EMI-suojaus vs. suodatus | Astrodyne TDI

Mikäli maailmastamme tulee yhä digitaalisempi ja elektroniset laitteet ovat yhä keskeisemmässä roolissa elämässämme, sähkömagneettisista häiriöistä eli EMI:stä tulee yhä tärkeämpi ongelma. Jokaisen, joka suunnittelee ja valmistaa elektronisia laitteita tai komponentteja, on huolehdittava sähkömagneettisen häiriön hallinnasta.

Suojaus ja suodatus ovat kaksi ensisijaista menetelmää, joilla tämä voidaan saavuttaa.

Kun elektroniset laitteet vastaanottavat sähkömagneettisia aaltoja, ne voivat indusoida virtapiiriin sähkövirtoja, jotka aiheuttavat häiriöitä ja häiritsevät laitteen aiottua toimintaa. Jos energia on erityisen voimakasta, elektroninen laite voi vaurioitua. Vaikka syötetty teho olisi suhteellisen pieni, jos se sekoittuu tietoliikenteessä käytettäviin radioaaltoihin, se voi aiheuttaa vastaanottokatkoksia, häiriintyvää videokuvaa ja epänormaalia kohinaa paikoissa, joissa radioaallot ovat heikkoja.

Laadukas sähköinen maadoitusjärjestelmä voi auttaa minimoimaan sähkömagneettisen häiriön aiheuttamat ongelmat.

Suojat, suodattimet, kondensaattorit ja induktorit voivat myös pienentää järjestelmän häiriöherkkyyttä. Elektronisia laitteita suunniteltaessa suodattimien ja suojien lisääminen voi auttaa hallitsemaan EMI:tä. Molemmat komponenttityypit tarjoavat kohinanvaimennusta, ja niitä voidaan käyttää lisäämättä laitteeseen merkittävästi kokoa tai kustannuksia.

Miten nämä kaksi kohinanvaimennusmenetelmää kuitenkin eroavat toisistaan, ja milloin niitä kannattaa käyttää? Lue lisää saadaksesi selville.

Mitä on EMI?

EMI on sähkömagneettisen kentän aiheuttama häiriö elektronisen tuotteen toiminnassa. EMI:tä kutsutaan myös radiotaajuushäiriöksi (RFI, radio frequency interference), kun kenttä on sähkömagneettisen taajuusspektrin radiotaajuusspektrissä. Häiriöitä aiheuttavia sähkömagneettisia aaltoja kutsutaan sähkömagneettiseksi kohinaksi.

Muu EMI:hen liittyvä termi on EMC, joka tarkoittaa sähkömagneettista yhteensopivuutta. Tällä termillä tarkoitetaan sitä, miten hyvin laite toimii ympäristössä, jossa on sähkömagneettista kohinaa.

Tuotteen melun sietokyky sekä se, kuinka paljon se tuottaa melua, vaikuttavat molemmat sen EMC:hen.

Toimiakseen ja voidakseen sallia muiden laitteiden toiminnan jokaisen tuotteen on pystyttävä toimimaan, vaikka se altistuisi tietylle tasolle kohinaa, eikä se saa tuottaa sähkömagneettista häiriötä tasoilla, jotka haittaavat laitteiden toimintaa. Yhdysvalloissa sähkömagneettista häiriötä säätelee Federal Communications Commission eli FCC. Kansainvälinen radiohäiriöiden erityiskomitea (International Special Committee for Radio Interference) säätelee sitä kansainvälisesti joillakin aloilla.

Monissa muissakin alan standardeissa asetetaan EMC:hen liittyviä vaatimuksia.

Peruskäyttöön tarkoitettujen tietokoneiden piirit aiheuttavat sähkömagneettisia kenttiä RF-alueella. Myös katodisädeputkinäytöt tuottavat EM-energiaa eri taajuuksilla.

Jos käytät langatonta vastaanotinta samanaikaisesti henkilökohtaisen tietokoneen kanssa, kuulet todennäköisesti RF-kohinaa vastaanottimessa. Langattomat lähettimet tuottavat myös sähkömagneettisia kenttiä, ja keski- ja suuritehoiset lähettimet voivat luoda kenttiä, jotka ovat riittävän voimakkaita häiritsemään alueella toimivia elektronisia laitteita. Jos käytät radio- tai televisiolähetintä esimerkiksi lähetysaseman lähellä, saatat kokea sähkömagneettisia häiriöitä.

Kovat RF-kentät voivat aiheuttaa sen, että puhelimet, tietokoneet ja jopa jotkin lääkinnälliset laitteet lakkaavat toimimasta oikein. Myös luonnolliset tapahtumat, kuten sähkömyrskyt, auringonpurkaukset ja staattinen sähkö voivat aiheuttaa EMI:tä. Siksi EMI-suojaus ja EMI-suodatus ovat niin tärkeitä.

Miten EMI-suojaus toimii?

Mitä on EMI-RFI-suojaus?

EMI-RFI-suojaus tarkoittaa kohteen ympäröimistä metallilevyllä tai muulla suojauksella sähkömagneettisten kenttien estämiseksi. EMI-suojat on suunniteltu estämään säteilypäästöjä pääsemästä tietyn pisteen yli. EMI-suojaratkaisuilla voidaan sekä suojata laitetta ulkoiselta säteilyltä että estää kyseistä laitetta lähettämästä säteilyä, joka voisi aiheuttaa häiriöitä muihin laitteisiin.

Mitä siis tapahtuu, kun sähkömagneettinen aalto osuu sähkömagneettiseen suojaan?

Katsotaanpa muutamia EMI-suojauksen perusperiaatteita.

Suojan johtava pinta heijastaa suurimman osan EM-aallon energiasta eri suuntiin. Se, miten aalto tarkalleen ottaen heijastuu, riippuu kilven materiaalin ominaisuuksista ja aallon vaiheesta sen osuessa kilpeen. Sähkömagneettisen häiriön suojaus absorboi myös osan sähkömagneettisen aallon energiasta, joka muuttuu lämpöenergiaksi.

Tehotasosta riippuen tämä lämpöenergia voi vaatia lämpöhallintaa.

Jotkut sähkömagneettisen häiriön suojausmateriaalit on tehty niin, että ne toimivat myös jäähdytyslevyinä. Suurempitehoisissa elektroniikkapiireissä, varsinkin kun käytetään suojamekanismeja, jotka absorboivat enemmän energiaa, saatetaan tarvita aukkoja suojan metallilevyihin lämmön luovuttamista varten. Näiden aukkojen koko ei saisi olla suhteessa pidätettävien aaltojen aallonpituuksiin, sillä se saattaa minimoida EMI-suojauksen tehokkuuden.

Jotta suojausmateriaalit toimisivat hyvin, ne tarvitsevat myös hyvät maadoitusyhteydet.

Miten valitset käytettävät EMI-RFI-suojamateriaalit?

On useita elintärkeitä parametreja, kuten paksuus, paino, materiaalin johtavuus ja työkalukustannukset.

Paksummat suojat antavat yleensä paremman tuloksen, mutta sen vastapainona on suunnittelun painon lisääntyminen. Useimmat suojausmateriaalien toimittajat ilmoittavat eri taajuuksilla saavutettavan tehokkuuden ja materiaalien käyttökelpoiset taajuusalueet. Nämä mittaukset auttavat vertaamaan suojausmateriaalin painoa ja tiheyttä sen antaman suojauksen määrään.

Muita harvinaisempia, mutta silti potentiaalisesti hyödyllisiä parametreja ovat mm. tilavuusvastus, käyttölämpötila-alue ja puristusvoima, jos materiaalia käytetään tiivisteenä.

Esimerkkejä EMI-suojaukseen yleisesti käytetyistä materiaaleista ovat:

• Kupari
• Alumiini
• Ruostumaton teräs

Viime aikoina valmistajat ovat alkaneet käyttää myös komposiittimateriaaleja, kuten verkkoja ja kankaita. Näissä ratkaisuissa yhdistetään usein metalli ja polyesterimateriaali. Joitakin näiden uudempien materiaalien etuja ovat niiden keveys ja joustavuus. Pienestä painostaan huolimatta ne ovat silti toimivia.

EMI-suojaussovelluksia, joissa näitä materiaaleja käytetään, ovat muun muassa suojaus painettujen piirilevyjen ympärillä laitekotelossa ja toissijaisen suojauksen tarjoaminen terveydenhuollon tiloissa.

Räätälöityjä EMI-suojausratkaisuja sekä valmiita suojaustuotteita on saatavilla.

Miten EMI-suodatus toimii?

EMI-RFI-suodattimet voivat poistaa ei-toivotut komponentit ja päästää tarvittavat komponentit läpi johtimissa virtaavassa sähkövirrassa. Kohina ohjautuu maahan, absorboituu tai palautuu takaisin alkuperäänsä.

EMI-suodattimessa on kahdenlaisia komponentteja – kondensaattoreita ja induktoreja – jotka toimivat yhdessä vähentääkseen sähkömagneettista häiriötä:

• Kondensaattorit: Kondensaattorit estävät tasavirran, jonka kautta huomattava osa sähkömagneettisista häiriöistä kulkeutuu laitteeseen, mutta päästävät vaihtovirran läpi.
• Induktorit: Induktorit ovat pieniä sähkömagneetteja, jotka voivat pidättää energiaa magneettikentässä, kun sähkövirta kulkee niiden läpi, jolloin kokonaisjännite pienenee.

EMI-suodattimissa esiintyviä kondensaattoreita kutsutaan vaihtokondensaattoreiksi (shunting capacitors).

Näillä ohjataan häiriöitä aiheuttavaa suurtaajuusvirtaa pois piiristä ja syötetään se sarjaan sijoitettuihin induktoreihin. Kun virta kulkee tämän induktorisarjan läpi, sen jännite pienenee. Ihannetapauksessa induktorit vähentävät häiriön olemattomiin, mitä kutsutaan myös oikosuluksi maahan.

Suodattimien rooli eroaa suojien roolista monin tavoin.

Katsotaanpa muutamia EMI-suodatuksen perusperiaatteita.

EMI-suojat suojaavat kokonaisia malleja tai piirejä.

EMI-suodattimet taas kohdistuvat tiettyihin häiriölähteisiin. Suojat hillitsevät EM-säteilyä tietyn alueen sisällä ja estävät myös EM-säteilyn pääsyn kyseiselle alueelle. Suodattimet kontrolloivat johtimien läpi kulkevaa EM-energiaa. Ne sijoitetaan tiettyihin kohtiin piirissä ohjaamaan virran kulkua eri taajuuksilla.

Kun suojat on suunniteltu ohjaamaan säteilevää sähkömagneettista säteilyä, suodattimet pyrkivät ohjaamaan johdettua kohinaa.

Oikein käytettävä suodatin riippuu järjestelmän mekaanisesta kokoonpanosta ja järjestelmässä olevan kohinan taajuudesta suhteessa lähetettävien signaalien tavoitetaajuuteen. Sinun on valittava suodatin, jossa on kondensaattori, joka ei katkaise läpi kulkevia signaaleja, vaan estää signaalit sen kohinan taajuusalueella, jota yrität torjua.

On olemassa erityyppisiä sähkömagneettisia häiriösuodattimia, joita voit käyttää.

Oikea tyyppi riippuu taajuuksista, joita haluat estää, jännitteestä, jolla työskentelet, ja muista tekijöistä. Yleensä suodatinvalmistajat antavat yksityiskohtaisia tietoja tarjoamiensa suodattimien katkaisutaajuuksista.

Kaksi ratkaisevaa EMI-suodattimien tyyppiä ovat yksi- ja kolmivaiheiset suodattimet:

• Yksivaiheiset suodattimet: Nämä suodattimet soveltuvat parhaiten pienempiin laitteisiin, kuten viihde-elektroniikkaan, kodinkoneisiin, kuntolaitteisiin ja joihinkin teollisuussovelluksiin, kuten virtalähteisiin, tietoliikennelaitteisiin ja elintarvikelaitteisiin.
• Kolmivaiheiset suodattimet: Nämä suodattimet voivat estää korkeampia kohinatasoja kuin yksivaiheiset suodattimet, ja ne ovat käyttökelpoisia tiukemmassa sähkömagneettisen häiriön vaimentamisessa. Tällaisia suodattimia tarvitaan suuritehoisissa sovelluksissa, kuten lääketieteellisissä laitteissa, testauslaitteissa ja erityyppisissä teollisuuskoneissa, kuten työkaluissa ja moottoreissa.

Muita sähkömagneettisten häiriöiden suodattimien luokitteluja ovat:

• IEC-sisääntulosuodattimet, joita käytetään virransyöttösovelluksissa.
• DC-suodattimet, jotka estävät korkeataajuiset virrat, mutta päästävät DC- ja matalataajuiset virrat läpi.
• Invertteri-EMI-suodattimet, joita käytetään sovelluksissa, joihin liittyy taajuusmuuttajia tai invertteripohjaisia ohjausjärjestelmiä.
• Läpivientisuodattimet, joita käytetään sovelluksissa, kuten koteloissa, tukiasemissa, matkapuhelinsuojissa ja kytkentälaitteissa, ja jotka tarjoavat suuren eristyshäviön KHz:n ja GHz:n välisillä taajuuksilla.

Monet suodattimet suunnitellaan käytettäväksi tietyllä sektorilla tai tietyssä sovelluksessa, ja saatavana on sekä vakiomuotoisia että asiakaskohtaisia suodattimia.

On myös tärkeää huomata, että kuten suojienkin kohdalla, suodattimet ovat riippuvaisia asianmukaisesta maadoituksesta toimiakseen oikein.

Milloin kannattaa käyttää EMI-suodatinta vs. suojausta?

Suodattimet ja suojat ovat molemmat arvokkaita työkaluja EMI:n vähentämiseksi. Joissakin tapauksissa voi olla parempi keskittyä enemmän toiseen kuin toiseen.

Usein molempien käyttäminen on tehokkain ratkaisu.

Joskus sähkömagneettisen säteilyn suojausmenetelmien reiät ja aukot voivat heikentää suojauksen tehokkuutta. Nämä aukot ovat kuitenkin välttämättömiä lämmön vähentämiseksi. Tämä on esimerkki siitä, milloin EMI-suodattimia kannattaa käyttää suojauksen lisäksi.

Suojaus on hyödyllinen useissa EMI-ongelmissa, ja se voi riittävästi heijastaa EMI:tä.

Suodattimet voivat kuitenkin poistaa EMI:n. Suodattimilla voidaan puuttua moniin ongelmiin, jotka liittyvät suojausten läpäisyyn, sekä sähköjärjestelmän tuloihin ja lähtöihin, jotka ovat yleensä suojatun järjestelmän haavoittuvimmat kohdat. Suodattimet ovat tehokkaimpia näissä kohdissa.

Sähkömagneettisen häiriön suodatustekniikoiden sekä transienttisuojauksen käyttäminen suojatun kotelon rajapinnassa on erittäin tehokas tapa suojautua yhteensopivuusongelmilta.

Suodattimien ja suodatettujen liittimien sijoittaminen järjestelmän tulo- ja lähtöliitäntöihin voi auttaa eliminoimaan sähkömagneettista kohinaa, joka on peräisin sekä sisäisistä että ulkoisista äänilähteistä liittimen liitännässä. Tämä sijoittelu lähettää ei-toivotun energian maadoitettuun suojattuun koteloon, mikä tekee tästä optimaalisen paikan korkeampitaajuisen melun eliminoimiseksi ja sähkömagneettiseen häiriöön liittyvien ongelmien lieventämiseksi.

Suodattimet suojaavat johtimien kautta kulkevalta kohinalta, kun taas suojat lieventävät tilan kautta kulkevaa kohinaa. Johdin, jonka läpi kohina kulkee, voi kuitenkin toimia myös antennina. Kun johdin toimii antennina, kahdenlaiset johtotyypit muuntuvat toisiinsa antennin ansiosta.

Sentähän varten – jotta melu voidaan sulkea kokonaan pois – on välttämätöntä käyttää sekä suojia että suodattimia samassa paikassa.

Jos esimerkiksi suojaa käytetään tilajohtumisen estämiseen ja johdin tunkeutuu suojauksen läpi, tämä johdin poimii kohinaa ja vetää kohinaa kilven sisälle ja sen ulkopuolelle, mistä seuraa kohinaemissio. Tästä syystä pelkällä kilvellä ei voi sulkea avaruusjohtumista.

Toisella tavalla, kun käytetään suodatinta suojaamaan johtimen läpi tapahtuvaa johtumista, ennen ja jälkeen suodattimen sijoitetut johdot voivat kytkeytyä toisiinsa avaruusjohtumisen kautta. Tämän vuoksi suodatin ei voi yksinään sulkea johtumista kokonaan pois.

Jos kuitenkin käytetään sekä EMI-suojamekanismia että suodatinta samassa paikassa, voidaan sulkea kokonaan pois sekä tila- että johdinjohtuminen, jolloin kohina poistuu.

Jos melulähteen ja suodattimen välissä sijaitseva johdin on lyhyt, sillä ei ole merkittävää vaikutusta johtimena. Silloin voit jättää huomiotta antennina toimivan johtimen ongelman ja eliminoida tehokkaasti kohinan käyttämällä vain suodatinta. Pohjimmiltaan, jos voit sijoittaa suodattimen merkittävästi lähelle melulähdettä, voit vaimentaa sen pelkällä suodattimella, eikä suojan käyttäminen ole välttämätöntä.

EMI-suodatinratkaisut Astrodyne TDI:ltä

Astrodyne TDI on tutkinut, kehittänyt, jalostanut ja toimittanut sähkömagneettisia häiriöitä aiheuttavia suodattimia monenlaisiin sovelluksiin useilla eri sektoreilla, mukaan lukien kaupallisella, teolliseen toimintaan liittyvällä, sotilaallisella ja lääkinnällisellä alalla. Vuosikymmenten kokemuksemme aikana olemme ansainneet maineen luotettavana kumppanina, joka auttaa yrityksiä luomaan tehokkaita ja luotettavia tuotteita ja täyttämään asiaankuuluvat elektroniikka- ja energiastandardit.

Laitetarpeistasi ja toimialastasi riippuen saatat tarvita joko kustannustehokkaan EMI-suodattimen, joka on valmiina hyllyssä, tai vankan ja suorituskykyisen räätälöidyn suodattimen sovellukseen lääketieteen, ilmailu- ja avaruusteollisuuden tai sotilassektorin alalle tai jollekin muulle markkinalle.

Astrodyne TKI:llä tarjoamme monenlaisia korkealaatuisia sähkömagneettisten häiriöiden häiriöiden suodattimia. Meillä on myös talon sisäistä suunnittelu- ja suunnitteluasiantuntemusta, jota tarvitaan, jotta voimme tarjota sinulle räätälöidyn EMI-ratkaisun, joka täyttää laitteesi vaatimukset sekä alan standardit ja määräykset.

EMI-suodatinratkaisuihimme kuuluu kaikkea pienistä yksivaiheisista komponenteista teollisuuskäyttöön tarkoitettuihin kolmivaiheisiin suodattimiin. Tarjoamme DC-EMI-suodattimia, läpivirtaussuodattimia, IEC-syöttösuodattimia, invertteri-EMI-suodattimia, vaimennuskomponentteja, harmonisten yliaaltojen suodattimia ja paljon muuta.

Meillä on myös laaja varasto virtalähteitä erilaisiin sovelluksiin. Teholähteemme vaihtelevat 5W:sta 16,5kW:iin, ja niitä käytetään suurempien, jopa 500kW:n järjestelmien perustana. Suurimmalla osalla vakiovarastostamme on kansainvälisten virastojen hyväksynnät sellaisilta organisaatioilta kuin Underwriters Laboratories (UL), Conformité Européenne (CE) ja Canadian Standards Association (CSA).

Jos haluat lisätietoja vakiomallisista ja räätälöidyistä sähkömagneettisista häiriösuodattimistamme, ota meihin yhteyttä tai pyydä tarjous jo tänään.

Voimme auttaa laitteitasi ja brändiäsi rakentamaan tehon ja luotettavuuden mainetta. Astrodyne TDI:n avulla sinulla on nyt valtaa.