36 EMC og støy

Den usynlige forstyrrelsen

Du har kanskje opplevd det: en høyttaler som summer når mobilen ringer, striper på en gammel TV-skjerm, eller en sensor som plutselig gir helt feil verdi når en motor starter. Alt dette er symptomer på et usynlig fenomen -- elektromagnetisk støy. I en verden full av elektronikk som står tett sammen, kan apparater forstyrre hverandre på måter du ikke ser, men som kan få systemer til å feile.

I dette kapittelet skal vi forstå denne usynlige forstyrrelsen og hvordan vi bekjemper den. Vi starter med begrepet EMC -- elektromagnetisk kompatibilitet -- og lærer hvordan støy kobler seg fra ett apparat til et annet. Deretter ser vi på de ulike støytypene og symptomene de gir, slik at du kan kjenne dem igjen. Så går vi gjennom de praktiske tiltakene -- skjerming, filtrering, jording og smart kabling -- som holder støyen i sjakk. Til slutt bruker vi alt på konkrete eksempler fra industrien. For en god elektrofagperson skiller seg ut nettopp ved å mestre det usynlige.

EMC og hvordan støyen sprer seg

La oss begynne med begrepet. EMC står for elektromagnetisk kompatibilitet, og det handler om to ting: at et apparat skal fungere tilfredsstillende i sitt elektromagnetiske miljø, og at det ikke skal forstyrre annet utstyr. Selve støyen kalles EMI -- elektromagnetisk interferens.

Kildene til EMI er overalt: elektriske motorer, svitsjer og releer, datautstyr, radiosendere, lyn og statisk elektrisitet. Men det interessante er hvordan støyen kommer seg fra kilden til offeret -- de såkalte koblingsmekanismene. Det finnes fire hovedmåter. Ledningsbundet støy sprer seg via kabler og ledninger. Strålt støy sprer seg som radiobølger gjennom lufta. Kapasitiv kobling skjer når et elektrisk felt kobler signaler mellom nærliggende ledere. Og induktiv kobling skjer når et magnetfelt kobler signaler mellom ledere -- akkurat som i en transformator.

Disse fire er verdt å huske, for de krever ulike mottiltak. Strålt støy stoppes av skjerming, mens induktiv kobling reduseres ved å holde kabler unna hverandre.

EMC er ikke bare et teknisk ideal -- det er et lovkrav. For at et produkt skal kunne CE-merkes, må det oppfylle EMC-direktivet, som stiller to krav. Emission handler om hvor mye støy utstyret sender ut -- det må holde seg under grenseverdiene så det ikke forstyrrer andre. Immunity handler om hvor mye støy utstyret tåler -- det må fungere selv i et rimelig støyete miljø. Begge må være på plass før et produkt får selges.

Støytyper og hvordan de viser seg

For å bekjempe støy må vi kjenne den. Det finnes tre hovedtyper. Kontinuerlig støy er vedvarende forstyrrelser fra ting som svitsjede strømforsyninger, frekvensomformere og datautstyr. Impulsstøy er korte, kraftige pulser, gjerne fra relékontakter, lynutladninger og motorstyringer. Og transienter er raske spenningstopper -- når en induktiv last kobles inn, ved elektrostatisk utladning, eller ved lynnedslag.

Det smarte er at støyen avslører seg gjennom typiske symptomer, og symptomene varierer med hva slags system som rammes. I digitale systemer gir EMI feilaktige målinger, programkrasj, kommunikasjonsfeil og tilfeldige resetter -- systemet oppfører seg uforklarlig. I analoge systemer ser du støy oppå signalene, feil avlesninger og ustabil regulering. Og i lyd og bilde hører du summing og knatring, eller ser striper og interferensmønstre på skjermen.

Nå til detektivarbeidet. Hvordan finner du ut om et problem skyldes EMI? Du stiller noen avslørende spørsmål. Oppstår problemet til bestemte tider? Korrelerer det med spesifikke hendelser, som at en motor starter eller at det lyner? Forsvinner problemet hvis du kobler fra et annet apparat? Og hjelper det å flytte eller bytte kabler? Hvis svaret er ja på slike spørsmål, peker pilen mot EMI. Korrelasjonen mellom problemet og en hendelse -- som en motorstart -- er ofte det sterkeste sporet du har.

Tiltakene som temmer støyen

Nå til løsningene. Det finnes en hel verktøykasse av tiltak mot støy, og en god fagperson kombinerer flere. Det første er skjerming -- en metallkapsling rundt følsomt eller støyende utstyr, som utnytter «Faradays bur»-effekten til å stenge elektromagnetiske felt ute eller inne. Skjermen må jordes for å virke. Det andre er filtrering med EMI-filtre på strømforsyning og signalkabler; lavpassfiltre fjerner høyfrekvent støy, og en spesielt nyttig komponent er ferrittkjernen.

La oss dvele ved ferrittkjernen, for den er genial i sin enkelhet. Klemmer du en ferrittkjerne rundt en kabel, fungerer den som et lavpassfilter: ferrittmaterialet har høy permeabilitet og absorberer høyfrekvent energi som varme. Den demper effektivt såkalt common-mode-støy (som går samme vei i begge ledere), mens selve nyttesignalet nesten ikke påvirkes.

Det tredje tiltaket er jording -- god jording leder støyen trygt bort, gjerne med et stjernepunkt for analoge kretser og lav-impedans jordledere. Det fjerde er smart kabling, og her er noen tommelfingerregler verdt å huske: skill kraftkabler fra signal- og datakabler (gjerne minst 30 cm), bruk skjermede kabler, bruk tvunnet parkabel for differensielle signaler, og kryss kabler i 90° vinkel når de må møtes. Hvorfor skille kraft og signal? Fordi kraftkabler bærer høy strøm som lager sterke magnetfelt som induserer støy i nærliggende signalkabler.

Disse tiltakene løser konkrete problemer. Når en frekvensomformer forstyrrer en PLS, hjelper skjermede motorkabler, et EMI-filter og adskilte kabler. Når et følsomt 4-20 mA målesignal svinger på grunn av en kraftkabel i nærheten, bruker du skjermet kabel, øker avstanden og legger signalkabelen i metallrør. Og når en berøringsskjerm krasjer ved tørt vær på grunn av statisk elektrisitet -- altså ESD, elektrostatisk utladning -- beskytter du med ESD-dioder på inngangene, antistatisk gulvbelegg og høyere luftfuktighet. Med riktig kombinasjon av skjerming, filtrering, jording og kabling kan nesten ethvert støyproblem temmes.

Oppsummering

Vi har lært å mestre det usynlige. EMC -- elektromagnetisk kompatibilitet -- handler om at utstyr både skal fungere i og ikke forstyrre sitt miljø, og EMI er selve støyen. Den sprer seg på fire måter: ledningsbundet, strålt, kapasitiv og induktiv kobling, og CE-merking krever både lav emission og god immunity.

Vi så støytypene -- kontinuerlig, impuls og transient -- og symptomene de gir i digitale, analoge og audio/video-systemer, og hvordan korrelasjon med hendelser avslører EMI. Til slutt gikk vi gjennom tiltakene: skjerming med Faradays bur, filtrering med ferrittkjerner, god jording og smart kabling som skiller kraft og signal. Og vi løste konkrete problemer, fra frekvensomformerstøy til ESD på berøringsskjermer. Med riktig kombinasjon av tiltak kan nesten ethvert støyproblem temmes -- og det er en ferdighet som virkelig skiller den dyktige fagpersonen.