1、0 電磁干擾及電磁相容導論電磁干擾及電磁相容導論 陳金德 錢嘉宏 1 電磁波緒論電磁波緒論 2 電磁波特性電磁波特性 電磁波傳播速度(c)=頻率(f)波長()c=3 108 m/sec f:1/sec :m(公尺)振幅:能量強度 相位 02 3 輻射種類輻射種類 輻 射 是 能 量 傳 播 的 一 種 方 式，例 如：太 陽 光、燈 光、熱 等 都 是 輻 射。廣 義 的 輻 射 依 能 量 的 不 同，可 分 為 非 游 離 輻 射 與 游 離 輻 射.非非 游游 離離 輻輻 射射 的能量較低，如太陽光、微波及無線電波 游游 離離 輻輻 射射 的能量較高（約大於12.4 KeV）可將物質游離
2、產生荷電的 正負離子包括粒子輻射（如、中子等)及電磁輻射 (如X-射線、-射線）。其中粒子是氦核帶正電、電子 帶負電；中子、X-射線及-射線則不帶電。4 電磁波頻譜電磁波頻譜 5 電場與磁場電場與磁場 電電 場場 E 磁磁 場場 H 1.由電壓造成 檯燈插上電源但開關是off,此時由電壓產生電場。2.量測單位:伏特/米(V/m)或 仟伏/米(kV/m)1 kV=1000 V 3.很容易防護只要外接物體即 可消除(如樹木或建築物)4.電場強度隨著離電源距離的 增加而降低 1.由電流流動所造成 檯燈插上電源開關是on,此時流 動的電流產生磁場。2.量測單位:高斯(G,gauss)或 特斯拉(T,t
3、esla)1 milligauss(mG)=0.1 microtesla(T)milli(m):千分之一千分之一 micro():百萬分之一百萬分之一 3.不易借由其它物體防護消除 4.磁場強度隨著離電源距離的增 加而降低 6 輻射近場與遠場輻射近場與遠場 7 輻射天線之空間輻射電磁場輻射天線之空間輻射電磁場 強度估算公式強度估算公式 E=30 GP/r H=E/377 B=0H P:為天線輸出功率為天線輸出功率，單位為單位為 W r:為量測點與輻射天線間之距離為量測點與輻射天線間之距離，單位為單位為 m G:為輻射天線增益為輻射天線增益(Gain)；偶極性天線偶極性天線，其值約為其值約為 1
4、.51.6 B:為磁通密度，單位為為磁通密度，單位為 特斯拉特斯拉(Tesla),1 Tesla=10,000 高斯高斯(Guass,G)0 :為空氣磁化係數，其值為為空氣磁化係數，其值為4*10-7 H/m 8 空間射頻輻射電磁場空間射頻輻射電磁場 功率密度估算公式功率密度估算公式 1.已知空間射頻輻射電場強度 E(V/m)者 功率密度 Pd=E2/377 W/m2，與電場強度平方成正比 2.已知空間射頻輻射磁場強度 H(A/m)或 磁通密度 B(Tesla)者 功率密度 Pd=377*H2=377*(B/0)2 W/m2，與磁場 強度或磁通密度平方成正比 9 導線電流產生周圍磁通密度導線電
5、流產生周圍磁通密度之估算公式之估算公式(1)帶有電流之單一長導線 I r 距離導線 r 公尺之磁通密度(B)=0I/(2r)Tesla，與距離成反比 若導線電流為 1 安培 則距離導線 10 公分之磁通密度為 20 毫高斯(mG)距離導線 1 公尺之磁通密度為 2 毫高斯(mG).10 導線電流產生周圍磁通密度導線電流產生周圍磁通密度之估算公式之估算公式(2)帶有電流之雙長導線，且各導線電流大小相同但方向相反，如一般設備之電源線 I d I r 兩導線距離 d 公尺，若 r d，每一導線所產生之磁場方向相反 而抵消，則距離導線 r 公尺之磁通密度(B)=0Id/(2r2)Tesla ，與距離平
6、方成反比 若導線電流為若導線電流為 1 1 安培，兩導線相距安培，兩導線相距 2 2 公分公分 則距離導線 10 公分之磁通密度為 4.0 毫高斯(mG)距離導線 1 公尺之磁通密度為 0.04 毫高斯(mG)11 電磁場屏蔽策略電磁場屏蔽策略 靜磁場屏蔽 靜電場屏蔽-使用良好導體材料(即導電係數很大)，如銅、鋁等，即可達到幾乎完全屏蔽效果 低頻磁場(或準靜磁場)屏蔽 低頻電場(或準靜電場)屏蔽 高頻遠場平面輻射電磁場(Plane EM Field)屏蔽 12 靜磁場屏蔽靜磁場屏蔽 a.使用磁性材料(如鐵、鈷、鎳等)屏蔽，將磁場分流或集中在磁性材料中，降低空間磁場強度，達到屏蔽效果b.磁性材料
7、厚度或相對磁化係數(r)愈大，屏蔽效果愈大c.磁性材料厚度相同，半徑愈大，則屏蔽效果愈小d.避免發生磁飽和(Saturation)效應，使r 變小，降低屏蔽效果e.將許多小厚度磁性材料伏窩式(Nesting)組成較大厚度磁性材料，其屏蔽具有相乘效果而非僅相加效果f.非磁性導體(如銅、鋁等，即r 1)，並無屏蔽效果13 .仍以磁性材料為主要屏蔽材料 .使用非磁性導體作為屏蔽材料，會在導體表面感應電流而形成反向磁場，抵消原先磁場一部份；此反向磁場大小會隨頻率增加而增加，增強屏蔽效果。同時若此屏蔽材料距離低頻磁場源愈遠，屏蔽效果愈大 .基本上，低頻率之低波阻抗(Low Wave Impedance)
8、磁場很難使用屏蔽材料來達到屏蔽效果 低頻磁場低頻磁場(或準靜磁場或準靜磁場)屏蔽屏蔽 14 低頻電場(或準靜電場)屏蔽 1.使用良好導體材料可得到良好屏蔽效果，但此屏蔽效果會隨頻率增加而降低。同時若此屏蔽材料距離低頻電場源愈遠，屏蔽效果愈小2.基本上，低頻率之高波阻抗(High Wave Impedance)電場很容易使用薄層金屬導電材料來達到良好屏蔽效果15 高頻遠場平面輻射電磁場(Plane EM Field)屏蔽 1.在玻璃上被覆 10-8 m 厚度之導電金屬薄膜(可使光線透過，但對微波具有屏蔽效果)，或在塑膠上被覆 10-6 m 厚度之導電金屬薄膜，或使用厚度 10-3 m 之導電金屬
9、薄板，或金屬網，應可相當容易地達到特定需求之屏蔽效果2.基本上，在一大的頻率(10 KHz10 MHz，頻率集膚效應較小)範圍，其屏蔽效果與頻率無關，約為固定值；同時也與屏蔽材料距離平面輻射電磁場源的大小無關16 電磁相容電磁相容 17 電磁相容工作環境電磁相容工作環境 18 電磁相容相關名詞釋義電磁相容相關名詞釋義 1.電磁相容(ElectroMagnetic Compatibility,EMC)的定義 某一設備或系統，或很多設備同時運作時，在電磁環境中滿足 其操作性能而不致產生難以承受環境中電磁干擾的能力。2.電磁干擾(ElectroMagnetic Interference,EMI)的定
10、義 某一設備或系統在操作過程中，出現不利於其他電子設備或系 統運作功能的訊號，而此訊號是不想要的且是無意義的。3.電磁感受性(ElectroMagnetic Susceptibility,EMS)的定義 裝置、設備或系統不會因周圍電磁干擾而產生性能劣化的能力。4.劣化的定義 設備或系統之操作性能因電磁干擾而產生不期望的改變。劣化 不表示故障或完全之毀壞。19 EMI EMI 及及 EMS EMS 之定義之定義 從電源線跑出 從散熱孔跑出 從輸入/輸出信號線跑出 從儀表板跑出 從未作電磁防護的機殼跑出 EMI EMS 從電源線跑入 從散熱孔跑入 從輸入/輸出 信號線跑入 從儀表板跑入 從未作電磁
11、防護的機殼跑入 20 形成電磁干擾問題之三個要素形成電磁干擾問題之三個要素 電磁干擾源 電磁傳遞途徑 電磁感受體 1.電磁干擾源電磁干擾源(EMI Source)EMI Source)閃電雷擊(30300 Hz)、太陽黑子爆炸、靜電放電核爆電磁脈衝、高功率微波武力、高功率雷達、廣播及電視發射器(Transmitter)、通信設備、行動電話及遙傳設備發射器、電力系統、電機設備、電子設備、控制設備、運輸設備及醫電設備所產生不想要的干擾雜訊。2.電磁波傳遞途徑電磁波傳遞途徑或介質或介質(Transmission or Transmission or Coupling Medium)Coupling
12、Medium)3.電磁感受體電磁感受體(Susceptible Device)Susceptible Device)通信設備、行動電話及遙傳設備接收器(Receiver)、電力系統、控制設備、.高敏感性之電子設備、電腦設備及醫電設備、.人體(生物電磁效應)21 電磁波傳遞途徑或介質電磁波傳遞途徑或介質 電磁波傳遞的途徑有三種：電磁波傳遞的途徑有三種：1.空間輻射(Radiation)電磁波經由空間(Space)傳遞。輻射波極易從儀器外框之極小不完整細縫(Seam)、接續(Joint)、通風孔、屏蔽不良的控制或顯示面板、輸入/輸出接頭、以及電 纜接線等，洩漏至儀器外面或進入至儀器內部。2.導體直
13、接傳導(Conduction)電磁波經由電源線、輸入/輸出訊號線、接地線等電路導體傳遞。3.耦合感應(Induction)電磁波經由近場(Near Field)之電容性(電場效應)耦合或電感性 (磁場效應)耦合而傳遞。22 電磁干擾型式電磁干擾型式 1.靜電放電 2.輻射電磁場 3.快速暫態波/叢訊 4.雷擊突波 5.傳導電磁場 6.電源頻率(50 Hz 或 60 Hz)電流所產生之磁場 7.雷突波流經金屬結構物所產生知脈衝磁場 8.高電壓系統或設備切換時之暫態電突波所產生之衰減振盪磁場 9.電源電壓瞬降、瞬斷及緩慢連續變動 10.電源電壓低頻傳導性干擾 23 容易產生電磁輻射干擾源之容易產生
14、電磁輻射干擾源之醫電設備醫電設備 電刀裝置電刀裝置(500(500 KHzKHz2.5 MHz)2.5 MHz).電燒灼器電燒灼器 心臟電擊器心臟電擊器 .短波治療機短波治療機 (13.56(13.56MHzMHz、27.12MHz27.12MHz、40.7MHz)40.7MHz)微波治療機微波治療機 (433(433MHzMHz、915MHz915MHz、2,450MHz)2,450MHz)醫用遙傳或遙測醫用遙傳或遙測(Telemetry)Telemetry)設備設備 X X 光透視診斷攝影裝置光透視診斷攝影裝置 .電腦斷層攝影裝置電腦斷層攝影裝置 核磁共振診斷攝影裝置核磁共振診斷攝影裝置
15、.直線加速器直線加速器 馬達驅動之幫浦或壓縮機馬達驅動之幫浦或壓縮機 .牙科或骨科用高速鑽牙科或骨科用高速鑽 電毯或電動床電毯或電動床 24 容易受到電磁干擾之容易受到電磁干擾之 醫電設備醫電設備 心臟節律器心臟節律器 醫用遙傳或遙測醫用遙傳或遙測(Telemetry)Telemetry)設備設備 生理信號感測或監視裝置，如生理信號感測或監視裝置，如ECGECG、EMGEMG、EEGEEG、ERGERG、ENGENG、MEGMEG、HolterHolter、窒息監視器等窒息監視器等 核磁共振診斷攝影裝置核磁共振診斷攝影裝置 電子顯微鏡電子顯微鏡 裝有微處理器控制或數位線路的維持生命用裝置，如輸
16、液裝有微處理器控制或數位線路的維持生命用裝置，如輸液 幫浦、血液透析機、呼吸輔助器、麻醉機、嬰兒保溫箱等幫浦、血液透析機、呼吸輔助器、麻醉機、嬰兒保溫箱等 25 非游離性電磁輻射之標幟符號非游離性電磁輻射之標幟符號 使用射頻能量使用射頻能量(RF energy)RF energy)作診斷或治療的作診斷或治療的設備系統設備系統 ,應標示應標示非游離性電磁輻射之標幟符非游離性電磁輻射之標幟符號號(IEC 878 03IEC 878 03-04 04 符號符號)26 IEC電磁相容相關標準電磁相容相關標準 歐體(EN)規範 IEC規範 試驗內容 EN61000-3-2 IEC1000-3-2 電源諧波(Harmonic)試驗 EN61000-3-3 IEC1000-3-3 電源電壓浮動及閃爍(Power Flicker)試驗 EN61000-4-2 IEC1000-4-2 靜電放電試驗(Electrostatic Discharge,ESD)EN61000-4-3 IEC1000-4-3 射頻輻射耐受試驗(Radiated RF)EN61000-4-4 IEC1000-4-4 電性快速脈衝試
