CZĘŚĆ I - Wprowadzenie do EMC

W ostatnim czasie pojęcie kompatybilności elektromagnetycznej (KE, KEM, EMC) coraz częściej przebija się do powszechnej świadomości osób działających w różnych branżach powiązanych z elektroniką czy elektrotechniką. Na pytania czym jest EMC, dlaczego jest tak ważne, jak je badać i wiele innych postaramy się odpowiedzieć w tym i kolejnych artykułach. Jednocześnie już na wstępie chcielibyśmy zaznaczyć, że problem kompatybilności elektromagnetycznej jest bardzo szeroki i złożony, w związku z tym w artykule omówimy tylko najważniejsze rzeczy pomijając zjawiska fizyczne, do których niezbędny jest złożony aparat matematyczny. Mamy nadzieję, że ten artykuł będzie stanowił niejako wstęp do szerszego poznania i zrozumienia problemu.

 
Spis treści

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

Krótko o historii EMC

Historyczne początki kompatybilności elektromagnetycznej (KEM/EMC) sięgają narodzin energetyki, tj. drugiej połowy XIX wieku. Linie trakcyjne czy też oświetleniowe stosowane w miastach zakłócały przesył informacji w liniach telegraficznych, a także przyspieszały niszczenie metalowych konstrukcji zakopanych w ziemi (korozja elektrolityczna). Aby rozwiązać ten problem zaczęto prowadzić badania naukowe, których wyniki przyczyniły się do powstania pierwszych opracowań dążących do minimalizacji skutków zaburzeń.

Za początek Kompatybilności Elektromagnetycznej jako osobnej gałęzi elektrotechniki można uznać rok 1928 i pierwsze regulacje prawne dotyczące „technik przeciwdziałania zakłóceniom odbioru radiowego”. EMC rozwijało się bardzo szybko. Gwałtowny rozwój elektroniki i telekomunikacji, zwłaszcza po wynalezieniu tranzystora, był paliwem napędzającym EMC.

1 stycznia 1996 r. w życie weszła dyrektywa 89/336/EEC dotycząca kompatybilności elektromagnetycznej i wymogów stawianych urządzeniom. W kolejnych latach dyrektywa ta była wielokrotnie uaktualniania, aż została zastąpiona dyrektywą 2004/108/EC. Obecnie obowiązującą dyrektywą jest ta z 2014 roku (2014/30/UE). Częste zmiany dyrektyw są świetnym przykładem jak dynamicznie poszerza się wiedza dotycząca EMC. W Polsce kwestię KEM reguluje ustawa z dnia 13 kwietnia 2007.

Czym jest kompatybilność elektromagnetyczna i jakie są źródła pola EM

Kompatybilnością elektromagnetyczną nazywa się zdolność danego urządzenia lub systemu do poprawnej pracy w określonym środowisku elektromagnetycznym i nieemitowanie zaburzeń pola elektromagnetycznego, zakłócającego poprawną pracę innych urządzeń.¹ Innymi słowy, jest to odporność urządzenia na zaburzenia elektromagnetyczne w jego otoczeniu oraz ograniczenie wprowadzania zakłóceń do tegoż pola. W tym miejscu należy również sprecyzować pewne pojęcia:

• Zaburzenie elektromagnetyczne – jest to dowolne zjawisko elektromagnetyczne, które wpływa na pogorszenie pracy urządzenia (np. szum elektromagnetyczny, niepożądany sygnał lub zmiana w samym ośrodku rozchodzenia się fal [propagacji])
• Odporność – zdolność urządzenia do prawidłowego działania bez pogorszenia jakości w przypadku pojawienia się zaburzenia elektromagnetycznego.
• Podatność – jest to reakcja pracującego urządzenia lub systemu na określone zaburzenie elektromagnetyczne lub umowny sygnał zaburzający
• Wytrzymałość – jest zdolnością pracującego urządzenia lub systemu do zachowania swoich pierwotnych właściwości po ustąpieniu oddziaływania określonych zaburzeń elektromagnetycznych lub umownych sygnałów zaburzających

Skąd natomiast bierze się środowisko elektromagnetyczne? Przyczyny jego powstawania można podzielić na dwie główne kategorie:

• Pole elektromagnetyczne pochodzenia naturalnego
• Pole elektromagnetyczne pochodzenia sztucznego

Środowisko elektromagnetyczne (EM) wytworzone jest w sposób naturalny przez kulę ziemską. Innymi naturalnymi źródłami są wyładowania atmosferyczne, źródła pozaziemskie, np. Słońce czy też nawet człowiek. Sztucznymi źródłami pola EM jest szeroko rozumiana elektryczność, od jej wytwarzania poprzez przesył, aż do jej wykorzystania (generatory – linie przesyłowe – urządzenia elektryczne). Istotną częścią sztucznych źródeł pola elektromagnetycznego jest łączność bezprzewodowa, transmisje radiowe i telewizyjne. W tym miejscu występuje dodatkowy podział sztucznych źródeł PEM na te tworzące środowisko elektromagnetyczne celowo (na przykład wspomniane urządzenia do transmisji radiowych), jak i niecelowo, w wyniku działania urządzeń o dużej emisyjności elektromagnetycznej. Wszystko to powoduje znaczne zaśmiecenie naturalnie występującego pola elektromagnetycznego.

Kompatybilność elektromagnetyczną można podzielić na wewnętrzną (oddziaływanie między elementami samego urządzenia) i zewnętrzną (oddziaływanie między urządzeniem i środowiskiem lub między kilkoma urządzeniami). Źródła zakłóceń i kompatybilności elektrycznej przedstawia poniższy rysunek:
Dlaczego kompatybilność elektromagnetyczna jest taka ważna

Oddziaływanie pola elektromagnetycznego na urządzenia elektryczne i elektroniczne przyczynia się do indukowania się obwodach prądów i napięć pasożytniczych. Nie pozostaje to bez wpływu na urządzenia, które mogą zacząć działać niepoprawnie lub ulec uszkodzeniu. Przykładowo, uruchomienie wiertarki w pobliżu telewizora starego typu (kineskopowego) może powodować zakłócenia w wyświetlanym obrazie. W dużym uproszczeniu powoduje to komutatorowy silnik prądu stałego zastosowany w wiertarce, który emituje pole oraz wprowadza duże zakłócenia do sieci zasilającej. Jako przykład można posłużyć się charakterystykami rezystancji i przesunięcia fazowego powodowanego przez rezystor 100Ω w zależności od częstotliwości.

 
Na powyższym obrazku widać jak bardzo zmieniają się wartości modułu i przesunięcia fazowego w zależności od częstotliwości zasilania. To jest tylko jeden element. Obecnie tworzone urządzenia posiadają takich elementów setki, tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy. Jeśli każdy z nich straci swoje właściwości (zmieni wartość pojemności, indukcyjności, rezystancji etc.), to w zasadzie pewnym jest, że urządzenie przestanie działać poprawnie albo się uszkodzi.

Problem kompatybilności to nie tylko zakłócanie pracy urządzeń, promieniowanie pola EM itd. Kompatybilność to także zachowanie tajności przesyłania danych, które w dzisiejszych czasach z łatwością można odtworzyć na podstawie zarejestrowanego pola elektromagnetycznego wypromieniowanego z urządzenia.

Podsumowując, skutkami braku kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń mogą być:

• Błędne pomiary, wskazania aparatury
• Łatwo ulegające awariom urządzenia
• Kary finansowe, administracyjne, umowne
• Wycofanie produktu z rynku
• Znaczne wydłużenie czasu wprowadzenia produktu na rynek i większe koszty

Normy europejskie rygorystycznie określają związane z EMC parametry urządzeń. Niestety nie podają jak je uzyskać. Konstruowanie urządzeń spełniających wymagania kompatybilności EM jest bardzo trudne i złożone. Nawet stosując się do pewnych utartych schematów i reguł inżynierskich nie można zapewnić, że stworzone urządzenia będą kompatybilne. Przekłada się to na wysokie koszty. Samo pierwsze sprawdzenie urządzenia pod względem KEM w przygotowanym do tego celu laboratorium jest bardzo kosztowne, a jeśli badania zakończą się niepomyślnie, koszty rosną wręcz lawinowo (przeprojektowanie płytki, ponowny montaż, powtórzenie badań laboratoryjnych).

Pomysłem jak spróbować zniwelować te koszty jest zakup programów symulujących zjawiska EM. Problemem tutaj jest również niewyobrażalnie duży koszt. Ponadto z racji złożoności zjawisk związanych z polem elektromagnetycznym programy te nie zagwarantują stuprocentowego odwzorowania rzeczywistości. Rozsądniejszym wydaje się zatem zakup aparatury pomiarowej, dzięki której wykona się badania we własnym zakresie, zbliżone do tych wykonywanych w laboratoriach akredytowanych. Jednak tutaj również napotykamy na problem, mianowicie na warunki pomiarowe. Laboratoria akredytowane posiadają komory bezechowe, które są bardzo drogie, a w warunkach domowych, czy małej firmy, stworzenie takiej komory jest praktycznie niemożliwe. Zatem jak sprawdzić KEM bez narażania się na olbrzymie koszty? Pomocne stają się w tym normy i dyrektywy.

Problem kompatybilności elektromagnetycznej jest problemem złożonym, wielowątkowym, wymagającym znacznej wiedzy, umiejętności i doświadczenia. Jednakże w obecnym świecie nie można mówić o nowoczesnych urządzeniach bez poruszenia tego tematu. Pole elektromagnetyczne otacza nas z każdej strony. Jest generowane naturalnie bądź sztucznie, celowo lub niezamierzenie. Wpływa na parametry podzespołów, pracę urządzeń, a nawet tajność danych. Dlatego jest to tak ważny temat.

W kolejnych częściach, pochylimy się nad regulacjami prawnymi, normami, dyrektywami, warunkami badań oraz omówimy badania pre-compliance, a także przedstawimy gotowe rozwiązania pomiarowe EMC.

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

• Analizatora widma GW InstekGSP-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

¹Jarosław Szóstka: Fale i anteny. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2001, s. 419. ISBN 83-206-1414-7.