Laboratórium elektromagnetickej kompatibility FEI STU v Bratislave

Krátky exkurz do problematiky EMC

V modernej automatizačnej, meracej, telekomunikačnej, ale i v bežne používanej spotrebnej technike jasne prevažuje trend narastajúcej integrácie polovodičovej techniky a s tým súvisiaci prechod na nižšie úrovne napájacích či signálnych napätí. Súčasne s narastajúcim počtom technických prostriedkov, ich koncentráciou v priestore a digitalizáciou obvodov vzniká prostredie s nezanedbateľnou úrovňou širokospektrálneho vysokofrekvenčného rušenia – elektromagnetického smogu. Jednotlivé zariadenia a ich externá kabeláž, sprostredkúvajúca napájanie i prenos analógových a číslicových signálov, sú v neustálom kontakte s týmto prostredím. Táto skutočnosť v reálnych technických podmienkach môže viesť k neočakávanému správaniu elektrických systémov.

Obr. 1 Semianechoická tienená kabína

Pod pojmom elektromagnetická kompatibilita (EMC) rozumieme schopnosť elektrických systémov fungovať v spoločnom elektromagnetickom prostredí bez vzájomného nežiaduceho ovplyvňovania sa ich normálnych funkcií. Elektromagneticky kompatibilným je taký systém, ktorý:

• nevytvára rušivé elektromagnetické vplyvy neprimeranej intenzity,
• má primeranú odolnosť voči takým vplyvom, ktoré sa bežne vyskytujú v reálnych technických podmienkach.

Prvoradým cieľom EMC je zabezpečenie funkčnej spoľahlivosti pri prevádzke elektrických systémov. Jej nedodržiavanie vo väčšom rozsahu môže mať za následok veľké hospodárske škody, dokonca aj ohrozenie bezpečnosti obsluhujúceho personálu. Preto je EMC elektrických systémov po elektrickej bezpečnosti druhým najvážnejším faktorom. Požiadavky na EMC sú v rámci EÚ právne zakotvené Smernicou o EMC 2004/108/EC z roku 2004 (nahradila smernicu č. 89/336/EC) a v legislatíve každej členskej krajiny EÚ sú prijaté zákony, ktoré predpisujú požiadavky na EMC.

Štandardizačný proces v EMC za posledných 20 rokov postupoval mimoriadne dynamicky. Pre rôzne kategórie elektrických zariadení a technických prostredí existuje množstvo platných technických noriem. Ich úlohou je zosúladenie meracích metód na vyhodnotenie akceptovateľnosti elektrických zariadení z hľadiska EMC.

Aplikácia smerníc a príslušných technických noriem vyžadovala modifikáciu tradičného postupu vývoja, návrhu, projektovania, výroby a prevádzkovania elektrických systémov. Relatívne náklady so zabezpečením EMC v postupujúcich etapách životného cyklu technických zariadení narastajú, z čoho vyplýva ekonomická nevyhnutnosť venovať požiadavkám EMC pozornosť už od samého začiatku vývoja a návrhu technického zariadenia. Požadované systémové zmeny boli podmienené prestavbou myslenia elektrotechnickej komunity a vyžadovali dlhé časové obdobie na ich uskutočnenie. Boli spojené s presunom výskumných kapacít do oblasti EMC, zavedením tejto problematiky do pedagogického procesu na vysokých školách a v neposlednom rade bol potrebný vznik špecializovaných skúšobných laboratórií, ktorých úlohou je okrem výkonu certifikačných a predcertifikačných meraní EMC napomáhať pri návrhu a projektovaní nových zariadení.

Z histórie laboratória EMC

Laboratórium EMC vzniklo v roku 1992 na vtedajšej Elektrotechnickej fakulte Slovenskej vysokej školy technickej (dnes Fakulta elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity – FEI STU) ako spoločné fakultné pracovisko pod patronátom Katedry merania. Cieľom laboratória bolo rozvíjať poznanie v predmetnej oblasti, zaviesť vyučovanie predmetu Elektromagnetická kompatibilita na fakulte, zabezpečovať celoživotné vzdelávanie elektrotechnických inžinierov a vytvoriť podporu priemyselným organizáciám v oblasti EMC.

Jedným z bezprostredných podnetov bolo zapojenie sa do projektu EU TEMPUS JEP 1565, ktorý umožnil financovanie prvých technologických zariadení laboratória. Tie boli postupne doplnené aj z prostriedkov ďalších projektov do tej miery, že vytvorili základňu pre meranie elektromagnetických emisií a základných technických prostriedkov pre skúšky elektromagnetickej odolnosti. Najnákladnejšou investíciou bolo vybudovanie tienenej kabíny, nevyhnutnej pre vysokofrekvenčné merania. Po samotnej realizácii tienenej kabíny v roku 1994 bola kabína doplnená o feritové absorbéry (r. 1997). Tieto absorbéry boli navrhnuté na zabezpečenie bezodrazovosti vo vnútri tienenej kabíny, vo frekvenčnom rozsahu 30 MHz až 1 GHz. Ich princípom je v spolupráci s kovovým korpusom kabíny zabezpečiť na rozhraní voľné prostredie – absorbér charakteristickú impedanciu rovnú alebo veľmi blízku charakteristickej impedancii voľného prostredia, aby nenastali žiadne odrazy od stien kabíny. Vybudovanie infraštruktúry Laboratória EMC stálo nemálo úsilia a finančných prostriedkov.

Prakticky od vzniku laboratória až po-dnes sa pre technickú verejnosť uskutočňujú odborné kurzy „EMC pre konštruktérov elektronických zariadení“. Do študijných programov viacerých odborov bol zavedený jednosemestrálny predmet Elektromagnetická kompatibilita ako povinne voliteľný predmet v inžinierskom štúdiu.

Z vedecko-výskumných aktivít možno spomenúť viacero výskumných projektov orientovaných na problematiku EMC elektrotechnických zariadení i EMC roz-siahlych systémov, numerické simulovanie javov EMC, metrologické zabezpečenie meraní a testov EMC, alternatívne metódy hodnotenia EMC elektrických systémov...

Overovanie EMC vlastností elektrotechnických zariadení je náročné ekonomicky i na erudíciu technického personálu. Bolo by neefektívne, keby si ho jednotlivé konštrukčné pracoviská z prie-myselnej praxe zabezpečovali samé. Z toho dôvodu boli medzi aktivity laboratória zaradené konzultačné a poradenské aktivity, spočiatku neakreditované a od r. 1999 akreditované skúšky EMC.

Súčasnosť

Dnes je z Laboratória EMC špičkové laboratórium, ktoré so svojím vybavením a vedeckou kapacitou súčasných pracovníkov patrí medzi High-tech laboratóriá Slovenskej technickej univerzity.

So zvyšujúcou sa pracovnou frekvenciou elektronických zariadení sa postupom času revidovali aj normy pre vykonávanie EMC skúšok. Napríklad norma EN 55022, známa tiež ako CISPR 22, vzťahujúca sa na zariadenia informačnej techniky, zaviedla meranie vyžarovaného rušenia až do 6 GHz.

Obr. 2 Prístrojové vybavenie

Preto bola tienená kabína doplnená dodatočnými hybridnými pyramídovými absorbérmi (r. 2010). Po ich nainštalovaní na pôvodné feritové absorbéry sa rozšírila bezodrazovosť tienenej kabíny až do frekvencie 18 GHz. Rozmiestnenie absorbérov v kabíne je navrhnuté tak, aby sme v celom frekvenčnom rozsahu dostali vhodný merací priestor na meranie vyžarovaných emisií podľa civilných aj vojenských noriem a tiež na testovanie odolnosti voči vyžarovanému vysokofrekvenčnému elektromagnetickému poľu podľa normy EN 61000-4-3.

Financovanie tohto projektu bolo zabezpečené vďaka prostriedkom zo štátneho programu výskumu a vývoja s názvom „Podpora infraštruktúry vedy a výskumu z hľadiska požiadaviek elektromagnetickej kompatibility“ tematického štátneho programu „Komplexné riešenie podpory a efektívneho využívania infraštruktúry výskumu a vývoja“, číslo 2003SP200280202. Vďaka tomuto štátnemu programu Laboratórium EMC efektívne doplnilo svoje prístrojové vybavenie pre meranie EMC, resp. počítačovú simuláciu javov EMC.

V súčasnosti podpora vývoja v oblasti EMC poskytovaná laboratóriom zahŕňa:

1. Konzultačno – poradenské služby

• Konzultácie pri riešení EMC problémov
• Školenie v oblasti EMC
• Predikcia EMC problémov numerickými simulátormi
• Expertízne služby v oblasti EMC

2. Akreditované EMC merania (akreditácia SNAS a ILAC-MRA)

• Meranie vf a nf emisií rušenia (EN 61000-6-3, 4...)
• Testovanie odolnosti voči spojitým a impulzným rušeniam (EN 61000- 6-1, 2...)
• Testovanie odolnosti voči poruchám napájania

3. Predbežné merania EMC vlastností zariadení

• Meranie EMC počas vývoja
• Meranie EMC rozsiahlych systémov v mieste prevádzky
• Možnosť konštrukčných úprav priamo počas testovania
• Realizácia neštandardných metód testovania EMC

4. Neštandardné merania

• Meranie tieniacich účinností miestností a útlmu filtrov
• Meranie frekvenčných spektier EM polí
• Registrácia porúch sieťového napätia
• Analýza a meranie vf obvodov.

Bližšie informácie:

www.emc.sk