CZĘŚĆ III - Badania EMC Przedceryfikacyjne (ang. precompliance)

W poprzednich częściach skupiliśmy się na wprowadzeniu do EMC, czym ono jest, dlaczego jest tak ważne. Opisaliśmy również najważniejsze normy dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej. W trzeciej części skupimy się natomiast na badaniach przedcertyfikacyjnych oraz przedstawimy gotowe rozwiązanie pomiarowe umożliwiające kompleksowe badanie KEM.

 
Spis treści

• Część 1: Wprowadzenie do EMC
• Część 2: Wprowadzenie do norm i przepisów EMC
• Część 3: Wstępne badania EMC

Badania precompliance

Jak widać temat EMC jest tematem bardzo rozległym i złożonym. Aby sprostać wszystkim wymaganiom niezbędna jest wiedza techniczna, fizyczna, a także znajomość norm, dyrektyw i sposobów pomiarów. Pominięcie choć jednej składowej może skutkować brakiem uzyskania certyfikatu zgodności, a tym samym narazić producenta na ogromne koszty i straty. Aby temu zapobiec stosuje się pomiary przedcertyfikacyjne w obszarze pól bliskich. Badania tego typu mają charakter poglądowej analizy sygnałów elektrycznych oraz pola magnetycznego wytwarzanego w urządzeniu i jego najbliższym otoczeniu. Dzięki tym badaniom uzyskuje się wstępną informację czy w badanym urządzeniu nie dochodzi do nadmiernej emisji elektromagnetycznej.

Pomiary pól bliskich nie odzwierciedlają idealnie wyników jakie zostaną uzyskane w certyfikowanym laboratorium, pozwalają jednak na precyzyjne zlokalizowanie źródła ponadnormatywnej emisji. Po ujawnieniu takiego miejsca, warto rozważyć modyfikację urządzenia przed wykonaniem badań laboratoryjnych.

W badaniach EMC uwzględnia się zarówno sygnały o małej częstotliwości (umownie do 9kHz), oraz sygnały o wielkiej częstotliwości (od 9kHz do 300GHz, choć realnie do 40GHz). Od szerokości pasma zależy również rodzaj zaburzeń: wąskopasmowe, dla zaburzeń o bardzo wąskim paśmie, oraz szerokopasmowe, dla zaburzeń obejmujących swym zakresem kilka dekad częstotliwości.

Intensywność zaburzeń przewodzonych podaje się poprzez określenie poziomu mocy i/lub amplitudy prądów i napięć, natomiast intensywność zaburzeń promieniowanych podaje się w jednostkach natężenia pół z nim związanych:

Elektrycznego E

• mV/m
• dBμV/m

Magnetycznego H

• dBμA/m

Niewątpliwym problemem przy wykonywaniu badań w laboratoriach jest konieczność użycia komory bezodbiciowej. Niewiele firm może pozwolić sobie na takie rozwiązanie. W związku z tym, w celu przeprowadzenia badań wstępnych, wystarczy znaleźć pomieszczenie o względnie niskim poziomie szumów. Najlepiej aby spełniło następujące wymagania:

• Brak okien lub możliwie jak najmniej w pomieszczeniu (np. piwnica)
• Pomieszczenie możliwie najdalej od ścian frontowych
• Stanowisko w odległości co najmniej 3m od źródeł zaburzeń w postaci klimatyzatorów, silników windy itp.
• Zasilanie poprzez linię bez podpiętych dodatkowych obciążeń

Oczywiście do wykonania badań niezbędny jest sprzęt laboratoryjny. W warunkach testów przedcertyfikacyjnych wystarczy oscyloskop z odpowiednimi sondami, ale jeszcze lepszym a niewiele droższym rozwiązaniem jest analizator widma z generatorem śledzącym. Stanowisko do badań powinno być wykonane jako wydzielony stół, najlepiej drewniany, o wysokości 80cm, ustawiony na płaszczyźnie uziemiającej o wymiarach nie mniejszych niż 2x2m i wychodzącej co najmniej 50cm poza obrys stanowiska.

Płaszczyzną uziemiającą może być blacha miedziana, aluminiowa lub ze stali nierdzewnej. Stanowi ona ziemię odniesienia. Ponadto jest bardzo ważna ze względów bezpieczeństwa. Badania wykonuje się zgodnie z normami. Krótkiej prezentacji najważniejszych norm dokonaliśmy w części II artykułu, do którego w tym miejscu odsyłamy.

Czym wykonać pomiar kompatybilności elektromagnetycznej?

Gotowym rozwiązaniem służącym do badań EMC jest zestaw GW Instek składający się z:

• Analizatora widma GW Instek GSP-9330 z opcją EMC Pretest ułatwiającą wykonanie pomiarów, paśmie do 3,25GHz. Urządzenie może być wyposażone dodatkowo w generator śledzący.
• Zestawu sond GKT-008, w skład którego wchodzą sondy ANT-04 i 05 łączące w sobie funkcje pomiaru natężenia pola magnetycznego i pola elektrycznego.
• Sztucznej sieci LISN GLA-5040A wykorzystywanej w pomiarach zaburzeń przewodzonych i spełniająca wymagania CISPR16-1-2:2006
• Transformatora separującego GIT-5060 chroniącego układ zasilania przed wyłączeniem
• Ogranicznika stanów przejściowych GPL-5010 do ochrony analizatora widma
• Oprogramowania SpectrumShot pozwalającego na zdalne kontrolowanie analizatora i rejestrację badań

Analizator widma

Analizator GW Instek GSP-9330 jest wysokowydajnym analizatorem widma zapewniającym prędkość przemiatania na poziomie 204μs. Dzięki szybkiemu czasowi przemiatania, użytkownicy mogą sprawniej analizować pojawiające się sygnały. Ponadto analizator, dzięki funkcji EMC Pretest dodatkowo ułatwia i przyspiesza badania.

 
Sondy pomiarowe

Zwykle inżynierowie wykorzystują sondy bliskiego pola do przeprowadzania testów EMI w celu weryfikacji obwodu. Będą jednak napotykać pewne problemy podczas przeprowadzania testów. Sondy nie potrafią jednoznacznie zidentyfikować, z którego obwodu pochodzi źródło promieniowania. Inżynierowie muszą stosować sondy pola magnetycznego i sondy pola elektrycznego oddzielnie do pomiarów i muszą wykorzystać swoje doświadczenie, aby znaleźć źródło sygnału. Kąt lub położenie sond pola magnetycznego komplikuje pomiary.

Tradycyjne sondy pola magnetycznego są sondami w kształcie pierścienia (posiadają duży otwór). Maksymalną wartość pola magnetycznego można uzyskać tylko poprzez idealnie prostopadłe ustawienie pętli. Czyni to pomiary problematycznymi ze względu na częstą konieczność obracania sondy w poszukiwaniu maksymalnej wartości pola magnetycznego.

Sondy bliskiego pola z zestawu GKT-008 nie wymagają obracania. Ponadto charakteryzują się wysoką rozdzielczością przestrzenną i czułością, niezależnie od kierunku ustawienia sondy. Całościowo zestaw GKT-008 ma na celu ułatwienie przeprowadzenia testów przedcertyfikacyjnych, a tym samym pomoc w ewentualnych zmianach w nieudanych produktach.

W skład zestawu sond pola bliskiego EMI GKT-008 wchodzą 4 sondy: PR-01, PR-02, ANT-04, ANT-05. Współczynniki antenowe (ang. antenna factors) są już uwzględnione w funkcji EMC Pretest analizatora GSP-9330, zatem są to sondy typu „plug and play”.

• ANT-04 i ANT-05 są sondami pola elektromagnetycznego EMI, które zapewniają CAT I 50Vdc. Sondy ANT-04 i 05 współpracują z ogranicznikiem DC ADB-008, aby zniwelować ryzyko uszkodzenia analizatora widma i/lub zacisków częstotliwości radiowych (RF) przez podłączony odbiornik.
• PR-01 jest sondą napięcia AC o kategorii CAT II, 300Vac. Sonda ta powinna współpracować z ogranicznikiem stanów przejściowych GPL-5010 oraz z adapterem BNC(M) – SMA(F), aby zniwelować ryzyko uszkodzenia analizatora widma i/lub zacisków częstotliwości radiowych (RF) przez podłączony odbiornik.
• PR-02 jest sondą stykową wykrywającą źródło EMI, która posiada kategorię CAT I, 50Vdc. Sonda ta powinna współpracować z ogranicznikiem DC ADB-008, aby zniwelować ryzyko uszkodzenia analizatora widma i/lub zacisków częstotliwości radiowych (RF) przez podłączony odbiornik.

Niewątpliwą zaletą sond serii ANT jest ich rozmiar, wysoka czułość oraz spełnianie dwóch funkcji jednocześnie. Standardowo wykorzystuje się dwie sondy pola magnetycznego H i jedną lub więcej sond pola elektrycznego E. Klasyczna duża sonda pola magnetycznego jest bardzo czuła, ale nie wskazuje dokładnego źródła emisji, zaś mała sonda odwrotnie – wskazuje przybliżone źródło emisji, jednakże zapewnia dużo mniejszą czułość.

Na powyższym rysunku widać, że sygnał uzyskany za pomocą sondy „dużej” jest dużo mocniejszy, jednak to na wykresie uzyskanym z sondy „małej” można zaobserwować więcej „szpilek” sygnałowych.

Sondy ANT łączą w sobie zalety klasycznej „dużej” i „małej” sondy H. Zapewniają niewielki rozmiar i dużą czułość.

Jak można zauważyć, sondy ANT są wyraźnie mniejsze od klasycznych sond E i H. Przedstawione sondy posiadają odpowiednio średnice:

• Sonda pola magnetycznego – 6,8cm
• Sonda pola elektrycznego – 3cm
• Sonda pola magnetycznego i elektrycznego ANT-04 – 2,6cm
• Sonda pola magnetycznego i elektrycznego ANT-05 – 1,8cm

Powyższy rysunek pokazuje, że sondy ANT zapewniają bardzo wysoką czułość. W przedstawionym przypadku, czułość sondy ANT-04 jest o około 20dB większa od czułości sondy H. Natomiast czułość ANT-04 względem sondy E jest większa o około 5 do 15dB, zwłaszcza dla wysokich częstotliwości.

Ponieważ uzyskane przebiegi pola magnetycznego i pola elektrycznego bardzo różnią się od siebie, bardzo trudno jest ocenić rzeczywiste źródło sygnału za pomocą przebiegów uzyskanych za pomocą sond pola elektrycznego i sond pola magnetycznego oddzielnie. Niezbędna jest ogromna wiedza i duże doświadczenie.

Równie istotnym, wspomnianym wcześniej, elementem pomiarów za pomocą klasycznej sondy pola magnetycznego jest kąt ułożenia sondy, oraz jej przesunięcie względem źródła promieniowania. Klasyczna sonda H działa jak antena. Im więcej pola magnetycznego „przejdzie” przez otwór, tym mocniejszy otrzyma się sygnał. Jeśli sonda zostanie umieszczona równolegle, linie pola nie trafią w otwór, a mówiąc potocznie, trafią na ramkę sondy. Tym samym, nie zostanie wykryte zakłócenia.

Sonda ANT nie posiada tej wady. Została skonstruowana tak, aby niezależnie od położenia dawać te same wyniki pomiarów, co prezentuje poniższy rysunek:

Zasada działania sondy H powoduje jeszcze jeden problem. Każde odchylenie od centrum źródła zakłócenia spowoduje zmianę zarejestrowanej wartości pola.

Jak widać, przesunięcie względem środka źródła pola magnetycznego, powoduje że więcej linii tego pola „przechodzi” przez pętlę tym samym zwiększając odczyt.

Na powyższym rysunku widać, jak to wpływa na pomiary. Odchylenie rzędu 1cm zwiększa odczyt o około 10dB. Przy sondach ANT, problem ten praktycznie nie występuje. Odchylenia są mniejsze, rzędu 5dB i tylko w zakresie niskich częstotliwości.

Sondy PR zapewniają z kolei bardzo dokładny pomiar szumów generowanych przez różne elementy elektryczne i elektroniczne jak na przykład szum na ścieżkach PCB, szum na poszczególnych pinach w złączach, czy szum w zasilaczu.

Sondy ANT łączą w sobie funkcje sond E i H dodatkowo zapewniając niewielki rozmiar, niewrażliwość na kąt przyłożenia sondy i odchylenie położenia sondy od centrum źródła. Skutkuje to dokładniejszym wykrywaniem źródeł pola EM, łatwością badania miejsc trudno dostępnych oraz zdecydowanym przyspieszeniem badań.

Sztuczna sieć LISN

Jak wspomniano kompatybilność EM to nie tylko zaburzenia radiowe, ale również zaburzenia przewodzące, czyli przenoszone poprzez sieć zasilającą. Urządzenia zasilane napięciem 230V powinny być badane również w tej kwestii. Pomiary należy wykonać zarówno w przewodzie fazowym oraz neutralnym. Do takich badań wykorzystuje się LISN, czyli stabilizator sieci zasilającej. Częstym określeniem jest również „sztuczna sieć”. Działa on podobnie jak filtr górnoprzepustowy. Ma on na celu zabezpieczenie badanego urządzenia przed zakłóceniami płynącymi z sieci, jednocześnie umożliwiając pomiar zakłóceń wytwarzanych przez owo urządzenie.

GW Instek w swojej ofercie posiada taki stabilizator: GLN-5040A. Wyposażony jest on w ogranicznik stanów przejściowych i stały tłumik 10dB, aby skutecznie chronić analizator widma. Ponadto posiada wbudowany przełącznik filtru górnoprzepustowego o częstotliwości 150kHz. Zapobiega to ewentualnemu przeciążeniu analizatora lub badanego urządzenia sygnałem o niskiej amplitudzie i wysokiej częstotliwości. GLN zapewnia funkcję sztucznej dłoni do symulacji impedancji ludzkiej ręki na urządzeniu przenośnym (takim jak np wiertarka). LISN z analizatorem widma można połączyć poprzez złącze BNC 50Ω.

Transformator separujący

Przed podłączeniem LISN użytkownicy mogą podłączyć izolowany transformator GIT-5060 zgodnie z poniższym schematem, aby zrównoważyć uziemienie prądu fazowego L i N przez funkcję ELCB w celu uzyskania bezpiecznego uziemienia.

 
Transformator pracuje z maksymalnym prądem równym 4A, a jego maksymalna moc wynosi 900VA, co spełni większość wymagań testowych.

 
Ogranicznik stanów przejściowych

Duże sygnały przejściowe mogą bezpośrednio popłynąć do analizatora widma, jeśli tylko pojawi się nieoczekiwana przerwa w zasilaniu lub nastąpi nagła awaria na złączu zasilającym. Może to skutkować poważną awarią analizatora. W takim niestabilnym systemie, ogranicznik stanów przejściowych niweluje duże sygnały i uniemożliwia im popłynięcie wprost do analizatora widma.

 
GW Instek posiada w swojej ofercie taki ogranicznik. Oznaczony jest jako GPL-5010.

Gotowe zestawy pozwalające na kompleksowy pomiar KEM/EMC

Jak już wspomniano, zakłócenia mogą być przenoszone bezprzewodowo (poprzez fale EM), jak i przewodowo (np. przez sieć zasilającą). W związku z tym ciężko jest przeprowadzić wszystkie badania na jednym układzie. GW Instek przygotował cztery gotowe rozwiązania dla różnych badań EMC. Są to:

Zestaw do badań zakłóceń elektromagnetycznych radiacyjnych (bezprzewodowych) (ang. Radiation EMI)

• Analizator widma: GSP-9330
• Zestaw sond bliskiego pola: GKT-008
• Ogranicznik składowej stałej: ADB-008
• Ogranicznik stanów przejściowych: GPL-5010

Zestaw do badań zakłóceń elektromagnetycznych radiacyjnych i przewodowych (ang. Conduction and Radiation EMI)

• Analizator widma: GSP-9330
• Zestaw sond bliskiego pola: GKT-008
• Ogranicznik składowej stałej: ADB-008
• Sztuczna sieć LISN: GLN-5040A
• Ogranicznik stanów przejściowych: GPL-5010
• Transformator separacyjny: GIT-5060

Zestaw do badań zakłóceń elektromagnetycznych przewodowych (ang. Conduction EMI)

• Analizator widma: GSP-9330
• Sztuczna sieć LISN: GLN-5040A
• Ogranicznik stanów przejściowych: GPL-5010
• Transformator separacyjny: GIT-5060
• Zestaw do badania odporności na zakłócenia radiacyjne (Radiation EMS)
• Analizator widma: GSP-9330TG (wbudowany generator śledzący)
• Zestaw sond bliskiego pola: GKT-008

Gotowy schemat połączeń do badań przewodowych zaprezentowano poniżej:

Jest to gotowy układ służący do badań zakłóceń przewodowych. Podłączając do niego zestaw sond oraz ogranicznik składowej stałej, tworzy się gotowy układ do wstępnych badań zarówno zakłóceń wprowadzania zakłóceń przez urządzenie, jak i jego odporności na nie.

Podsumowanie i wnioski

Temat kompatybilności elektromagnetycznej jest niezwykle złożony. Potrzeba wielu lat doświadczenia aby z łatwością i pewnością poprawnego działania projektować urządzenia. Na EMC składa się wiele pojęć, norm, dyrektyw, badań, wymagań itd. Nie bez powodu stanowi ona osobną gałąź nauki. Niestety jest to konieczne, aby w dobie wszechobecnej elektroniki, sprzętu elektrycznego i komunikacji bezprzewodowej wszystko działało tak, jak powinno. Niewątpliwie pomocne w uniknięciu nadmiernych kosztów są badania przedcertyfikacyjne, które firma może przeprowadzić we własnym zakresie. Zapoznając się z dyrektywami oraz normami dotyczącymi sposobów badań oraz wymagań stawianym urządzeniom, a następnie wykonując badania wstępne skraca się czas potrzebny na wprowadzenie urządzenia na rynek. Zestaw GW Insteka stanowi w tym wypadku pewną inwestycję, która prędzej czy później zaprocentuje i pozwoli uniknąć wielokrotnego badania nowego urządzenia w kosztownym laboratorium.