Rijkswaterstaat maakt gebruik van golfmeetboeien. Een eindje uit de kust zet hij boeien uit, waarin zich sensoren bevinden die in staat zijn zowel de hoogte als de richting van golven te meten. De meetsignalen worden via een radioverbinding naar de vaste wal gestuurd. Voor het testen en kalibreren van de boeien bouwde Rijkswaterstaat een testopstelling. Die bestaat uit een rad waarin twee boeien worden gehangen. Een elektromotor laat het rad met variabele snelheid ronddraaien, zodat het voor de boeien een golfbeweging nabootst. Tijdens de test zijn de sensoren in de boeien met een kabeltje verbonden aan een kast met meetapparatuur. Een relatief eenvoudige opstelling, een rechttoe-rechtaanexperiment. Het rad draaide, de computer ook. Alleen werkte de zaak niet.
Na enig gepuzzel van de teleurgestelde ingenieurs rees het vermoeden dat de fout wel eens zou kunnen zitten in een verstoring van de gevoelige meetapparatuur door de elektromotor. Rijkswaterstaat schakelde een adviesbureau in, dat de opstelling kwam bekijken. De ingenieurs van het adviesbureau voerden enige metingen uit, en kwamen al snel tot de conclusie dat de bron van de storing in de aansturing van de elektromotor zat. Die produceerde een hoogfrequent stoorsignaal dat ook in de meetopstelling was terug te vinden, en zo de meetsignalen onbruikbaar maakte. De ingenieurs voerden een tweetal kleine ingrepen uit. Ten eerste zorgden ze ervoor dat de afscherming van de voedingskabel naar de elektromotor op een deugdelijke manier werd aangesloten. Bovendien brachten ze een messing plaatje aan onderin de kast met meetapparatuur. De afscherming van alle binnenkomende kabels werd op dit plaatje afgemonteerd, zodat er een goede aarding ontstond. Na deze twee aanpassingen bleek de testopstelling vlekkeloos te functioneren.
De meetapparatuur van de opstelling van Rijkswaterstaat bevindt zich in een kast. De foto toont de onderkant van de achterzijde van de kast, waar de kabels van de meetinstrumenten binnenkomen. De foto toont de situatie voordat het adviesbureau de EMC-maatregelen trof. De storing komt via de kabels en het netsnoer de kast binnen.
Het probleem van Rijkswaterstaat is een typisch voorbeeld van een EMC-probleem. EMC betekent Elektromagnetische Compatibiliteit. De aansturing van de elektromotor van de testopstelling voor de golfmeetboeien was niet elektromagnetisch compatibel met de meetapparatuur. Dat betekent dat ze niet in elkaars nabijheid konden functioneren. De fout lag aan beide kanten. De stoorbron, in dit geval de aansturing van de elektromotor, was niet voldoende afgeschermd. Het slachtoffer, de kast met meetapparatuur, bleek te gevoelig voor stoorsignalen. Een eenvoudige ingreep bij zowel stoorbron als slachtoffer volstond in dit specifieke geval om de gehele testopstelling elektromagnetisch compatibel te maken.
Alle elektrische apparatuur is een potentiële bron van storing en tegelijkertijd potentieel slachtoffer van storing. In 1992 heeft de Europese Unie een richtlijn uitgevaardigd waaraan dergelijke apparatuur moet voldoen. Vanaf 1 januari 1996 heeft die richtlijn een bindend karakter gekregen. Europese fabrikanten en importeurs zijn er vanaf die datum verantwoordelijk voor dat hun elektrische apparatuur elektromagnetisch compatibel is. De EMC-richtlijn heeft een globaal karakter en valt onder de overkoepelende CE-markering. CE staat voor Conformité Européenne; het pakket van richtlijnen geldt voor geheel Europa en richt zich op veiligheid, gezondheid en milieu- en consumentenbescherming. De achtergrond van dit pan-Europese pakket aan richtlijnen is het wegnemen van handelsbelemmeringen tussen de lidstaten van de EG.
Stoorbron
Een brommer die voorbij komt rijden kan de radio storen. De storing ontstaat doordat de bougie in de brommer een vonk afgeeft. Een vonk is niets anders dan een sterke stroompuls, die een elektromagnetische golf opwekt. Die golf beïnvloedt de elektronica van de radio, en dat doet hij zonder dat de bougie en de radio fysiek met elkaar in contact zijn. Een ander voorbeeld: kleindochter ondervindt bij het tv-kijken ruis tussen de teletubbies door. Grootmoeder staat twee stopcontacten verderop met een mixer haar onvolprezen appeltaart te bereiden. De ontstoringscondensator in de oude mixer van grootmoeder is stuk. Het gevolg is, naast die overheerlijke appeltaart, een stoorsignaal dat het lichtnet in gaat. De tv en de teletubbies kunnen daar niet tegen.
Bij EMC-problemen is er altijd sprake van een stoorbron (brommer, oude mixer) en een slachtoffer (radio, tv). Het stoorsignaal gaat van bron naar slachtoffer via bijvoorbeeld het elektriciteitsnet (in het voorbeeld van de mixer) of zelfs zonder dat er sprake is van fysiek contact. In het voorbeeld van de brommer gaat het stoorsignaal niet via een kabel, maar zijn het magnetische en elektrische velden die zich door de ruimte verspreiden.
EMC-maatregelen worden steeds belangrijker. De oorzaak daarvan is dat moderne apparatuur steeds storingsgevoeliger wordt. Vroeger waren het relais (elektromechanische schakelaars) die schakelden en regelden, tegenwoordig ligt die taak meestal in handen van gevoelige elektronica. Het aantal toepassingen daarvan neemt toe, de elektronica wordt kleiner en de werkspanning neemt af. De circuits worden daardoor steeds gevoeliger voor invloeden van buiten. Daarnaast neemt het aantal stoorbronnen toe. Mobiele telefoons zijn daar een goed voorbeeld van. In ziekenhuizen en vliegtuigen zijn die vaak verboden, wat al aangeeft dat er op het gebied van EMC nog veel te wensen overblijft.
De Twee Geboden
Vanaf 1 januari 1996 moet elektrische apparatuur voldoen aan de Europese EMC-richtlijn. Een fabrikant geeft met het CE-logo aan dat zijn producten aan alle van toepassing zijnde Europese richt lijnen voldoen. De EMC-richtlijn is daar een onderdeel van. De richtlijn is globaal geformuleerd, zonder meetvoorschriften of iets dergelijks. De richtlijn zegt dat apparaten aan de volgende twee eisen moeten voldoen.
Eerste gebod: Gij zult niet storen
De opwekking van elektromagnetische storingen moet beperkt blijven tot een dusdanig niveau dat radio- en telecommunicatieapparatuur en andere apparaten overeenkomstig hun bestemming blijven functioneren.
Tweede gebod: Gij zult niet gestoord kunnen worden
Apparaten moeten een dusdanige immuniteit (ongevoeligheid) bezitten voor elektromagnetische storingen dat zij overeenkomstig hun bestemming kunnen functioneren.
Verder omschrijft de richtlijn om welke apparaten het gaat. Auto’s bijvoorbeeld vallen er niet onder; die hebben hun eigen richtlijn. Zelfbouwapparatuur van zendamateurs met een licentie valt er ook buiten.
Kooi van Faraday
Maatregelen op het gebied van EMC weerspiegelen het gegeven dat er steeds sprake is van een stoorbron en een slachtoffer. De EMC-richtlijn laat zich samenvatten in de Twee Geboden, ‘Bron – Gij zult niet storen’ en ‘Slachtoffer – Gij zult niet gestoord kunnen worden’. Laat ons beginnen met het Tweede Gebod. Is er sprake van storing van een elektrisch circuit door elektromagnetische golven, dan is de oplossing om het slachtoffer te omhullen met een kooi van Faraday. Een computer bijvoorbeeld bevindt zich daartoe in een metalen kast. Elektromagnetische golven kunnen die kast niet binnendringen. Zij veroorzaken in het metaal van de kast elektrische stroompjes die de golven uitdoven.
Wat een kooi van Faraday doet, merk je direct als je met de auto onder een viaduct door rijdt, terwijl je naar een middengolfzender luistert. De zender valt dan even weg. Dat komt doordat het wapeningsmetaal dat in het viaduct is verwerkt, een soort kooi van Faraday vormt. De radiogolven die de antenne normaal gesproken uit de lucht plukt, worden door het metaal in het viaduct tegengehouden, doordat de golflengte (in de orde van honderden meters) groter is dan de afmeting van het viaduct. Hoewel de kooi van Faraday hier geen volledig afgesloten kooi is, kunnen de golven vanwege hun grote golflengte er toch niet binnendringen. Bij een FM-zender treedt dit verschijnsel niet op. De golven van een FM-zender zijn enkele meters lang. Die kunnen wel onder het viaduct door.
Ingangsfilter
In het geval van grootmoeders mixer die de tv stoort, helpt een kooi van Faraday niet. De stoorsignalen van de mixer komen immers niet door de lucht, maar door het netsnoer de tv binnen. We spreken in dit soort gevallen van draadgebonden storingen. Een ander voorbeeld is de meetapparatuur van Rijkswaterstaat; ook hierbij kwam het stoorsignaal door de elektrische bedrading het meetapparaat binnen. Overigens geldt ditzelfde verhaal voor een computer in een metalen kast. Je moet daarbij nog steeds maatregelen nemen om ervoor te zorgen dat de storing niet via de bekabeling de computer binnenkomt. Kabels kunnen de elektromagnetische signalen uit de lucht oppikken en op die manier als ‘antenne’ voor stoorsignalen fungeren. Het onderscheid tussen draadgebonden en niet-draadgebonden storingen is dan ook niet haarscherp te maken.
De oplossing voor draadgebonden storingen klinkt simpel. Pas een ingangsfilter toe, dat de storing uit het signaal filtert op de plaats waar de kabels het apparaat binnenkomen. Het ingangsfilter werkt als de portier in de discotheek. Ongewenst bezoek komt niet verder dan de voordeur, nette mensen mogen ongehinderd passeren. Het probleem van ingangsfilters is met deze analogie direct duidelijk, want hoe onderscheidt de portier de braveriken van het tuig als beide groepen hetzelfde gekleed gaan? Als het stoorsignaal dezelfde frequentie heeft als het bedoelde signaal, is het erg moeilijk om een ingangsfilter toe te passen. Neem bijvoorbeeld een hoorbare bromtoon op een telefoonlijn. Met een frequentiefilter kun je de bromtoon makkelijk weg krijgen, maar dan is het telefoongesprek zelf ook weg.
De wetten van Maxwell
Alles wat te maken heeft met elektrische en magnetische velden, met elektriciteit of met licht, wordt beschreven door de wetten van Maxwell. Het EMC-vakgebied is in principe dan ook niet meer dan het toepassen van deze vier fundamentele wetten. Neem bijvoorbeeld een stroomkring bij een rijdende trein. De stroom wekt een magneetveld op, de grootte van het veld is direct evenredig met de grootte van de stroom. Het magneetveld breidt zich uit door de omliggende ruimte en beïnvloedt zo elektrische apparatuur. In de tekening is voor de duidelijkheid een enkele stroomdraad getekend, maar het had net zo goed een radio of een computer kunnen zijn. Een elektrotechnisch ingenieur gaat er normaal gesproken vanuit dat op elk punt van de stroomdraad dezelfde elektrische spanning heerst. De voltmeter meet het verschil tussen de spanning in A en B, en geeft dus 0 volt aan.
Die situatie verandert op het moment dat er een magneetveld aanwezig is. Uit de wetten van Maxwell volgt dat een magneetveld dat verandert van grootte, in de stroomdraad een elektrische spanning induceert. De grootte van die inductiespanning is evenredig met de grootte van de verandering van het magneetveld. Als de trein op de foto dus een wisselstroom in de bovenleiding veroorzaakt, zal de voltmeter in de tekening een spanning aanwijzen. Hoe hoger de frequentie van de wisselstroom, hoe hoger de spanning die de voltmeter aanwijst.
Precies daarom vormen hoogfrequente stoorsignalen een probleem. Hoge frequenties betekenen snelle veranderingen en dus sterke storingen. Mobiele telefoons bijvoorbeeld werken met een frequentie van 900 megahertz. Hoewel in die telefoons slechts kleine stromen vloeien, kan de hoge frequentie er toch voor zorgen dat aanzienlijke storingen optreden.
Tekening van stroomdraad met magneetveld.
Spoorwegen
De spoorwegen zijn een soort Amerika – alles is er groot. De bovenleiding staat onder hoge spanning; een rijdende trein trekt grote stromen. De Nederlandse Spoorwegen hebben 1500 volt op de bovenleiding staan, de Belgische 3000 volt. Een trein trekt een stroomsterkte van maximaal 4000 ampère. Dat overstijgt het huis-tuin-en-keukenniveau. Hoge spanningen, sterke stromen en grote stroomkringen – dat zijn sterke stoorbronnen. Anderzijds passen de spoorwegen veel moderne elektronica toe, zoals bijvoorbeeld voor telecommunicatie. De spoorwegen zijn daarmee een EMC-bedrijf bij uitstek.
Een typische stoorbron bij de Nederlandse Spoorwegen zijn de elektromotoren van de trein, of preciezer gezegd, de aansturing van de motoren. Elektrische treinen op het huidige Nederlandse spoorwegennet rijden op gelijkstroom. Theoretisch betekent dit dat er van een storing geen sprake kan zijn. Immers, een gelijkstroom is per definitie een constante stroom die een constant magneetveld opwekt. Een constant magneetveld wekt geen stoorspanningen op in belendende elektrische circuits. Het magneetveld induceert alleen stoorspanningen als het van grootte verandert.
De stroomkring bij een rijdende trein gaat via de bovenleiding en de pantograaf (de stroomafnemer) naar de motoren. De stroom loopt via de rails terug. De forse stroom veroorzaakt een dito magneetveld. NS Materieel
Tractieomvormer
In de praktijk treedt zo’n storing wél op. De oorzaak daarvan is de vermogenselektronica die de motoren aanstuurt, de zogenaamde tractieomvormers. Die werken volgens hetzelfde principe als een lichtdimmer. Een dimmer schakelt de verlichting in snel tempo aan en uit, en doet dat zo snel dat je het niet ziet. Je ziet een lamp op halve sterkte branden, terwijl hij eigenlijk de helft van de tijd aan staat en de andere helft van de tijd uit. Iets dergelijks gebeurt met de motoren van de trein. Afwisselend krijgen ze het volle vermogen voor de kiezen en dan weer niets – en dat heel snel achter elkaar.
Elke NS-reiziger kent de tractieomvormer. Het is het ‘orgeltje’ dat je hoort in de nieuwe dubbeldekkers. De muziektonen zijn de schakelfrequenties, die in het hoorbare gebied liggen. De tractieomvormer regelt de snelheid van de trein, maar zorgt tegelijkertijd voor potentiële storing. Door de spanning snel in en uit te schakelen, maken de omvormers van een gelijkspanning een wisselspanning. Daardoor ontstaan ook wisselende magneetvelden. Die velden induceren op hun beurt elektrische spanningen in apparatuur of kabels in de nabijheid van de bovenleiding.
Bovendien steekt een extra probleem de kop op. Een tractieomvormer moet zo snel mogelijk schakelen. De elektrische spanning moet vrijwel onmiddellijk van nul naar maximaal worden geschakeld. Zo lang de spanning namelijk tússen nul en maximaal zit, treedt er vermogensverlies op. Wil de trein zo zuinig mogelijk rijden, dan moet de tractieomvormer de spanning razendsnel van nul tot maximaal opvoeren en van maximaal naar nul terugvoeren. Qua storing is dat echter juist een nadeel, want hoe sneller de grootte van de spanning verandert, hoe groter de storing is.
De tractieomvormer zit in de trein. Het apparaat regelt het vermogen dat naar de motoren gaat, en daarmee de snelheid van de trein. Zonder speciale maatregelen zou de tractieomvormer snel veranderende stromen in de bovenleiding veroorzaken, die elektromagnetische storingen in apparatuur in de buurt van de bovenleiding op zouden leveren. NS Materieel
Ontstoringscondensator
Gij zult niet storen – of gij nu tractieomvormer in een dubbeldekker zijt of grootmoeders oude mixer. De praktijk van deze voorbeelden verschilt, het principe is echter hetzelfde. Zorg ervoor dat de potentiële storing (de snel wisselende stroom) bínnen het apparaat blijft. In de mixer is dat vrij eenvoudig te bewerkstelligen. In zo’n apparaat zit een kleine elektronische schakeling die de storing tegenhoudt. Veelal volstaat een enkele ontstoringscondensator. De werking daarvan kun je vergelijken met een stuwmeer – het is een buffer die snelle spanningsveranderingen gladstrijkt. De bergbeek die het stuwmeer vult, stroomt af en toe heftig en staat dan weer droog. Het stuwmeer heeft zo’n grote watercapaciteit dat het die wisselingen netjes afvlakt. Een condensator is zo’n stuwmeer, maar helaas was die van oma’s mixer kapot. In een trein is wel wat meer nodig dan een eenvoudige condensator om de rol van stuwmeer te vervullen, maar het principe is hetzelfde. De snel wisselende spanningen dienen binnen de trein blijven en mogen niet in de bovenleiding terechtkomen.
Overspanningafleider
De spoorwegen zijn een bedrijf dat alles in huis heeft om veel last te hebben van elektromagnetische storingen. Treinen trekken grote stromen, die worden getransporteerd door de bovenleiding. De stroomkring loopt van een onderstation door de bovenleiding via de pantograaf (de stroomafnemer) naar de trein, en door de rails terug naar het onderstation. Die stroomkring heeft daarmee een afmeting van kilometers. Direct naast de rails liggen onder andere de telecommunicatiekabels die de signalen voor de stationsomroep en de vertrekborden transporteren. De grote stroomkring van de bovenleiding veroorzaakt storing in de telecomkabels. De treinen rijden op duizenden ampères, de telecomkabels werken met millivolts. Zonder goede EMC-maatregelen blijft er van de telecomsignalen niets over.
Het is echter niet altijd eenvoudig om de juiste maatregelen te nemen. De signaalkabels van een telecomcircuit bijvoorbeeld, zijn vaak uitgerust met een zogenaamde overspanningafleider. Dat is een beveiliging om de aangesloten apparatuur te beschermen tegen te hoge spanningen, die bijvoorbeeld ontstaan als de bliksem inslaat. Op het moment dat er een te hoge spanning op de signaalkabels staat, schakelt de overspanningafleider in en sluit het circuit kort. De hoge spanning kan daardoor niet in de gevoelige apparatuur terechtkomen, zodat die in ieder geval heel blijft. Het kortsluiten van het circuit duurt maar heel even en heeft daarom geen gevolgen voor het functioneren van het telecomsysteem.
Het is echter wel eens gebeurd dat de tractiestroom van de treinen in het telecomcircuit een dusdanig hoge stoorspanning opbouwde, dat de overspanningafleiders gedurende langere tijd inschakelden. Het gevolg was bijvoorbeeld dat de stationsomroep niet meer functioneerde. Dit was op te lossen door de spanning waarbij de overspanningafleider in werking gaat, anders te kiezen. De kunst is om enerzijds de telecommunicatieapparatuur voldoende te beschermen tegen blikseminslag, en anderzijds om ervoor te zorgen dat de bescherming niet onnodig werkt, waardoor verbindingen ten onrechte wegvallen. De Nederlandse Spoorwegen doen er dan ook alles aan om hun circuits elektromagnetisch compatibel te maken.
De Europese EMC-richtlijn functioneert vrij mild. Door het CE-logo op zijn producten aan te brengen, verklaart een fabrikant dat hij zich houdt aan De Twee Geboden. Mocht blijken dat de apparatuur niet voldoet, dan kan een installatie worden stilgelegd of een apparaat uit de handel genomen. Zo ver komt het echter niet vaak. In veel gevallen heeft de gebruiker er zelf last van, als zijn apparatuur niet elektromagnetisch compatibel is. Rijkswaterstaat bijvoorbeeld. Hun meetapparatuur bevond zich vlakbij de elektromotor die het EMC-predikaat niet waardig bleek. Rijkswaterstaat was zelf slachtoffer, en heeft het vervolgens zelf netjes opgelost.