Kompatybilność elektromagnetyczna - testy odporności sprzętu elektronicznego

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