Az elektromágneses terek biológiai hatása

Átírás

1 Az elektromágneses terek biológiai hatása Az elektromágneses sugárzások frekvencia szerinti eloszlása az alábbi ábrán látható A legfontosabb elhatárolás a nem ionizáló és ionizáló sugárzások biológiai hatás szempontjából való megkülönböztetése, mivel az - adott szint feletti - ionizáló sugárzások egészségkárosító hatása egyértelműen bizonyított, míg a nem ionizáló elektromágneses terekre - az általában előforduló szintek esetén - ez nem mondható ki. A nem ionizáló és az ionizáló sugárzás közötti határt az ultraibolya tartományban, a 100 nm hullámhossznál, 3x10 15 Hz-nél, azaz 3 PHz (PetaHz) frekvenciánál húzták meg, ahol a foton energiája 12,4 ev. Ez az energia képes a molekuláris kötések bontására, vagyis az élő szervezetben visszafordíthatatlan roncsolásra. Az elektromágneses terek hatásainak vizsgálata - nemzetközileg általánosan elfogadott gyakorlat szerint - egyértelműen a nem ionizáló terekre szorítkozik. A nemzetközi gyakorlatban a szabályozások a jelenleg előállítható 300 GHz maximális frekvenciáig tartalmaznak előírásokat. A továbbiakban ezeket tekintjük elektromágneses tereknek. Az elektromágneses terek lehetnek természetes, vagy -ember által előidézett- mesterséges eredetűek a) A természeti elektromágneses környezeti hatások eredetük szerint az alábbi csoportba sorolhatók:

2 - a Földtől származó hatások - egyenáram jellegű mágneses tér; - légköri villamos hatások - gyorsan változó villamos és mágneses erőterek b) A mesterséges, ember által előidézett elektromágneses környezeti hatások a villamosságot használó technikák alkalmazásával jelentek meg: - egyenáramú áramellátás, ipari alkalmazások - váltakozó áramú villamos energiaellátás és villamos vasúti vontatás; - rádió-távközlési technológiák: HH- KH-RH-URH műsorszórás és távközlés, a GSM-WIFI- DECT-stb. mikrohullámú rendszerek -Egyéb ipari és haztartási eszközök szándékos és nem szándékos zavarai. A nem ionizáló elektromágneses tereket kisfrekvenciás és rádiófrekvenciás (RF) tartományokra osztják annak alapján, hogy a kisfrekvenciás terek esetében a villamos és mágneses erőtér különválasztható mind az erőteret előidéző forrás, mind az erőtér nagyságának jellemzése, mind pedig az erőterek egészségi hatása szempontjából. A rádiófrekvenciás esetben a különválaszthatóság csak a forrás nagyon kis környezetében áll fenn, távolabb az elektromágneses tér elektromos és mágneses hatása együtt a tejedő energiát. A nem-ionizáló sugárzásokra vonatkozó jogszabályok: EU irányelvek Az Európai Parlament és a Tanács 2013/35/EU irányelve (2013. június 26.) A munkavállalók fizikai tényezők (elektromágneses terek) által okozott kockázatoknak való expozíciójára vonatkozó egészségügyi és biztonsági minimumkövetelményekről (20. egyedi irányelv a 89/391/EGK irányelv 16. cikke (1) bekezdésének értelmében) és a 2004/40/EK irányelv hatályon kívül helyezéséről Miniszteri rendeletek 63/2004. (VII. 26.) ESzCsM rendelet a 0 Hz-300 GHz közötti frekvenciatartományú elektromos, mágneses és elektromágneses terek lakosságra vonatkozó egészségügyi határértékeiről Az elektromágneses terekre vonatkozó dozimetriai alapelvek a fenti rendeletekben: Az expozíció dozimetriai alapkorlátai az emberben indukált áramsűrűség ma/m

3 az emberben elnyelt teljesítmény, (SAR) W/kg-ban (10g-ra átlag) az emberben elnyelt impulzus energia SA mj/kg Az expozíció korlátainak származtatott mennyiségei Levegőben mérhetőtérerősség (V/m, A/m), mágn. indukció (Tesla) Levegőben mérhetőteljesítménysűrűség (W/m) Exponált személyek: Lakossági (general public) - Foglalkozási (occupatio). Az elektromágneses tér biológiai, ill. egészségi hatásának megállapítása az élettudományok (a biológia - különösen a sugárbiológa -, az élettan, az orvostudomány stb.) művelőinek feladata. A cél egyrészt annak a tisztázása, hogy a hatások az elektromágneses térnek milyen fizikai jellemzőihez köthetők, másrészt pedig az, hogy e jellemzőkre olyan határértékeket adjunk meg, amelyek szintje alatt a hatások nem lépnek fel, ill. nem járnak káros következményekkel. A frekvenciatartomány az alábbiak szerint osztható fel annak függvényében, hogy az egészségi hatás szempontjából milyen fizikai jellemzővel adható meg az elektromágneses térre vonatkozó alapvető korlát: (a) 0-1 Hz között az alapvető korlát a mágneses fluxussűrűség sztatikus (0 Hz-es) mágneses térre, és az áramsűrűség 1 Hz-ig terjedő időben változó erőterekre a szív- és érrendszeri, valamint a központi idegrendszeri hatások elkerülésére; (b) 1 Hz-10 MHz között a korlát az áramsűrűség, hogy az idegrendszeri funkciókat érő hatásokat elkerülhessük; (c) 100 khz-10 GHz között a korlát a fajlagosan elnyelt teljesítménynek a teljes testre gyakorolt hőhatása, valamint a szövetek helyi túlmelegedése szempontjából. 100 khz-10 MHz között mind az áramsűrűség, mind pedig a SAR korlátozó feltétel; (d) 10 GHz-300 GHz között, a korlát a testfelület, illetve az annak közelében levő szövetek melegedése. Az IARC, a WHO rákkutatásra specializálódott nemzetközi ügynöksége, esetleges emberi rákkeltőként, azaz a 2B csoportba sorolta be a határérték feletti kisfrekvenciás mágneses tereket és rádiófrekvenciás elektromágneses tereket. A rádióófrekvenciás tereknél az IARC szerinti 2B csoportba való besorolás olyan epidemiológiai vizsgálatokalapján történt, amelyek összefüggést találtak a vezeték nélküli telefonok használata és a glióma megnövekedett kockázata között. A kisfrekvenciás mágneses tér a gyermekkori leukémia epidemiológiai vizsgálataira alapozva, kapta a 2B besorolást. Mivel az esetleges rákkeltés mechanizmusának felderítésére végzett állatkísérletes és sejttenyészeteken végzett vizsgálatok

4 nem szolgáltattak egyértelmű bizonyítékot arra, hogy az elektromágneses sugárzásnak közvetlen daganatkeltő hatása lenne az IARC a bizonyítékokat korlátozottaknak* minősítette. Ezek alapján az IARC a rádiófrekvenciás tereket, illetve a kisfrekvenciás mágneses tereket nem sorolhatta sem a rákkeltő, sem a nem rákkeltő kategóriába, hanem egy köztes, a bizonytalanságot megfelelő mértékben kifejező, a rákkeltő hatást kilátásba helyező kategóriát választott. Megjegyzendő, hogy ugyanezen kategóriába tartozik a kávé, ólom, nikkel és ötvözetei, titán-dioxid (legtöbb fogkrém és naptej tartalmazza), benzingőz, korom, gázolaj, stb Emellett a más típusú rákokra vonatkozó és a foglalkozási és környezeti expozícióból származó bizonyítékokat nem megfelelőnek** ítélték a következtetések levonásához, ezért ezek nem indokolják a 2B csoportba történő besorolást. A környezetünkben található rádiófrekvenciás sugárforrások közül kétségtelenül a vezeték nélküli telefonok használatakor keletkezik a legnagyobb expozíció az emberi agyban. Ennek elsődleges oka az, hogy ezeket a készülékeket a fejhez nagyon közel tartva használjuk. Ebből adódik, hogy a fejet érő rádiófrekvenciás sugárzás csökkentésének leghatékonyabb módja a távolságtartás a készüléktől. Ebben segítenek: a kihangosító és a head-set használata, illetve a szöveges üzenetek előnyben részesítése. Fontos kiemelni, hogy az eddigi ismeretek alapján az elektromágneses sugárzás dózisa időben nem adódik össze (az előző hetekben, években kapott dózisok nem adódnak össze a jelenlegi dózissal), azaz az expozíció hatása alapvetően a besugárzás nagyságától, szintjétől függ. A tőlünk nagyobb távolságokban lévő rádió és TV adók, illetve a rádiótelefon bázisállomások sugárzásának intenzitása jelentősen lecsökken, mire eléri a lakosságot, ezért az ezekből származó expozíció több nagyságrenddel alatta marad a kézi készülékekből származónak, illetve a jelenleg érvényben lévő lakossági határértékeknek. (* Korlátozott bizonyítékok a rákkeltő hatásra: Határozott összefüggést találtak az ágenssel történő expozíció és a rák között, amelyre vonatkozóan a munkacsoport hihetőnek tart egy ok-okozati magyarázatot, de a véletlen, a torzító vagy zavaró tényezők nem zárhatók ki elfogadható megbízhatósággal. ** Nem megfelelő bizonyítékok a rákkeltő hatásra: Az elérhető vizsgálatok minősége, következetessége vagy statisztikai teljesítő képessége nem kielégítő ahhoz, hogy lehetővé tegye következtetés levonását az expozíció és a rák közötti ok-okozati összefüggés meglétére vagy hiányára vonatkozóan, illetve nincsenek elérhető adatok az emberben előforduló rákra.) A megengedett határértékek lakossági és munkavállalói szabályai az alábbi linkeken érhetőek el: A gyakorlatban fellépő erőterek jellege és nagysága Jelentős, természeti eredetű sztatikus villamos erőtér jöhet létre a légköri villamos jelenségek következtében. A villamos töltéseknek a föld és a villamosan vezető, 40 km feletti atmoszféra rétegei közötti megosztása következtében a Föld felszíne közelében a nap jelentős részében 130 V/m körüli sztatikus villamos tér jön létre. Zivataros időszakban ennek sokszorosa mérhető. Ahol nincs közvetlen villámlás, a térerősség 3 kv/m is lehet, míg a villámlásos területeken a villamos térerősség meghaladhatja a 20 kv/m-t. A katódsugaras monitoroktól kb. 30 cm távolságban néhányszor 10 kv/m térerősség mérhető.

5 Sztatikus feltöltődés következik be akkor, ha az ember jó szigetelő anyagú padlón jár vagy ilyen anyagok egymáshoz dörzsölődnek. Ekkor a test közelében 10 és 500kV/m közötti térerősség jöhet létre. Ha az így feltöltött test földelt jellegű másik testhez közeledik, akkor átívelés keletkezik, és az íven majd az esetlegesen létrejövő közvetlen érintkezésen át az emberi test kapacitásán (kb. 150 pf) felhalmozott töltés kisül. A kisülés rendkívül gyors - kb 5 ns-ig növekvő, majd ns alatt a csúcsérték felére csökkenő - impulzus formájában történik. Az érzékeny elektronikus eszközökben ez az áramkörök sérülését vagy hibás működését idézheti elő. A leírt zavarjelenség az úgynevezett elektromágneses kisülés. Az egyenáramú villamos rendszerek alkalmazásának két fő területe a villamos vontatási és a nagyfeszültségű energiaátvitel. A városi villamos és a metró hálózatain használt 500 V tápfeszültségű felsővezetéktől kb. 5 m-re 30 V/m körüli villamos térerősség jön létre. A nagyvasúti vontatásnál használt 1,5 vagy 3 kv tápfeszültség a kocsiban 300 V/m-ig terjedő térerősséget okozhat. Az 500 kv körüli nagyfeszültségű egyenáramú távvezetékek mentén, közvetlenül a vezetékek alatt 20 kv/m-ig terjedő villamos térerősség mérhető. Kisfrekvenciás (ELF) villamos erőtér A természeti eredetű kisfrekvenciás villamos térerősség nagyon gyenge, ,5 V/m az Hz frekvenciatartományban. Ebből következően a környezetben fellépő ELF villamos tér forrásai gyakorlatilag teljes egészében az 50 Hz-es villamos berendezések és hálózatok. Az iparosított országok tipikus otthonaiban mérhető átlagos villamos térerősség az 1-15 V/m tartományba esik. A térbeli eloszlás nagyon inhomogén. A háztartási és irodai berendezések közelében (30 cm-re) a V/m térerősség jellemző, ami még mindig csak töredéke a javasolt egészségi határértéknek. Igazán nagy, az egészségi hatások szempontjából megengedett határértéket megközelítő, villamos térerősségek csak a nagyfeszültségű (120 kv feletti) háromfázisú vezetékek környezetében alakulnak ki. A térerősség nagyságát - a feszültség nagyságán kívül - befolyásoló körülmények: A lakosságot leginkább az a kérdés foglalkoztatja, hogy mekkora az a nagyfeszültségű távvezetéktől mért minimális távolság, amelyen kívül a közeli épületben a villamos tér biztosan nem jár egészségi kockázattal. E feltételből - az épületen kívülre adódó megengedett 670 V/m térerősség alapján - adódó minimális távolságok a Magyarországon használt feszültségszintekre az alábbiak: U_n [kv] b_min [m] A minimális távolság meglehetősen kicsire adódott annak ellenére, hogy a lakásokon belül megengedett 100 V/m csak töredéke a lakossági körre ajánlott 5000 V/m térerősségnek. Ennek tulajdonítható, hogy számos sűrűn lakott országban - pl. Hollandiában - közvetlenül a távvezeték alá is építenek lakóházat. Sztatikus mágneses erőtér A természeti eredetű sztatikus mágneses tér a Föld magjának felső rétegében folyó áram és a naptevékenység valamint a légköri hatások által létrehozott erőtér eredője. A Föld felszínén a függőleges összetevő maximális a mágneses pólusoknál és itt a nagysága eléri a 67 mikrot-t,

6 míg a mágneses egyenlítőnél nulla. A vízszintes összetevő maximális a mágneses egyenlítőnél, ahol kb. 33 mikrot az értéke, és minimális a mágneses pólusoknál. A földmágneses erőtér a naptevékenység és a helyi mágneses rendellenességek miatt időn és térben változik. A mesterséges egyenáramú erőtér a háztartási és irodai környezetekben főleg a telepes berendezésektől származik, ennek nagysága azonban csak töredéke a természetes mágneses háttérnek. A nagyfeszültségű egyenáramú vezetékek is csak csekély - néhányszor 10 mikrot - mágneses teret okoznak. Az egyenáramú villamos vontatás során létrejövő mágneses indukció a városi - tipikusan 500 V- os - táplálás esetén 80 mikrot alatt marad, míg az egyenáramú villamos nagyvasút indukciója elérheti a 2 mt értéket. A mágneses lebegtetésű vasút indukciója igen nagy, a sínek közelében 1 T körüli, a vonaton belüli szórt fluxus nagysága azonban már csak 10 mikrot és 10 mt között van. A sztatikus mágneses indukcióra alapvető korlátként megadott 40 mt-t meghaladó értékek csak kivételesen, az igen nagy ( ka) egyenáramot felhasználó ipari technológiával dolgozó berendezéseket tápláló áramvezető-sínek környezetében lépnek fel, pl. timföld- vagy klórelektrolizáló üzemekben. Kisfrekvenciás (ELF) mágneses erőtér A természeti eredetű kisfrekvenciás mágneses tér a naptevékenységgel hozható kapcsolatba, amelyben 11 éves és 27 napos periódusú szisztematikus változás figyelhető meg. Lényegében a sztatikus mágneses térben bekövetkező változásokat kifejező, igen kis amplitúdójú összetevőkről van szó: - 0,04-0,08 A/m amplitúdójú, 0,002-0,1 Hz frekvenciájú erőtér; - 5 Hz frekvenciáig terjedő földmágneses pulzálás, amely időben néhány perctől néhány óráig tartó erőtér; - frekvenciával csökkenő amplitúdójú erőtér, amely 5-7 Hz-nél 8,10-6 A/m, 3 khz-nél 8,10-9 A/m, - az 50, ill. 60 Hz hálózati frekvenciájú tartományban fellépő, természeti eredetű háttérmágneses térerősség, megközelítőleg 10-6 mikrot. A villamos vasúti felsővezeték rendszer által, 1,8 m magasságban létrehozott mágneses indukció kb. 10 mikrot nagyságú 100 A vontatási áramra vonatkoztatva. Többvonatos üzemben kialakuló maximális eredő felsővezeték áram - hazai viszonyok között ez 700 A - hatására kialakuló mágneses tér megközelítheti a javasolt határértéket. Kiemelten fontos kérdés a köz- és kommunális épületekben levő transzformátorok és kisfeszültségű elosztók közötti csatlakozó sínezés által létrehozott mágneses tér. A tapasztalat szerint az ezekkel szomszédos, ill. ezek feletti helyiségekben jelentős mágneses tér jöhet létre. Az 1 és 1,6 MVA teljesítményű transzformátorok sínezése és elosztója 100 mikrot-t megközelítő teret is okozhat. Ez még mindig belül van az egészségi határértéken, azonban védelmi intézkedéseket tesz szükségessé, különösen akkor, ha az érintett helyiségekben információtechnológiai berendezések és ezzel együtt az 1 mikrot-ra már érzékeny monitorok is vannak. Hangsúlyozni kell, hogy - az acéllemez edényben lévő olajhűtésű - transzformátorok által okozott mágneses erőtér elhanyagolhatóan kicsi a kisfeszültségű oldali csatlakozó vezetékrendszer erőteréhez képest. Ennek megfelelően egy kisfeszültségű transzformátor-elosztó rendszer környezetében kialakuló mágneses erőtér csökkentése, a transzformátor és a

7 kisfeszültségű elosztó közötti vezetékrendszernek és magának az elosztónak a megfelelő kialakításával érhető el. Háztartási környezetben létrejövő mágneses tér A lakosság túlnyomó többsége az idő legnagyobb részében a lakó és háztartási környezetben létrejövő mágneses térnek van kitéve. Az alábbi táblázat megadja a mágneses indukció értékhatárait néhány gyakran használt villamos háztartási eszközre a felszín közvetlen közelében (3 cm-re) és nagyobb távolságokra (30 és 100 cm-re). Megállapítható, hogy a berendezések közvetlen közelében az indukció nagyságrendje 0,1 mikrot-tól egészen 1000 mikrot-ig terjed. Az erőtér - a készülék jellegétől függő mértékben - a közvetlen közeli környezetre korlátozódik és a készüléktől 1m-nél nagyobb távolságban az indukció már csak századrésze a készülékközeli értéknek. A készülék megnevezése indukciótartomány különböző távolságokban [mikrot] 3 cm 30 cm 100 cm hűtőszekrény 0,5-1,7 0,01-0,25 < 0,01 mosógép ,15-3 0,01-0,15 mikrohullámú sütő ,25-0,5 porszívó ,13-2 hajszárító ,01-7 0,01-0,3 villanyborotva ,08-9 0,01-0,3 A rádiófrekvenciás források jellemző térerősségei ZAVARFORRÁS TÁVOLSÁG TÉRERŐSSÉG Műsorszóró adó 2 km CB rádió 5 m Kézi rádiótelefon 1m 0.1- Kézi rádiótelefon 0.1m 1- Radar 1 km Ezek az elektromágneses terek kisebb távolság esetén megközelíthetik a határértéket

8 Az elektromágneses kompatibilitás (EMC) alapfogalmai Valamely berendezésnek vagy rendszernek az a képessége, hogy (saját) elektromágneses környezetében kielégítően működjék anélkül, hogy környezetében található egyéb berendezéseket elfogadhatatlan zavarnak tenné ki. [1] A kielégítően működjék azt jelenti, hogy a készülék (berendezés vagy rendszer) a környezetében jelenlévő zavarokra nem érzékeny, az anélkül, hogy elfogadhatatlan zavarást idézne elő pedig arra utal, hogy a készülék (berendezés vagy rendszer) részéről történő zavarkibocsátás elektromágneses zavarást más készülék (berendezés vagy rendszer) működésében nem eredményez. Egy eszközt tehát akkor tekinthetünk elektromágnesesen összeférhetőnek (kompatibilisnek) a környezetével, ha üzemelése során nem zavarja az adott távolságon belül lévő eszközöket, valamint az onnan érkező zavaró hatások nem befolyásolják károsan a saját működését. Ahhoz, hogy ez megvalósítható legyen az eszköz zavar-kibocsátási szintjének (emisszió) jóval alacsonyabbnak kell lennie, mint a zavartűrési szintje (immunitás). Az elektromágneses zavarás általános modellje a következő: Zavarforrás Csatolási út Zavarvevő A zavarforrások lehetnek természetes vagy mesterséges eredetűek. Természetes eredetű például a villám és egyéb légköri jelenségek valamint a világűrből érkező sugárzások. Mesterséges eredetűeknek a valamilyen elektromágneses elven működő készülék üzemszerű, vagy hibás működése során keletkező és a környezetbe kijutó jeleket nevezzük. Ilyenek pl. a nagyfeszültségű energetikai hálózat, a rádió és TV adók, nagyáramú kapcsolók, motorok, egyenirányítók, gázkisülési csövek stb. Zavarkibocsájtás gyakorlatilag minden elktromos készüléknél van, de ez csak akkor válik zavaróvá ha egy másik készülék működését akadályozza.

9 A csatolási úton különböző módokon juthat el a zavarjel a vevőbe: -galvanikus csatolással -kapacitív csatolással -induktív csatolással -vezetett elektromágneses hullámmal -sugárzott elektromágneses hullámmal A csatolás általános modellje A zavarjel bejuthat a zavart készülékbe a külvilággal kapcsolatot tartó vezetéken, vagy közvetlenül elektromágneses közel-, ill. távoltér formájában. Az első esetben vezetett, a másodikban sugárzott zavarásról beszélünk. A zavarás csökkentésére a modell mindhárom részén lehetőség van. A zavarforrás zavarszintjének csökkentése, a csatolási út csillapításának növelése, illetve a zavarvevő zavarjelekkel szembeni tűrőképességének növelése egyaránt a zavarás csökkentését eredményezi. Természetesen nem mindig lehetséges mindegyik eljárást alkalmazni, hiszen pl. a természetes eredetű zavarok szintjének csökkentésére nincs lehetőségünk, de a villamostól recsegő rádió érzékenységét sem illik csökkenteni a vételi frekvencián.

10 A továbbiakban megvizsgáljuk a kűlönböző csatolási módokat: Galvanikus csatolás: Galvanikus csatolás akkor jön létre, ha a jel ill. zavaráramok közös impedancián folynak. Ilyen lehet pl. a közös földvezető nem elhanyagolható impedanciája. Kapacitív csatolás: Kapacitív csatolás az egymás mellett elhelyezett eszközök, vezetékek között alakul ki. Ez a csatolási mód akkor jellemző, ha a csatolásba került berendezések kis áramokkal, de viszonylag nagy feszültségekkel működnek és ekvipotenciális felületnek tekinthetők, vagyis nagyságuk és távolságuk nem nagyobb a zavarjel hullámhosszának tizedénél. Ilyen zavarok léphetnek fel pl. nagyfeszültségű nagyfrekvenciás berendezések közelében elhelyezkedő vezetékekben. Induktív csatolás: Induktív csatolás az előző geometriai elrendezésben, de a nagy áramok esetén alakul ki. Ekkor az egyik áramkörben folyó áram mágneses tere áramot indukál a másik berendezésben. Ez a csatolási mód gyakran fellép pl. nagyteljesítményű kapcsolóüzemű tápegységek közelében. Vezetett elektromágneses hullám: Ha a vezetékek továbbra is egymás közelterében vannak, de a hosszabbak a hullámhosz tizedénél, akkor csatolt tápvonalként viselkednek. Ekkor a csatolást a kölcsönös impedanciák írják le az irodalomban megtalálható bonyolult összefüggésekkel. Napjainkban az egyre gyorsabb működésű számítógépekben akár a nyomtatott áramköri panelen is előfordulhatnak ilyen jellegű csatolások. Sugárzott elektromágneses hullám: Ha a vezetők egymás távolterében helyezkednek el, akkor a csatolást sugárzott elektromágneses hullámok hozzák létre. Ebben a térrészben mind az elektromos, mind a mágneses térerősség a távolság reciprokával arányosan változik. A csatolás kizárólag az adó és a vevő vezetékek sugárzási tulajdonságainak ismeretében határozható meg. A vezetékek által előállitott tér becslésére a huzalantennák elméletéből ismert összefüggések adhatnak segítséget.

11 Zavarforrások Az elektromágneses zavarforrások rendkívül sokfélék lehetnek Elektromágneses energiaforrások Természetes Mesterséges Földkörüli Kozmikus Üzemszerűen Atmoszféra Légköri képződmények Nap Kozmikus zaj Rádió csillagok elektromágneses energiát kisugárzó berendezések Speciális NF-ás berendezések Rádiótávközlési berendezések EHC zavaró eszközök (kat.) Mellékhatásként elektromágneses energiát kisugárzó berendezések Vezetékes távközlési berendezések berend Zaj jellegű zavart okozó berendezések Tranziensjellegű zavart okozó berendezések A távközléstechnikai, műsorszóró, radar és távérzékeléstechnikai készülékek üzemszerű működés közben elektromágneses hullámokat bocsájtanak ki, amelyek a zavart készülékben feszültségeket, áramokat indukálnak. Néhány készülék által jellemzően előállitott térerősséget foglaltunk össze az 1. táblázatban: ZAVARFORRÁS TÁVOLSÁG TÉRERŐSSÉG Műsorszóró adó 2 km CB rádió 5 m Kézi rádiótelefon 1m 0.1- Kézi rádiótelefon 0.1m 1- Radar 1 km A nem üzemszerű működés során keletkező zavarok általában a fenntieknél kisebbek, a készülék megfelelő konstrukciójával értékük csökkenthető.

12 Vezetett zavarok szűrése A szűrőket működési elvük alapján két csoportba sorolhatjuk: - reflexiós tipusú - abszorbciós tipusú A reflexiós szűrők a zavarfrekvencián nagyfokú impedancia illesztetlenséget mutatnak, így a zavarjeleket visszaverik forrásuk felé. Hatásosságukat nehéz pontosan megítélni, mert mind a hálózat, mind a védendő szerkezet impedanciája tág határok között változik. Leggyakrabban az alábbi kapcsoláshoz hasonló szűrőket alkalmaznak: L fázis védőföld nulla A C x kondenzátor a szimmetrikus, míg az L áramkompenzált fojtó és a C y kondenzátorok az aszimmetrikus jelek szűrését biztosítják. Az L fojtó két tekercsének tekercselési iránya olyan, hogy az üzemi áramok kompenzálják egymás mágneses hatását, így a vasmag nem kerül telítésbe. A kapcsolásból látható, hogy a C y kondenzátorokon a védőföld felé üzemszerűen áram folyik. A megengedhető áram nagyságát érintésvédelmi előírások korlátozzák, ami mind a kapacitás nagyságára, mind az átütési szilárdságára megkötéseket jelent. Több különböző frekvenciasávú szűrőt kaszkádba kapcsolva szélesebb frekvenciatartományban működő szűrőt kapunk, amely a lezárásokra is kevésbé érzékeny. Az abszorbciós szűrők a zavarfrekvencián veszteséges dielektrikumot ill mágneses anyagot tartalmaznak. Ezen anyagok a zavarjeleket hővé alakítják, és működésük kevésbé függ a lezárásoktól. Igen jól használható fajtája ezen szűrőknek az aluláteresztő jellegű kábelekből készített hálózati vezeték, amely a vezetékek körül veszteséges anyagból készített köpenyt tartalmaz. Kaphatók már szabványos hálózati csatlakozóval felszerelt kábelek, melyek a csatlakozó dugókban reflexiós szűrőt és túlfeszültségvédelmet is tartalmaznak.

13 Sugárzott zavarok csökkentése Fentebb ismertettük a zavarjelek terjedési mechanizmusát. Itt láttuk, hogy a zavarok galvanikus kapcsolat nélkül is terjedhetnek. Az ilyen zavartatás kiküszöbölése, vagy csökkentése árnyékolás segítségével történhet. Az árnyékolások vizsgálatához elemezni kell a sugárzott zavarjelek előállításának és terjedésének körülményeit. Láttuk hogy az alábbi csatolási módok léteznek: - kapacitív csatolás - induktív csatolás - vezetett elektromágneses hullám - sugárzott elektromágneses hullám Az árnyékolási csillapítást az árnyékoló anyag két oldalán kialakuló elektromos, vagy mágneses térerősséggel adjuk meg: S e= 20 log E E1 S h= 20 log H H db, db. Az árnyékolási csillapítás mértéke három tényező együttes hatásától függ: S = R + A + B ahol R - az árnyékoló közeg be- és kilépő határfelületén jellemző reflexiós csillapítás, A - az árnyékoló anyagban mutatkozó abszorpciós csillapítás, B - az árnyékoló közeg (lemez) két határfelülete között kialakuló többszörös reflexiók hatása. A reflexiós csillapítás - mint a neve is mutatja - az elektromágneses hullám visszaverődésének mértékétől függ. Nagyságát az határozza meg, hogy az adott esetben, az árnyékoló anyagon kívül és belül kialakuló elektromágneses térben mennyire tér el az elektromos és mágneses térerők hányadosa. Ha az eltérés nagy, akkor nagy a reflexiós csillapítás. Az abszorpciós csillapítás az árnyékoló anyag belsejében haladó elektromágneses hullám nagyságának csökkenése a közeg Ohm-os veszteségei miatt.

14 A többszörös reflexiók hatását azért kell figyelembe venni, mert reflexió nemcsak az elektromágneses hullám árnyékolásba történő belépésekor, hanem a kilépéskor is kialakul. Természetesen ha a reflexiós csillapítás, vagy az abszorpciós csillapítás elegendően nagy, akkor a többszörös reflexiók hatása elhanyagolható. A bevezetőben említett esetekben az alábbi - a gyakorlati életben igazolt tervezési megfontolások adódnak Kapacitív csatolás esetén igen jó árnyékolás készíthető jó vezetőképességű fémekből. Az árnyékoló lemez nagyságát, alakját úgy kell megválasztani, hogy az elektromos erővonalak döntő többsége a fémfelületen végződjön. Induktív csatolás esetén nagy permeabilitással rendelkező ferromágneses anyagból kell készíteni az árnyékolást. Mágneses közeltér esetén ez az egyetlen szóba jöhető, elfogadható csillapítást adó anyag. Itt gondot okozhat az árnyékolás ferromágneses tulajdonságainak iránytól, frekvenciától és a mágneses indukciótól való függése. Az ilyen árnyékolások tervezése nagy szakértelmet kíván. Vezetett elektromágneses hullám esetén a fenti két eset kombinációját kell használni. Itt gyakran egyszerűbb és jobb eredményt ad a vezetékek távolságának megnövelése. Sugárzott elektromágneses hullám esetén levegőben az elektromos és a mágneses térerősség hányadosa 377 Ohm. Jó vezetőképességű fémekből megfelelő árnyékolás készíthető, de itt különösen kell vigyázni a megvalósításra. Kizárólag zárt, megfelelő galvanikus kapcsolattal összeszerelt doboz ad az anyag árnyékolási tulajdonságainak megfelelő csillapítást. A dobozon lévő nyílások, átvezetett kábelek nagyságrendekkel lerontják az árnyékolási csillapítást. Készülék tervezési elvek A berendezések zavarkibocsátását illetve zavartűrését szabványok határozzák meg. Az ezekben rögzített szinteket úgy választották meg, hogy az alábbi ábrán összeférhetőségi szintként megjelölt sáv elegendően nagy védettséget biztosítson a gyakorlati életben előforduló legtöbb esetben.

15 Az ábra szerinti szabályok betartását Európai direktívák, és harmonizált szabványok írják elő.

16 EMC mérések Az EMC mérések alapvetően két csoportba oszthatók: -zavartűrés mérések -zavarkibocsátás mérések A zavartűrés mérések esetén valamilyen szabványos jelet megfelelő csatoló eszközzel bejuttatunk a készülékbe és figyeljük a működőképesség változását. A zavarforrás lehet modulált rádiófrekvenciás jel, különböző módon előálló túlfeszültség, tápfeszültség ingadozás stb. A jelek bejuthatnak a vizgált készülékbe vezetéken, vagy elektromágneses hullámként 2.ábra A zavarkibocsátás mérések esetén frekvencia szelektiv vevővel mérjük a zavarjel (áram, feszültség, térerősség) nagyságát. A zavarok terjedhetnek vezetékeken, illetve elektromágneses hullámok útján.

17 3.ábra A mérési összeállításban szereplő külső zavar szűrés a mérést függetleníti a környezet hatásaitól, illetve a környezetet védi a mérések zavaró hatásaitól

18 Gyakori auto EMC problémák A gépjármű elektromos rendszerében keletkező túlfeszültségek látható: A gépjárművek elektromos rendszerének egyszerűsített kapcsolási rajza az alábbi ábrán 4.ábra A generátorhoz csatlakozó célszerűen kialakított szabályozó csúcsérték-szabályozást végez. Kellően pontos működésének elérése végett a feszültségmérő kör időállandóját viszonylag nagyra kell választani, emiatt a szabályozás frekvenciája erősen csökken. A hirtelen terhelésváltozások miatt az állórészben fellépő tranziens feszültségugrások igen nagyok lehetnek: így pl. nagy fordulatszámon, teljes terheléssel járó generátor terhelését megszakítva

19 a keletkező feszültségugrás a generátor néveleges feszültségének négyszeresét-hatszorosát is eléri. A feszültségugrás olyan nagy lehet, hogy tönkreteheti a generátor egyenirányítóját és a feszültségszabályozót, és súlyosan károsíthatja a járműhálózaton levő esetleges nagy értékű feszültség érzékeny berendezéseket. További gondot okoz, hogy a váltóáramú generátorok forgórészét alkotó póluskerék általában tömör anyagból készül, és ezért az amúgy is nagy mágneses energiájú mágnes kör fluxusának szabályozási ideje a fellépő örvényáramok miatt tovább növekszik. A fentiek következtében a gyakorlatban használt szabályozókkal a rendszer állandóan párhuzamosan kapcsolt akkumulátor nélkül nem tud üzemelni. Az akkumulátor az a pufferelem, amely elnyeli a hirtelen terhelésváltozáskor fellépő feszültségcsúcsokat. Éppen ezért kritikus helyzet állhat elő, ha akár a telep sarui, akár a generátor csatlakozásai meglazulnak, akár pedig cellaszakadás áll elő az akkumulátorban. rendszerben: Ebben az esetben a hirtelen terhelésváltozás az alábbi jellegű túlfeszültséget kelti a 5.ábra Ha egy induktív jellegű fogyasztóval párhuzamosan kapcsolt elektronika közös kapcsolóval kapcsolódik le a táplálásról akkor a tekercsben tárolt energia miatt az elektronikán az alábbi feszültségváltozás lép fel:

20 6.ábra A következő jelalak akkor lép fel, ha az induktivitás és az elektronika sorba van kapcsolva, tipikusan ilyen pl. ha a gyújtás kikapcsolásakor az egyenáramú motorok még forognak, és a szabályozás sorosan van kapcsolva a tekercseléssel. 7.ábra Az alábbi jelalakok sorozatos kapcsoló működtetésével vezérelt induktív terhelések miatt fellépő zavarokat mutatják:

21 8.ábra A fenti zavarok tipikusan előforduló feszültség és idő paraméterei a következő táblázat 4. és 5.( 12 V-os ill. 24 V-os rendszer) oszlopában vannak feltüntetve:

22 1.táblázat A táblázat harmadik oszlopa a mérés során rendelkezésre álló műszeren beállítható határértékeket tartalmazza. A táblázatban szereplő Ri az ekvivalens zavargenerátor belső impedanciája, ami gyakran függ a túlfeszültséget előállító részegység tulajdonságaitól. A tapasztalat szerint legnagyobb zavarást jelentő 5-ös impulzus esetén az Ri-t az alábbiak szerint kell meghatározni

23 10 Vn Npill Ri 0,8 In ahol Vn a generátor névleges feszultsége Npill a generátor fordulatszáma az akkumulátor lekapcsolásakor In a gerjesztőáram 6000-es fordulatszámnál A tranziensek vizsgálatát az alábbi mérési összeállításban vizsgáljuk: 9.ábra

24 Elektrosztatikus feltöltődésből eredő túlfeszültségek Az elektrosztatikus feltöltődés vezető és szigetelőanyagok érintkezése, egymáson való elmozdulása, majd szétválása során alakul ki. Ez a töltés szigetelt vezető testekben felhalmozódva olyan kisülést hozhat létre, ami egyrészt tüzet és robbanást okozhat, másrészt a villamos berendezésekben átütést, sérülést és hibás működést eredményezhet. Az elektrosztatikus kisülések (ESD) során a feszültség meredeksége 2 kv/ns körül van, a feszültség maximuma a 20 kv-ot is meghaladhatja, a kisülés árama pedig elérheti a A-t is. Az elektrosztatikus feltöltődés néhány jellemző feltöltődési feszültsége a szokásos tevékenységek során [ 1 ]: szőnyegen való járás közben max. 35 kv, PVC padlón való járás közben max. 12 kv, ülés közben max. 6 kv, habanyaggal párnázott széken max. 18 kv, műanyag fóliával végzett munka során max. 7 kv. Az elektrosztatikus kisülés során az alábbi időfüggvényhez hasonló igen meredek áramimpulzusok keletkeznek:

25 10.ábra Az elektronikus alkatrészek érzékenységét az elektrosztatikus feltöltődéssel szemben a következő néhány jellegzetes példa mutatja, amely a különféle félvezetőket károsító túlfeszültség (ESD érzékenység) értékhatárait adja meg [ 1 ]: VMOS alkatrész V, MOSFET alkatrész V, Ga-As-FET V, EPROM alkatrész 100 V, CMOS alkatrészek V, Rétegellenállások V, Bipoláris taranzisztorok V, Schottky TTL V.

26 Az ESD vizsgálat mérési összeállítása az alábbi ábrán látható: 11.ábra A mérés során az ESD kisüléseket vagy közvetlenül a vizsgált egység kezelő által megérinthető pontjaira, vagy pedig a készülék alatt és mellett elhelyezett csatoló síkokra kell írányítani. Ez utóbbi eset azt modellezi amikor a kisülés a vizsgált részegység közelében egy vezető felületre történik (pl. karosszéria). Ebben az esetben a megfelelő csúccsal ellátott ESD pisztolyt hozzá kell érinteni a csatoló síkhoz, és un. érintkezési kisülést kell létrehozni. Rádiófrekvenciás zavarok az autóban

27 A modern autókban sok elektronikus részegység működik periódikus vagy tranziens kapcsoló jelekkel. Ezek a környezetükben lévő vezetékekben galvanikus, induktív, és kapacitív csatolással zavarokat okoznak. Ha a zavarforrások geometriai méretei összemérhetőek a hullámhosszal, akkor sugárzott elektromágneses terek is keletkeznek. A tápvezetékekben keletkező zavarok az összes többi részegységhez eljutnak, és megzavarhatják azok működését. A legkritikusabb zavarérzékenységű eszköz az autóban a rádióvevő készülék, hiszen ennek az antennabemenetét a vételi sávokban semmi sem védheti. Az autógyártás során ezért különös figyelmet fordítanak a részegységek rádiósávokban történő zavarszűrésére. A mérés során a tápvezetéken terjedő zavarokat fogjuk vizsgálni. A kialakuló nagyfrekvenciás zavarok természetesen függenek az akkumlátorig vezető huzalozás tulajdonságaitól is, ezért a mérés során ezt egy tipizált hálózattal (LISN = Line Impedance Stabilization Network) vesszük figyelembe. Az LISN kapcsolási rajza és a PB pontok közötti impedanciamenete (AB rövidrezárva) az alábbi: 12.ábra A 13-as ábrán látható a vezetett zavarok mérési öszeállítása ha a mérendő külön föld vezetékkel kapcsolódik az akkumlátorhoz, a 14-es ábra pedig a helyileg földelt esetet mutatja.

28 13.ábra

29 14.ábra A zavarok mérésénél alapvető probléma, hogy a mérendő jelalak (a zavar) teljesen ismeretlen. A jelalaktól függően a különböző detektorok (csúcs, effektiv, átlag, QP) nagyon eltérő értéket mutatnak. Például ismétlődő impulzus alakú jeleknél az alábbi ábra szerint alakulnak a mért értékek:

30 15. ábra A Ouasi-Peak (QP) detekció az alábbi ábra szerinti áramkörrel végezhető el: 16. ábra 9 khz-150 KHz 150 khz-30 MHz 30 MHz-1 GHz Sávszélesség 200 Hz 9 khz 120 khz QP detector idő 45/500 ms 1/160 ms 1/550 ms állandó 2.táblázat A szabványok a fenti probléma megoldására kétfajta detektorral írnak elő határértékeket (QP és átlagérték ), és a vizsgált eszköznek mindkettő szerint meg kell felelnie.

31 Európai EMC szabályozás EU jogi szabályozás szervezeti felépítése Autóiparra vonatkozó EMC irányelvek: 2004/108/EK az elektromágneses összeférhetőségre vonatkozó tagállami jogszabályok közelítéséről és a 89/336/EGK irányelv hatályon kívül helyezéséről 72/245/EGK a gépjárművek által előidézett rádiózavarokról (elektromágneses összeférhetőség) Utolsó módosítás: 2004/104/EK a gépjárművekben jelentkező rádiófrekvenciás interferenciára (elektromágneses kompatibilitásra) vonatkozó 72/245/EGK tanácsi irányelv műszaki fejlődéshez igazításáról, és a gépjárművek és pótkocsijaik típusjóváhagyására vonatkozó tagállami jogszabályok közelítéséről szóló 70/156/EGK irányelv módosításáról Az alábbiakat szabályozza:

32 A jármű közvetlen irányítását érintő,a működést befolyásoló, a vezető, az utas és más úthasználók védelmét érintő sugárzott és vezetett zavaroktól való mentesítésre vonatkozó követelményeket, valamint olyan zavaroktól való mentesítésre vonatkozó követelményeket, amelyek a vezető vagy más úthasználók megzavarását okozhatják; A nem kívánatos sugárzott vagy vezetett kibocsátások elnyomására vonatkozó követelményeket a saját vagy a közeli járművekben lévő elektromos vagy elektronikus berendezések tervezett használatának védelméhez, valamint az azokból a kiegészítő berendezésekből származó zavarok elnyomásához, amelyeket lehet, hogy utólag építettek be a járműbe. A nem a biztonsági funkciókkal kapcsolatos berendezéseket az értékesítés után kifejezetten az elektromágneses kompatibilitásra (2004/108/EK EMC) vonatkozó irányelv szabályozza a gépkocsi ágazatban. Elegendő, ha az ilyen berendezések megkapják a megfelelőségi nyilatkozatot a rádiókészülékekről és távközlési végberendezésekről, valamint azok megfelelőségének kölcsönös elismeréséről szóló, európai parlamenti és tanácsi 1999/5/EK irányelv, valamint az elektromágneses kompatibilitásra vonatkozó tagállami jogszabályok közelítéséről szóló, 2004/108/EK irányelvben meghatározott eljárásmódokkal összhangban. A biztonsággal összefüggő funkciók a következők: a) A jármű közvetlen irányítására vonatkozó funkciók: leromlás vagy változás szerint: pl. motor, sebességváltó, fék, felfüggesztés, szervokormány, sebességkorlátozó eszközök, a vezető helyzetére gyakorolt hatás szerint: pl. ülés- vagy kormánykerék- helyzetbeállítás, a vezető látási viszonyaira gyakorolt hatás szerint: pl. tompított fény, szélvédőtörlő. b) A vezető, az utas vagy más úthasználók védelmére vonatkozó funkciók: pl. légzsák- és biztonsági visszatartó rendszerek. c) Funkciók, amikor a zavarok a vezető vagy más úthasználók zavarodottságát okozzák: optikai zavarok: pl. a következők helytelen működése: irányjelzők, féklámpák, hátsó körvonaljelző lámpák, hátsó helyzetjelző lámpa, fénysávok a vészhelyzeti rendszerhez, rossz információ a jelzőlámpa rendszertől, a funkciókra vonatkozó lámpák vagy kijelzők az a) vagy b) pontban, amelyek a vezető közvetlen látóterében figyelhetők meg, akusztikus zavarok: pl. lopásgátló riasztórendszer, kürt helytelen működése. d) A jármű adatbuszának működőképességére vonatkozó funkciók: az adatátvitel blokkolása a jármű adatbusz rendszerében, amely az adatok továbbítására szolgál, biztosítani kell a többi, védettségre vonatkozó funkciók működését. e) Olyan funkciók, amelyek zavarása befolyásolja a járműállapotára vonatkozó adatokat: pl. regisztráló tachométer, kilométer-számláló. Ezek berendezéseire vonatkozik a 2004/104/EK.

33 Szabvány kidolgozó szervezetek és azok kapcsolatai Autógyárak saját szabályozásai BMW -GS Electromagnetic Compatibility (EMC) Requirements and Tests Porsche -AV EMC EN Porsche EMC Requiremnets General Motors -GMW3097 General Specification for Electrical/Electronic Components and Subsystems; Electromagnetic Compatibility: Requirement Part 3 -GMW3100 General Specification for Electrical/Electronic Components and Subsystems; Electromagnetic Compatibility: Verification Part 3 PSA - Peugeot Citroen -B General Technical Specifications Concerning the Environment of Electrical and Electronic Equipment Electrical Characteristics Renault /--D Resistance to electrical disturbances and electromagnetic compatibility instructions concerning vehicle and electrical, electronic and pyrotechnic equipment