Equipotentiale vlakken

Transcriptie

1 Equipotentiale vlakken KHBO, Hobufonds EMCSYS ing. Wouter Debaets ing. Nico Dedeine ing. Alexander Dekeyser Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 1

2 1 INLEIDING : INDELING : PRAKTIJKVOORBEELDEN DOMOTICA SYSTEEM DOMOTICA SYSTEEM 2 : STOOMGENERATOR : MONTAGEKASTEN : STAPPENMOTORSTURING: FREQUENTIEOMVORMER: EFT test (EN ): Emissie test (EN55022-B) : PRINTER MODULE : MEERVOUDIGE MASSAREFERENTIE VAN AFSCHERMINGEN MEETOPSTELLING EFT- METING CONCLUSIE NEC-SIMULATIE INLEIDING STOORSIGNALEN HEBBEN EEN NORMAAL LOGISCH NIVEAU (5 V AMPLITUDE) Grafieken : vergelijking tussen de verschillende opstellingen per technologie grafieken : vergelijking tussen de verschillende technologieën per opstelling STOORSIGNALEN HEBBEN EEN RUISNIVEAU VAN 1 MV AMPLITUDE (GROUND BOUN,CE VAN DIGITALE COMPONENTEN) Grafieken : vergelijking tussen de verschillende opstellingen per technologie grafieken : vergelijking tussen de verschillende technologieën per opstelling...24 Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 2

3 1 Inleiding : Bij grote systemen zijn massaconnecties en equipotentiaal maken van de verschillende onderdelen van even groot belang zoniet van een nog groter belang dan bij kleinere systemen. Grotere systemen worden meer in modules opgesplitst. Verbindingen van voedingskabels en datalijnen kunnen langer worden. Hierdoor is een niet equipotentiaal systeem vlug aan de orde. Dit komt dan naar voren bij de metingen om de emissie en immuniteit door straling te bepalen. Het niet goed connecteren van het scherm langs beide zijden van de kabel heeft meestal zijn uitwerking bij de EFT- testen. Ook bij kabelgoten is het goed connecteren van de kabelgoot aan het chassis van de toestellen aan beide zijden van groot belang. 2 Indeling : Deze tekst is opgebouwd uit drie delen. In een eerste deel wordt aan de hand van enkele voorbeelden gewezen op kritische punten in een systeem en hoe men door enkele regels in acht te nemen problemen kan vermijden. De voorbeelden zijn allemaal werkelijke installaties die ter plaatse werden onderworpen aan de verschillende testen teneinde de normen te halen. Elk van deze systemen haalde een of andere norm niet. Met een aanpassing door te voeren haalden ze de norm wel. In het tweede deel wordt het effect van een goede connectie van het scherm aan massa geïllustreerd door een proefopstelling. In het derde deel worden enkele NEC-simulaties uitgevoerd. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 3

4 3 Praktijkvoorbeelden 3.1 Domotica systeem 1 Control Units O UT PU T Dit domotica systeem bestaat uit een centrale controle eenheid die een reeks van verschillende systemen kan regelen. Zoals de verlichting, inbraakpreventie, de verwarming, De gebruiker kan zijn opdrachten geven via verschillende controle units zoals schakelaars, thermostaat, klavier, Bij de testopstelling bestaan de controle units allemaal uit schakelaars en de output bestond uit een aantal lampen. Dit systeem faalde bij de EFT test van 2 kv (EN ). De verbindingen tussen de verschillende units worden gemaakt met afgeschermde kabel. Het scherm van deze kabel werd echter niet aan beide zijden geconnecteerd. Nadat het scherm aan beide zijde werd geconnecteerd kon men de spanning bij de EFT test opdrijven tot 5 kv. Deze connectie van het scherm moet op een goed manier gedaan worden. Zo kort mogelijk, bij het binnenkomen van het systeem en met een zo breed mogelijke verbinding. Zodoende is er een goed contact gemaakt met de metalen behuizing die voor een laag impedante weg zorgt naar massa. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 4

5 3.2 Domotica systeem 2 : Bij dit domotica systeem zijn er verschillende modules voor de verschillende functies, (een bedieningspaneel, een display, een voeding, schakelaars, ) die het systeem kan uitvoeren. Deze verschillende blokken worden samen met een centrale unit en een voeding in een montage kast geplaatst. De verbindingen worden gemaakt met gewone bekabeling zonder scherm. UNIT CENTRALE EENHEID VOEDING DISPLAY Bedienigspaneel Grondplaat De volgende twee emissie metingen(volgens norm EN55022/B) tonen het verschil tussen goede en slechte massaverbindingen. De afscherming van de display en de massa van de hoofdprint werden beter op een grondplaat geconnecteerd. De laatste pieken die de norm overschrijden zijn een gevolg van een nog niet zo goede massaaansluiting van het scherm van display- eenheid. In alle metingen is de grondplaat reeds aanwezig. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 5

6 Meting 1 : Dit is de referentie meting. Het bedieningspaneel en de display zijn aangekoppeld aan de hoofdeenheid en zijn in werking. Men ziet dat het spectrum boven de norm uitkomt. Meting 2: Dit is het systeem met de display afgekoppeld en uitgeschakeld. Dus bedieningspaneel hangt nog aan het systeem. het Men ziet dus dat de display mede oorzaak is van de straling. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 6

7 Meting 3 : Het bedieningspaneeltje wordt beter met de grondplaat verbonden zodat de massa van de print beter gerefereerd is. Men ziet dat het probleem hiermee weggewerkt wordt. Meting 4: Nu wordt de display terug aangeschakeld en ziet men dat deze nog steeds een probleem veroorzaakt. Het beter connecteren van de massa van de display aan de grondplaat had hier weinig effect zodat men moet vastellen dat er nog een ander probleem meespeelt. Meting 5 : Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 7

8 De massa van de display was dus al goed geconnecteerd met de grondplaat. Inwendig bestaat de display uit een eigenlijke display en een hoofdprint om deze display aan te sturen. De massa van deze twee onderdelen werd beter gerefereerd t.o.v. elkaar en t.o.v. de grondplaat zodat deze op een zelfde potentiaal komen te staan. Hierdoor wordt het probleem grotendeels gereduceerd tot onder de norm. De enkele pieken die overblijven zijn harmonischen van de klok. De vraag hierbij is of de voeding en de filters de oorzaak ervan zijn dat deze harmonischen terug te vinden zijn in het uitstralingspectrum. 3.3 Stoomgenerator : Bij een stoomgenerator werd bij de immuniteitstest (volgens norm EN ) de temperatuurssensor circuit verstoord. Door het instralen wordt door het sensorcircuit een verkeerde temperatuurswaarde gedetecteerd met als gevolg dat het systeem in veiligheidsmode komt en zijn stoom aflaat. En dit reeds bij 2 V/m. De oorzaak was het ontbreken van een connectie van de afscherming van de sensor aan het chassis van de stoomgenerator. Werd dit tekort verholpen dan haalde het systeem de norm ruimschoots (meer dan 10 V/m) op immuniteitsvlak. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 8

9 3.4 Montagekasten : Uitlezing Vocht & Temp Communicatie -lijnen Verwerking De montage-kasten zijn geverfd. De verbinding tussen de twee kasten bestaat uit twee boutverbindingen. De bouten en moeren maken geen geleidend kontakt omdat de verf dit verhindert. STURING De hierboven afgebeelde sturing- en controle eenheid van een systeem bestonden uit twee standaard montagekasten. Men heeft geopteerd voor dit systeem met twee kasten omdat een gepaste grote montagekast niet standaard te verkrijgen was. De twee montagekasten waren op elkaar gemonteerd met een boutverbinding. De geverfde kasten maakten elektrisch geen goed contact. In de onderste kast bevond zich de eigenlijke sturing en in de andere kast de verwerkingseenheid en enkele uitleeseenheden. De sturing en de verwerkingseenheid waren met data- en voedingskabels verbonden. Al de elektronische onderdelen waren analoog. Het probleem lag hier ook bij de immuniteitstest. Bij de instraling (EN ) kon men tot 3 V/m gaan maar minimum 10 V/m werd niet gehaald. De kasten werkten als een dipoolantenne, ideaal om stoorvelden op te vangen. De sensoren werden verstoord en gaven verkeerde waarden door aan de verwerkingseenheid zodat ook de uitlezing niet correct meer was. Door tussen de kasten de verf weg te halen en extra strips (bandkabels) te plaatsen kon men wel 10 V/m halen. De kasten werden dus een elektrisch geheel, ook op hogere frequenties, en de ontvangstantenne bestaat niet meer. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 9

10 3.5 Stappenmotorsturing: Stuureenheid Stappenmotor Dit systeem bestaat uit een stappenmotor en zijn sturing. De sturing zit in een metalen behuizing. Alle afschermingen, zowel van de verbindingsdraden als de behuizingen, werden op dezelfde potentiaal gebracht door alles goed te refereren op een metalen plaat die onder het totale systeem werd geschoven. Het toestel haalde eerst de norm voor emissie (EN55022/B) niet, en na de verbetering wel. 3.6 Frequentieomvormer: Dit systeem is analoog aan het voorgaande systeem. De stuureenheid is nu wel een frequentieomvormer en de motor is een AC- motor i.p.v. een stappenmotor. Er was een tweevoudig probleem. Het systeem haalde de EFT- en de emissie testen niet EFT test (EN ): Zonder scherm Met scherm Het probleem lag bij het gebruik van een ringkerntransformator. De EFT- pulsen kunnen daarbij overkoppelen van de primaire naar de secundaire spoel. De oplossing voor dit probleem bestaat er in een transformator te gebruiken waarbij er een scherm gemonteerd is tussen de primaire en de secundaire spoel. Zo kunnen de EFT- pulsen niet meer op de secundiare spoel komen. Dit scherm moet geconnecteerd worden aan massa. Doet men dit niet dan zal er geen enkel verbetering bewerkstelligd worden. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 10

11 3.6.2 Emissie test (EN55022-B) : Hier was weerom een equipotentiaal probleem aan de orde. De motor en de sturing staan niet equipotentiaal. Dit kan verholpen worden door het systeem op een zelfde grondplaat te monteren. Hier echter was het goed afleggen van de schermen van verbindingskabels aan het chassis van de motor en het chassis van de stuureenheid voldoende om een 15 db daling te verkrijgen. Dit wordt geïllustreerd in de meetresultaten in de volgende figuren. Meting 1: Dit is het systeem voor de verbeteringen werden aangebracht. Meting 2: Equipotentiaal gemaakt systeem. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 11

12 3.7 Printer Module : De opstelling is al volgt: Bedienings- module PC DataKabel Een driefasige gevoede printer krijgt zijn data en stuuropdrachten van een PC via een afgeschermde kabel. Bij dit systeem lag het probleem bij de ESD- (EN ) en de EFT- testen (EN ). Bij beide testen werd de communicatie tussen de PC en de printer verstoord waardoor het systeem geblokkeerd raakt en een reset nodig is. Beide systemen blokkeren zodat een reset (Shut Down) nodig is. Bij het injecteren van EFT signalen met een capacitieve clamp op de stroomkabels haalde men net 1 kv. Het probleem ligt hierbij aan een slechte aarding in het gebouw. Dit probleem werd opgelost door de printer en de kast van de computer aan een nieuwe betere en gemeenschappelijke aarding te leggen. Deze aarding komt rechtsreeks van de hoofdzekeringskast. Hiervan is niet enkel van belang dat de aardingsnet van het gebouw goed verbonden is (ook op hoogfrequent). Hier was ook van evenzeer belang dat de aarding van PC en de printer op en dezelfde potentiaal kwam te staan. Met deze verbetering haalde het toestel de 4 kv norm voor EFT (met clamp) op stroomkabels( wat overeenkomt met 2 kv CDN directe injectie) Het probleem van de datakabel was dan nog niet opgelost. Er werd maar 0.5 kv gehaald en er moet 2 kv gehaald worden (norm ). Een lange pigtail verbinding tussen het scherm van de datakabel en het chassis van de printer bracht weinig verbetering. Het was enkel wanneer we het scherm onmiddellijk bij het binnenkomen met de aarding werd verbonden door middel van een beugel dat het systeem de vereiste 2 kv haalde. Een goede manier om met kabels binnen te komen: Hier de mantel ontbloten zodat het scherm bloot komt te liggen. Met een beugel tegen een goed geaard en een niet geschilderd deel van het chassis duwen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 12

13 NOTA : Filters Bij grote systemen is het belang van een juiste montage van even groot zo niet nog van een groter belang dan bij printontwerpen. Het filter moet zo dicht mogelijk bij de binnenkomende voedingsdraden staan. In de nabijheid van de binnenkomende kabels, voor het filter, worden er best geen andere kabels gemonteerd. Door capacitieve koppelingen kunnen stoorsignalen overgenomen worden van de binnenkomende draden op de andere en zo in het systeem gekoppeld worden. Het filter verliest dan een groot deel van zijn rendement want het koppelmechanisme zorgt voor een overbrugging van het filter. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 13

14 3.8 Meervoudige massareferentie van afschermingen In een stuurcabine met veel verbindingen tussen de verschillend sub eenheden werd vastgesteld dat er data 8 verstoord werd en er dat de normale werking van het geheel daardoor verstoord was. Door het losmaken van de massaverbindingen van enkele schermen van afgeschermde kabels waren de problemen veel minder. Alle afschermingen van de kabels zijn op dezelfde massastaaf gerefereerd. Deze massastaaf zelf was slechts met twee bouten op een metalen behuizing geschroefd die aan de massa hangt. Dus de staaf op zich is op hoogfrequent gebied niet zo goed gerefereerd. Het stoorsignaal dat zich op het scherm van de vermogen kabel (kabel 1) bevond kon ook teruggevonden Massapunten worden op het scherm van de datakabels (2Æ 6). Een betere oplossing is de schermen van de datakabels en de vermogen kabels op een aparte massastaaf te refereren en elk van deze staven goed te refereren aan de gemeenschappelijke massareferentie van de machine. Ook wordt er beter een onderscheid gemaakt tussen datakabels met snelle en trage communicatie Dit geldt niet alleen voor de afschermingen van kabels ook de referentie van voeding, snelle en trage logica, analoge stukken, wordt beter gescheiden. Cruciaal hierbij is de referentie van al deze aparte modules aan de gemeenschappelijke referentie. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 14

15 4 Meetopstelling EFT- meting Burst genrator EFT generator Test kabel Capacitieve Connectie van het scherm van kabel aan de eerste refrentieplaat 40 db Verzwakker Meetplaats : Op een tweede plaat worden op verschillende manieren het scherm geconnecteerd Hier wordt het scherm geconnecteerd Met een clamp wordt het restsignaal opgemeten Bij EFT metingen wordt er een stoorsignaal op de kabel in gekoppeld met een koppelnetwerk. Dit kan ook met een capacitieve clamp. Een EFT simulatie is een Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 15

16 simulatie van een werkelijk stoorsignaal dat kan voorkomen tijdens normaal gebruik van een systeem. Met de capacitieve clamp wordt er een burst signaal van 2kV op de kabel gekoppeld. Bij deze test wordt er zowel rechtreeks op de draad gemeten als ook met een meetclamp. Merk hierbij op dat er nog veel kan worden oppikt van dit signaal met de meetclamp. Voor de meting gebruiken we een 40 db demping om het meettoestel van overbelasting te vrijwaren. Het scherm wordt best bij het binnenkomen geconnecteerd aan de (metalen) behuizing. Op de plaats waar men het scherm connecteert met de massa creëert men een pad naar massa waarlangs de storing wordt afgeleid. Zodoende komt het signaal nooit het systeem binnen. In de twee volgende metingen kan men het verschil zien tussen een geconnecteerd scherm en een niet geconnecteerd scherm. Meting 1 Meting 2 Connector om met de reciever het signaal op de draad te kunnen meten Scherm wordt geconnecteerd aan de grondplaat met strips Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 16

17 Meting 3 Meting 4 Scherm wordt geconnecteerd aan de grondplaat met strips meetclamp Men kan dus zien dat een groot deel van het signaal wordt afgeleid langs de grondplaat. Typisch is het restsignaal 20 db lager. Indien men het scherm niet connecteert dan koppelt men dit signaal in de machine binnen waar het een bron van allerlei storingen en fouten wordt. 5 Conclusie Bij de montage van grote systemen is het goed connecteren van de afschermingen aan het chassis van het systeem een aandachtspunt dat niet uit het oog mag verloren worden. Al de behuizingen en massa s van de printen moeten op eenzelfde potentiaal gebracht worden om uitstralingproblemen te vermijden. Voor alle verbindingskabels van het ene onderdeel naar het ander onderdeel moet bekeken worden of een afscherming nodig is. Indien men een afgeschermde kabel gebruikt dan het scherm van deze kabel beter aan beide zijden aan het chassis van de beide onderdelen geconnecteerd. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 17

18 6 NEC-simulatie 6.1 Inleiding In deze paragraaf worden de simulaties van enkele grotere structuren en hun resultaten gegeven. Er wordt een vergelijking gemaakt tussen de verschillende connectiemethoden van een basisstructuur aan een metalen behuizing. Er worden telkens meer verbindingen gemaakt van de basisstructuur naar het chassis. De basisstructuur wordt voorgesteld door twee vlakken die met elkaar verbonden zijn door 2 draden. Voor de simulatie is een vlak een vierkant netwerk van draden. Een vlak bestaat een vlak uit 8X8 cellen, met dus elk 10 cm tussenafstand. De totale lengte van het systeem bedraagt 180 cm. De simulaties zijn enkel een ruwe benadering van de geometrische structuren, waarbij een stoorsignalen (van 5 V en 1mV amplitude) tussen de basisstructuur en een chassis Simulatie resultaten: De eerste drie grafieken zijn vergelijkingen tussen de verschillende opstellingen. De grafieken zijn aangepast naar het spectrum van een bepaalde logische families die in een systeem kunnen gebruikt worden. De flanksnelheden van de verschillende technologieën die gesimuleerd werden zijn 10ns, 1ns en sneller dan 1ns. De volledige verbonden configuratie wordt niet weergegeven in de grafieken omdat die identiek is aan die van 25 X 2 configuratie. In de tweede reeks van 4 grafieken worden de technologie verschillen bekeken per opstelling BESLUIT : In deze simulatie werden een aantal verbindingen van grote systemen gesimuleerd. Tot 450 MHz zijn 4 verbindingen per deelsysteem te weinig. Boven de 450MHz zijn er weinig verschillen, en zal een meer continu verbindingspatroon moeten gebruikt worden om sterke uitstraling van het systeem te vermijden. Bemerk ook typische resonantie patronen die ontstaan. Dit verschijnsel is te wijten aan de geometrie structuur bij niet volledig continue contacteringen. Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 18

19 Simulatie opstellingen: 4X2 12X2 25X2 volledig Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 19

20 6.2 Stoorsignalen hebben een normaal logisch niveau (5 V amplitude) Grafieken : vergelijking tussen de verschillende opstellingen per technologie 10ns technologie: Vergelijking tussen de connecties 10 ns Uitsrqling (dbuv/m) Frequentie (MHz) 10 ns 4 X 2 12 X 2 25 X 2 CispA CispB 1ns technologie: Vergelijking tussen de connecties 1 ns technologie Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) 10 ns 4 X 2 12 X 2 25 X 2 CispA CispB Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 20

21 Sneller dan 1ns 160 Vergelijking tussen de connecties sneller dan 1 ns Uitsrqling (dbuv/m) Frequentie (MHz) 4 X 2 12 X 2 25 X 2 CispA CispB grafieken : vergelijking tussen de verschillende technologieën per opstelling 4 X 2 : 4 X Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) Snelste technologie 1 ns 10 ns CispA CispB Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 21

22 12 X 2 12 X Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) Snelste technologie 1 ns 10 ns CispA CispB 25 x2 25 X Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) Snelste technologie 1 ns 10 ns CispA CispB Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 22

23 6.3 Stoorsignalen hebben een ruisniveau van 1 mv amplitude (ground boun,ce van digitale componenten) Grafieken : vergelijking tussen de verschillende opstellingen per technologie 10ns technologie: Vergelijking tussen de connecties 10 ns Uitsrqling (dbuv/m) Frequentie (MHz) 10 ns 4 X 2 12 X 2 25 X 2 CispA CispB 1ns technologie: Vergelijking tussen de connecties 1 ns technologie Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) 10 ns 4 X 2 12 X 2 25 X 2 CispA CispB Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 23

24 Sneller dan 1ns: 160 Vergelijking tussen de connecties sneller dan 1 ns Uitsrqling (dbuv/m) Frequentie (MHz) 4 X 2 12 X 2 25 X 2 CispA CispB grafieken : vergelijking tussen de verschillende technologieën per opstelling 4 X 2 : 4 X Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) Snelste technologie 1 ns 10 ns CispA CispB Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 24

25 12 X 2 12 X Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) Snelste technologie 1 ns 10 ns CispA CispB 25 x2 25 X Uitstraling (dbuv/m) Frequentie (MHz) Snelste technologie 1 ns 10 ns CispA CispB Debaets Wouter EMC SYS : Equipotentiale vlakken Pag. 25