thumb|RF-antenni EMC-laboratoriossa. Sähkömagneettisella yhteensopivuudella eli EMC:llä () tarkoitetaan elektronisen laitteen tai järjestelmän kykyä toimia luotettavasti luonnollisessa toimintaympäristössään. Laite ei saa myöskään tuottaa kohtuuttomasti sähkömagneettisia häiriöitä ympäristöönsä. Tämä koskee myös laitteen osien välistä vuorovaikutusta. Sähkömagneettiset häiriöt () ovat ei-toivottua sähkömagneettista vuorovaikutusta laitteen sisällä tai laitteiden välillä.
Esimerkkejä sähkömagneettisista yhteensopimattomuuksista: GSM-puhelimen aiheuttamat häiriöt sen läheisyydessä oleviin puutteellisesti suojattuihin elektroniikkalaitteisiin Yhdysvalloissa poliisilaitos valitti, että rahapelikoneet aiheuttivat harmillista häiriöitä partioiden käyttämään viestintäjärjestelmään; Kun pietsoelektronista tupakansytytintä käytettiin pysäköintihallin sisäänpääsypuomin ohjauskaapin läheisyydessä, aukaisi sytyttimestä säteillyt sähkömagneettinen pulssi puomin; Vuonna 1982 käydyssä Falklandin sodassa brittien sotalaiva HMS Sheffield (D80) tuhoutui Exocet-ohjuksen osuessa siihen. Laivan ohjuspuolustusjärjestelmä oli kytketty pois päältä aluksen omasta viestintäjärjestelmästä tulleen häiriön vuoksi.
Häiriöiden kytkeytymismekanismit
Häiriöiden kytkeytyminen voidaan jakaa neljään päätyyppiin: Säteilevä kytkeytyminen (sähkömagneettinen aalto) radioaaltojen välityksellä Induktiivinen kytkeytyminen magneettikentän ja keskinäisinduktanssin välityksellä Kapasitiivinen kytkeytyminen sähkökentän välityksellä Galvaaninen eli johtuva kytkeytyminen jonkin häiritsevän ja häirityn piirin yhdistävän johtavan yhteyden välityksellä. Tähän syynä on usein huonosti toteutettu johdotus tai maadoitus.
EMC-häiriötyyppejä Johtuva RF-häiriö Säteilevä RF-häiriö Sähköstaattinen purkaus (ESD) Kertaluontoiset ja toistuvat transienttihäiriöt Sähkömagneettinen pulssi (EMP)
Häiriöiltä suojautuminen
Sähkömagneettisen säteilyn haitat aiheuttavat monilla teknologian aloilla ei toivottavia riskejä ja häiriöitä. Näitä häiriöitä on välttämätöntä valvoa ja vähentää, jotta haittoja esiintyisi mahdollisimman vähän.
Häiriön kytkeytymismekanismin selvittäminen
Jotta häiriöiltä pystytään suojautumaan täytyy selvittää: Häiriölähde Häiriön siirtotie Häiriön vastaanottaja
Häiriösäteilyn ja häiriönsietokyvyn saaminen direktiivien mukaiseksi
EMC-direktiivi säännöstelee laitteiden sähköistä yhteensopivuutta EU-alueella, jonka noudattamisesta lopuksi vastaa laitteen valmistaja. EU:n alueella laitteen valmistaja takaa CE-merkinnällä laitteen olevan EU:n direktiivien mukainen, johon kuuluu EMC-direktiivi.
EMC-suunnittelu
EMC-suunnittelu on tärkeää ja pakollista, joka on otettava huomioon laitteen suunnittelun alussa. Ihanteellista olisi häiriölähteen vaimennus tai poisto ennen häiriön leviämistä . Hyvällä suunnittelulla voidaan välttyä jatkokustannuksilta. Suunnittelussa tulee huomioida: Kotelointi – laitteen kotelointi mahdollisimman tiivisti ja johtavasta materiaalista Johtojen sijoittelu – laitteen johdot lyhyinä, ilman ylimääräisiä silmukoita sekä kierretyn parikaapelin käyttö Komponenttien sijoittelu – toisiaan häiritsevät komponentit erilleen ja liitoksissa olevat lähekkäin Maadoitus
Maadoitus pienoiskuva|456x456px|Kaksi erillistä piiriä on kytketty samaan maajohtimeen. Johtimissa on impedanssia, jossa tapahtuu jännitehäviötä. Maa on minimi-impedanssinen piirin virtojen paluujohdin. Maadoitus aiheuttaa suuren osan galvaanisesti kytkeytyvistä häiriöistä joko suoraan, induktiivisesti, kapasitiivisesti tai RF-säteilyn kautta. Maadoitusta suunniteltaessa häiriöiden minimointi ei ole ainoa suunnittelun lähtökohta.
Yhteisimpedanssisia häiriöitä syntyy, kun kytketään useita piirejä samaan maadoitusjohtimeen. Maadoitusjohtimessa on aina mukana impedanssia, jonka takia siinä kulkeva virta aiheuttaa jännitehäviöitä, jotka esiintyvät häiriöinä muissa samaan maahan kytketyissä piireissä. Mitä korkeampitaajuuksinen häiriö on kyseessä, sitä enemmän aiheuttaa maajohtimen induktiivinen reaktanssi häviöitä johtimeen. Korkeilla taajuuksilla ja jännitepiikkien aikana tämä maadoitusjohtimen reaktanssi on merkittävämpi kuin sen resistanssi.
Maadoitusjohtimet voivat muodostaa suljettuja silmukoita, jotka ottavat vastaan häiriöitä muuttuvista magneettikentistä. Pitkät, suorat johtimet maadoituksessa toimivat antennina RF-säteilyn häiriöille. Maadoitusjohtimen lähellä kulkeva toinen johdin voi aiheuttaa siihen kapasitiivisesti johtuvia häiriöitä.
Piirilevyn suunnittelu
Laitteen piirilevyn suunnittelulla voidaan vaikuttaa paljon laitteen EMC -häiriöherkkyyteen. Piirilevyä suunniteltaessa EMC -häiriöitä voidaan vähentää seuraavia perusperiaatteita noudattamalla: Tunnista potentiaaliset sähkömagneettisen säteilyn lähettäjät ja vastaanottajat. Tunnista kytkennän mahdolliset antennit (lähetys- ja vastaanotto). Huomioi mahdolliset häiriöiden kytkeytymistavat kytkennän osien välillä. Huomioi kriittiset virtojen kulkureitit ja minimoi johdotusten ja reittien pituudet. Yleisimpiä sähkömagneettisten häiriöiden aiheuttajia ovat digitaaliset kellosignaalit, virta- ja jännitelähteiden kytkentätaajuudet, korkeataajuiset analogiset ja digitaaliset signaalit ja verkkojännite (50 Hz taajuus). Näiden aiheuttamia häiriöitä voidaan vähentää helpoiten pitämällä kytkennän teho- ja signaalitiet mahdollisimman kaukana toisistaan piirilevyllä ja minimoimalla kytkentöjen johtimien pituudet. Kytkennän häiriöille herkimmät (erityisesti analogiset) signaali- tai korkeataajuusosat voidaan lisäksi suojata piirilevyllä erillisellä metallikotelolla, eristämällä ne piirilevyn kuparialueille tehdyillä väleillä tai sijoittamalla ne monikerrospiirilevyn eri kerroksiin.
Sähkömagneettisten häiriöiden kytkeytymistä piirilevyllä voidaan vähentää eri keinoin. Galvaanista kytkeytymistä rajoitetaan esim. katkaisemalla johtava linja optoerottimilla tai kondensaattoreilla. Kondensaattori suodattaa matalataajuisia häriöitä. Johdinpituudet ja -silmukat minimoimalla ja sijoittamalla liittimet piirilevyn samalle sivulle vähennetään kytkennässä esiintyviä antenneja, jolloin häiriöiden kytkeytyminen sähkömagneettisena säteilynä vähenee. Piirilevyillä häiriöiden kytkeytymistä millä tahansa kytkeytymistavalla voidaan vähentää samoilla tavoilla, kuin eri kytkeytymistapojen aiheuttamia häiriöitä yleisesti.
Piirilevysuunnittelussa on myös huomioitava, että mitkään komponentit eivät reaalimaailmassa ole ideaalisia; jokaisessa komponentissa on resistanssia, induktanssia ja kapasitanssia. Tämän vaikutus piirilevysuunnitteluun riippuu pitkälti suunniteltavasta laitteesta; miten herkkä se on muiden komponenttien aiheuttamille häiriöille. Lisäksi piirilevysuunnittelussa on myös huomioitava kytkennän maadoitusreittien kulku, ja mahdolliset eri maapotentiaalit ja niiden aiheuttamat häiriöt.
Kotelointi
EMC-häiriöitä voidaan rajoittaa koteloimalla laite ja laitteen sisäisiä komponentteja. Onnistunut suojakotelointi suojaa sekä radiotaajuisilta häiriöiltä että sähkö- ja magneettikenttien kautta kytkeytyviltä häiriöiltä. Huonosti suunniteltu kotelo ottaa vastaan sekä aiheuttaa häiriöitä. Koteloinnin toimivuutta on vaikea simuloida ja lopullinen toimivuus ilmeneekin vasta testaamalla valmista tuotetta. Sähkölaitteen kotelo on usein kytketty maadoitukseen, jolloin se suojaa laitetta myös ulkopuolelta tulevilta sähköstaattisilta purkauksilta.
Koteloinnissa häiriöalttiuteen vaikuttavat: +λ/16 -säännön arvoja Taajuus Aallonpituus λ/16 50 Hz 6 000 km 375 km 1 000 Hz 300 km 18,8 km 10 kHz 30 km 1,88 km 100 kHz 3 km 188 m 100 MHz 3 m 0,188 m 1 GHz 30 cm 1,88 cm 10 GHz 3 cm 1,88 mm Muoto Yksittäiset aukot kotelossa, kuten esimerkiksi jäähdytysreiät, pyritään pitämään mahdollisimman pieninä. Vain aukon suurin läpimitta vaikuttaa sen toimintaan antennina. Likimääräisenä suunnittelusääntönä johtavassa suojakotelossa on λ/16 -sääntö. Eli jos laitekotelossa oleva rako tai aukon läpimitta on aallonpituuden kuudestoistaosaa suurempi, alkaa aukosta päästä säteily läpi. Jos kotelossa on aukkoja joiden koko on suurempi kuin λ/16, mutta pienempi kuin λ/2, voidaan käyttää aaltoputkia, jotka vaimentavat säteilyä. Vaimenemiseen vaikuttaa putken pituus ja sen läpi kulkeva taajuus. Pelkkä maalikerroksen ja kotelon sauma voi toimia pituutensa puittessa antennina. Johtavalla maalilla voi saada huonostakin kotelosta johtavamman käyttämällä esimerkiksi kupari- tai nikkelimaalia. Saumoja tehdessä tulee varmistaa niiden johtuvuus. Saumojen väliin voi myös laittaa johtavan tiivisteen. Johtojen läpivienti kannattaa toteuttaa liittimillä, joissa suodattimina toimivat kondensaattorit. Suodattimien tulee olla yhteydessä kotelon runkoon. Tällöin johto ja kotelo ovat mahdollisimman samassa potentiaalissa, ts sähköisessä yhteydessä. Materiaali Koteloimalla laite johtavalla materiaalilla vaimennetaan laitteesta aiheutuvia sekä ulkopuolelta vaikuttavia häiriösignaaleja (kts. Faradayn häkki) ja sähkökenttiä. RF-taajuuksilta voidaan suojautua käyttämällä kotelossa tarpeeksi paksua materiaalia. Riittävä paksuus riippuu taajuudesta sekä kotelon materiaalin johtavuudesta. Magneettisilta häiriöiltä voidaan suojautua käyttämällä koteloinnissa ferromagneettisia materiaaleja, jotka vaikuttavat magneettikentän suuntaukseen. Normaalilämpötiloissa tällaisia materiaaleja ovat rauta, koboltti ja nikkeli, sekä niiden monet yhdisteet. Yhteistä näille materiaaleille on niiden suuri permeabiliteetti (µ>>1). Komponenttien sijoittelu Johtojen läpiviennit kannattaa sijoittaa mahdollisimman kauas toisistaan häiriöiden vähentämiseksi. Laitekokonaisuuksia koteloidessa tulee ottaa huomioon laitteen eri osien keskenäiset häiriöt. Ongelmakohtia, kuten erityisesti häiriöille alttiita komponentteja, voidaan myös koteloida erikseen.
Kaapelointi
Kaapeloinnin huolellisella suunnittelulla voidaan vähentää johtimien aiheuttamia ja vastaanottamia häiriöitä. Kaapeloinnin suunnittelussa tulee ottaa huomioon ainakin seuraavat asiat:
Johtimien aiheuttama induktanssi
Kaikissa vaihtovirtajohtimissa esiintyy induktanssia. Ongelma on erityisen suuri, jos johtimet muodostavat silmukoita, jolloin niitä voidaan ajatella keloina. Muodostuvan kelan induktiiviset ominaisuudet riippuvat silmukoiden määrästä ja niiden pinta-alasta. Myös vaihtovirran taajuus vaikuttaa induktanssin määrään.
Johtimien keskinäisellä asennolla on merkitystä induktanssin kannalta. Magneettikentän vuon osuessa kohtisuorasti johtimeen on induktanssin vaikutus suurin. Vastaavasti johtimen kulkiessa magneettikentän vuon suuntaisesti ei induktanssia juurikaan aiheudu. Induktanssin vaikutusta voi myös vähentää kasvattamalla kaapeleiden välisiä etäisyyksiä ja suojaamalla kaapelit materiaalilla, jolla on suuri permeabiliteetti.
Johtimien kapasitiivinen kytkeytyminen
Johtimet kytkeytyvät kapasitiivisesti, jos johtimet ovat toistensa sähkökenttien vaikutusalueella. Tällöin johtimia voidaan pitää tasokondensaattorin levyinä, joiden välissä on eristemateriaalia. Johtimien välille muodostuvan kapasitanssin edellytyksenä on, että johtimet ovat eri potentiaalissa.
Kapasitiivista kytkeytymistä voidaan estää koteloimalla johtimet sähköä johtavalla materiaalilla, jolloin sähkökenttä johtuu koteloon johtimien sijasta. Johtimien välistä etäisyyttä voidaan myös kasvattaa niin, että ne eivät ole enää toistensa sähkökenttien vaikutusalueella. Kapasitiiviseen kytkeytymiseen vaikuttaa myös johtimien keskinäinen asento: mitä pienempi johtimien välinen kohtisuora pinta-ala on sitä pienempi kapasitanssi niiden välille muodostuu.
Kierretty pari
Kierretty pari koostuu kahdesta johtimesta, jotka on kierrytty keskenään. Kierretyn parin suojausvaikutus perustuu siihen, että muuttuvan magneettikentän indusoimat virrat ovat johtimen vastakkaisissa silmukoissa eri vaiheessa, joten ne kumoavat toisensa. Johdinten kiertäminen vähentää myös kaapelin ulospäin aihettaman häiriön määrää. Kiertäminen ei kuitenkaan suojaa kaapelia sähkökentän aiheuttamilta häiriöiltä.
Johtimien antenniominaisuudet