Jak na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) – část 1.

Fandíte-li poslechu rozhlasového vysílání, dokážete předpovědět, kdy obdržíte textovou zprávu nebo kdy vám někdo zavolá na mobilní telefon. V důsledku principu, na němž je založena funkce přijímače mobilního telefonu, může docházet ke slyšitelnému rušení pronikajícího do obvodů audio zařízení v jeho blízkosti. Tak jak se technika postupně zdokonaluje, dochází k němu méně často, ale v minulosti se toto rušení běžně vyskytovalo. Až do sedmdesátých let minulého století nepředstavovalo rušení domácími spotřebiči zásadní problém. S narůstajícím množstvím spotřebičů však začala zařízení jako lednice způsobovat rušení televizního a rozhlasového vysílání zapínáním a vypínáním svých kompresorů. Po nich následovala digitální zařízení pracující na vysokých kmitočtech, taková jako domácí PC. V tom okamžiku se standardizační orgány rozhodly definovat elektromagnetickou kompatibilitu pro zajištění správné činnosti elektrických a elektronických výrobků.

Co je EMC?

Elektromagnetická kompatibilita neboli EMC zahrnuje čtyři klíčové aspekty, které je nutné ověřit dříve, než může být výrobek schválen k prodeji. EMC zahrnuje:

Vyzařování – meze výkonu signálů vyzařovaných výrobkem, které by mohly rušit funkci dalších zařízení v jeho blízkosti. K vyzařování může docházet přímo, jako např. z chytrého telefonu nebo Wi-Fi routeru, nebo po napájecím kabelu připojeném do síťové zásuvky nebo k napájecímu zdroji.

• Imunita – schopnost výrobku správně pracovat i za přítomnosti rušení z jiných zařízení v jeho bezprostřední blízkosti.
• Integrita signálu – znemožnění vzniku signálů schopných rušit funkci vlastního zařízení.
• Electrostatic Discharge (ESD) – ochrana proti vysokonapěťovým výbojům při dotyku zařízení člověkem.

Pokud zařízení, taková jako televizní nebo rozhlasový přijímač, vykazují nesprávnou funkci, jako při výskytu slyšitelných nežádoucích zvuků nebo rušení obrazu, mluvíme o elektromagnetickém rušení (EMI). EMI může být po vedení, prostřednictvím napájecích nebo komunikačních kabelů nebo vyzařováním.

Různé aspekty EMC zahrnují rušení po vedení, vyzařováním, ESD a integritu signálu

Jaké existují normy pro EMC?

Splnění požadavků EMC vyžaduje zvýšenou péči a úsilí při návrhu zařízení. Takový postup může vycházet od jednoduchých nenákladných opatření, jako je doplnění feritové perly, po opatření mnohem složitější, jakým je např. návrh a instalace stínění. Aby bylo zajištěno, že se opatření ke splnění EMC nevymknou kontrole, jsou stanoveny nejrůznější požadavky v závislosti na druhu výrobku a jeho zamýšlenému použití organizacemi, jako jsou IEC (International Electrotechnical Comission) a CIPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques). Základní klasifikace norem je následující:

• Základní normy: Tyto pokrývají všeobecná pravidla, která se vztahují ke všem aplikacím a výrobkům. Nejznámější jsou řady IEC 61000-4-x.
• Druhové normy: Zde je kladen důraz na požadavky EMC ve zvláštních provozních prostředích, takových jako jsou bytové a průmyslové prostředí, rovněž uváděná pod souhrnným názvem „komerční“.  Tedy, aby výrobek mohl být použit, musí splňovat dané minimální úrovně definované v IEC 61000-1/2/3/4.
• Normy pro výrobky a rodiny výrobků: Některá provozní prostředí, taková jako je prostředí drážní, vytváří zvláště drsné podmínky. Existují zde normy definující přesné požadavky se zkušebními úrovněmi a provozní kompatibilitou pro letectví a kosmonautiku, automobilní, lékařská a armádní zařízení. Pro železnice je příkladem EN 50121-3-2 definující elektromagnetickou kompatibilitu pro vozový park.

Příklad výsledků rušení přímým vyzařováním s vyznačenými mezemi

Jak se vyhnout problémům s EMC

Tak jako je tomu v případě mnoha úloh spojených s vývojem zařízení, dostat EMC pod kontrolu vyžaduje od samotného zahájení nového projektu pečlivou volbu možností návrhu. Podle informací ze zkušeben 50 % výrobků napoprvé neprojde zkouškami. Proto je nezbytné v průběhu vývoje udržovat téma EMC stále živé.

Při výběru modulů, jako jsou LCD nebo měniče, je třeba věnovat pozornost všem dostupným výsledkům zkoušek na EMC. Také se vyplatí zkontrolovat stáří těchto zkoušek. V průběhu života výrobku mohly být jednotlivé součástky vyměněny v rámci oznámení o vypršení jejich životnosti, což mohlo změnit vlastnosti modulu. Stojí za úvahu nechat moduly určené pro kritické konstrukce přezkoušet nezávislou zkušebnou.

Problémy s EMC mají obvykle příčiny v návrhu DPS a připojovacích kabelech. Všechny tyto problémy jsou nejsnadněji řešitelné dodržením správných návrhových praktik spíše než následnými úpravami teprve poté, až se projeví. K běžným doporučením patří:

• odstranit rušení co možná nejblíže jeho zdroji,
• rozdělit DPS dle spínání proudu a kmitočtových charakteristik navrženého řešení,
• snažit se udržet signálové cesty co nejkratší,
• umístit filtrační kondenzátory co možná nejblíže součástkám, které chrání,
• rozšířit napájecí a zemní spoje na DPS a snížit tím jejich impedanci,
• tam, kde to dovoluje prostor, ponechávat nevyužité plochy pro součástky, které mohou pomoci vyřešit problémy s EMC; na tyto plochy je možné později případně snadno umístit ferity, kondenzátory a odpory,
• držet se doporučení výrobce v otázce ošetření nevyužitých vývodů digitálních a analogových integrovaných obvodů. 

DPS by měla být pokud možno rozčleněna podle typu signálů

Je vhodné připomenout, že při řešení problémů EMC může hrát roli firmware. Mikrokontroléry často poskytují možnost řízení rychlosti přeběhu rychlých spínaných obvodů, přičemž výkonové IO, takové jako spínané měniče, mohou nabízet spínání s rozloženým spektrem pro minimalizaci kmitočtových špiček.

Zkoušky na ESD se provádějí injekcí impulzů až 8 kV do těch částí výrobku, k nimž má uživatel za běžného provozu přístup. Existují dva typy zkoušek: kontaktní výboj, typicky na šasi a další nekryté kovové povrchy, a vzdušný výboj. Každý signálový vstup i výstup je třeba opatřit ochrannými diodami pro potlačení přechodných přepětí (TVS – Transient Voltage Supressor). Tyto diody musí být správně uzemněny krátkými spoji. Oba typy těchto ochran, obousměrné i jednosměrné, svedou při výskytu ESD náboj na zem. Zásadní rozdíl spočívá v tom, že jednosměrné TVS mají nižší parazitní kapacitu, díky čemuž se lépe hodí pro vysokorychlostní datové spoje.

Diody TVS mohou ochránit nekryté signálové cesty před ESD 

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