Rys. 1. "Plastry miodu" (honey comb) uszczelniające pomieszczenie elektromagnetycznie. Rozmiar oczka jest uzależniony od częstotliwości, na jaką komora została zaprojektowana
Obie sytuacje są niedopuszczalne i spowodują irytację końcowego użytkownika. Z tego względu konieczne jest zagwarantowanie, że sprzedawane urządzenia będą odporne na działanie zaburzeń elektromagnetycznych. W tym celu przeprowadza się odpowiednie testy, których celem jest sprawdzenie, czy sprzęt jest przystosowany do bezproblemowego funkcjonowania w otoczeniu innych urządzeń.
Szereg norm określa warunki, w jakich należy testować urządzenia i jaki poziom zaburzeń oraz wyładowań ESD powinien być przez nie tolerowany bez pogorszenia jakości funkcjonowania. Niniejszy artykuł ma stanowić wprowadzenie do tematu testowania odporności i pokazać, w jaki sposób tego typu badania są przeprowadzane oraz jak przygotować się do ich prowadzenia we własnym zakresie.
Wymagania zasadnicze
Badanie odporności układów na zaburzenia elektromagnetyczne nie może być prowadzane w dowolnych warunkach. Międzynarodowe regulacje prawne zabraniają zakłócania pracy urządzeń radiokomunikacyjnych (w tym pracy odbiorników radiowych oraz telewizyjnych), a sytuacja taka mogłaby mieć miejsce, gdyby wykorzystać do tego celu np. otwartą przestrzeń pomiarową. Generowane podczas badań pole elektromagnetyczne ma bardzo szerokie pasmo oraz znaczące natężenie, co może spowodować nieprawidłową pracę pobliskich urządzeń.
Z tego względu wymagane jest ekranowane pomieszczenie o tłumienności nie mniejszej niż 100dB. Wtedy pole o natężeniu 10V/m, wytworzone wewnątrz ekranowanej komory, będzie miało natężenie 40 dBμV/m poza nią. Konstrukcja pomieszczenia stanowi kompromis pomiędzy kosztami a jakością (w tym poziomem tłumienia sygnałów). Najdroższe rozwiązania bazują na panelach wykonanych z metalu oraz drewna, wentylacji w formie "plastrów miodu" (rys. 1) z wentylatorami umieszczonymi na zewnątrz, czy drzwiach w technologii nożowej precyzyjnie spasowanych z ościeżnicą.
Ponadto sprzęt pomiarowy powinien zostać umieszczony w osobnym pomieszczeniu, a przewody zaopatrzone w stosowne filtry, aby zminimalizować niepewność pomiaru. Oprócz sprzętu pomiarowego przydatny bywa komputer nadzorujący przeprowadzane badania i przetwarzający otrzymane wyniki. Powinien być on, podobnie jak sprzęt pomiarowy, umieszczony poza komorą pomiarową, najlepiej w specjalnie przeznaczonym do tego celu ekranowanym pomieszczeniu pomocniczym.
Rys. 2. Badanie odporności wymaga sygnału zmodulowanego przebiegiem sinusoidalnym
Z ekranowania dodatkowych pomieszczeń można zrezygnować, jeżeli istnieje pewność, że urządzenia pomiarowe nie będą interferowały z otoczeniem i mają własne, zadowalające ekranowanie. Należy pamiętać, że w czasie badania generowane jest pole elektromagnetyczne o znaczącym natężeniu i częstotliwości mogące negatywnie oddziaływać na człowieka. Z tego względu personel nie może przebywać w komorze pomiarowej w czasie testowania.
Niezbędna okaże się więc kamera pozwalająca obserwować zachowanie urządzenia poddanego działaniu zaburzeń elektromagnetycznych. Powinna oczywiście być odporna na warunki panujące w komorze i nie wpływać w znaczącym stopniu na otrzymywane wyniki. Najprostszy zestaw pomiarowy składa się z generatora sygnału, wzmacniacza oraz anten. Wszystkie te elementy muszą mieć zakres częstotliwości minimum 150 kHz...1 GHz.
Ponadto sygnał z generatora sygnałów musi być dopasowany do parametrów wejściowych wzmacniacza. Do przeprowadzenia typowego badania wymagany jest przebieg zmodulowany sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz z głębokością modulacji wynoszącą 80% (rys. 2). Przebieg tego typu często może być wytworzony w generatorze, ale niekiedy wymaga się sygnałów o innej obwiedni, stąd konieczny może być zakup dodatkowego wyposażenia.
Wcześniejsze standardy wymagały modulacji sygnałem 200Hz częstotliwości nośnej 900 MHz, aby symulować działanie urządzeń GSM. Zrezygnowano jednak z tego podejścia na rzecz uniwersalnej częstotliwości 1 kHz. Zdarzają się jednak wyjątki, które wymuszają modulację sygnałem o częstotliwości innej niż 1 kHz w celu zbadania specyficznych cech urządzeń.
Wzmacniacz
Rys. 3. Moc doprowadzana do anten aby zapewnić natężenie pola wynoszące 10V/m w odległości 1m
Moc wyjściowa większości generatorów sygnałów spotykanych w handlu jest niewystarczająca, aby wytworzyć pole elektromagnetyczne o natężeniu wymaganym przez normy. W związku z tym niezbędny jest wzmacniacz, który zwiększy moc doprowadzoną do anteny. Wymagana moc wyjściowa jest uzależniona od natężenia pola, jakie będzie wytwarzane w otoczeniu testowanego urządzenia oraz charakterystyki użytej anteny.
Moc promieniowania nie jest liniowo zależna od mocy doprowadzonej do zacisków anteny (rys. 3). Warto zauważyć, że dla górnego zakresu częstotliwości wymagany poziom mocy jest znacząco niższy. Nie zawsze istnieje możliwość przeprowadzenia pełnego badania z wykorzystaniem jednego wzmacniacza, gdyż musiałby on dostarczać odpowiednio dużą moc w szerokim paśmie częstotliwości (1...1000 MHz). Konieczny może się okazać podział pasma pomiarowego na dwa zakresy obsługiwane przez dwie anteny oraz dwa wzmacniacze.
Istnieje możliwość wykorzystania tylko jednej anteny, jednakże konieczne będzie przełączanie, co wydłuży czas badania. Nie można zapominać o niedopasowaniu impedancyjnym pomiędzy anteną oraz wzmacniaczem skutkującym odbiciami sygnału. WFS różny od jedności oznacza, że część energii wraca do wzmacniacza i jest tracona. Wzmacniacz musi posiadać odpowiedni zapas mocy, aby skorygować charakterystykę anteny oraz niedopasowanie impedancyjne. Musi być też odporny na przeciążenia i skutki pracy z nieskończonym WFS, czyli brak dołączonego obciążenia lub zwarcie na wyjściu.
Regulacja natężenia pola
W czasie badania pole elektromagnetyczne w otoczeniu EUT (badanego urządzenia) musi mieć natężenie ściśle określone przez normy. Jego wartość jest zasadniczo niemożliwa do wyznaczenia na podstawie obliczeń, gdyż nie da się uwzględnić wszystkich czynników (np. odbić od ścian, tłumienia przewodów, charakterystyki anteny). Konieczne staje się zastosowanie układu mierzącego natężenie pola, który umieszcza się w komorze pomiarowej, w pobliżu EUT.
Układ tego typu może mieć trzy dipole zorientowane ortogonalnie względem siebie (wzdłuż osi X, Y, Z), co pozwala zmierzyć natężenie pola niezależnie od jego polaryzacji. Potrzebna jest również część elektroniczna wykonująca pomiary. W najprostszym przypadku będzie to prosty układ elektroniczny zasilany z baterii i wyposażony w wyświetlacz. Oczywistą jego wadą będzie konieczność odczytywania zmierzonej wartości przez operatora i manualne korygowanie mocy wyjściowej wzmacniacza.
Znacznie bardziej zaawansowane urządzenia są wyposażone w łącze światłowodowe do przesyłania wyników pomiarów. Istnieje wtedy możliwość automatycznego dostrajania sprzętu, co znacznie przyspiesza badanie. Łącze optyczne jest pożądane ze względu na brak interferencji i odbić, które mogłyby mieć miejsce w przypadku miedzianych przewodów. Pierwszym metodą automatycznej regulacji natężenia pola jest utworzenie układu z zamkniętą pętlą, w której znajdzie się wzmacniacz oraz układ pomiarowy.
Moc wyjściowa jest regulowana na bieżąco, w zależności od zmierzonej wartości sygnału. Należy być świadomym błędów występujących w tego typu rozwiązaniach powodowanych przez pomiar natężenia pola w jednym miejscu (punktowo) - natężenie pola mierzonego oraz pola oddziałującego na EUT może być inne, stąd nie ma pewności, że podczas badania do urządzenia dociera odpowiednio silny sygnał. Jak wspomniano wcześniej, sygnał doprowadzony do wzmacniacza musi zostać zmodulowany.
Normy wymagają, aby moc chwilowa zmodulowanego przebiegu była większa o 5,2dB w stosunku do mocy sygnału niemodulowanego. Pomiary natężenia pola przeprowadza się przy wyłączonej modulacji, aby uzyskane wyniki były dokładniejsze. Ponadto należy pamiętać o zwiększeniu mocy o 6dB, gdy pomiary nie są wykonywane w komorze bezechowej. Ma to na celu zmniejszenie prawdopodobieństwa poddania EUT działaniu pola o natężeniu mniejszym niż wymagane przez normy.
Transduktory
Rys. 4. Typowa wartość współczynnika VSWR w funkcji częstotliwości dla anteny BiLog
Transduktory są elementami przekształcającymi promieniowanie elektryczne lub magnetyczne na napięcie bądź prąd. Najbardziej oczywistym przykładem transduktora jest antena, np. BiLog (rys. 4). Rolę transduktora może odgrywać także linia paskowa, zbudowana z dwóch, równoległych powierzchni przewodzących (metalowych) złączonych ze sobą na obu końcach - rysunku 5. Do jednego z zakończeń doprowadza się sygnał elektryczny poprzez układ dopasowujący, podczas gdy drugi koniec linii jest zakończony terminatorem.
Dzięki takiej konstrukcji pomiędzy okładzinami linii paskowej powstaje jednolite pole elektryczne, ale obszar zajmowany przez EUT nie powinien być zbyt duży. Wadą linii paskowych jest, oprócz ograniczenia do pomiarów małych urządzeń, podatność na odbicia. Objawia się ona zwłaszcza w sytuacji, gdy badanie jest przeprowadzane w ekranowanym pomieszczeniu pozbawionym pokrycia materiałem absorbującym promieniowanie w.cz. Otrzymane w takiej sytuacji wyniki nie są wiarygodne.
Jednym z rozwiązań tego problemu jest otoczenie linii paskowej płytkami absorbującymi, co pozwoli uniknąć wydatków na budowę komory bezechowej. Dokładność badania jest uzależniona m.in. od rozmiarów badanego urządzenia. Niektóre standardy (IEC 801-3) zalecają, aby wymiary EUT nie przekraczały 25cm, podczas gdy inne (EN 55020) dopuszczają wymiary nawet do 70cm, jeżeli uwzględniona zostanie stosowna poprawka.
Inną, znaczącą wadą linii paskowych jest wąskie pasmo częstotliwości mieszczące się praktycznie w zakresie od 0Hz do 200 MHz. Dla wyższych częstotliwości odległość między okładzinami staje się zbyt duża (przekracza połowę długości fali), co sprawia, że pole przestaje być jednorodne. Pewnym wyjściem z takiej sytuacji jest prowadzenie testów odporności z wykorzystaniem linii paskowej oraz anteny logarytmiczno-periodycznej. Pozwala to na ograniczenie wymaganej mocy wyjściowej wzmacniacza.
Wynika to bezpośrednio z małej wartości współczynnika WFS linii paskowej, który byłby znacznie większy w przypadku tradycyjnej anteny. Osobną kwestię stanowią przewody podłączane do EUT. Są one doprowadzane do urządzenia poprzez jedną z okładzin linii paskowej i tylko kilka centymetrów przewodu jest wystawione na bezpośrednie działanie pola elektrycznego. W takiej sytuacji urządzenie jest mniej podatne na zaburzenia, co może znacząco wpłynąć na wiarygodność badania i wymusić przeprowadzenie dodatkowych testów.
Konieczne będzie również powtórzenie badań dla różnej orientacji EUT ("wzdłuż" osi X, Y oraz Z), aby określić, w jakim ułożeniu urządzenie wykazuje największą podatność. Alternatywą dla linii paskowych są komory TEM będące w zasadzie szerokopasmowym przewodnikiem współosiowym. Oznacza to, że wewnętrzny przewodnik jest wykonany z metalowej, prostokątnej płaszczyzny przewodzącej otoczonej ekranem stanowiącym jednocześnie obudowę komory.
Niewątpliwe zalety komór TEM to: niska cena, niewielkie wymiary, możliwość uniknięcia budowy ekranowanego pomieszczenia oraz mniejsze wymagania co do mocy wyjściowej wzmacniaczy (w porównaniu do typowej anteny na pasmo do 300 MHz). Zalety te pozwalają prowadzić badania praktycznie w dowolnym miejscu, co szczególnie istotne, także w pracowni konstrukcyjnej. Przestrzeń pomiarowa do umieszczenia badanego urządzenia znajduje się pomiędzy przewodnikiem a obudową (rys. 6).
Rys. 5. Linia paskowa wykorzystywana do testów odporności
Oba zakończenia linii mają transformatory dopasowujące impedancję linii do impedancji obciążeń. Komory TEM posiadają pewne niedogodności, spośród których należy wymienić na pierwszym miejscu niewielką przestrzeń pomiarową. Nadmierne zwiększenie rozmiarów komory TEM ogranicza pasmo częstotliwości, w jakim może ona pracować. Górny zakres częstotliwości dochodzi do 1 GHz, gdy ograniczy się rozmiar przestrzeni pomiarowej do 7,5cm.
Przykładowe pasma pracy, w uzależnieniu od wymiarów, przedstawiono w tabeli 1. Poszerzenie pasma może uzyskać, wykładając wewnętrzne ścianki komory materiałem absorbującym. Wspomnieć należy także o konieczność wbudowania okna w obudowę komory. Wynika to z potrzeby wzrokowej oceny zachowania EUT i określenia, czy jest ono prawidłowe, czy też nie. Przykładem urządzeń wymagających obserwacji podczas badania są: odtwarzacze multimedialne, telefony komórkowe czy sprzęt pomiarowy.
Znacznie większe pasmo pomiarowe można uzyskać, stosując omówione już w poprzednim miesiącu komory GTEM. Ich koszt jest wciąż znacząco niższy niż koszt wybudowania ekranowanej komory bezechowej. Zwiększenie granicznej częstotliwości do ponad 1 GHz uzyskano dzięki specyficznej budowie, która przypomina nieco piramidę. Warto zauważyć, że komory GTEM można wykorzystać do testowania EUT w pełnym paśmie, bez konieczności posiadania zwykłych anten, ekranowanego pomieszczenia czy wzmacniacza o dużej mocy (jak w przypadku anten na dolny zakres pasma).
Komory GTEM pozwalają na testowanie urządzeń o większych rozmiarach niż komory TEM, ale mimo to wymiary te są także dość mocno ograniczone. Przykładowe zestawienie sprzętu pomiarowego wykorzystującego komorę GTEM pokazano na rysunku 7.
Pomiary
Rys. 6. Przykładowa komora TEM
Podobnie jak przy pomiarze emisyjności, tak i przy pomiarach odporności na zaburzenia, dąży się do opracowania metod zapewniających powtarzalne wyniki. Problemem jest jednakże brak jasno ustalonej granicy, po przekroczeniu której sprzęt zostanie uznany za niespełniający wymogów stawianych przez normy. Pierwszym czynnikiem utrudniającym ocenę zgodności są przewody, szczególnie gdy EUT ma małe wymiary w stosunku do długości fali.
Sygnał indukowany w przewodach może mieć zasadniczy wpływ na stabilność pracy urządzenia i wynik badania. Drugą kwestią przyczyniającą się do niejednoznaczności w ocenie zgodności z normami jest trudność z ustaleniem momentu, w jakim urządzenie przestaje pracować poprawnie. Łatwiej pod tym względem jest badać układy analogowe, gdyż można zaobserwować stopniowe pogorszenie jakości sygnału. O wiele trudniejszym zadaniem jest ocena urządzeń w pełni cyfrowych, gdyż niestabilna praca może być niezauważalna do chwili całkowitego zawieszenia układu.
Przed przystąpieniem do właściwego badania należy określić konfigurację pracy najbardziej podatną na zaburzenia, na którą składa się: ułożenie przewodów, polaryzacja anteny itp. Gdyby istniała więcej niż jedna, krytyczna konfiguracja EUT, należy przetestować je wszystkie. Warunki, w jakich przeprowadzane jest badanie, powinny odpowiadać warunkom, w jakich będzie pracowało docelowo urządzenie. Dotyczy to zwłaszcza przewodów użytych w czasie badania, których parametry takie jak długość czy rodzaj powinny odpowiadać parametrom przewodów stosowanych później przez użytkownika.
W sytuacji, gdy specyfikacja połączeń nie jest odgórnie narzucona, można wykorzystać przewód o nominalnej długości 1m. Test przeprowadza się dla anteny nadawczej oddalonej na odległość przynajmniej 1m, jednakże preferowany dystans wynosi 3m. Zbyt mała odległość wpłynie negatywnie na jakość pomiaru. Badanie polega na zmianie częstotliwości nośnej zmodulowanego sygnału w zakresie przewidywanym przez normę i ustawianiu mocy wyjściowej wzmacniacza w taki sposób, aby wytworzyć pole elektromagnetyczne o wymaganym natężeniu.
W tym miejscu przydaje się znajomość charakterystyki systemu pomiarowego wyznaczonej podczas wspomnianego wcześniej procesu kalibracji. Zmiana częstotliwości generatora nie powinna następować częściej niż co 0,5s, choć należy rozważać dłuższe odstępy czasu - 2-3s. Im dłuższy czas, tym lepiej można ocenić zachowanie EUT i wykryć ewentualne nieprawidłowości. Zmiana częstotliwości odbywa się najczęściej w krokach z przyrostem o 1%, a nowa wartość jest zmieniana co 2-3s.
Można wyliczyć, że badanie, w którym zmiana taka odbywa się co 2 sekundy, potrwa około 8,5 minuty. Może się wydawać, że jest to niewielka ilość czasu, jednakże pełne badanie składa się z ośmiu takich serii - antena musi być skierowana w każdą z czterech stron EUT, dla polaryzacji pionowej oraz poziomej. Sytuacja jest jeszcze gorsza, gdy urządzenie może być dowolnie zorientowane w przestrzeni, czego najlepszym przykładem są urządzenia przenośne: telefony komórkowe, odtwarzacze multimedialne, konsole czy aparaty fotograficzne.
W takiej sytuacji badanie odbywa się przy antenie skierowanej w każdą z sześciu płaszczyzn urządzenia dla obu polaryzacji anteny. Daje to sumie dwanaście pomiarów i wydłuża całe badanie do min. 100 minut. Badając odporność urządzenia na działania pola elektromagnetycznego, należy mieć na uwadze, że przedstawiona procedura nie zawsze będzie wystarczająca. Może się zdarzyć, że specyficzne cechy urządzenia nie zostaną uwzględnione i badanie nie wykaże słabych punktów.
Tabela 1. Pasmo komory TEM w zależności od jej wymiarów
Do poprawnego badania niezbędna jest wiedza o funkcjonalności urządzenia i jego specyfice, a co za tym idzie - o potencjalnych słabych punktach. Należy pamiętać o szczególnie starannym testowaniu nośnych odpowiadających częstotliwościom sygnałów zegarowych wykorzystanych w układzie. Gdy nie można skorzystać z wiedzy o funkcjonalności i budowie urządzenia, należy przeprowadzić bardziej szczegółowe i dokładne testy, aby mieć pewność, że są jak najbardziej wiarygodne.
Niekiedy istnieje potrzeba stwierdzenia czy EUT spełnia wymagania stawiane przez normy "na styk", czy też istnieje duży margines bezpieczeństwa. Szerokość tego marginesu można wyznaczyć, przeprowadzając ponownie pełne badanie, ale zwiększając stopniowo za każdym razem moc wyjściową wzmacniacza.
Wykonując w ten sposób serię pomiarów, za każdym razem dla pola o większym natężeniu, można określić, jak duży margines bezpieczeństwa jest dostępny. Pozwoli to ustalić, czy ewentualny rozrzut parametrów produkowanego urządzenia wpłynie na wyniki i czy EUT mimo to będzie spełniało normy. Uzyskanie bardzo szerokiego marginesu bezpieczeństwa pozwoli usunąć nadmiarowe elementy (najczęściej filtry) i obniżyć koszty produkcji.
Testowanie poza komorą
Rys. 7. Przykład zestawu pomiarowego z komorą GTEM
Budowa ekranowanej komory bezechowej lub nawet zakup komory GTEM może się okazać zbyt dużym wydatkiem dla małych przedsiębiorstw. Bez naruszania prawa można w takiej sytuacji przeprowadzić częściowe badanie polegających na emisji pola elektromagnetycznego o częstotliwościach zawartych w nielicencjonowanych pasmach ISM. Oprócz tego można wykorzystać pasma przeznaczone dla amatorskiej działalności krótkofalowej, jeśli ma się licencję.
Ostatecznie pozostaje wykorzystanie istniejącej infrastruktury GSM, aby sprawdzić, jak urządzenie zachowuje się w pobliżu telefonu komórkowego komunikującego się ze stacją bazową. Należy zdawać sobie sprawę, że w pobliżu źródła promieniowania natężenie pola zmienia się znacząco nawet przy małej odległości od nadajnika. Warto użyć przynajmniej prostego miernika natężenia pola, aby oszacować moc promieniowania w pobliżu urządzenia.
Badanie prowadzone poza komorą są oczywiście bardzo niedokładne i nie dają żadnej gwarancji, że urządzenie spełni właściwe normy. W zasadzie jedyną rzeczą, jaką można w ten sposób stwierdzić, jest to, że urządzenie jest podatne na zaburzenia wąskopasmowe. Metoda tego typu może być co najwyżej pomocna podczas zgrubnej oceny urządzenia, jednakże nie zastąpi pełnego badania przeprowadzonego w sposób określony przez odpowiednie normy.
Jak widać, w przypadku badania odporności pole manewru konstruktora chcącego ograniczyć koszty badań w laboratorium jest bardzo ograniczone. Wyładowania elektrostatyczne (ESD) stanowią znaczący problem podczas użytkowania sprzętu elektronicznego i są na tyle pospolite, że badanie odporności urządzenia w tym zakresie musi zostać przeprowadzone przed rozpoczęciem sprzedaży. Bez tego producent naraża się na masowe zwroty uszkodzonych lub źle funkcjonujących urządzeń.
Celem badania jest ustalenie, czy układ podczas codziennego użytkowania będzie zachowywał się poprawnie w obliczu wyładowań elektrostatycznych. Podczas testu urządzenie jest zasilane i musi funkcjonować w sposób normalny i realizować założone funkcje bez pogorszenia ich jakości. Wynik badania nie sprowadza się jedynie do stwierdzenia, czy ładunki elektrostatyczne powodują fizyczne uszkodzenie, czy nie. Jest on bardziej złożony i można go zaklasyfikować do jednej z czterech grup:
- fizyczne uszkodzenia urządzenia wymagające serwisowania
- urządzenie nie zostało fizycznie uszkodzone, jednakże użytkownik musi samodzielnie przywrócić normalną funkcjonalność (np. resetując urządzenie)
- urządzenie nie zostaje fizycznie uszkodzone i samodzielnie powraca do normalnej funkcjonalności (np. zadziała układ watchdog i zresetuje urządzenie)
- funkcjonowanie urządzenia nie zostaje zakłócone.
Badanie odbywa się w ściśle określonych warunkach, na które składa się pomieszczenie z umieszczoną na podłodze ziemią odniesienia (ground plane), która ma powierzchnię nie mniejszą niż 1m2 wykonaną z miedzi lub aluminium o minimalnej grubości 0,25mm albo innego materiału nie cieńszego niż 0,65mm. Ziemia odniesienia powinna być szersza o przynajmniej 50cm od stanowiska pomiarowego i być dołączona do uziemienia ochronnego budynku.
Drugim wymaganym elementem jest stół, na którym umieszcza się płaszczyznę przewodzącą będącą w istocie poziomą płaszczyznę sprzęgającą HCP (Horizontal Coupling Plane). Na niej układa się podkładkę izolacyjną o grubości 0,5mm. Płaszczyzna HCP powinna mieć wymiary 1,6×0,8m i być podłączona do ziemi odniesienia przez parę rezystorów 470kΩ połączonych szeregowo, zlokalizowanych na obu końcach przewodu łączącego obie te płaszczyzny.
Rys. 8. Stanowisko pomiarowe do badania odporności na wyładowania elektrostatyczne
Należy zachować odstęp od elementów powodujących interferencje wynoszący przynajmniej 1m. EUT umieszcza się na podkładce izolacyjnej, tak aby był oddalony od krawędzi HCP o przynajmniej 10cm z każdej strony. W sytuacji, gdy EUT ma wymiary większe, należy zastosować dwie płaszczyzny HCP. Stanowisko pomiarowe jest wyposażane dodatkowo w pionową płaszczyznę sprzęgającą (VCP) o wymiarach 0,5m ×0,5m. Służy ona do wypromieniowania energii we wszystkie cztery, pionowe ścianki EUT.
Przykładowe stanowisko pomiarowe pokazano na rysunku 8. Do przeprowadzenia badań niezbędny jest generator ESD, którego uproszczony schemat pokazano na rysunku 9. Po zamknięciu przełącznika S1 następuje ładowanie kondensatora przez rezystor ograniczający RCH. Wyzwolenie ładunku poprzez rezystor ograniczający RD odbywa się po zamknięciu przełącznika S2. Typowy generator ma kondensator o pojemności 150pF i rezystory o oporności 50...100MΩ (ładowanie) oraz 330Ω (rozładowanie).
Ponadto wymaga się, aby można było ustawić napięcie wyjściowe na 8kV (wyładowanie kontaktowe) oraz 15kV (wyładowanie w powietrzu). Można jednak spotkać przyrządy, które wytwarzają wyższe napięcia, co czyni je bardziej uniwersalnymi i przystosowanymi do ewentualnych, przyszłych standardów. Warto zauważyć, że generator ESD musi mieć możliwość wytwarzania wyładowań o polaryzacji dodatniej oraz ujemnej.
Badanie ESD
Podobnie jak w przypadku badań emisyjności, konieczne będzie przetestowanie wszystkich trybów pracy urządzenia. Powinien on pracować w każdym z nich bez żadnych oznak pogorszenia jakości czy stabilności. Aplikowane podczas badań wyładowania można podzielić na dwie zasadnicze grupy: pośrednie, obejmujące wyładowania w stronę HCP i VCP oraz bezpośrednie, obejmujące wyładowania kontaktowe i w powietrzu.
W ramach wyładowań bezpośrednich można wyszczególnić wyładowanie kontaktowe - (preferowane) sprowadzające się do przyłożenia końcówki generatora ESD do przewodzącej części urządzenia (złącza, metalowa obudowa pokryta co najwyżej farbą) i wyzwolenia impulsu; badanie to jest niezależne od czynników takich jak: ciśnienie, wysokość n.p.m., kształt, temperatura, wilgotność, etc. stąd najlepiej odwzorowuje rzeczywiste warunki.
Drugie to wyładowanie powietrzne - stosowane gdy nie ma możliwości podania wyładowań kontaktowych, np. w sytuacji, gdy urządzenie umieszczono w obudowie z tworzywa sztucznego; wyładowania powietrzne aplikuje się w stronę najbardziej newralgicznych miejsc: krawędzi klawiszy, wyświetlacza, otworów wentylacyjnych. W przeciwieństwie do wyładowań kontaktowych obwód wyzwalający jest zamknięty, na elektrodzie jest obecne wysokie napięcie, a generator jest zbliżany możliwie szybko w stronę urządzenia, aby po osiągnięciu pewnej odległości nastąpił przeskok ładunku elektrycznego.
Podczas prowadzenia badań generator ESD powinien być zbliżany do EUT prostopadle, a jego przewód należy trzymać w odległości nie mniejszej niż 0,2m od badanego sprzętu. Warto zauważyć, że w sytuacji, gdy metalowa obudowa jest pokryta farbą, końcówka powinna przebić pokrycie, aby zagwarantować kontakt z przewodzącym podłożem. Jeżeli jednak pokrycie obudowy zostanie określone przez producenta jako izolacyjne, nie należy podawać wyładowań kontaktowych.
Do wyładowań w powietrzu stosuje się elektrodę z zaokrągloną końcówką rozładowczą, a dla wyładowań kontaktowych - ze spiczastą. Po każdym wyzwoleniu generator należy oddalić od badanego urządzenia i naładować przed ponownym użyciem. Może być on jednak dłuższy, gdyż nie zawsze można w tak krótkim czasie ustalić, czy nastąpiło zakłócenie pracy EUT. Oprócz wyładowań bezpośrednich (w powietrzu oraz kontaktowych) stosuje się również wyładowania pośrednie polegające na zaaplikowaniu impulsu do pionowej bądź poziomej płaszczyzny sprzęgającej.
Należy generować co najmniej 10 wyładowań o polaryzacji napięcia odpowiadającej największej podatności. Pionowa płaszczyzna sprzęgająca ma wymiary 0,5×0,5m i jest oddalona od EUT o 10cm. Należy wykonać cztery serie badań po 10 wyładowań, aby "opromieniować" każdą stronę urządzenia. Tego typu pośrednie wyładowania umożliwiają symulowanie zjawisk ESD występujących w bliskim otoczeniu pracującego urządzenia.
Rys. 9. Uproszczony schemat generatora ESD
Podczas badania w EUT gromadzą się ładunki elektrostatyczne. Po każdym wyładowaniu generatora należy rozładować urządzenie, aby uniknąć sytuacji, w której następuje kumulacja i wyzwolenie większego ładunku niż było to zamierzone. Ma to znaczenie dla końcowego wyniku badania, gdyż nieświadome podawanie wyładowań o napięciu przekraczającym wartość wymaganą przez normę może sprawić, że badanie wykaże niezgodność z normą, mimo że w rzeczywistości sytuacja taka nie ma miejsca.
Ładunki zgromadzone w urządzeniu można usunąć na kilka sposobów. Należy jednak mieć na uwadze, że zbyt gwałtowne rozładowanie spowoduje powstanie kolejnego impulsu stanowiącego w zasadzie dodatkowe, nadmiarowe wyładowanie. W sytuacji, gdy urządzenie jest umieszczone w metalowej obudowie, możliwe jest jego podłączenie do uziemienia przez rezystor 1M, co spowoduje powolne usunięcie ładunku.
Większym problemem jest rozładowanie urządzenia umieszczonego w nieprzewodzącej obudowie. Standard IEC zaleca użycie w takiej sytuacji jonizatora powietrza, aby przyspieszyć neutralizację zgromadzonego ładunku. Nie może on jednak pracować podczas generowania wyładowań, gdyż zmniejsza napięcie ładunku zgromadzonego w generatorze ESD. Inną metodą usuwania ładunków jest stosowanie odpowiedniego, rozpraszającego pędzla podłączonego do urządzenia przez rezystor 1MΩ.
Jest ona szybsza niż jonizator powietrza i nie wpływa na działanie generatora ESD, a ponadto nadaje się do odprowadzania ładunków z urządzeń zarówno w obudowach wykonanych z przewodzącego materiału, jak i w pełni izolowanych. Na koniec warto jeszcze zauważyć, że o ile normy ogólne, normy dotyczących urządzenia lub rodziny urządzeń nie stwierdzają inaczej, to wyładowania elektrostatyczne należy generować tylko do miejsc dostępnych podczas normalnego użytkowania, np. metalowych części obudowy, złączy, przycisków.
Przewiduje się również pewne wyjątki w tym zakresie, m.in.: miejsca dostępne tylko podczas konserwacji sprzętu lub obsługi serwisowej, obszary niedostępne po normalnym zainstalowaniu urządzenia (np. spód urządzenia), styki złączy, jeżeli mają one metalowe obudowy itp.
Podsumowanie
Badanie odporności urządzeń na wyładowania elektrostatyczne oraz działanie pól elektromagnetycznych stanowi ważną część procesu przygotowania urządzenia do sprzedaży. Badania odporności są obowiązkowe w krajach Unii Europejskiej. Ich przeprowadzenie może być bardziej kosztowne i trudne niż badań emisyjności. Prawdopodobnie najlepszym rozwiązaniem dla firm zajmujących się produkcją niewielkich urządzeń będzie zakup komory TEM/GTEM, pozwalającej na badanie urządzeń bez konieczności budowania specjalizowanej, niezwykle kosztownej komory bezechowej.
Warto podkreślić, że badanie odporności jest mniej jednoznaczne niż badanie emisyjności ze względu na trudności z określeniem, kiedy urządzenie przestaje pracować prawidłowo. Często nie istnieje jednoznaczna granica, po przekroczeniu której sprzęt można uznać za podatny na zaburzenia i pozostaje zachowanie daleko posuniętej ostrożności.
Jakub Borzdyński
