Zkoušky na elektromagnetickou kompatibilitu a ochrana proti elektromagnetickým jevům – druhá část

Elektromagnetické jevy jsou pro mnoho techniků tak trochu černou magií, zejména pro ty začínající. Jinak dokonale funkční systém se z ničeho nic začne u jednoho konkrétního zákazníka chovat podivně nebo určitá várka vykazuje závady poté, co již tisíce kusů byly nainstalovány. V okamžiku, kdy vyloučíme všechny tradiční příčiny poruch, je čas ponořit se do temného světa elektromagnetické citlivosti / imunity (EMS) a elektromagnetického rušení (EMI). Zvláštní je, že jakmile je příčina EMS nebo EMI zjištěna, zdá se být samozřejmé, proč k danému problému došlo.

V první části tohoto článku jsme pojednali o dvou aspektech EMS: elektrostatickém výboji ESD a elektromagnetickém vyzařovaní polí. V této části se ponoříme hlouběji do norem EMS a zkoušek, přičemž pojednáme o tom, jak se tyto jevy projevují a jakým způsobem je lze minimalizovat.  

Elektromagnetická citlivost / imunita (EMS)

Rychlé přechodné jevy − rázový impulz (Burst)

V elektronice máme zřídka možnost zapínat a vypínat výkonově významnější zátěže. To je důvodem jistého vzrušení, které pocítíme při otevření rozváděče s velkými a objemnými spínači. V okamžiku, kdy slyšíme ujišťující cvaknutí takového spínače, vnímáme náraz energie směřující do zátěže. Pokud se jedná o induktivní zátěž, jakou je motor, stykač nebo relé, může dojít k injekci impulzního rušení o napětí několika kV s časem náběhu 5 až 15 nanosekund do síťového napájecího přívodu. Tento jev je známý pod názvem rychlý přechodný děj (EFT – Electrical Fast Transient), rázový impulz nebo jednoduše jako „Burst“. Velice krátký čas náběhu způsobí širokopásmové rušení až do vysokých kmitočtů.

Obr. 1 Odpojení induktivní zátěže, jako je motor, může způsobit injekci silného impulzního rušení s rychlými přechodnými jevy do dalších zařízení.

Pokud je aplikace natolik nešťastně řešená, že sdílí tutéž kabeláž, může docházet k celé řadě vedlejších přechodných jevů. V důsledku vazebních účinků může vzniklý šum proniknout prostřednictvím střídavých i stejnosměrných napájecích stupňů do vašeho systému elektroniky. Zde může šum způsobit neočekávaný systémový reset eventuálně způsobený krátkodobým poklesem napájecího napětí, přerušit datovou komunikaci nebo analogové signály, případně narušit obsah paměti. Aplikace může skončit zablokováním vyžadujícím manuální reset nebo restart zařízení. V nejhorším případě může dojít k fyzickému poškození vyžadujícímu opravu.  

Obr. 2 Zkoušky se provádějí injekcí impulzního rušení o vysokém napětí použitím generátoru rychlých přechodných dějů (EFT Generátoru)

Rychlé přechodné děje popisuje norma IEC 61000-4-4, která uvádí zkušební metody a příslušné úrovně. Jakmile jsou identifikovány jako příčina poruchy, nabízí se celá řada možností k jejich minimalizaci nebo vyřešení následků. Mezi četné tradičně nejlepší praktiky patří prověření trasy vedení kabeláže, zachování krátkých vodičových spojů a zkroucení napájecích přívodů nebo kabelů vedoucích signál + zem. Dodržení návrhových zásad DPS a umístění blokovacích kondenzátorů představují další možnosti, stejně jako použití filtrů v přívodu síťového napájení u konektorů nebo na DPS. Podobně jako u ostatních úloh EMS provedení takových fyzických změn znamená nákladné předělávky, a tudíž se vyplatí zkoušky provádět v rané fázi nebo počítat při návrhu s dodatečnými kondenzátory a ferity.

Rázové napětí (Surge)

Elektrická rázová napětí mají svůj původ ve dvou hlavních příčinách. První je elektrická napájecí síť jako následek spínání nebo poruch zařízení k ní připojených. Druhou jsou údery blesků. „Standardizované rázové napětí“ je charakterizováno dle popisu v EN 61000-4-5 jako jednotlivý impulz s vrcholovým napětím v rozmezí 250 V až 4 kV, špičkovým proudem až 2000 A, v délce trvání až 50 µs. Zkušební obvod pro generátor napětí a přístup k ochraně proti rázovému napětí se velmi podobá zkušebnímu zařízení pro ESD.   

Obr. 3 Zkoušky dle EN 61000-4-5 se provádějí napěťovým impulzem v rozmezí 250 V až 4 kV

Jedním možným přístupem k ochraně je dioda TVS (Transient Voltage Suppresion Diode), ale existují i další. Varistory (MOV – Metal Oxide Varistor) jsou pohlcovače rázového napětí vyznačující se vysokou impedancí až do chvíle, kdy je přiloženo vysoké napětí. V tom okamžiku se impedance sníží a prvek svede rázový proud. Tyto součástky se však používáním časem zhoršují a mohou selhat. Také LC obvod může poskytovat požadovanou ochranu, v některých případech může být řešením kombinace těchto metod.

Indukované vysokofrekvenční pole šířené vedením

Jak již bylo zmíněno v první části článku „Zkoušky na EMC a ochrana proti elektromagnetickým jevům“, vyzařované vf pole může narušit funkčnost vaší aplikace. Vf rušení šířené vedením může být stejně problematické a má za následek podobné potíže, takové jako ovlivnění kvality analogových měření a zvýšení šumu. Pokud používáte jakékoliv kabely, od napájecích po komunikační, je to norma EN 61000-4-6, která je vodítkem při zkouškách.

Jedna metoda využívá speciální vazební sítě (CDN – Coupling Decoupling Network) k přímé injekci vf signálu do kabelu. Jedná se o upřednostňovanou zkušební metodu pro svoji opakovatelnost. CDN existují s konektory vhodnými pro zkoušky jak stíněných, tak nestíněných kabelů, od síťových napájecích po kabely USB a HDMI. Měřicí uspořádání využívá generátoru vf signálu s integrovaným wattmetrem, kalibrovaným se 150ohmovou impedancí dříve, než se připojí ke zkoušenému zařízení.         

Obr. 4 Vliv vf pole šířeného vedením se obvykle zkouší s vazební sítí CDN. Vaše zařízení musí po dobu zkoušky pracovat správně

Používají se kmitočty od 150 kHz do 80 MHz, přičemž pro některé aplikace může být toto pásmo rozšířeno až do 230 MHz. Signál je amplitudově modulovaný (AM) signálem o kmitočtu 1 kHz s hloubkou modulace 80 % v rozsahu 1 až 10 V_stř. Případně lze použít metod nesoucích anglická označení „EM“ (Elektromagnetic Clamp) nebo „BCI“ (Bulk Current Injection), ale tyto metody vyžadují výrazně vyšší vf výkon pro získání stejných efektivních hodnot napětí v kabelu. Při zkoušce se za provozu aplikace injikuje rušicí signál. Pokud vaše zařízení pracuje správně, zkouška je považována za úspěšnou.

Magnetické pole o síťovém kmitočtu

Není to pouze rušení vf signály, které musíme vzít v úvahu, ale je třeba posoudit také vliv magnetických polí. Obecně řečeno, zkoušky na EN 61000-4-8 jsou omezeny na magneticky citlivá zařízení. To zahrnuje, ale není omezeno pouze na zařízení využívající Hallových snímačů nebo citlivých lékařských zařízení. Například pole 50 Hz 3,2 A/m (4 µT) by generovalo elektrický signál přibližně 1 µV uvnitř smyčky o ploše 80 cm². Pro informaci, toto je síla pole na dolním konci rozsahu produkovaného mikrovlnnou troubou, měřená ve vzdálenosti 30 cm.

Zkouška typicky probíhá za použití antény, která je dost velká na to, aby zkoušené zařízení (EUT) mohlo být umístěno uvnitř, přičemž je napájená ze sítě 50/60 Hz. V některých případech může být signál rozmítán a modulován. Řešení problémů s magnetickým polem bývá bohužel náročnou a nákladnou úlohou. Mnohé problémy vyžadují provést změny na DPS, ačkoli určitou možností je výměna součástek za jiné, s nižší citlivostí na magnetická pole. Stínění je také možné, ale jeho vliv je omezený. Například ocel tloušťky 3 mm sníží sílu pole o kmitočtu 50 Hz o 20 dB, ale tloušťka hliníkového stínění s týmž účinkem by musela být výrazně větší.

Obr. 5 Pokud není po ruce profesionální vybavení, potřebné uspořádání pro vytvoření vhodného magnetického pole je relativně jednoduché

Poklesy a přerušení napájení

Nejsou to jen krátkodobé špičky, které mohou způsobit problémy vaší aplikaci. Pokud napájíte vaše zařízení z veřejné napájecí sítě nebo třífázového zdroje 50/60 Hz, budete se muset také vypořádat s poklesy napětí, přerušeními i možnými změnami napětí. Poklesy jsou definovány jako procentuální snížení jmenovitého napětí ze zdroje po dobu stanoveného počtu cyklů, situace typicky způsobená zapnutím dalšího zařízení. Přerušení představují časové úseky, kdy napájecí napětí zcela vypadne na polovinu cyklu nebo na déle. Zkušební postup popisuje norma EN 61000-4-11a, stávající nabídka zkušebních systémů na trhu zajišťuje plně automatizovaný postup.   

Obr. 6 Poklesy (vlevo) jsou snížením napájecího napětí po dobu určitého počtu cyklů, zatímco přerušení (vpravo) představují časové úseky zcela bez napájení

Konstruktéři AC/DC měničů musí s těmito jevy pro zajištění stabilního výstupu počítat. Pokud vaše zařízení využívá shodného AC/DC zdroje, neměly by nastat žádné problémy. Pokud však nastanou potíže se zablokováním způsobujícím ztrátu nastavení paměti nebo i neočekávané systémové resety, je na vás problém řešit. Pokud dojde k selhání při této zkoušce, znamená to, že zařízení nevyhovělo.

Nejlepší je včas naplánovat řešení otázek EMS

Zatímco váš tým tráví čas určováním správné velikosti ikon na displeji a optimálního zvuku pro akustickou odezvu, celá řada provozních podmínek představuje riziko, že v okamžiku uvedení zařízení do provozu vyjde všechno předchozí úsilí naprázdno. Čas vynaložený na porozumění těmto normám, vlivům jednotlivých jevů a toho, jak se tyto zkoušky provádějí, je proto časem dobře investovaným. Řešení reklamací výrobků začne totiž rychle ujídat ze zisku a také z pracovního času týmu při snaze o zopakování poruchy a určení pravděpodobné příčiny. Rozhodně se vyplatí obrátit se na odborníky v oblasti EMC co nejdříve, jestliže jsou vaše vlastní zkušenosti v těchto otázkách omezené.

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