Wprowadzenie do komercyjnych badań EMC

Komercyjne badania EMC

Komercyjne badania EMC obejmują szeroki zakres urządzeń, takich jak komputery i ich urządzenia peryferyjne, ale także urządzenia gospodarstwa domowego, narzędzia elektryczne i wiele innych produktów. Chociaż normy, limity i metody badań mogą się różnić od siebie, wszystkie normy badań EMC mają kilka wspólnych cech. Najbardziej podstawowe z nich to limity emisji oraz rodzaje i poziomy badań odporności.

Podsumowania komercyjnych badań EMC

Pomiary emisji (i związane z nimi limity) są wykonywane dla urządzeń komercyjnych przede wszystkim w celu ochrony radiowych i telewizyjnych usług nadawczych. Chronione są również inne usługi radiokomunikacyjne. Podczas wprowadzania komputerów osobistych na rynek istniało bardzo niewiele komercyjnych norm emisji. Rozprzestrzenianie się tych urządzeń spowodowało rozwój norm i przepisów na całym świecie spowodowanych dużą liczbą skarg dotyczących zakłóceń, które można było bezpośrednio przypisać tym nowym urządzeniom. Wczesne osobiste urządzenia komputerowe zostały zaprojektowane i zbudowane bez uwzględnienia kontroli emisji zaburzeń częstotliwości radiowych, w wyniku czego generowały one wysokie poziomy emisji RF. W istocie można by stwierdzić, że wczesne komputery osobiste były szerokopasmowymi nadajnikami radiowymi udającymi komputery. Komputery mainframe miały podobne słabości, ale ponieważ zazwyczaj nie były instalowane w obszarach mieszkalnych, ich wpływ na otoczenie był mniejszy.

Badanie emisji składa się zazwyczaj z dwóch części przewodzone: emisji przewodzonych na portach zasilających i komunikacyjnych urządzenia oraz emisji promieniowych. Punktem granicznym częstotliwości pomiędzy tymi dwoma typami emisji zaburzeń (przewodzonymi i promieniowanymi) w normach komercyjnych jest 30 MHz. Częstotliwość ta została wybrana, ponieważ przy typowych odległościach testowych (aktualnie standardem są 3 metry i 10 metrów) zaburzenia o częstotliwości powyżej 30 MHz emitowane są w postaci fali płaskiej (pole dalekie), co pozwala na dość powtarzalne pomiary w różnych laboratoriach. Osiągnięcie tej powtarzalności dla częstotliwości poniżej 30 MHz może być problematyczne. Rozwiązaniem powyższego problemu jest pomiar emisji zaburzeń przewodzonych poniżej 30 MHz. Dopuszczalne poziomy emisji (limity) zaburzeń przewodzonych na przewodach zasilających zostały ustalone w oparciu o założenie, że źródło zaburzeń i urządzenia podłączone są do tego samego obwodu. Limity dla emisji zaburzeń przewodzonych na portach komunikacyjnych są ustalane przy założeniu, że zachodzi konwersja sygnałów trybu różnicowego (zjawisko pożądane i koniecznie do działania urządzenia) w kablu jest przekształcana na tryb wspólny (ze względu na charakterystykę i budowę kabla), który następnie jest wypromieniowywany.

Emisje przewodzone

Emisje przewodzone na przewodach zasilających są mierzone (zazwyczaj) przy użyciu sieci sztucznej LISN lub AMN. Są to dwie różne nazwy dla tego samego urządzenia. Sieć LISN lub AMN jest umieszczana pomiędzy badanym urządzeniem (EUT) a przychodzącą linią zasilającą w celu zapewnienia i ustabilizowania określonej impedancji linii zasilającej dla odbiornika pomiarowego (Rysunek 1). Sieć LISN lub AMN jest umieszczana na poziomej uziemionej płaszczyźnie odniesienia, a EUT jest podłączony bezpośrednio do portu EUT sieci LISN. Poniższy schemat blokowy przedstawia tę konfigurację badania.

EUT jest umieszczany albo na poziomej płaszczyźnie uziemienia na podłodze (z przekładką izolacyjną) albo na nieprzewodzącym stole o wysokości 40 cm, w zależności od planowanej instalacji EUT (na stole lub na ziemi) oraz w odległości 80 cm od gniazda EUT sieci LISN. Interesujący nas zakres częstotliwości jest skanowany przy użyciu odpowiednich detektorów, filtra RBW z odpowiednim krokiem a wyniki są zapisywane. Pomiary są wykonywane na każdej linii oddzielnie. Większość komercyjnych norm EMC wymaga pomiarów w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz.

Rys. 1. Ogólny schemat pomiaru emisji zaburzeń przewodzonych.

Emisje promieniowane

Emisje promieniowane mogą być mierzone na otwartym poligonie pomiarowym (OATS) lub w komorze pół-bezodbiciowej (SAC). OATS jest "złotym standardem" i składa się z dużej otwartej przestrzeni wolnej od obiektów, które mogłyby odbijać energię fal radiowych. Zazwyczaj jest ona wyposażona w odbijającą płaszczyznę uziemienia. Wielkość otwartego obszaru jest określana w różnych normach jako obszar eliptyczny, którego oś główna jest dwa razy większa od odległości pomiarowej, a oś mniejsza o pierwiastek kwadratowy z trzech razy większy od odległości pomiarowej. Doświadczenie pokazało na przestrzeni dziesięcioleci, że wymiary te są zbyt małe. Próbowano je podwoić, ale nawet to okazało się mieć swoje słabe strony, zwłaszcza gdy OATS jest otoczony metalowym ogrodzeniem. Poniższe zdjęcie przedstawia 30-metrowy OATS zbudowany w 1989 roku dla Tandem Computers Incorporated w pobliżu Hollister w Kalifornii. Wolny obszar jest co najmniej dwa razy większy niż wymagane wymiary dla 30-metrowej lokalizacji i zajmuje znaczną ilość ziemi. Ta lokalizacja nie jest już w użyciu, ale pokazuje to punkt widzenia przy projektowaniu OATS. Budynek na poziomie gruntu został zbudowany z przezroczystego elektromagnetycznie materiału RF i zakrywał obrotnicę. Wszystkie media zostały poprowadzone pod ziemią, łącznie z kanałami klimatyzacyjnymi, przy czym jednostki klimatyzacyjne zostały zainstalowane poza „wolnym obszarem”. Obiekt nigdy nie był wykorzystywany do pomiarów z odległości 30 metrów, był doskonałym otwartym poligonem pomiarowym o odległości pomiarowej 10 metrów.

Rys. 2. Typowy Otwarty poligon pomiarowy (OATS).

Istotną słabością obiektu OATS jest to, że oprócz pomiaru emisji zaburzeń pochodzących z EUT jest wrażliwy na wszystkie lokalne sygnały pochodzące z otoczenia i nadajników RF, jak również usług komunikacyjnych. Jeśli sygnały te są wystarczająco silne, będą one całkowicie maskowały emisję z mierzonego EUT. W rezultacie, dla najlepszego działania OATS musi być on umieszczony w bardzo odległym miejscu. A to nie gwarantuje, że poziom zaburzeń RF otoczenia pozostanie niski. Firma Apple Computer miała świetny OATS w pobliżu Pescadero w Kalifornii, który miał bardzo niski poziom zaburzeń RF otoczenia, gdy został zbudowany w latach 80-tych. Apple ostatecznie przestał korzystać z obiektu, gdy lokalne sygnały otoczenia wzrosły do punktu, w którym praca nie była już możliwa i przeniósł się całkowicie do 10 metrowego SAC w pobliżu swoich obiektów rozwojowych.

Rys. 3. Ogólny schemat systemu do pomiarów emisji promieniowanej.

Niezależnie od tego, czy pomiary są przeprowadzane w OATS czy w SAC, schemat blokowy zestawu badawczego pozostaje taki sam. Emisje z EUT są mierzone przy użyciu anteny dla odpowiedniego zakresu częstotliwości, przedwzmacniacza (w razie potrzeby) i odbiornika pomiarowego. Pomiary wykonuje się z anteną w obu polaryzacjach pionowej i poziomej. Patrz schemat blokowy na rysunku 3.

Rys. 4. Schemat obrazujący wykonywanie skanu wysokości anteny i drogi sprzężeń z EUT.

Potrzeba skanowania wysokości jest przedstawiona na rysunku 4. Celem jest dostosowanie wysokości anteny tak, aby zmaksymalizować sygnały bezpośrednie i odbite. Przykład masztu antenowego do tego celu jest pokazany na zdjęciu powyżej Tandem 30 metrów OATS (rysunek 2).

Badania emisji są wymagane w wielu krajach na całym świecie. Testy odporności produktów komercyjnych są wymagane w mniejszej liczbie krajów, ale są to główne kraje, będące głównymi rynkami zbytu, więc producent musi być świadomy i przygotowany także z zakresu badań odporności.

Komercyjne badania odporności

Komercyjne badania odporności obejmują zazwyczaj następujące rodzaje testów:

Wyładowania elektrostatyczne (ESD)

Istnieją dwa rodzaje badań ESD - wyładowania kontaktowe i wyładowania w powietrzu. W teście wyładowania kontaktowego końcówka symulatora ESD jest umieszczana na punkcie testowym EUT i inicjowane jest wyładowanie. Wyładowanie następuje wewnątrz symulatora i badania te są dość powtarzalne. W teście wyładowania w powietrzu, symulator jest ładowany do określonego napięcia i jest zbliżany do EUT. Wyładowanie, jeśli nastąpi, następuje przed kontaktem poprzez szczelinę powietrzną pomiędzy końcówką symulatora a EUT. Jak duża jest ta szczelina, zależy od ciśnienia atmosferycznego, temperatury, kąta podejścia i wilgotności względnej. Może to również zależeć od tego, jak szybko operator zbliża się do EUT z pistoletem ESD. Badania wyładowań w powietrzu nie są tak powtarzalne, ale symulują ważne zdarzenie ESD. Zazwyczaj wymagane są oba rodzaje badań. W przypadku sprzętu komputerowego norma CISPR 24 wymaga wykonania próby wyładowań kontaktowych przy napięciu 4 kV oraz próby wyładowań w powietrzu do 8 kV. Badania są zazwyczaj wykonywane przy użyciu sprzętu i procedur opisanych w normie IEC 61000-4-2. EUT może zareagować na test, ale musi samoczynnie odzyskać sprawność po teście. Klasycznym przykładem jest komputer odtwarzający muzykę przez głośnik. Słyszysz „trzask” w głośniku, gdy wystąpi wyładowanie ESD, ale muzyka jest nadal odtwarzana po tym zdarzeniu. Jest to uważane za wynik pozytywny. Jeżeli muzyka zatrzymuje się i wymaga interwencji operatora w celu ponownego uruchomienia, jest to wynik klasyfikowany jako negatywny.

Odporność na promieniowane pole elektryczne

Bada się w ten sposób odporność EUT na pobliskie nadajniki radiowe. Zazwyczaj badany jest zakres częstotliwości od 80 MHz do 1 GHz, chociaż nowsze normy wymagają testów nawet do 6 GHz. Badanie to przeprowadza się w komorze bezodbiciowej. Używane są poziomy sygnałów, które mogłyby być uciążliwe dla sąsiadów w okolicy stanowiska badawczego i powodować nakładanie kar przez lokalne organy regulacyjne, więc ekranowanie jest koniecznością. Aktualne wymagania normy IEC 61000-4-3 (powszechnie używana norma podstawowa) wymagają, aby pole E było jednorodne w zakresie określonych wymagań, zanim EUT zostanie wprowadzony do przestrzeni testowej. Zazwyczaj EUT jest narażane z czterech stron. EUT musi kontynuować pracę w czasie narażania, tak jakby nic się z nim nie działo lub musi samoczynnie odzyskać sprawność bez utraty danych, aby badanie zostało uznane za zaliczone.

Szybkie elektryczne stany przejściowe

Badanie to wprowadza serię szybkich impulsów do EUT poprzez linie zasilające i sygnałowe, których długość może przekraczać 3 metry. Podobnie jak w przypadku badań ESD, EUT musi działać po teście bez interwencji operatora, ale może reagować na zaburzenie w trakcie jego trwania, tak długo, jak system sam odzyska funkcjonalność bez utraty danych. Norma IEC 61000-4-4 określa sprzęt i procedury badawcze dla tego testu.

Udary elektryczne typu Surge

To badanie symuluje to, co dzieje się na wejściu zasilania do EUT, gdy w pobliżu nastąpi wyładowanie atmosferyczne. Przepięcia o wysokiej energii są sprzęgane do wejścia linii EUT. Norma IEC 61000-4-5 opisuje szczegółowo generatory testowe, akcesoria pomiarowe oraz procedury wykonywania badań odporności na udary Surge.

Przewodzone zaburzenie RF

W normach komercyjnych punktem granicznym pomiędzy badaniem odporności na częstotliwości radiowe przewodzone i promieniowane jest zwykle 80 MHz. Generowanie jednorodnych pól znacznie poniżej 80 MHz jest trudne. W związku z tym, poniżej tej częstotliwości energia RF jest zwykle sprzęgane do kabli podłączonych do EUT. Przykładowy schemat blokowy dla takiego testu pokazano na rysunku 5. Tłumik 6 dB jest umieszczony jak najbliżej sieci sprzęgająco-odsprzęgającej (CDN). Chociaż nie jest to wyraźnie pokazane w IEC 61000-4-6, powodem umieszczenia go jak najbliżej CDN jest to, że zapewnia on dopasowanie impedancji do linii transmisyjnej, maksymalizując transfer mocy do CDN, której impedancja wejściowa nie jest dokładnie znana. W przeciwnym razie może się okazać, Sprzężenie zaburzeń jest bardzo nieefektywne.

Rys. 5. Ogólny schemat systemu do badań odporności przewodzonej RF.

Typowy zakres częstotliwości, w którym przeprowadza się badania odporności urządzeń komercyjnych, na zaburzenia promieniowane częstotliwości radiowych wynosi od 150 kHz do 80 MHz.

Pola magnetyczne o częstotliwości zasilania

Badanie to jest przeprowadzane dla produktów, co do których można się spodziewać, że mogą mieć problemy z odpornością na pola magnetyczne o częstotliwości pól magnetycznych. Do takich produktów, jak na przykład wymienione w CISPR 24, mogą należeć monitory Cathode Ray Tube (CRT), czujniki pola magnetycznego i urządzenia korzystające z efektu Halla. Urządzenie EUT jest umieszczane w środku dużego zwoju drutu, przez który przepływa prąd o częstotliwości zasilania. Prąd o natężeniu umożliwiającym wytworzenie określonego poziomu pola (np. 1 amper/metr w normie CISPR 24) jest przepuszczany przez cewkę, a EUT jest sprawdzany pod kątem prawidłowego działania. Narażane są wszystkie trzy ortogonalne osie X, Y i Z. Większość produktów nie wymaga tego badania, ale jest on zawarty w normach dotyczących rodziny produktów. Norma IEC 62000-4-8 opisuje szczegółowo jak wykonać ten test.

Zapady napięcia, krótkie przerwy i zmiany napięcia

Badanie to ma za zadanie symulować rzeczywiste przykłady chwilowych wahań napięcia wejściowego. W przypadku normy CISPR 24 (i CISPR 35) wykonywane są trzy testy, zazwyczaj przez skomputeryzowane źródło zasilania. Pierwszy z nich polega na obniżeniu napięcia o >95% na jeden pół-cykl mocy wejściowej. Zmiana napięcia następuje w punkcie zerowego przejścia na przebiegu fali zasilania. Oznacza to po prostu, że jeden pół-cykl mocy przychodzącej do EUT jest odcięty. EUT może zareagować, ale musi sam się powrócić do funkcjonalności bez interwencji operatora. Drugi test polega na zmniejszeniu napięcia o 30% (70% napięcia resztkowego) na jedną półsekundę (25 cykli przy 50 Hz lub 30 cykli przy 60 Hz) - krótkie zaniki napięcia. Również w tym przypadku EUT może zareagować, ale musi samoczynnie powrócić do normalnego stanu pracy. Trzecim powszechnie stosowanym testem jest obniżenie napięcia wejściowego o >95% przez 5 sekund. To tak, jakby przewód zasilający został wyciągnięty z gniazdka na 5 sekund, a następnie ponownie podłączony. Oczywiście EUT się wyłączy, jeśli nie ma wbudowanej baterii lub UPS. Tak długo, jak operator może przywrócić działanie urządzenia zgodnie z instrukcją i żadne dane chronione przez baterie nie zostaną utracone lub uszkodzone, EUT przechodzi pozytywnie ten test. IEC 61000-4-11 podaje szczegóły jak te badania powinny być przeprowadzone.

Poziomy narażeń stosowane w komercyjnych badaniach odporności są dobrane tak, aby zapewnić rozsądny poziom pewności, że produkt będzie działał w przewidzianym dla niego środowisku. Nie reprezentują one najgorszego przypadku, jakiego produkt może doświadczyć w środowisku pracy, ale przez lata wykazano, że są one odpowiednie i wystarczające. W rzeczywistości większość produktów wykazuje wyższy poziom odporności niż wymagany, gdy są testowane dla poziomu krytycznego. Praktyka pokazuję, że konstrukcyjne rozwiązania zastosowane w celu spełnienia wymagań dotyczących emisji są zazwyczaj wystarczające do zapewnienia właściwych poziomów odporności.