Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
V zadnjem prispevku pred počitnicami smo ugotovili, da preklopni časi signalov najbolj vplivajo na izdatnost generacije elektromagnetnih motenj.
S tem v mislih smo si pogledali nekaj glavnih virov sevanja v digitalnih in analognih vezjih, kjer smo prišli do ugotovitev, da je poleg frekvenčne bogatosti samega signala pomembna tudi pot, po kateri signal poteka. Pri napetostno generiranih motnjah moramo zmanjševati medsebojno kapacitivnost tako, da zmanjšujemo površine vozlišč, medtem ko je pri tokovno generiranih motnjah pomembno zmanjšati površino zank. To je vse lepo zapisano in jasno na papirju, a v praksi je potrebno podrobno poznati delovanje vezja, da lahko ocenimo, katera vozlišča oz. zanke so kritične, saj ne moremo vsega vprek jemati z isto mero. Postaviti si moramo prioritetno lestvico, po kateri se lotimo najprej najbolj kritičnih delov vezja in nato ostalega.
Če bralci te serije prispevkov menite, da sedaj veste že skoraj vse, kar se o EMC teoriji da vedeti, vas moram razočarati, saj je ta vaša samozavest morda le posledica Dunning-Krugerjevega efekta: To je, kadar je nekdo, ki že nekaj ve, prepričan, da ve že skoraj vse in to govori vsem okrog sebe. Že po nekaj stavkih mi boste dali prav. Namreč, v prejšnjem prispevku sem vam razkril samo pol zgodbe.
Dajmo stopiti korak nazaj in si poglejmo še en osnoven pojem iz teorije EMC, v bistvu bolj iz teorije vezij. To so diferencialni in sofazni signali. Predstavljajte si vir signala na levi in breme na desni strani, kot je to prikazano na sliki 1.
Vir je lahko karkoli, npr. omrežna vtičnica, USB adapter, avdio ali HDMI izhod, … medtem ko je ustrezno breme na drugi strani lahko električni aparat, mobilni telefon, avdio ojačevalnik ali pa monitor. Kabel med njimi vsebuje vsaj dve žici, po katerih se prenašajo signali. Eden od Kirchoffovih zakonov pravi, da mora biti vsota vseh tokov, ki tečejo v vozlišče, enako nič. In to bi veljalo v vseh enosmernih ali počasnih izmeničnih tokokrogih, ko pa preidemo v visokofrekvenčna vezja, kamor spada tudi področje EMC, pa lahko na Kirchoffov zakon kar pozabimo. Vedno namreč obstajajo še druge poti, po katerih se lahko prenašajo signali, pa naj bodo to dodatne žične ali pa brezžične povezave. O čem govorim? Predstavljajte si, da je ohišje bremena ozemljeno in da je vir tudi ozemljen, kot je npr. ozemljen električni aparat, ki se napaja iz omrežne vtičnice. Po ozemljitvenem vodniku takrat obstaja realna tretja pot, po kateri lahko teče del signala iz vira. Ta signal pa lahko teče le, če obstaja napetostna razlika med ozemljitvenima sponkama obeh elementov. Ta napetostna razlika pa je lahko posledica izvornega toka, ki se v bremenu preko različnih notranjih impedanc (Zc1 in Zc2 ) zaključuje proti ohišju, lahko pa je nastala v samem bremenu kot posledica notranjih motilnih signalov. Ne glede na nastanek, si je lahko predstavljati, da ta majhen delež toka po ozemljitvenem vodniku oklepa proti glavnemu kablu neprimerno večjo površino zanke, kot sam tok v kablu in tako prispeva k sevanju neželenih motenj. Sedaj pa si predstavljajte, da fizično tretjo povezavo odstranite. Ali se s tem problemu izognete? Izkaže se, da lahko tretja povezava lahko poteka tudi prek zraka v obliki elektromagnetnega polja. Kako, si bomo pogledali malo kasneje. Ta del zaključimo še z definicijo nekaj osnovnih pojmov. Na sliki 1 tokova I1 in I2 predstavljata tokova v posameznih žilah dvožilnega kabla med izvorom in bremenom. Po tretji poti, označeni s črtkano povezavo teče njuna razlika in temu toku, označenem s Icm rečemo sofazni tok (ang. common mode):
medtem ko je diferencialni tok Id (ang. differential mode) tisti delež, ki teče po kablu samem:
Diferencialni tok običajno tretiramo kot koristni tok, se pravi tisti, ki opravlja funkcijo (napajalni tok, avdio ali video signal, …), medtem ko je sofazni tok neželen in največkrat glavni vzrok za težave z EMC naše naprave. Poglejmo si, kakšni vlogi v vsem tem imata. Na sliki 2 sta narisani dve signalni žici, po katerih tečeta sofazni in diferencialni tok.
Ker sta diferencialni komponenti toka po definiciji nasprotno enaki, se njuni komponenti električnega polja odštevata, medtem ko se polja zaradi sofaznih komponent seštevata. Iz teorije anten lahko vzamemo enačbi za izračun obeh komponent jakosti električnega polja na razdalji R, ki veljata za dolgi žici dolžine L in razmakom d v zraku [1]:
Vidimo, da je električna poljska jakost zaradi diferencialnega signala sorazmerna frekvenci na kvadrat f2 in površini zanke Ld, medtem ko je pri sofazni komponenti sorazmerna frekvenci f in dolžini žic L.
Vzemimo primer dolžine kabla L=1m, kjer žici oklepata površino zanke A=2cm2. Na razdalji R=1m nam pri frekvenci f=100MHz generira diferencialni tok Idm=1mA enako električno poljsko jakost, kot precej manjši sofazni tok Icm=0,8µA, in sicer E=26µV/m=28dBµV/m. To pa je vrednost jakosti elektromagnetnega polja, ki že presega meje najstrožjega nivoja dovoljenih motenj 18dBµV/m standarda za avtomobilsko industrijo EN55025:2021 v frekvenčnem pasu, kjer se nahajajo frekvence FM radijskih postaj. Sedaj si pa predstavljajte kabel od baterije do motorja v električnem avtu, kjer tečejo na stotine amperov, kako zahtevna je realizacija filtra za dušenje visokofrekvenčnih komponent toka, ki ga generira elektronika razsmernika v motorju. Pri tem je odveč dodati, da je potrebno načrtovati dva filtra, za sofazne in diferencialne motnje posebej. A o filtrih naslednjič, saj pravi načrtovalec elektronike, tako kot vsak vesten zdravnik, najprej poskrbi za izvor težav, šele nato poseže po drugih zdravilih.
O izvoru diferencialnih motenj smo govorili o prejšnjem poglavju, čeprav jih tam še nismo poimenovali. Zato se bomo sedaj osredotočili le na sofazne motnje, kjer ravno tako ločimo med tokovno in napetostno generiranimi sofaznimi motnjami.
Tokovno generirane sofazne motnje so prikazane na sliki 3.
Predstavljajte si notranje tokokroge v napravi, ki se zaključujejo po masi znotraj naprave. Po definiciji so to diferencialni tokovi, ki pa na neidealnih povezavah med različnimi točkami mase vezja povzročajo napetostne razlike. Povezave na masi namreč predstavljajo neko neničelno impedanco. Masa pa je ponavadi povezana v kable, tudi v njihove oklope in če je v napravo povezan vsaj eden ali pa celo dva kabla, dobimo monopolno ali dipolno anteno, ki učinkovito seva sofazne motnje v prostor, kar se lepo vidi na sliki 3. Pred njimi nas ne reši noben, še tako dobro oklopljen kabel. Lahko pa jih zmanjšamo, če na vezju načrtamo dobro, široko nizkoimpedančno maso in poskrbimo, da se visokofrekvenčni tokovi po njej zaključujejo po čim krajši poti.
Napetostno generirane sofazne motnje pa nastajajo v vozliščih, kjer so prisotne visokofrekvenčne komponente napetosti in so v bližini roba vezja. Takrat se električno polje teh površin ne zaključuje zgolj nazaj v vezje, ampak se širi v prostor, kot kaže slika 4. Tovrstne motnje zmanjšamo s tem, da vozlišča in linije s hitrimi napetostnimi signali vodimo stran od roba tiskanine in poskrbimo, da so oklopljeni s površinami mase, ki učinkovito sklapljajo generirana električna polja nazaj na vezje.
Za ilustracijo vzemimo spet primer enostavnega stikalnega napajalnika iz prejšnjega prispevka in pokažimo, kako si lahko tokrat predstavljamo mehanizme generiranja sofaznih motenj in kako jih zmanjšamo. Na sliki 5 je prikazana enaka shema kot prej z označenim stikalnim vozliščem (du/dt) in kritično zanko (di/dt)
Za tokovno generirane sofazne motnje je dodana impedanca kritične povezave po masi v področju zanke, kjer tečejo visokofrekvenčni tokovi. Torej, za zmanjšanje vira teh motenj je treba zmanjšati to impedanco in sicer s čim širšo in čim krajšo plastjo bakra med obema točkama (spodnja priključka R1 in C1). Veliko lahko storimo s primerno postavitvijo obeh omenjenih elementov. Ostali deli mase so lahko daljši in manj optimalno povezani. Kar se tiče pa napetostno generiranih sofaznih motenj, pa je potrebno poskrbeti, da bo stikalno vozlišče stran od roba tiskanine in obdano z maso. Primerjava slabše in boljše izvedbe je prikazana na sliki 6.
Mehanizmi generiranja sofaznih motenj so v splošnem nekoliko slabše razumljeni in zato so velikokrat vzrok za težave pri doseganju skladnosti naprav. Vendar pa z upoštevanjem predstavljenih principov lahko veliko dosežemo z minimizacijo vzrokov za težave že pri samem načrtovanju vezij. In spet poudarjam, da je za dobro načrtano napravo potrebno dobro poznavanje delovanja vezij na dobri teoretični podlagi, kar je pred mnogimi leti, ko so bila vezja še enostavna in zahteve za elektromagnetno združljivost še zelo mile, morda še veljalo, da je lahko vezja po pripravljenih načrtih risal vsak z dovolj umetniške žilice.
[1] Constantine A. Balanis, Antenna. Theory. Analysis.and. Design, 3. izd. New Jersey: John Wiley & Sons, 2005.
