Politechnika Częstochowska
Wydział Elektryczny
Zakład Elektrotechniki
Zakłócenia przewodzone
1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z rodzajami zakłóceń przewodzonych generowanych przez urządzenia elektryczne zasilane napięciem sieciowym. Wyznaczenie wartości napięć zakłóceń generowanych przez te urządzenia i porównanie ich z dopuszczalnymi poziomami napięć określonymi w odpowiednich normach.
2. Podstawowe jednostki stosowane przy określaniu poziomów zakłóceń
Przy pomiarach z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej najczęściej stosuje się miary wyrażone w jednostkach logarytmicznych. Możliwe jest wówczas porównywanie mierzonych wielkości z ich wartościami mierzonymi w innych punktach obwodów pomiarowych bądź porównanie ich z wartością napięcia odniesienia np. 1 μV.
Ogólnie definiuje się miarę logarytmiczną wyrażoną w decybelach tj. o podstawie logarytmu dziesiętnego następująco:
N[dB]=20log(N/1)
Na wykresie poniżej przedstawiono oś liczb naturalnych n oraz odpowiadające im liczby podane w decybelach [dB].
W odniesieniu do napięć otrzymuje się wyrażenie:
U[dBUodn]=20log(U/Uodn)
Jeżeli napięcie odniesienia Uodn przyjmie się 1µV to wartość U wyrazi się w [dBµV], np. jeżeli chcemy wyrazić napięcie 1V w mierze logarytmicznej to napięciu 1V odpowiada 120 dBµV.Wartość dodatnia wyrażona w decybelach odpowiada wzmocnieniu a wartość ujemna tłumieniu.
3. Rodzaje zakłóceń występujących w obwodach zasilania
Większość stosowanych urządzeń elektronicznych jak i elektrycznych zasilana jest napięciem sieciowym. Wiele z nich zawiera liczne obwody i układy mogące stanowić źródło zakłóceń dla urządzeń i systemów elektronicznych. W zakresie wielkich częstotliwości (zwykle powyżej 30MHz) zakłócenia przenoszone są przez promieniowanie pola elektromagnetycznego, które przenikając do obwodów elektrycznych w aparaturze elektronicznej indukuje w nich sygnały zakłócające. W zakresie mniejszych częstotliwości zakłócenia indukowane są przez różnego typu sprzężenia: konduktancyjne, indukcyjne lub pojemnościowe. Do aparatury elektronicznej zakłócenia te przedostają się na drodze przewodzenia przez linie zasilania bądź linie sygnałowe.
Źródła zakłóceń można przedstawić w postaci równoważnej siły elektromotorycznej Ez
wraz z odpowiednią impedancją Zz. Jeżeli zakłócenia przenoszą się drogą przewodzenia,
to prądy zakłócające wysokiej częstotliwości płyną w przewodach linii zasilania jak i w liniach sygnałowych. Na rysunku rys.1. przedstawiony został schematycznie sposób
propagacji zakłóceń przewodzonych. Napięcie U1 pomiędzy przewodami (fazowym L i
neutralnym N) linii nazywane jest napięciem zakłóceń symetrycznych . Napięcia U2 i U3
występujące pomiędzy przewodami (fazowym L i neutralnym N) linii a masą (wspólnym potencjałem odniesienia) definiowane są jako napięcia zakłóceń asymetrycznych. Pojemności Cp (pomiędzy obudowami metalowymi a przewodami linii) określane są jako
pojemności pasożytnicze przez które przenoszą się generowane zakłócenia.
Symetryczne zakłócenia elektromagnetyczne wnikają bardzo słabo poprzez obwody linii zasilania.
Jeżeli przewody zasilające leżą blisko siebie i są odsunięte od przewodów zakłócających na odpowiednią odległość to w większości przypadków można zaniedbać zakłócenia wnikające symetrycznie albo w łatwy sposób wyeliminować ich negatywne oddziaływanie poprzez prawidłowe okablowanie.
Zakłócenia asymetryczne sieciowe stanowią największy problem związany z eliminowaniem wpływu sygnałów zakłócających pracę urządzeń elektronicznych.
3.1. Zakłócające sygnały asymetryczne
Asymetryczne sygnały zakłóceniowe w liniach zasilania dzieli się na dwa rodzaje: 1. Sygnały różnicowe zwane też podłużnymi (ang.- Differential Mode) 2. Sygnały wspólne inaczej zwane poprzecznymi (ang.- Common Mode)
Sygnały różnicowe zamykają się w tych samych obwodach w których przenoszone są sygnały robocze, dlatego oddziaływają one bezpośrednio zniekształcając sygnały mające wpływ na poprawną pracę urządzeń.
Sygnały wspólne są to sygnały zakłócające zamykające się przez odpowiednie przewody zasilające, sterujące bądź cyfrowe tory powrotne tych prądów zamykają się przez wspólną masę.
Na rysunku rys.2 pokazano występowanie zakłóceń asymetrycznych różnicowych i wspólnych. Typowym przykładem zaburzeń o charakterze przewodzonym są zakłócenia radioelektryczne obserwowane w domowych instalacjach elektroenergetycznych. Podłączone do nich urządzenia np. sprzęt AGD z silnikami komutatorowymi, bądź półprzewodnikowe
Ez Zz Zl
~
Cp Cp Cp Cp U1 U2 U3regulatory oświetlenia lub urządzenia zawierające zasilacze impulsowe powodują zakłócenia w pracy innych urządzeń zasilanych z tej samej sieci.
Dla zapewnienia warunków kompatybilności elektromagnetycznej (nie zakłóconej pracy wszystkich urządzeń zasilanych z tej samej sieci) wprowadzono następujące rodzaje poziomów zakłóceń:
N- poziom normalny, obowiązujący na terenach zamieszkałych, O- poziom obniżony, obowiązujący w przypadkach szczególnych,
W- poziom wysoki, obowiązujący w przypadkach gdy możliwe jest dopuszczenie poziomu
wyższego od normalnego.
S1 i S2 – poziomy specjalne, stosowane w uzgodnieniu między producentem a
użytkownikiem urządzeń stanowiących źródła zakłóceń.
Obecnie w większości krajów świata stosuje się zalecenia sformułowane w Publikacji 22 Komisji CISPR (Międzynarodowa komisja ds. zakłóceń radiowo-telewizyjnych)dotyczącej urządzeń informatycznych jak i systemów cyfrowych.
Rys.3. Dopuszczalne poziomy zakłóceń przewodzonych wg CISPR 22 dla urządzeń klasy A
Uz [dBµV] 79 73 66 60 QP 0,15 0,5 5 30 f[MHz] [µV] 8912,5 4467 1995 1000 AV
Na rysunku rys.3 pokazane zostały dopuszczalne poziomy zakłóceń przewodzonych dla urządzeń tzw. klasy A tj. urządzeń przeznaczonych do pracy w handlu, przemyśle zarządzaniu itp.
Skróty QP i AV odnoszą się do odpowiednich detektorów pomiarowych: QP -detektor quasi- szczytowy (ang. quasi- peak detector)
AV –detektor wartości średniej (ang. average detector)
Zastosowanie detektora quasi-szczytowego pozwala znacznie skrócić cykle pomiarowe. Klasa B obejmuje głównie urządzenia dla potrzeb domowych jak np. komputery personalne i inny sprzęt AGD. Wymagania dla urządzeń zaliczonych do klasy B są ostrzejsze niż dla klasy A.
Rys.4. Dopuszczalne poziomy zakłóceń przewodzonych wg CISPR 22 dla urządzeń klasy B Zakłócenia przewodzone w liniach zasilania prądu przemiennego zwykle generowane są przez odbiorniki włączone do sieci. Dla prawidłowego pomiaru zakłóceń stosuje się tzw. „Sieć sztuczną” zwaną również liniowym stabilizatorem impedancji sieciowej), która współpracuje z analizatorem widma. Sieć sztuczna jest w zasadzie filtrem sieciowym. Przez filtr dolnoprzepustowy badane urządzenie dołączane jest do sieci zasilającej, co gwarantuje utrzymywanie stałych parametrów impedancji sieciowej. Dla badania zakłóceń sieć sztuczna zawiera filtr górno-przepustowy umożliwiający pomiar zakłóceń analizatorem widma w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz.
W ćwiczeniu stosowana jest sieć sztuczna typu HM6050-2 firmy Hameg do pomiaru zakłóceń przewodzonych asymetrycznych. Jest to sieć typu V umożliwiająca pomiar zakłóceń asymetrycznych za pomocą analizatora widma z wykorzystaniem gniazda wyjściowego sieci sztucznej o impedancji 50 Ω.
Przełącznikiem L1/N należy wybrać w którym przewodzie sieciowym L1 czy N chcemy badać różnicowe zakłócenia asymetryczne.
Do pomiaru poziomu zakłóceń służy analizator widma współpracujący z programem komputerowym służącym do obsługi cyklu pomiarowego i przenoszenia wyników w postaci wykresu z ekranu analizatora na ekran komputera.
Przygotowanie analizatora polega na uruchomieniu odpowiedniej procedury sprawdzającej pracę analizatora. Istnieje możliwość zaprogramowania na ekranie dopuszczalnych poziomów zakłóceń w celu prowadzenia testów sprawdzających przekraczanie przez badanie odbiorniki dopuszczalnych poziomów zakłóceń.
4. Przebieg ćwiczenia U z [dBµV] 66 60 56 50 46 0,15 0,5 5 30 f[MHz] [µV] 1995 1000 631 316 199,5 QP AV
4.1. Przygotowanie analizatora widma HP ESA-L1500A do prowadzenia pomiarów 1. Włączyć analizator przez przyciśnięcie przycisku On a następnie poczekać aż
skończy się proces inicjalizacji pracy analizatora.
2. Przycisnąć zielony przycisk Preset.
3. Włączyć wewnętrzny sygnał 50MHz analizatora przez przyciśnięcie przycisku System, a następnie 50MHz osc
On Off (On).
4. Ustawienie częstotliwości pracy
Przycisnąć przycisk Frequency. W środku po lewej stronie ekranu ukazuje się napis
Center świadczący o uaktywnieniu funkcji „częstotliwość środkowa”. Jednocześnie
etykieta Center Freq w odwrotnym podświetleniu ukazuje się w menu po prawej stronie ekranu. Aktywny blok na ekranie umożliwia przy pomocy przycisków i klawiatury nastawić odpowiednią wartość częstotliwości.
Należy nastawić częstotliwość środkową 50 MHz używając pokrętła lub przez naciśnięcie przycisku 50 MHz z menu Data.
5. Ustawienie szerokości pasma.
Przycisnąć przycisk Span. Funkcja szerokość pasma jest wtedy podświetlona w menu po prawej stronie ekranu. Zmiana szerokości pasma na 20 MHz korzystając z pokrętła, przyciskając przycisk (↓) lub wpisując 20 MHz.
6. Nastawianie amplitudy
Jeżeli wartość maksymalna sygnału nie jest wyświetlana na ekranie należy dokonać korekcji amplitudy na ekranie.
Przycisnąć przycisk Amplitude. W podświetlonym menu po prawej stronie ekranu ukaże się napis Ref Level .0 dBm.
uaktywniając funkcję zmiany poziomu odniesienia.
Zmieniając wartość poziomu odniesienia należy doprowadzić do stanu gdy na skalowanej części ekranu ukaże się wartość maksymalna badanego sygnału. Można w dowolny sposób zmieniać amplitudę sygnału poprzez regulację poziomu odniesienia. Wartość w [dBm] ukazuje się wówczas jeżeli korzystamy ze skali logarytmicznej.
7. Ustawianie markera.
Jeżeli istnieje konieczność określenia dla wartości maksymalnej amplitudy sygnału i częstotliwości przy której występuje to maksimum możemy uaktywnić funkcje markera. Aby to uczynić należy przycisnąć przycisk Marker
znajdujący się na płycie czołowej. Jeżeli inna funkcja analizatora jest aktywna wówczas wartość częstotliwości oraz amplitudy wskazywanej przez położenie markera można odczytać w górnej części ekranu po prawej stronie.
8. Po sprawdzeniu poprawności pracy analizatora można otrzymany przebieg zapisać
korzystając z programu BenchLink i opcji Image.
4.2. Sprawdzenie współpracy komputera z analizatorem widma
Po włączeniu komputera do sieci należy uruchomić program Bench Link, obsługujący analizator i poprzez próbny zapis z ekranu analizatora sprawdzić jego działanie. Zakres badanych częstotliwości na analizatorze nastawia się zgodnie z wymaganiami norm tj. od 150 kHz do 30 MHz a amplitudę skaluje się w [dBµV].
W przypadku braku komunikacji komputera z analizatorem sprawdzić połączenie kabla sygnałowego z gniazdami interfejsów. Po otrzymaniu na ekranie monitora wykresu identycznego jak na ekranie analizatora traktujemy, że analizator jest przygotowany do prowadzenia badań.
W trakcie transmisji danych z analizatora do komputera obraz na ekranie analizatora nie zmienia się.
4.3. Połączenie obwodu pomiarowego i przebieg ćwiczenia
Do gniazdka sieciowego należy przyłączyć sieć sztuczną a następnie połączyć wejście analizatora z wyjściem sygnału z sieci sztucznej (gniazdo BNC- TEST RECEIVER). Po połączeniu kablem sieci sztucznej i analizatora należy pamiętać o włączeniu ogranicznika sygnału, który zabezpiecza wejście analizatora przed uszkodzeniem.
Pod napisem na płycie czołowej TRANSIENT LIMITER znajduje się przycisk załączający ogranicznik przepięć. W przypadku braku jego załączenia zapala się lampka czerwona z napisem OFF.
Po włączeniu badanego odbiornika do gniazdka zasilania sieci sztucznej powinna zapalić się lampka z napisem N1 świadcząca o poprawnym przyłączeniu przewodu fazowego L1. W przeciwnym przypadku należy zamienić końcówki przewodów we wtyczce zasilającej sieć sztuczną. Dla każdego odbiornika przeprowadza się dwa cykle pomiarowe:
1. Pomiar zakłóceń pomiędzy przewodem fazowym L1 i przewodem PE (świeci się lampka L1 po lewej stronie przełącznika L1/N).
2. Pomiar zakłóceń pomiędzy przewodem neutralnym N a przewodem PE (świeci się lampka N po prawej stronie przełącznika L1/N).
Powyższe cykle pomiarowe należy wykonać dla trzech różnych odbiorników, które badane są ze względu na poziom zakłóceń wnoszonych do sieci zasilającej.
Cykl pomiarowy sterowany jest z poziomu programu komputerowego i po zapisaniu otrzymanego na ekranie komputera przebiegu można dokonać następnej serii pomiarów.
5. Opracowanie wyników
W sprawozdaniu należy podać wymagania dotyczące zakłóceń wnoszonych przez urządzenia elektryczne do sieci zasilającej. Otrzymane z pomiarów wykresy powinny być wyskalowane na osi odciętych w [µV] bądź w [dBµV]. Na powyższe wykresy powinny być naniesione dopuszczalne poziomy zakłóceń wymaganych przez odpowiednie przepisy w zależności od przeznaczenia badanych odbiorników. Do badań należy uwzględnić, że pomiary zostały dokonane detektorem quasi-szczytowym. We wnioskach należy podsumować badania dokonując podziału na odbiorniki spełniające wymagania ze względu na poziom wnoszonych do sieci zakłóceń jak i ewentualnie na te, które powyższych warunków nie spełniają. W przypadku tych drugich należy zaproponować środki zaradcze w celu obniżenia poziomu zakłóceń.
6. Pytania sprawdzające
1. Zdefiniować podstawowe jednostki stosowane przy badaniu zakłóceń. 2. Podać przyczyny powstawania zakłóceń przewodzonych.
3. Scharakteryzować zakłócenia przewodzone symetryczne. 4. Zakłócenia asymetryczne i ich rodzaje.
5. Sposoby obniżania poziomu zakłóceń w sieciach zasilających.
6. Wymagania dotyczące ograniczania poziomu zakłóceń pochodzących od odbiorników sieciowych.
7. Zasada działania analizatora widma.
8. Do czego służy sieć sztuczna przy pomiarze zakłóceń. 9. Scharakteryzować sieć sztuczną typu V.
10. Podać typowe źródła zakłóceń przewodzonych wnoszonych przez urządzenia elektroenergetyczne.
7. Literatura
1. Charoy A.; Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych, WNT Warszawa,1999.
2. Lutz M., Nedtwig J.; Certyfikat CE w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. ALFA-WEKA SP. z o.o. Warszawa, 1998.
3. Machczyński W.; Wprowadzenie do kompatybilności elektromagnetycznej. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.
4. PN-CISPR 16-2; Wymagania dotyczące urządzeń i metod pomiarów zaburzeń radioelektrycznych i odporności na zaburzenia radioelektryczne.1999.
