Jak na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) – část 2

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) je složitý obor s nejrůznějšími normami, které musí být splněny pro daný tržní sektor. Jak již bylo uvedeno v první části, otázky EMC je třeba vzít v úvahu již od prvního dne projektu a musí být pravidelně diskutovány v průběhu celého vývojového cyklu. Co vlastně jste ale schopni zvládnout bez plně vybavené laboratoře pro měření EMC?

Zkoumání magnetických polí v obvodech pomocí levných sond

Magnetická pole neboli „pole-H“ lze zkoumat pomocí sondy EMC vytvořené z polotuhého koaxiálního kabelu připojeného k běžnému levnému vf zesilovači. Polotuhý koaxiální kabel vytvarujeme do smyčky o průměru 2 až 3 cm, centrální vodič a stínění spájíme k sobě nakrátko. Poté se malý kousek stínění uprostřed smyčky odstraní. Sondu připojenou k vf zesilovači lze použít v součinnosti se spektrálním analyzátorem nastaveným na skenování přibližně od 30 MHz. Horní hranicí pro zkoušky obvykle bývá 1 GHz, ale budete muset pracovat v pásmu omezeném vaším zařízením.

Jestliže není po ruce spektrální analyzátor, poslouží pro kmitočtovou analýzu osciloskop s funkcí FFT (Rychlá Fourierova transformace). Tento druh měření není o kvantitativních výsledcích – je to spíše o prozkoumání špiček ve vyzařování a o tom, kde se tyto špičky ve spektru objevují. Špičky lze typicky vysledovat k harmonickým signálům na desce, takovým jako datové komunikace (tj. SPI, I2C), signály z krystalových oscilátorů pro mikrokontroléry a spínací signály z napájecích obvodů.

Obr. 1  Jednoduchou, ale funkční sondu „pole-H“ lze vytvořit z polotuhého koaxiálního kabelu

Zkoumání elektrických polí v obvodech pomocí levných sond

S podobným přístupem lze ve vašich obvodech zkoumat pole elektrická neboli „pole-E“. Opět lze využít kousek polotuhého koaxiálního kabelu. Některé kabely již bývají na konci opatřeny konektorem, což značně zjednodušuje výrobu i použití. Stínění a dielektrikum se následně v krátkém úseku odstraní, přičemž zůstane obnažena malá délka centrálního vodiče.

Sonda je ve své podstatě čtvrtvlnný dipól a lze ji použít k obvodové analýze blízkého pole. Drží se kolmo ke spojovým liniím nebo kabelům a je tak možné zkoumat možné problémy a řešit je. Stejně jako u sondy „pole-H“ poskytuje tato metoda kvalitativní údaje, a tak je třeba umístit sondu pokaždé do téhož místa pro získání výsledků, z nichž lze srovnáním zjistit vliv provedených změn.        

Obr. 2  Také „pole-E“ lze zkoumat pomocí jednoduchého nástroje vyrobeného svépomocí

Imunita proti ESD a rušení po kabelech

Potřebné vybavení na zjišťování vyzařovaného rušení může být docela nákladné, ale takové pro použití pro předběžné zkoušky ze zbývajících zkoušek EMC je mnohem levnější. Pro rušení po kabelech je možné pořídit použité zařízení LISN (Line Impedance Stabilization Network) za dostupnou cenu. V součinnosti se spektrálním analyzátorem nebo osciloskopem s FFT lze jakýkoli potenciální problém rychle odhalit „pro klid v duši“ před předložením výrobku zkušebně.

Rovněž generátor ESD je možné sestavit snadno, protože zapojení je obsaženo v normě IEC 61000-4-12:2008, ale vyžaduje zdroj vysokého proměnného napětí – tedy něco, co většina lidí nemá běžně po ruce. Jiným kritickým aspektem nástroje ESD je tvar a velikost vybíjecího hrotu. Naštěstí tatáž norma poskytuje pokyny i k tomu. Pokud se vyskytnou problémy, aplikace pulzů ESD je sledovatelná pomocí výše popsané sondy pole-H. Jakmile je určena dominantní cesta proudu ESD, pak lze realizovat změny ke zmírnění problému.   

Obr. 3  Obvod generátoru ESD je obsažen v normě IEC 61000-4-2

Zkoušky na shodu EMC v laboratoři

Jak již bylo zdůrazněno v části 1, přibližně polovina všech výrobků neprojde napoprvé laboratorní zkouškou na kompatibilitu EMC. Pokud jste s vaším týmem poprvé u zkoušek na EMC nebo pokud pracujete s novou technikou, takovou jako je měnič ve spínaném módu, vyplatí se přihlásit se na zkoušku v laboratoři co nejdříve. Odborníci laboratoře budou umět poradit a mohou vám nabídnout podporu v průběhu konstrukčních úprav. Ušetří vám to cenný čas během zkoušek a značně sníží výdaje spojené s předělávkami DPS.

Když nadejde den zkoušky, je toho dost, co je třeba připravit. Zatímco funkčnost aplikace může být dobře definovaná a jasná, zkušebna bude chtít zařízení vystavit zkoušce v režimu s plným zatížením. K tomu může být třeba použít verzi firmwaru určenou pro zkušební účely. Zajistěte, aby všechna rozhraní, regulátory i bezdrátové funkce byly současně v provozním stavu tak, aby bylo možné dosáhnout varianty nejhoršího scénáře. Také zajistěte, aby byly jak použití výrobku, tak aktualizace firmwaru jasně zdokumentovány. Ideálně zachovejte uspořádání pro zkušební účely co nejjednodušší.      

Obr. 4  Zkoušky na rušení vyzařováním vyžadují širokopásmovou anténu odpovídajícího kmitočtového rozsahu

Nesmí se zapomenout na to, že se vaše zařízení musí zkoušet se všemi pomocnými prvky, kterých je třeba pro jeho plnou funkci. Sem patří napájecí zdroje, vnější paměťové jednotky nebo paměťové karty, kabely a rozšiřující desky. Váš tým si musí být samozřejmě jistý, že tato periferní zařízení jednotlivě plně splňují EMC. Pro jistotu je vhodné zajistit dvě až tři náhradní zařízení, zejména napájecí zdroje, protože může dojít k jejich poškození při zkouškách na přepětí. Prvky jako akční členy mohou být v případě potřeby nahrazeny náhradními zátěžemi.  

Splnění většiny požadavků EMC vyžaduje dodržování dobrých návrhových praktik a respektování fyzikálních zákonů. Většina problémů vyžaduje jednoduchou nápravu, ale čím blíže je váš tým dokončení projektu, tím nákladnější tyto nápravy jsou. Pokud je k dispozici již použité zařízení, lze laboratoř pro předcertifikační měření pořídit relativně levně, ale pořizovací náklady je třeba vyvážit mírou jejího využití. Získání pomoci, ať už ze zkušebny, nebo od externího konzultanta, je samozřejmě skvělou myšlenkou. Nabyté zkušenosti lze využít v budoucích projektech, protože kvalifikovanost v oblasti EMC je budována v rámci podniku.

POZNÁMKA: Článek byl přeložen společností AMTEK, spol. s. r. o., která je distributorem výrobků Traco Power v České republice a na Slovensku.