EMC suotimet:

johdanto:

Suotimilla voi katsoa olevan kaksi perus käyttö tarkoitusta: hyötysignaalien erottelu häiriösignaaleista ja vääristyneiden signaalien korjaaminen. Kun järjestelmän suunnittelussa annetaan erityistä painoarvoa sen EMC (electromagnetic compatibility) käyttäytymiselle, on tavoitteena luoda mahdollisimman vähän häiriötä ympäristöön tuottava laite. Aivan yhtä tärkeää on, että laite toimii häiriöllisessä ympäristössä parhaalla mahdollisella tavalla. Järjestelmän kykyä toimia oikein elektromagneettisista häiriöistä huolimatta, eli laitteen herkkyyttä erilaisille häiriöille, kuvataan järjestelmän suskeptanssin avulla. On olemassa suuri joukko erilaisia häiriön lähteitä - ihmisen itsensä aiheuttamia kuin myös luonnollisia. Tyypilliset häiriöt voi jakaa seuraaviin luokkiin: Artefaktat, jotka voivat syntyvät esim. Kaapeleidenliikkeestä tai suurista transientti jännitteistä. Kohina, vahvistimen kohina, lämpökohina. Interferenssi, jossa ulkopuolelta kytkeytyy energiaa joko kapasitiivisesti sähkökentän kautta tai induktiivisesti magneettikentän kautta. Kaikki sähkömagneettiset aallot etenevät valon nopeudella. Ne koostuvat suorakulmaisesti toisiaan vasten olevista sähkö- ja magneettikentistä. Aallon ominaisuudet määräävä tekijä on sen taajuus. Häiriö saapuu järjestelmään joko johtumalla tai säteilemällä. Se kumpi näistä kahdesta on hallitsevampi riippuu paljolti taajuudesta. Yleisesti taajuuksilla 30MHz:sta ylöspäin häiriö etenee säteilemällä ja vastaavasti 30MHz:sta alaspäin johtumalla. Noise bandwidth on käsite, jonka mukaan vain kohinalla(noise), joka sijaitsee samalla kaistanleveydellä (bandwidth) järjestelmän kaistanleveyden kanssa on merkitystä. Hyvä esimerkki tästä on lämpö/valkoinen kohina, joka on jakaantunut tasaisesti kaikille taajuuksille. Tässä tapauksessa järjestelmän rajataajuuksien ulkopuolelle jäävällä kohinalla ei ole merkitystä. On olemassa paljon ohjeistuksia ja lakeja siitä, mitä laitteen EMC suunnittelussa tulisi ottaa huomioon. Suunnittelussa on kuitenkin otettava huomioon myös sellaisia asioita kuin laitteen fyysiset mitat, toiminnallisuus ja taloudellisuus.

1 Sähkömagneettiset häiriöt ja niiden lähteet:

1.1 Kohina:

Kohinaa esiintyy kaikissa elektronisissa järjestelmissä. Kohina vaikuttaa mitatun signaalin ja oikean signaalin väliseen erotukseen. Se, onko virhe mittausten ja todellisuuden välillä systemaattinen vaiko satunnainen, liittyy kiinteästi sellaisiin käsitteisiin kuin precision ja accuracy. Pienin mitattavissa oleva arvo riippuu kohinan määrästä.

1.2 Lämpökohina (Johnson noise):

Kohinan teho on tasaisesti jakautunut kaikille taajuuksille(white noise). Kohinatehon Pn kaava:


Missä k= boltzmannin vakio, T= lämpötila ja B= kaistanleveys. Kohinajännite saadaan muistamalla tehon ja jännitteen yhteys:

Joka on ratkaistuna V:n suhteen:

Yhdistämällä kohinatehonkaavaan saadaan kohinajännite:

Hyvä kohinajännitelaskuri löytyy osoitteesta:
http://www.sengpielaudio.com/calculator-noise.htm

1.3 Shot noise, 1/f noise (pink noise):

Kohinateho on kääntäen verrannollinen taajuuteen. Tästä tulee myös nimitys ”1/f noise”. Suurin osa tehosta sijoittuu matalille taajuuksille.

1.4 interferenssi (luonnollinen ja ihmisen aiheuttama):


Luonnollisia sähkömagneettisten häiriöiden lähteitä ovat: ukkosmyrskyt, vaihtelut auringon säteilyssä ja kosminen taustasäteily. Ihmisen tuottamista häiriölähteistä yleisimpiä ovat sähkömoottorit, kännykät, tietokoneet jne. Kun virta kulkee minkä tahansa johtimen lävitse muodostuu monopoli antenni. Tämä säteilee ympärilleen sähkömagneettisen kentän, jonka magneettikenttä on huomattavasti sähkökenttää pienempi. Loppu tulos on sähköinen dipoli. Magneettisen dipolin tapauksessa kenttien koot ovat toisin päin, eli magneettikenttä on sähkökenttää huomattavasti suurempi. Magneettisen dipolin saa aikaan virtasilmukka. Sähköiset ja magneettiset dipolit toimivat siis antennien tavoin, ne vastaanottavat ja lähettävät signaaleja.

1.5 Analogiset vs. Digitaaliset systeemit:

Digitaaliset systeemit tuottavat enemmän häiriöitä verrattuna analogisiin. Usein piirin eri osa alueet on synkronoitu toimimaan yhteisen kello taajuuden mukaan. Näin ollen ne siis vaihtavat tilaansa saman aikaisesti. Tämä vaikuttaa suuresti siihen, miten järjestelmä kulloinkin kuormittaa lähdettä. Jatkuvat muutokset virrassa saavat lähde kiskot ”soimaan”. Jopa suhteellisen matala taajuiset kanttiaalto kello signaalit sisältävät paljon korkea taajuisia komponentteja, sillä kanttiaallot muodostuvat siniaallosta perustaajuudella ja sen parittomista harmonisista. Tästä syystä korkea taajuiset signaalit ovat hyvin yleisiä digitaalisissa järjestelmissä. Myös kaistanleveydet ovat suuria.

2 Suotimet:


2.1 passiiviset suotimet, First order/single-pole filters:


Se montako aika vakiota piiristä löytyy kertoo suotimen napojen(pole) lukumäärän. Nimitys single-pole filter viittaa siis yhteen aika vakioon. Perus LC- ja RC suotimilla molemmilla on yksi aika vakio: T=L/R ja T=CR, joista saadaan edelleen kulmanopeuksien kautta rajataajuudet. Yhdistelemällä mielivaltainen määrä suotimia saadaan aikaan n:ttä astetta oleva, n-napaa sisältävä suodin. Tämän suotimen amplitudivaste rajataajuuden kohdalla on n*6 dB/octave. Lisäksi suodin aiheuttaa n*90° vaihesiirron.

2.2 Aktiiviset suotimet:

Suodinta kutsutaan aktiiviseksi, jos siihen kuuluu aktiivinen komponentti kuten operaatio vahvistin. Aktiivisten suotimien käytöllä on kolme etua verrattuna passiivisiin suotimiin: Ensimmäiseksi käämien käyttö voidaan välttää. Tämä on hyvä asia, koska etenkin matalilla taajuuksilla hyvän Q (quality factor= keskitaajuus/kaistanleveydellä) arvon saavuttamiseksi joudutaan käyttämään suuria ja kalliita käämejä, jotka saattavat helposti myös poimia ympäristöstään häiriö signaaleja. Toiseksi vasteen muotoa on helpompi muuttaa. Kolmanneksi suotimen vahvistinta voi käyttää bufferina.

2.3 Sallen-key suotimet:


Yhdistelemällä kahden-polen sallen-key suotimia ja valitsemalla sopia komponenttien arvoja on mahdollista tuottaa esim. Chebyshev, Butterworht tai Bessel suotimia.

2.4 Chebyshev- ja Butterworth suotimet:

Chebyshev suotimia käytetään usein erottamaan yksi kaista taajuuksia muista. Chebyshev suodin(type1) on matemaattinen strategia, jossa sallimalla pieni aallokko(ripple) pitkin päästökaistan taajuusvastetta saadaan aikaan jyrkempi pudotus päästö-ja estokaistan välille (roll-off). Jos käytetään Chebyshev suodinta(type2), sallitaan aallokko(ripple) pitkin estokaistaa. Ajatuksena on siis löytää optimaalinen kompromissi esto-ja päästökaistan siirtymän jyrkkyyden ja aallokon prosentti-osuuden välillä. Kun aallokko on 0%, sanotaan suotimen olevan maximally flat suodin eli Butterworth suodin.

2.5 Bessel suodin (linear phase filter):


Bessel suotimella saadaan viivästettyä kaikkia taajuuksia saman verran, koska suotimen tuottama vaihesiirto on suurin piirtein lineaarinen suhteessa sisääntulo taajuuteen.

2.6 DSP (digital signal processing):

DSP käsittää kaikki ne tekniikat, algoritmit ja matematiikan, joita käytetään signaalien muokkaamiseen sen jälkeen, kun ne on muutettu digitaaliseen muotoon. Digitaalisten soutimien suoriutumiskyky on usein ylivertainen verrattuna vastaaviin analogisiin suotimiin. Analogisilla suotimilla rajoituksia asettaa käytettävä elektroniikka, vastukset, kondensaattorit jne. Kun taas digitaalisilla suotimilla rajoitukset liittyvät lähinnä käsiteltävään signaaliin itseensä sekä teoreettisiin ongelmiin niiden käsittelyssä.

2.7 Analogiset suotimet vs. digitaaliset suotimet:

Ongelmia voi siis lähestyä joko analogisten tai digitaalisten suotimien kautta. Suurin osa digitaalisista signaaleista on peräisin analogisesta elektroniikasta. Jos ja kun signaalia täytyy suodattaa kysymys kuuluu: onko parempi käyttää analogista suodatinta ennen signaalin digitaaliseksi muuttamista, vaiko digitaalista suodatinta muunnoksen jälkeen. Kumpi on parempi? Vastaus tietenkin riippuu tilanteesta ja siitä, mitä halutaan saavuttaa. Esimerkiksi mitkä olisivat analogisen ja vastaavan digitaalisen toteutuksen edut ja haitat toisiinsa verrattuna, mikäli haluttaisiin tuottaa chebyshev alipäästö suodin? Tavoiteltaessa pienintä mahdollista aallokon(ripple) prosenttiosuutta rajoittavana tekijänä on, analogisilla suotimilla vastusten ja kondensaattorien tarkkuus. Digitaalisilla suotimilla rajoitukset liittyvät pyöristys virheisiin. Tästä syystä tulos on parempi digitaalisella suotimella. Taajuusvasteen tapauksessa digitaalisen suotimen suorituskyky on jälleen parempi. Sen estokaistan vahvistus ja siirtymän jyrkkyys esto- ja päästökaistan välillä on parempi, vaikka analogiseen suotimeen lisättäisiinkin asteita. Mitkä sitten ovat analogisten suotimien edut? Ensimmäinen on niiden nopeus. Toinen etu on niiden laaja dynaaminen alue niin amplitudivasteessa kuin myös taajuusvasteessakin.

3 EMC suunnittelu:

3.1 Sähkömagneettinen kytkeytyminen laitteen eri osien välillä:


Sähkömagneettiset häiriöt laitteen eri osien välillä kytkeytyvät korkeilla taajuuksilla säteilemällä paikasta A paikkaan B. Matalammilla taajuuksilla siirtyminen tapahtuu johtumalla. Häiriöt käyttävät kulkureitteinään mitä tahansa olemassa olevia aukkoja. Johtumalla häiriösignaali voi kulkea esimerkiksi pitkin maadoitus tai lähde johtimia pitkin. Kapasitiivisessa kytkeytymisessä kytkeytyminen tapahtuu johtimen lävitse kulkevan virran aikaansaaman sähköisen dipolin kautta ja induktiivisessa kytkeytymisessä virtasilmukan aikaansaaman magneettisen dipolin kautta.

3.2 Piirien suunnittelu:


Virtasilmukan ympäristöönsä säteilemän häiriön määrä on suoraan verrannollinen silmukan pinta-alaan, siinä kulkevaan virtaan ja taajuuden neliöön. Virtasilmukan säteilemä sähkökenttä on voimakkain silmukan tason suuntaisesti. Johtimien aiheuttamien sähköisten dipolien säteilemä energia on suoraan verrannollinen taajuuteen, johtimen virtaan ja pituuteen. Siis EMC:n vähentämiseksi on hyvä pitää virtasilmukoiden pinta-alat pieninä, johtimet lyhyinä, kiinnittää huomiota eri osien orientaatioon suhteessa häiriölähteisiin ja eristää piirien korkea taajuiset osat muista. On sanomattakin selvää, että on helpompaa lähteä eristämään itse häiriön lähdettä, mikäli sellainen on tiedossa, kuin mahdollisia häiriön kohteita. Johtavasta materiaalista valmistettu, maadoitettu kotelo toimii Faradayn häkkinä. Se suojaa ulkopuolisilta häiriöiltä ja samalla estää sisäpuolisten häiriöiden pääsyn ulos. Jokainen aukko kotelossa tarjoaa potentiaalisen pako reitin häiriö signaaleille. On myös tärkeää suojata hyvin kaikki kytkentä kohdat ja niiden johtimet/kaapelit. Tehokas tapa poistaa hyöty signaaliin kytkeytyvää yhteismuotoista häiriötä on käyttää kahta toisiinsa kiedottua kaapelia, jotka on liitetty erovahvistimeen. Liitoskohtien eristämiseksi on myynnissä lukuisia eri tuotteita. Toisinaan kotelon aukkoon, sisäänkäynnin yhteyteen liitetään mains suodin, jonka tehtävänä on vähentää korkea taajuista kohinaa. Mains suodin ei tosin suojaa korkea jännite transientteja vastaan. Tätä varten on olemassa aivan erityisiä, usein pn-liitokseen, perustuvia ”transient suppressoreja”.

3.3 EMC ja laki:


Laitteiden EMC käyttäytymisestä on olemassa useita lakeja ja suosituksia, mutta euroopan alueella vaatimukset voi kiteyttää seuraavaan kahteen kohtaan:
#1 Laitteen aiheuttama sähkömagneettinen häiriö ei saa olla niin voimakasta, että se häiritsee merkittävästi muiden laitteiden toimintaa, radio ja telekommunikaatio laitteita.
#2 Laitteella tulee olla riittävä häiriöiden sietokyky, joka mahdollistaa sen normaalin toiminnan.

Lähteet:


Electronics a systems approach: Neil Storey
http://www.dspguide.com/pdfbook.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_EMC_directives
http://www.cvel.clemson.edu/emc/tutorials/guidelines.html