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

V našem dosavadním přehledu elektromagnetických jevů jsme se zaměřili na elektromagnetickou citlivost/imunitu (EMS). Jedná se o děje vně našich elektrických zařízení, které mohou způsobit jejich špatnou funkci a v nejhorším případě i poruchu. V první části jsme se věnovali elektrostatickému výboji (ESD) a vyzařovaným elektromagnetickým polím. Ve druhé části jsme se ponořili do problematiky rychlých přechodových jevů, vf polí šířených vedením, poklesů a přerušení napájení, zkoumali jsme normy definující přijatelné hranice těchto jevů, poskytli příklady realizace zkoušek a nabídli přístupy k ochraně citlivých obvodů.

V závěrečné části na dané téma zhodnotíme některé z hlavních jevů elektromagnetického rušení, nežádoucí vf signály šířené vedením a rušení, které může produkovat vaše vyvíjené zařízení. Tak jako dříve opět upozorníme na patřičné normy, zkušební meze a uvedeme, jak můžete zvládnout provádění některých zkoušek ve vaší laboratoři.

Vyzařování šířené vedením

Většina z nás má pojem o rádiovém rušení. Rušení se ale může šířit z vašeho do dalších zařízení po síťových napájecích kabelech. Takové rušení spadá do kategorie rušení šířeného vedením.

Tento druh rušení může být v souhlasném nebo diferenciálním módu. Vyzařování v souhlasném módu se šíří po vedení (to znamená po živém a nulovém vodiči současně nebo po signálovém vedení). Rušení v módu diferenciálním se šíří tam i zpět po dvojici vodičů (tj. fázovém a nulovém, páru vodičů sériového rozhraní). Tato informace má zásadní důležitost pro řešení nedostatků v oblasti zkoušek na rušení šířené vedením.

Zkušební zařízení a postupy k zajištění systematického přístupu pro dosažení reprodukovatelných výsledků měření definuje norma CISPR 16-2-1. Zkoušky typicky probíhají v pásmu 150 kHz až 30 MHz s šířkou pásma rozlišení 9 nebo 10 kHz. Rozhodovací meze „vyhověl/nevyhověl“ jsou ale definovány jinde. Například norma EN 55032 pokrývá multimediální zařízení s přísnějšími mezemi „Class B“ pro výrobky určené do obytných prostor a „Class A“ pro všechny ostatní.

Obr. 1  Příklad zkušebních mezí rušení šířeného vedením ukazuje náročnější kritéria pro výrobky určené do obytných prostor (Class B)

Zkoušky vyžadují, aby spektrální analyzátor sledoval zkoušené zařízení napájené z určeného zdroje přes speciální síť pro impedanční stabilizaci vedení (LISN – Line Impedance Stabilization Network). LISN zajišťuje pevnou hodnotu impedance 50 Ω v průběhu měření a odstraňuje její odchylky způsobené použitým napájecím zdrojem. Různé sítě LISN se liší nabídkou funkcí. Ne všechny mají např. zabudovanou ochranu proti rázovému napětí (surge), takže může být nezbytné před zapnutím a vypnutím zkoušeného zařízení spektrální analyzátor odpojit.

Obr. 2  Typické uspořádání při měření vyzařování šířeného vedením s použitím sítě LISN

Zkoušky na vyzařování šířené vedením mohou skončit neúspěchem, přestože napájecí zdroj z obchodu osvědčení má. Zdroje jsou obvykle zkoušeny s pevnou stejnosměrnou zátěží. Zatěžování vaším zkoušeným zařízením však pravděpodobně nebude ploché a stabilní, což může způsobit potíže. A tak mít k dispozici v den zkoušek jeden nebo dva náhradní zdroje může být užitečné.

Některé problémy lze vyřešit úpravou filtru zdroje. Kondenzátory „X“ zapojené mezi vodiči odvedou proudy v diferenciálním módu, kondenzátory „Y“ od vodičů k zemi zvládnou proudy v módu souhlasném. Součástky jsou doplněny souhlasnou tlumivkou blokující signály o vyšších kmitočtech.

Obr. 3  Filtr zdroje potlačuje vyzařování šířené vedením v souhlasném a diferenciálním módu, ale nemusí vyřešit všechny projevy tohoto druhu rušení

Další otázky jsou však řešitelné jedině prostřednictvím fyzických úprav. Např. krystalové oscilátory použité s mikrokontroléry nebo hradlovými poli mohou způsobovat rušení na svých kmitočtech v důsledku špatného zemnění. Takový problém bývá řešitelný jedině úpravou DPS. Potíže způsobené jednodušším stíněním nebo méně kvalitními konektory si může vyžádat jejich nahrazení kvalitnějšími variantami. 

Vyzařovaná rušení

Některé druhy rušení jsou samozřejmě vyzařovány ve formě vf energie a zde do hry vstupuje CISPR 16-2-3. Norma definuje zkušební metody a skladbu potřebných přístrojů, přičemž pokrývá kmitočtové pásmo 9 kHz až 18 GHz. Bohužel stožáry mobilních a Wi-Fi sítí, stejně jako rozhlasové, televizní a telekomunikační signály činí zkoušky na vyzařované rušení ve vaší vlastní laboratoři opravdu velmi náročnými. V důsledku toho se pravděpodobně zaměříte na kvalitativní zkoušky EMC za použití sondy pole-H.

Zkušební laboratoře nabízejí otevřené zkušební pracoviště (OATS – Open Area Test Site) a polo-bezodrazovou komoru (SAC – Semi-Anechoic Chamber). OATS je otevřené pracoviště vybrané na základě minimálního místního rušení. Je připraveno s uzemněným povrchem v prostoru mezi zkoušeným zařízením (EUT – Equipment Under Test), vf anténou a zkušebními přístroji. Vzdálenost mezi EUT a anténou bývá typicky 3 m, 10 m nebo 30 m. Čas pro zkoušky je samozřejmě omezen na dny příznivého počasí, ačkoli některá pracoviště OATS jsou vybavena povětrnostní ochranou s přístřeším z materiálu propouštějícím vf pole. EUT se umístí na izolovaném otočném stole umožňujícím určit vyzařované rušení z každého úhlu.

Obr. 4  Typické uspořádání otevřeného zkušebního pracoviště OATS se zobrazením prostorových nároků

Polobezodrazová komora SAC je odstíněná kovová místnost oddělující zkoušky od okolního vf rušení. Vf pohlcovače kuželového tvaru udržují úroveň odražené energie na minimální úrovni. Na rozdíl od OATS zkušební laboratoř vybavenou SAC lze použít kdykoli. Z hlediska provozovatele jsou ale pořizovací náklady na konstrukci komory SAC mnohem vyšší.

Zkoušky jsou rozsáhlé a očekává se, že budete přepínat zkoušené zařízení do všech režimů činnosti. U aplikací s procesorem to může vyžadovat speciálně vytvořený software/firmware za účelem zautomatizování tohoto postupu. Zařízení se také musí zkoušet včetně jakéhokoli pomocného vybavení, jako je FLASH disk nebo sériové rozhraní, které může být používáno při běžném provozu. Vyplatí se mít při zkouškách několik takových pomocných periferních zařízení a kabelů k dispozici pro případ, že se některé z nich stane příčinou neúspěchu při zkoušce.

V závislosti na kmitočtovém rozsahu zkoušek je možné použít různé antény. Rovněž může být nezbytné použití vf zesilovače před připojením signálu k vhodnému spektrálnímu analyzátoru. Spektrální analyzátor by měl podporovat zařazení pásmové propusti se strmostí potlačení 6 dB na oktávu a provádět kvazišpičková měření. Zkušební meze jsou závislé na kategorii zkoušeného zařízení. Například zkoušky na třídu „Class B“ dle CISPR 11 skupiny 1 zahrnují taková zařízení jako laboratorní přístroje, spínané napájecí zdroje a obráběcí stroje.

Obr. 5  Různé antény používané pro zkoušky na vyzařované rušení. Zleva doprava, smyčková (10 kHz – 30 MHz), bikónická (30 MHz – 300 MHz), logaritmicko-periodická (300 MHz – 1 GHz) a trychtýřová anténa (> 1GHz)

Mnohé problémy zpětně souvisejí s problematikou návrhu DPS, vedení kabeláže a zemnění. V některých případech lze problémy řešit v průběhu zkoušek za pomoci feritů, tlumivek nebo i stínění. Neúspěchy při zkouškách zapříčené spínacími obvody mohou být vyřešeny hodinovými signály s modulací s rozloženým spektrem, pokud jsou k dispozici.

Harmonické proudy v napájecí síti

Ideálně by proud, který vaše zařízení odebírá, měl být ve fázi s napětím napájecí sítě. Nelineární zátěže však odebírají proud ze sítě přerušovaně, takové jako klasické usměrňovače s kondenzátorem používané v napájecích zdrojích. Průběh proudu již nevypadá jako sinusoida a na spektrálním analyzátoru uvidíme, že je bohatý na obsah harmonických. Musíme předpokládat, že naše zařízení produkuje harmonické proudy v síti, a proto musíme ověřit, zda splňujeme normu EN 61000-3-2.

Obr. 6  Nesinusový průběh proudu ze sítě tekoucího do obvodů síťového usměrňovače (vlevo) a jeho spektrum

Působnost této normy je omezena na zařízení odebírající méně než 16 A, a i když existují výjimky, pokrývá většinu aplikací. Provoz jediného zařízení bývá typicky bez problémů. Spíše je to současný chod více počítačů, monitorů a osvětlovacích těles (tak jako v kanceláři nebo v nemocnici), který způsobuje provozní problémy nebo se projevuje nespolehlivostí následkem vzniklých kombinací harmonických proudů. V těchto situacích taktéž dochází k rušení u audiozařízení.

Zkoušky poskytnou výsledky pro všechny nebo některé harmonické až do čtyřicátého řádu a v závislosti na tom, do které třídy vaše zařízení spadá, také výsledek „prošlo/neprošlo“. Počítače, monitory a televizory spadají do třídy D, zatímco přenosné přístroje do třídy B. Požadované zkušební zařízení sestává ze zdroje střídavého napájení s nízkým zkreslením, analyzátoru harmonických a převodníku proudu − uspořádání, které obvykle také podporuje zkoušky na blikání (flicker).    

Blikání (Flicker)

Nevyhnutelně jste museli zažít chvíli, kdy světla u vás doma nebo v kanceláři na chvíli blikla nebo se ztlumila. Toto bývá často způsobeno poklesy napájení, které mají původ v napájecí síti. Nicméně mohlo by to být ale způsobeno také místním zapnutím spotřebiče velkého výkonu, jako je vysavač, trouba nebo rychlovarná konvice. V nejhorším případě by spotřebič mohl způsobit trvající změny v intenzitě osvětlení vedoucí k bolestem hlavy, nebo dokonce i k epileptickému záchvatu. Zkoušky definované normou EN 61000-3-3 se týkají starších elektrických instalací, u nichž degradující elektrické žárovky způsobovaly blikání osvětlení zapojeného v témže elektrickém okruhu.

Norma definuje meze výkyvů napětí, které dané elektrické zařízení smí generovat, a je zaměřena především na domácí spotřebiče, které pracují s napájením v okolí 220 V_stř s odběrem nižším než 16 A. Účelem normy není úplné odstranění změn jasu osvětlovacích těles. Ve skutečnosti definuje přijatelné úrovně změn v intenzitě světla.

Ke zkouškám se používá zkoušečka blikání nebo analyzátor. V kombinaci se zdrojem čistého napájení jsou sledovány výkyvy napájecího napětí na svorkách zkoušeného zařízení (EUT). Poté jsou prováděny složité výpočty pro vyhodnocení výkyvů způsobených během provozu. Jelikož je měřicí uspořádání při zkouškách na blikání podobné uspořádání při zkouškách na harmonické proudy v síti, oba druhy zkoušek jsou obvykle prováděny za pomoci stejného přístrojového vybavení.      

Obr. 7  Měřicí uspořádání pro zkoušky na blikání lze s drobnými úpravami použít také při zkouškách na harmonické v síti

Závěr/shrnutí

Existuje množství norem, které je třeba splnit, přičemž všechny jsou určeny k tomu, aby veškerá elektrická zařízení a spotřebiče, které používáme v domácnosti, v kanceláři nebo kdekoli v práci, pracovaly podle očekávání. Jak jsme viděli, zkoušky zajišťují, aby naše zařízení nerušilo ostatní okolo nás. Mají ale také za úkol zajistit, aby vaše zařízení nebylo rušeno signály, kterým je vystaveno. Všechny úlohy spojené s EMC je nejlépe řešit co nejdříve a je žádoucí, aby bylo možné získat podporu od odborníků nebo dodavatelů součástek a systémů, pokud je třeba. Ano, ferity, tlumivky a stínění je možné doplnit později, ale jejich možnosti při řešení problémů jsou omezené a tato opatření zbytečně zvyšují náklady. V nejhorším případě budete muset přepracovat DPS a způsobit tak týdny zdržení. Nakonec buďte ve spojení se zkušební laboratoří, abyste mohli vyjasnit příslušné normy vztahující se k vašemu případu a také zajistit vše potřebné pro den zkoušek.

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