Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
E-pošta: marko.jankovec@fe.uni-lj.si
Kaj se zgodi z osciloskopom, ko se s prstom dotaknemo sonde? Sherlock Holmes ima odgovor.
V zadnjih dveh prispevkih sem predstavil elektromagnetno združljivosti elektronskih naprav s stališča prostega pretoka blaga, zakonodaje in standardizacije.
Malo smo se dotaknili tudi stroke, kjer smo razdelali glavne elektrotehniške pojave, ki nastopajo v EMC zgodbi. Sedaj pa je čas, da zagrabimo bika za roge in pobrskamo po drobovju te pošasti.
Kot rečeno, EMC modeliramo s tremi glavnimi sklopi, to so izvor, povezava in žrtev. Kot pravi elektrotehniki se, po zgledu kolegov zdravnikov, najprej lotimo srčike problema, to je izvora. Če se poglobimo vse do Einsteinove posebne teorije relativnosti, elektromagnetno sevanje povzročijo pospešeni elektroni. Elektroni pa pospešujejo (in tudi zavirajo), kadar se v vezju hitro spreminja električni tok. Spremembe so lahko enkratni prehodni pojavi ali pa so v obliki izmenične veličine različnih oblik in frekvenc. Da zajamemo vse, jih bomo zapisali kot odvode po času, kot je to na slikah 1, 2.
Kot kažeta sliki, v grobem ločimo dva mehanizma generiranja motenj, to sta napetostni in tokovni mehanizem. Zakaj ju ločimo, če pa smo rekli, da so pospešeni elektroni – torej tokovne spremembe edino, kar šteje. Skrivnost tiči v impedancah tokokrogov. Vezje na sliki 1 si lahko predstavljate kot napetostni vir s paličasto anteno, katerega zaključek tokokroga skozi prostor lahko predstavimo kapacitivnostjo C. Tak vir seva pretežno električno polje, kar pomeni, da ima visoko valovno impedanco. Dualno gledano pa lahko tokovno zanko na sliki 2 opišemo z induktivnostjo L. Taka zanka seva pretežno magnetno polje, ki ima nizko valovno impedanco.
Verjetno se že sprašujete, zakaj bi bila pa valovna impedanca pomembna. Valovna impedanca Z je eden osnovnih podatkov elektromagnetnega valovanja. V splošnem je kompleksno razmerje med električno E in magnetno H poljsko komponento in jo lahko za transverzalno elektromagnetno polje (TEM) v homogenem mediju zapišemo kot koren kvocienta permeabilnosti in dielektričnosti medija, F1:
V vakuumu in tudi v zraku je ta vrednost realna in enaka, F2
Vendar pa se v bližini izvora spremeni glede na to, kakšnega tipa je sam izvor. Razmere nazorno prikazuje slika 3.
Glede na oddaljenost od izvora torej ločimo bližnje in daljne polje, kjer je valovna impedanca v bližnjem polju odvisna od tipa izvora, medtem ko je v daljnem polju odvisna zgolj od medija, tip izvora pa nanjo ne vpliva več. Meja med bližnjim in daljnim poljem je “formula F5” in je neposredno povezana z valovno dolžino oz. frekvenco valovanja, ki sta v zraku povezani s svetlobno hitrostjo, F6:
Poglejmo si primer: Pri elektromagnetnem valovanju omrežne frekvence 50 Hz je valovna dolžina 6000 km, kar pomeni da se bližnje polje razteza tja do 1000 km od izvora. Pri frekvenci 1 MHz seže le še do 50 m, medtem ko se pri 1 GHz bližnje polje neha že pri 5 cm.
Še vedno pa nismo prišli do bistva, zakaj je ta podatek pomemben s stališča elektromagnetne združljivosti. Še malo potrpite.
Poglejmo si, kako se motnje iz izvora širijo v prostor. V primeru napetostnega izvora (slika 4) si lahko predstavljamo sevalni prenos motnje do žrtve prek skupne kapacitivnosti, kjer žrtev predstavimo z neko realno impedanco – upornostjo.
Slika 4 predstavlja vezje napetostnega delilnika, ki ga sestavljata medsebojna kapacitivnost C12 in vhodna upornost žrtve R□, F7:
Iz enačbe je razvidno, da je prenos motnje tem večji, čim večja je medsebojna kapacitivnost in vhodna upornost žrtve.
Slika 5 predstavlja nasprotni primer, kjer modeliramo sklop magnetnega polja, povzročenega s tokom v zanki I1 z medsebojno induktivnostjo L12, ki se sklaplja na žrtev, ponazorjeno z upornostjo R□. Dobimo vezje tokovnega delilnika, F8
Iz enačbe je razvidno, da je prenos motnje tem večji, čim večja je medsebojna induktivnost in vhodna prevodnost žrtve.
Obe enačbi veljata v primeru harmoničnega motilnega signala in realne upornosti žrtve, da sta demonstracijska izračuna enostavnejša.
Oba modela na slikah 4 in 5 le približno veljata, če se nahajamo v bližnjem polju in za model prenosa izberemo tistega, ki bolj ustreza dejanskemu primeru. V primeru daljnega polja imamo vedno opravka z elektromagnetnim poljem, ki je enako ne glede na impedanco izvora.
In sedaj končno pridemo do težko pričakovanega odgovora na vprašanje: Zakaj se vse to gremo?« Preprosto povedano gre za to, kako se električna in magnetna komponenta med seboj povezujeta. V primeru bližnjega polja sta komponenti med seboj zelo šibko sklopljeni in se širita neodvisno ena od druge. To pomeni, da se morate v bližnjem polju ukvarjati z vsako komponento posebej. Za električno polje (visoka valovna impedanca) za zaščito zadostuje kovinski prevodni material, medtem ko je za magnetno polje (nizka valovna impedanca) potrebno poseči po materialih z visoko permeabilnostjo. Ko pa preidemo v daljne polje, pa sta obe komponenti polja neločljivo povezani med seboj z valovno impedanco praznega prostora in dovolj je, da zadušimo eno od obeh. Tukaj prikladno izberemo visoko prevoden material, ki učinkovito ščiti pred električnim poljem, saj so materiali z visoko permeabilnostjo dragi.
Glede na vrsto motnje pa lahko izberemo tudi ustrezen ukrep za zmanjšanje motnje pri samem izvoru. V primer napetostno generirane motnje lahko znižujemo napetost ali zgolj hitrost prehodov (odvod oz. frekvenčno vsebino) ali pa površino vozlišča, ki zmanjšuje medsebojno kapacitivnost. V primeru tokovno generirane motnje pa poleg očitnega znižanja amplitude ali hitrosti prehodov signala lahko tudi zmanjšamo površino zanke, po kateri teče motilni tok.
Ne glede na pristop, je vse skupaj je podobno dilemi, ki jo ima zdravnik, ko pridete k njemu zaradi vročine. Če je bakterijska okužba, bo predpisal antibiotik, če je viroza, pa zgolj čaj in počitek. Ključna pa je diagnoza, kajti napačno zravljenje ne bo nujno prineslo želenega rezultata, zato je potrebno problem analizirati do te mere, da določimo najverjetnejši mehanizem generacije motnje in prenosa.
Poglejmo si dva primera
S prstom se dotaknemo konice osciloskopa in na osciloskopu vidimo motnjo z osnovno frekvenco 50 Hz. Kaj se dogaja? Kot Sherlock Holmes se lotimo natančne indukcije – sklepanja iz posamičnih podrobnosti k splošnem zaključku. Vprašajmo se nekaj tipičnih vprašanj:
Ali smo v bližnjem ali daljnem polju? Frekvenca motnje je 50 Hz, meja med bližnjim in daljnim poljem je 1000 km. Zelo verjetno je vir motnje bližje od tega, torej smo v bližnjem polju. Ker smo v bližnjem polju, nas zanima ali je prenos motnje prek električnega ali magnetnega polja.
Kakšnega tipa je vir motnje? Glede na frekvenco 50 Hz so vir motnje napetosti in tokovi iz električnega omrežja v naši okolici in iz tega ne moremo določiti, kateri prevladujejo.
Kolikšna je impedanca žrtve? Žrtev je vhod osciloskopa, ki ima impedanco 1 MΩ. Iz tega lahko sklepamo, da se motnja na osciloskop prenaša prvenstveno prek bližnjega električnega polja, saj primer najbolj ustreza modelu na sliki 4!
Normalno je okolici izpostavljena le miniaturna konica sonde osciloskopa, ki štrli ven iz sicer oklopljenega koaksialnega kabla. S tem ko smo se špice dotaknili, smo za več velikostnih razredov povečali medsebojno kapacitivnost med vhodom osciloskopa (žrtvijo) in hišno inštalacijo (izvorom). Najboljša zaščita bi v tem primeru seveda bila, če bi se celi ovili v alu-folijo in ozemljili, kar nekaterim nasprotnikom 5G niti ne bi bilo tako tuje, če se malo pohecamo.
Senzor temperature – termočlen meri temperaturo kovinskega kosa, ki ga grejemo tako, da neposredno skozi njega spustimo visok električni tok. V signalu izmerjene temperature opazimo visok motilni signal frekvence 50 Hz. Kaj pravi Sherlock?
Z istim sklepanjem kot v prejšnjem primeru ugotovimo, da gre za bližnje polje.
Kakšnega tipa je vir motnje? Skozi močan električni grelec teče velik električni tok. Sicer je za vsak tok potrebna tudi električna napetost, ki pa je nizka. Zelo verjetno je motnja bližnje magnetno polje.
Kaj pa impedanca žrtve? Tukaj smo v dilemi, kajti termočlen ima sicer nizko upornost, vendar je na drugi strani priklopljen v inštrument (voltmeter), ki ima verjetno visoko vhodno impedanco – vsaj 1 MΩ. Izgleda, kot da se tukaj težje poistovetimo z modelom na sliki 5. Vendar je to zgolj na prvi pogled. Če je na sliki 5 motilna veličina tok, nas v našem primeru zanima izmerjena napetost. Torej moramo za določitev motnje pomnožiti motilni tok z vhodno impedanco inštrumenta. In že se nam prikaže slika prenosa motnje prek bližnjega magnetnega polja.
Kaj pa nam je tukaj storiti? Vsekakor ne moremo zmanjšati motilnega toka, če želimo segreti obdelovanec v želenem času. Ravno tako ne moremo oddaljiti senzorja, če želimo meriti temperaturo obdelovanca. Lahko pa zmanjšamo magnetni sklop – medsebojno induktivnost med tokokrogom motnje, ki teče skozi obdelovanec in kablom senzorja temperature. To najlaže storimo s sukanjem obeh žil – t.i. sukanim vodom, ki povzroči, da se inducirano magnetno polje v kablu v večini odšteje. Važno je še vedeti, da v tem dodatno oklopljen kabel ne pomaga. Tako kot ne pomaga antibiotik pri virozi.
Zaključek
Naslednjič pa si bomo, kot pravi elektroniki, pogledali dogajanje v vezjih. Najprej digitalna. In pri tem seveda ne bomo pozabili na ponovitev današnjih osnov elektrotehnike in elektromagnetike.
