmse weerstand daarvan wordt berekend met de formule:

R =ρ ⋅l/A waarin:

R = weerstand inΩ

ρ = soortelijke weerstand inΩm l = lengte van de draad in m A = doorsnede van de draad in m²

Dezelfde formule geldt voor een geleider met een willekeurige doorsnede, bijvoorbeeld een strip.

Zelfinductie

Bij hoge frequenties wordt de weerstand van een draad overheerst zelfinductie door de impedantie ten gevolge van de zelfinductie. Een vuistregel

voor de waarde van de zelfinductie van een geleider is:

Vuistregel

L_d= 1µH/m = 1⋅10⁻⁶H/m

De impedantie van een zelfinductie is:

Z_L=ωL = 2πf⋅L waarin:

Z_L = impedantie van een zelfinductie inΩ

ω = hoekfrequentie in rad/s (radialen per seconde) f = frequentie in Hz

L = zelfinductie in H

De impedantie van de zelfinductie neemt toe met toenemende frequentie. Bij lage frequenties is deze laag. Bij een bepaalde frequentie f requentie zal de waarde groter worden dan die van de weerstand en

deze daarna overheersen (afbeelding 5). Deze frequentie varieert met

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 7

de doorsnede van de draad. Globaal wordt gerekend, dat boven 1 kHz de impedantie van een draad door de zelfinductie bepaald wordt.

5798-030-005-D

f R

ωL

frequentie

impedantie

Afbeelding 5

Impedantie van een draad als functie van de frequentie

Voor de impedantie van een draad volgt uit de waarde van de vuistregel de formule:

Z_L= 2πf⋅l = 2πf L_d⋅l = 2π⋅10⁻⁶f⋅l waarin:

Z_L = impedantie van een zelfinductie inΩ ω = hoekfrequentie in rad/s

f = frequentie in Hz

L_d = zelfinductie per meter lengte in H/m l = lengte van de draad

Voorbeeld

Voor een draad met bepaalde afmetingen wordt berekend, wanneer de impedantie tengevolge van de zelfinductie de ohmse weerstand gaat overheersen. Laagfrequent is de impedantie van de zelfinductie laag.

Er wordt uitgerekend, bij welke frequentie de impedantie dezelfde waarde heeft als de weerstandswaarde.

Stel de afmetingen van een koperen draad zijn:

doorsnede : A = 6 mm²= 6⋅10⁻⁶m²

lengte : l = 1 m

Voor koper geldt:

soortelijke weerstand : ρ= 18⋅10⁻⁹Ωm

De weerstand van deze draad wordt berekend. Er geldt:

R =ρ ⋅l/A = 18⋅10⁻⁹⋅1/6⋅10⁻⁶= 0,003Ω

Voor de impedantie tengevolge van de zelfinductie van de draad geldt de formule:

Z_L= 2πf L_d⋅l

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 8

Voor de frequentie volgt dan:

f = Z_L/2πL_d⋅l

Worden hierin de waarden ingevuld, dan volgt:

f = 0,003/2π ⋅1⋅10⁻⁶⋅1 = 500 Hz

Hieruit blijkt, dat reeds boven een relatief lage frequentie van 500 Hz de impedantiewaarde tengevolge van de zelfinductie de

weerstandswaarde overtreft.

Voor draden met een grotere doorsnede wordt deze frequentie nog lager.

Vraag 3

Wat is in het EMC-f requentiegebied de betekenis van de impedantie van een draad voor de verbindingen?

4 Koppeling

4.1 Koppeling is oorzaak van interferentie

Koppeling tussen circuits is één van de oorzaken, die interferentie van installaties veroorzaken. De manieren van koppelen worden daarom uitvoerig besproken. Ook worden reeds aanwijzingen gegeven om koppeling te voorkomen.

4.2 Koppeling via gemeenschappelijke impedanties Een veel voorkomende oorzaak van interferentie is de koppeling via gemeenschappelijke

impedanties

gemeenschappelijke impedanties.

Deze worden bijvoorbeeld veroorzaakt door geleiders die gemeenschappelijk gebruikt worden door meerdere circuits (afbeelding 6). Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn voor voedingssystemen of het aardingssysteem.

Zoals al besproken is heeft elke geleider een zelfinductie, die bij hoge frequenties de impedantiewaarde bepaalt. Een stroom in één van de circuits veroorzaakt een spanning over deze impedantie, die dan in serie met de spanning van het andere circuit komt te staan. Dit kan tot interferentie aanleiding geven.

ééndraadsverbindingen Dit is ook de reden, dat ééndraadsverbindingen met een gezamenlijke retourleiding uit EMC-oogpunt verboden zijn. De retourleiding vormt een gezamenlijke impedantie voor alle aangesloten circuits. Dit moet vermeden worden door circuits hoogstens op één punt met elkaar te verbinden.

5798-030-006-D

z₁

zg

z2

circuit 1

circuit 2 Afbeelding 6

Circuits met een gezamenlijke impedantie Z_g

PBNA/eiyp17/EP

57.98-03.0 9

Vraag 4

Bereken bij een stroom van 100 mA bij een f requentie van 10 MHz de spanningsval over de impedantie van een stuk draad van 0,10 m.

4.3 Capacitieve koppeling

capacitieve koppeling Capacitieve koppeling tussen circuits ontstaat door de aanwezigheid van capaciteiten tussen geleidende delen van de circuits. Vaak zijn dit parallel lopende draden of parallelle (aard)vlakken. De werking van elektrische velden een condensator is afhankelijk van elektrische velden, zodat deze

koppeling met de aanwezigheid van spanning samenhangt.

Een condensator bestaat in principe uit twee geleidende delen, die zich op een zekere afstand van elkaar in lucht of met een tussenstof

bevinden. Voor twee metalen platen met een oppervlak A op een afstand d, waartussen zich een stof met een permittiviteitεbevindt, wordt de capaciteit gegeven door de formule (afbeelding 7):

C =εA/d =ε0⋅εr⋅A/d waarin:

C = capaciteit in C

ε = permittiviteit in F/m;ε=ε0⋅εr

ε0 = permittiviteit van vacuüm in F/m εr = relatieve permittiviteit van de stof A = oppervlak in m²

d = afstand in m

Voor de permittiviteit in vacuüm geldt:

ε0= 10⁷/(4πc²) = 8,85⋅10⁻¹²F/m Voor de meeste stoffen is:εr. 1

εr= 1 Voor lucht geldt:εr= 1

lucht In lucht wordt de formule voor de capaciteit dus:

C = 8,85⋅10⁻¹²A/d

5798-030-007-D

aansluitdraad A

d ε

Afbeelding 7

Principe van een condensator