Badania typu pre-compliance

Dopuszczenie do obrotu handlowego na obszarze Unii Europejskiej urządzeń przetwarzających energię elektryczną wymaga udokumentowania zgodności tych wyrobów - w formie deklaracji zgodności i oznakowania CE - z wymaganiami dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej zawartej w dyrektywie EMC i w dyrektywach z nią związanych.

Rys. 1. Ogólny schemat oddziaływania zaburzeń elektromagnetycznych

Oferowany na rynku wyrób musi w związku z tym mieć ograniczony poziom emisji zaburzeń elektromagnetycznych (EM) i jednocześnie musi być odporny na zaburzenia występujące w środowisku jego eksploatacji, z uwzględnieniem zaburzeń naturalnych i pochodzących od innych urządzeń technicznych.

Ta odporność obejmuje także poprawne funkcjonowanie urządzenia w obecności zaburzeń generowanych podczas pracy przez niektóre wewnętrzne bloki (moduły) funkcjonalne, rysunek 1. Przykładami w tym przypadku mogą być niepożądane oddziaływania bloków (modułów) z dużymi poziomami sygnałów (głównie z dużymi prądami) na inne moduły lub oddziaływanie cyfrowej części układu pracującej impulsowo na inne jego części z sygnałami analogowymi.

Wśród ogólnych przyczyn powstawania zaburzeń EM trzeba wymienić:

• okresowe i losowe zmiany napięć zasilających oraz szybkie zmiany napięć i prądów roboczych, zwłaszcza w obecności elementów pasożytniczych L i C
• odbicia sygnałów spowodowane nieciągłościami w liniach transmisyjnych (przewody, kable, ścieżki na płytkach PCB) i niedopasowaniem impedancji oraz na interfejsach
• przesłuchy (przeniki) sygnałów w li-niach wskutek sprzężeń pojemnościowych i indukcyjnych
• jednoczesne przełączanie wielu obwodów w synchronicznych układach cyfrowych (taktowanych zegarem), zwłaszcza w systemach z widmem rozproszonym
• drżenie fazy (jitter) w układach przełączających.

Aby spełnić podstawowe wymagania dotyczące EMC, przy projektowaniu i wykonawstwie urządzeń potrzebna jest szeroko rozumiana dobra praktyka inżynierska. Obejmuje ona ukierunkowane na EMC działania w zakresie prawidłowego doboru rozwiązania układowego, zaprojektowania i wykonania płytek PCB z właściwie rozplanowanymi i połączonymi elementami biernymi i układami scalonymi oraz zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń np. przeciw skutkom wyładowań elektrostatycznych ESD. Nawet jednak przy przekonaniu o prawidłowym projekcie urządzenia, w którym uwzględniono znane z praktyki i zalecane sposoby rozwiązania problemów EMC, należy to potwierdzić wynikami badań w ramach procedury oceny zgodności z wymaganiami dyrektywy EMC, wykorzystującej metody i poziomy oceny zawarte w normach EMC.

Tylko niewielka część zakładów produkujących sprzęt elektroniczny wykonuje badania EMC u siebie, we własnych laboratoriach pomiarowych. Wymagają one bowiem precyzyjnej i drogiej paratury pomiarowej oraz fachowego personelu. Najczęściej więc badania EMC są zlecane do specjalizowanych laboratoriów, posiadających oprócz specjalizowanej aparatury i przeszkolonego personelu także odpowiedni status organizacyjny (akredytacja).

Należy jednak wziąć pod uwagę, że przy wspomnianym kompleksowym badaniu liczba wymaganych testów nie jest, na ogół, mała i w zależności od rodzaju urządzenia może wynosić kilka do kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu. Wynika to m.in. stąd, że badaniom podlegać powinny zarówno emisje przewodzone (konduktywne), związane z siecią połączeń wewnętrznych i zewnętrznych jak i emisje promieniowane. To samo dotyczy odporności na zaburzenia, którą kontroluje się przy oddziaływaniu zewnętrznych, zaburzeń (narażeń) przewodzonych i promieniowanych.

Przy wymienionej wyżej liczbie badań (testów) i koszcie jednostkowym, np. rzędu kilkuset do 2 tysięcy złotych, daje to znaczącą kwotę, obciążającą szczególnie dotkliwie mniejszych producentów urządzeń. Racjonalne jest więc takie podejście, w którym nowo opracowane urządzenie, tzn. zwykle jego prototyp, tylko raz jest przekazywane do badań w laboratorium EMC, w celu formalnego potwierdzenia zgodności z wymaganiami EMC.

Aby tak się stało, konstruktor urządzenia lub zespół konstruktorski powinni we własnym zakresie przeprowadzić wstępne badania EMC (pre-compliance tests). Tego rodzaju badania mają charakter inżynierskiej analizy sygnałów elektrycznych i pól elektromagnetycznych w pracującym urządzeniu i wokół niego. W jej wyniku oczekuje się uzyskania informacji, czy w badanym urządzeniu - lokalnie lub całościowo - nie obserwuje się przebiegów mogących prowadzić do nadmiernych emisji elektromagnetycznych. Z drugiej strony, trzeba też sprawdzić, czy urządzenie nie ma słabych miejsc pod względem reprezentowanej przez nie odporności na zaburzenia. Może to przykładowo występować w pewnych pasmach częstotliwości lub przy zaistnieniu niekorzystnej kombinacji warunków roboczych.

Co się tyczy częstotliwości, to w badaniach EMC bierze się pod uwagę sygnały o małej częstotliwości, umownie do 9 kHz z przedziałem bardzo małych częstotliwości rzędu kilku Hz (szumy) i przedziałem częstotliwości sieciowych (50 Hz z harmonicznymi do 39. włącznie) oraz sygnały o wielkiej częstotliwości, powyżej 9 kHz do 300 GHz, z tym że praktycznie jest to obecnie ograniczone do ok. 40 GHz, a mocno eksploatowany jest przedział do kilku GHz.

Zaburzenia elektromagnetyczne mogą być klasyfikowane jako szerokopasmowe (BB - broad band), jeśli obejmują kilka oktaw lub dekad częstotliwości i wąskopasmowe (NB - narrow band), jeśli ograniczone są do stosunkowo wąskiego przedziału częstotliwości. Określenia szeroko- lub wąskopasmowy można użyć także przy porównaniu przedziału częstotliwości zajmowanego przez zaburzenie EM i przedziału częstotliwości obejmowanego przez przyrząd pomiarowy np. analizator widma.

Intensywność zaburzeń przewodzonych (konduktywnych) określa się, podając ich poziom mocy lub amplitudy prądów i napięć - jeśli są to przebiegi okresowe (harmoniczne), a jeśli są to przebiegi impulsowe - to np. wartość szczytową lub średniokwadratową albo wartości ważone, wynikające z zastosowanego detektora na wejściu miernika. takie jak np. wartość quasi-szczytową lub średnią. Natomiast w przypadku zaburzeń promieniowanych podaje się zwykle natężenie związanych z nimi pól elektromagnetycznych - elektrycznego E w mV/m lub dBµV/m i magnetycznego H w dBµA/m.

Wybór pomieszczenia i skompletowanie wyposażenia do badań

Przyjąć można, że ze wspomnianych wyżej względów ekonomicznych badania wstępne EMC nie będą prowadzone w pomieszczeniach (komorach) izolowanych od środowiska, z regulowanymi warunkami otoczenia. Rzadko też dostępna będzie kabina ekranująca (klatka Faradaya). Dlatego do badań poszukać należy zwyczajnego pomieszczenia, ale z małymi poziomami sygnałów w.cz. np. w podziemnej części budynku lub na parterze, najlepiej bez okien lub nie w ich pobliżu i z dala od ścian frontowych budynku i do tego w pewnej odległości (na ogół 3 lub 5 m) od takich źródeł zaburzeń, jak klimatyzatory, kompresory, windy, konwertery mocy, elektronarzędzia. Do zasilania wykorzystać należy tzw. czystą linię, czyli linię nieobciążoną odbiornikami generującymi silne zaburzenia EM, a w przypadku napięć stałych - zespół baterii lub akumulatorów na napięcie 12 lub 24 V.

Do badań powinien być dostępny oscyloskop z sondami pomiarowymi - aby można było śledzić charakterystyki czasowe przebiegów i/lub analizator widma - aby można było otrzymać charakterystyki częstotliwościowe. Jeśli czułość tych przyrządów pomiarowych, istotna przy obserwacji przebiegów o niskich poziomach, byłaby niewystarczająca, to pomyśleć również należy o szerokopasmowym przedwzmacniaczu o małych szumach. Inne właściwości przyrządów pomiarowych wynikają z właściwości i rodzaju sygnałów, których wystąpienia można się spodziewać podczas badań.

Analizator widma powinien mieć wewnętrzny generator śledzący (tracking generator). Z jego pomocą można kontrolować charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe przyrządów dwuwrotnikowych np. sond pomiarowych, oceniać straty w kablach i efektywność ekranowania. Do pomiaru prądów w szerokim zakresie częstotliwości stosuje się sondy prądowe, stanowiące swego rodzaju transformatory, w których pierwotne uzwojenie tworzy pierścieniowy rdzeń ferrytowy, przez który przepuszcza się (przewleka) badany przewód z prądem, a obwód wtórny stanowi niewielka cewka pomiarowa nawinięta na tym rdzeniu.

W cewce tej indukuje się napięcie proporcjonalne do prądu przepływającego przez badany przewód. Do kontroli emisji przewodzonych przydatny jest obwód sieci sztucznej (AMN - artificial mains network), znany również jako obwód stabilizacji impedancji linii (LISN - line impedance stabilization network), gdyż oprócz filtracji sygnałów zasilających (jako filtr dolnoprzepustowy), w dość szerokim zakresie częstotliwości (od poniżej 1 MHz do powyżej 10 MHz) stabilizuje impedancję linii na poziomie ok. 50 Ω.

Typowa sieć sztuczna, nazywana od wartości tworzących ją elementów biernych siecią 50 µH/50 Ω lub siecią 50 µH/50 Ω + 5 Ω, opisana została w publikacji CISPR 16-1 (CISPR - International Special Committee on Radio Interference). Sieci LISN na prądy zasilania, zwykle do 30 A, są produkowane przez różne firmy wytwarzające urządzenia pomiarowe. Przy instalacji stanowiska badawczego potrzebny jest ponadto dobrej jakości kabel koncentryczny z gęstym oplotem lub kabel z podwójnym oplotem, zakończone złączami BNC lub TNC albo typu N.

W wyposażeniu pomiarowym powinny się jeszcze znaleźć sondy pola bliskiego - do pomiaru składowej magnetycznej H i składowej elektrycznej E. W celu przypomnienia - przyjmuje się, że pole bliskie występuje w odległości mniejszej niż λ/2π od źródła sygnału, przy czym dla małej impedancji wewnętrznej źródła pole to ma dominującą składową magnetyczną, a przy dużej impedancji wewnętrznej - dominującą składową elektryczną. Chociaż sondy pola bliskiego można wykonać we własnym zakresie, to jednak lepiej skorzystać z szerokiej oferty handlowej, obejmującej obecnie sondy na zakres do kilku GHz.

Stanowisko do badań

Rys. 2. Szkic laboratoryjnego stanowiska do badań emisji przewodzonych

Badania emisji prowadzi się na wydzielonym stole pomiarowym, z reguły drewnianym, o wysokości 80 cm. Jest on ustawiany na podłodze na płaszczyźnie uziemiającej o wymiarach przynajmniej 2×2 m, wychodzącej co najmniej 0,5 m poza obrys stanowiska. Płyta (płaszczyzna) uziemiająca stanowi w układzie pomiarowym ziemię odniesienia (GRP) i odgrywa ważną rolę ze względów bezpieczeństwa.

Płaszczyznę uziemiającą można wykonać z arkusza blachy miedzianej, aluminiowej lub ze stali nierdzewnej. Szkic stanowiska z zaznaczeniem badanego urządzenia i przyrządu pomiarowego oraz urządzeń pomocniczych i przykładowego sposobu ich rozmieszczenia, bazujący na opisach w normach EMC, przedstawiono na rysunku 2.

W książce M. Mardiguiana pt. "EMI Troubleshooting Techniques" zaproponowano nieco prostszą konfigurację stanowiska do badań emisji przewodzonej. Badane urządzenie (EUT) wraz z innymi urządzeniami pomocniczymi i przyrządami pomiarowymi ustawia się na arkuszu blachy metalowej lub na dostatecznie grubej i wytrzymałej mechanicznie folii metalowej o odpowiednich rozmiarach, położonej na drewnianym stole laboratoryjnym.

Rys. 3. Stanowisko podręczne do badania emisji przewodzonych

Metalowa płaszczyzna ze względów bezpieczeństwa powinna być połączona z lokalnym uziemieniem w sieci zasilającej prądu przemiennego. Przewody połączeniowe w stanowisku do badań powinny być ułożone w pewnej odległości np. 5 cm od metalowej płaszczyzny odniesienia (rys. 3), aby obniżyć indukowanie zaburzeń przez zewnętrzne pola EM.

Jeśli badane urządzenie jest stosunkowo duże i przeznaczone do ustawienia na podłodze, wówczas instalację stanowiska do badań należy odpowiednio zmodyfikować, kierując się wskazówkami zawartymi w normie PN-EN 55022 (CISPR 22).

Badane urządzenie powinno pracować kolejno w przewidzianych dla niego trybach pracy (a co najmniej w trybie najtrudniejszym lub podstawowym). Należy także przewidzieć możliwość częściowego demontażu obudowy tak - aby przy zachowaniu dostatecznej ostrożności - można było przeanalizować generowanie zaburzeń w niektórych modułach funkcjonalnych.

Badanie emisji przewodzonych i promieniowanych

Rys. 4. Występowanie prądów różnicowych I_DM i prądów wspólnych I_CM

Generowanie zaburzeń EM przewodzonych (konduktywnych), rozprzestrzeniających się przez przewodzenie wzdłuż kabli, linii transmisyjnych i sieci wewnętrznych połączeń, kontroluje się w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30-50 MHz. Zaburzenia z tego zakresu częstotliwości są często związane z pracą impulsowych systemów zasilania (SMPS). Należy także pamiętać o przedziale częstotliwości od 50 Hz do 2 kHz, obejmującym częstotliwość sieciową i jej harmoniczne.

Choć ściśle rzecz biorąc nie mamy tu do czynienia ze zjawiskiem emisji, to ze względu na małe częstotliwości obecność harmonicznych uwzględnia się zwykle w tej grupie zaburzeń. Harmoniczne wprowadzane są do sieci zasilającej w przypadku występowania nieliniowych obciążeń, takich jak prostowniki lub zasilacze impulsowe, pobierające prąd nie tylko na częstotliwości podstawowej, lecz także na częstotliwościach harmonicznych. Prądy o częstotliwościach harmonicznych płynące w systemie zasilania mogą powodować odkształcenie przebiegu napięcia zasilania.

Dopuszczalne poziomy harmonicznych i metody ich kontroli podane są w normie PN-EN 61000-3-2. W miarę skuteczną metodą obniżenia poziomu harmonicznych jest linearyzacja układu np. przez zwiększenie obciążenia rezystancyjnego, ale lepszym rozwiązaniem jest wprowadzenie modułu korekcji współczynnika mocy (PFC - power factor correction), który w formie układu scalonego można zwykle dobrać z bogatej oferty firm półprzewodnikowych. Prądy występujące w układzie elektrycznym dzieli się na różnicowe (DM - differential mode) - pożądane w układzie i wspólne (CM - common mode) - niepożądane, rysunek 4.

Zaburzenia różnicowe (inaczej symetryczne) są związane z występującymi w układzie sygnałami użytecznymi (roboczymi). Przyczyną powstawania zaburzeń różnicowych DM w obwodach z przewodem dosyłowym i powrotnym (np. fazowy i neutralny lub + i -) są różnice potencjału pomiędzy tymi przewodami (brak balansu). Powoduje to wytworzenie pętli układowych, działających jak miniaturowe anteny ramowe (rys. 4).

Rys. 5. Pomiar prądów w parze przewodów: a) wspólnych I_CM, b) różnicowych I_DM

Przepływający prąd generuje pole EM, którego natężenie jest proporcjonalne do powierzchni pętli, kwadratu częstotliwości przebiegu prądowego i wartości prądu (E~Af2I_DM). Natomiast zaburzenia wspólne (inaczej wzdłużne lub niesymetryczne) CM są przebiegami niepożądanymi, które powstają w obwodach zawierających przewody i magistrale transmisyjne doprowadzające sygnały użyteczne do badanego układu. Wszystkie prądy powrotne od tych połączeń przepływają wówczas przez masę układu elektrycznego, stanowiącą płaszczyznę odniesienia.

Pojawienie się niepożądanych spadków napięć związanych np. z różnicą potencjału między płaszczyzną odniesienia (lokalną masą) a masą całego układu lub obudową urządzenia może powodować generowanie tego rodzaju zaburzeń. Drogi przepływu prądów wspólnych, jako sygnałów w.cz., są trudne do przewidzenia, gdyż zależą od częstotliwości, amplitudy i fazy sygnału oraz od elementów pasożytniczych w układzie, głównie pojemnościowych. Rozróżnienie i pomiar prądów różnicowych I_DM i wspólnych I_CM można przeprowadzić za pomocą sondy prądowej, rysunek 5.

Prądy wspólne są - jak już wspomniano - przebiegami o większej częstotliwości, powstającymi przy stosunkowo długich odcinkach przewodów lub kabli, które można zamodelować jako anteny dipolowe, generujące pole EM o natężeniu proporcjonalnym do długości anteny, częstotliwości i wartości prądu (E~LfI_CM). Podsumowując: zaburzenia przewodzone różnicowe są zwykle związane z przebiegami nieustalonymi o małej częstotliwości na liniach zasilania, podczas gdy zaburzenia wspólne zależą na ogół od wewnętrznych obwodów przełączających, systemów taktowania (zegarowych), zastosowanych linii transmisyjnych i interfejsów oraz wewnętrznych sprzężeń.

Rys. 6. Charakterystyka częstotliwościowa zaburzeń przewodzonych w zakresie 150 kHz - 30 MHz, uzyskana za pomocą analizatora widma

W celu zmniejszenia błędów w pomiarze wielkości prądów pamiętać należy o minimalizowaniu wpływu otaczającego środowiska (wybór pomieszczenia). Stosowaną czynnością kontrolną powinno być chwilowe wyłączanie badanego urządzenia (jego zasilania) i sprawdzenie, jaki to ma wpływ na wyniki pomiarów. Jeśli wykorzystuje się analizator widma, to w pierwszej fazie badania zaleca się użycie detektora quasi-szczytowego, co pozwoli szybciej wykryć przedziały częstotliwości, w których może wystąpić generowanie zaburzeń przewodzonych o wyższych poziomach. Przykładowy przebieg częstotliwościowej charakterystyki zaburzeń przewodzonych pokazano na rysunku 6 (kolorem czerwonym wyróżniono impulsy przekraczające dopuszczalny poziom).

Jeśli chodzi o emisje niepożądanego promieniowania w.cz. (RF), a więc o zaburzenia promieniowane z różnego rodzaju urządzeń elektronicznych, to obserwuje się je w szerokim paśmie częstotliwości od 100 kHz do 300 GHz. W praktyce i w powiązaniu z istniejącymi dokumentami normalizacyjnymi zakres ten należy określić jako od 30 MHz do kilku, kilkunastu GHz.

Znormalizowane pomiary na zgodność z wymaganiami kompatybilności EMC zakładają ich prowadzenie w kontrolowanym środowisku i za pomocą anten oddalonych np. 3 lub 10 m od źródła promieniowania. Takiego wyposażenia raczej nie ma przy stosunkowo prostych i oszczędnych badaniach wstępnych EMC. Jednakże niezwykle przydatną, zwłaszcza dla celów wstępnych badań EMC i zadań diagnostycznych, lokalizację źródeł zaburzeń promieniowanych przeprowadzić można za pomocą sond pola bliskiego - dla składowej elektrycznej E i magnetycznej H.

Rys. 7. Sonda magnetyczna, jej uproszczony schemat zastępczy i ilustracja zastosowania z analizatorem firmy Agilent

Sondy takie dołącza się do oscyloskopu lub analizatora widma, aby uzyskać pożądaną charakterystykę źródła promieniowanych zaburzeń w dziedzinie czasu lub częstotliwości. Do celów diagnostycznych częściej przydaje się sonda pola magnetycznego, pozwalająca wykrywać ścieżki przepływu prądu z dużymi wartościami di/dt, rysunek 7.

Poza przewodami łączącymi różne obwody elektryczne, w których przepływają sygnały robocze, sondę magnetyczną wykorzystuje się jako element detekcyjny ("węszący", ang. sniffer), przemieszczany i ustawiany kierunkowo w pobliżu otworów w obudowie lub ekranach, w miejscu wprowadzania kabli i przewodów itp. Przesuw sondy nad płytką PCB, modułem funkcjonalnym lub małym urządzeniem może zostać zautomatyzowany.

Pozwala to na wykonanie wielu pomiarów wg założonej siatki pomiarowej. Na jej podstawie uzyskać można barwne mapy pokazujące rozkład poziomów promieniowania EM. Takie urządzenia pomiarowe znane są jako skanery pola EM i są dostępne w sprzedaży. Przykład rozkładu promieniowania nad płytką PCB, uzyskany na skanerze współpracującym z sondą składowej H, pokazano na rysunku 8. Obszar o kolorze żółtym odpowiada największej intensywności promieniowania.

Badanie odporności (podatności) urządzenia na narażenia zewnętrzne

Rys. 8. Rozkład składowej magnetycznej H pola EM nad płytką drukowaną, wykonany za pomocą skanera Detectus (rozdzielczość 10 kHz, częstotliwość maks. 96 MHz)

W przypadku badań odporności urządzenia na narażenia zewnętrzne miejsce i warunki środowiskowe odgrywają mniejszą niż poprzednio rolę. Badane urządzenie powinno pracować w sposób ciągły, realizując przepisane funkcje np. w pętli programowej. Moment zaistnienia zakłóceń w tej pracy, spowodowany zaburzeniami EM, powinien być natychmiast sygnalizowany np. optycznie lub akustycznie, najlepiej bez potrzeby dołączania z zewnątrz dodatkowych urządzeń.

W tej grupie badań zaleca się bowiem ograniczenie liczby współpracujących urządzeń pomocniczych i ich oddzielne zasilanie. Połączenia przenoszące sygnały sterujące, kontrolne lub inne powinny być starannie ekranowane albo wykonane w postaci linii światłowodowych. Przy ocenie odporności bierze się pod uwagę zarówno zaburzenia reprezentowane przez pola elektromagnetyczne jak i te, które dochodzą do urządzenia przez przewody i kable przyłączeniowe. Bada się zwykle:

• odporność na pole RF (wielkiej częstotliwości),
• odporność na pole magnetyczne,
• odporność na zaburzenia przewodzone RF,
• odporność na przebiegi impulsowe szybkie typu EFT (electrical fast transients) w formie paczek impulsów (burst),
• odporność na zaburzenia w zasilaniu (przerwy napięcia, zapady),
• wyładowania elektrostatyczne ESD.

Nie wszystkie z tych testów należy wykonywać w ramach badań wstępnych EMC. Trzeba jednak zwykle brać pod uwagę co najmniej sprawdzenie odporności na zaburzenia impulsowe i wyładowania ESD. Szerokie pasmo częstotliwości zaburzeń impulsowych, rzędu kilkudziesięciu MHz, sprawia, że narażenie to pozwala ujawnić słabe strony układów zarówno cyfrowych, jak i analogowych. Zaburzenie to symuluje mogące się pojawiać w układach niepożądane sygnały związane z przełączaniem różnych obwodów.

Wobec tego narażenia te należy podawać nie tylko na linie zasilania, lecz także na przewody i kable przenoszące sygnały kontrolne i z danymi. Narażenia impulsowe mają charakter sygnałów wspólnych CM. Nakłada się je (wstrzykuje) standardowo przy użyciu obwodów sprzęgająco/odsprzęgających CDN (nieco podobnych do obwodów stabilizacji impedancji LISN). Samo sprzężenie generatora sygnałów EFT/Burst z badanymi liniami odbywa się przez pojemność rzędu 50-250 pF.

Mogą do tego służyć specjalne cęgi sprzęgające, wytwarzane na różne średnice przewodów. Najprostszym rozwiązaniem jest owinięcie przewodu lub kabla metalową folią, orientacyjnie o wymiarach 30×50 cm i dołączenie do niej generatora impulsów. Seria szybkich impulsów nie pozwala na rozładowanie się wewnętrznych pojemności układowych, a przy stosunkowo dużych wartościach szczytowych impulsów (np. do 4 kV na liniach zasilania i do 2 kV na liniach we/wy) powoduje to wspomnianą już skuteczność w ujawnieniu ewentualnych wad w opracowanym urządzeniu i wystąpieniu zakłóceń w jego pracy.

Często na pierwszym miejscu wśród narażeń pomagających wykryć słabą odporność nowo opracowanego urządzenia na zaburzenia zewnętrzne jest, obok zaburzeń impulsowych, wyładowanie elektrostatyczne ESD. Krótki czas narastania impulsu wyładowczego (< 1 ns) powoduje, że przebieg zaburzający ma szerokie widmo częstotliwości, ponad 300 MHz.

Ponadto wystąpieniu tego zaburzenia towarzyszy generowanie silnego pola EM. Czynniki te stanowią ostry sprawdzian dla konstrukcji obudowy urządzenia i zastosowanego ekranowania obwodów (łącznie z wykorzystaniem uszczelek EM), a także dla doboru i rozplanowania elementów na płytkach PCB i użytych zabezpieczeń ESD. Do tego dochodzi jeszcze sprawdzenie jakości wykonawstwa różnych połączeń - od strony elektrycznej i mechanicznej.

Rys. 9. Sposoby prowadzenia wyładowań ESD

Wyładowanie ESD prowadzi się za pomocą odpowiedniego generatora (pistoletu), wytwarzającego wymagany impuls, symulujący zaburzenie powstające w rzeczywistych sytuacjach. Wyładowanie przeprowadza się, kontaktując ostrze generatora z obudową lub inną metalową płaszczyzną w urządzeniu niepokrytą lakierem izolacyjnym albo wywołując wyładowanie przez powietrze (rys. 9). Podobnie jak przy badaniach emisji, urządzenie umieszcza się na drewnianym stole o wysokości 80 cm, oddzielając go od tego stołu metalową poziomą płaszczyzną sprzęgającą i warstwą izolującą.

Stół ustawia się, z kolei, na większej powierzchniowo uziemiającej płaszczyźnie odniesienia. Badanie rozpoczyna się od najniższych wartości szczytowych impulsu, np. 2 kV, powtarzanego kilka, kilkanaście razy w ciągu 1 s. Uwzględnić trzeba obydwa rodzaje polaryzacji. Napięcie wyładowania zwiększa się stopniowo, na ogół co 2 kV, do wartości powodującej wystąpienie uszkodzenia lub do przewidzianej wartości maksymalnej, zwykle 8 kV dla wyładowania kontaktowego i 15 kV dla wyładowania przez powietrze.

Ze względu na "ostre" impulsy, instalacja stanowiska badawczego powinna odpowiadać wymaganiom właściwym dla przebiegów w.cz. Dotyczy to m.in. rozłożenia przewodów połączeniowych i uziemień. W tym ostatnim przypadku zaleca się przykładowo, aby przewód uziemiający od generatora (pistoletu) ESD był dołączony do uziemienia po tej samej stronie urządzenia badanego, gdzie prowadzi się wyładowanie. Badania odporności na wyładowania ESD należy wykonywać z dużą ostrożnością, bo łatwo mogą one doprowadzić do uszkodzenia badanego urządzenia. Zaleca się, by prowadzący badanie miał pewną praktykę w tym zakresie.

W szwajcarskiej firmie Haefely opracowano modułowy generator standardowych narażeń Axos. Możliwy jest indywidualny wybór odpowiednich modułów generujących następujące przebiegi: udar 1,2/50 µs...8/20 µs (wg PN-EN-61000-4-5), seria szybkich impulsów EFT/Burst (według PN-EN-61000-4-4), zapady i przerwy w napięciu zasilającym (wg PN-EN 6111-4-11), impulsowe pole magnetyczne (wg PNEN-61000-4-9), przebieg falowy tłumiony (wg PN-EN 61000-4-12), przebieg falowy typu Telecom 10/700 µs (wg PN-EN-61000-4-5). W przypadku urządzeń, które powinny być odporne na tego rodzaju narażenia, generator ten może być użyteczny również w trakcie badań wstępnych EMC. Podobne moduły funkcjonalne lub kompleksowe urządzenia są także oferowane przez inne firmy specjalizujące się w oprzyrządowaniu do badań EMC (np. firma Teseq).

Warto jeszcze wspomnieć o badaniu odporności na zaburzenia promieniowane w.cz., realizowanym przez zastosowanie zastępczej metody wstrzykiwania prądu lub napięcia. Bardziej znany jest sposób polegający na objętościowym wstrzykiwaniu prądu BCI (bulk current injection). Do przewodów lub kabli połączonych z badanym urządzeniem wstrzykuje się prąd odpowiadający temu, który byłby indukowany przez zewnętrzne pole w.cz. Sprzężenie z szerokopasmowym generatorem sinusoidalnym następuje za pomocą cęgów prądowych, stanowiących transformator prądowy o słabym sprzężeniu. W wyposażeniu stanowiska badawczego należy jeszcze przewidzieć wzmacniacz mocy szerokopasmowy np. 0,1 do 300 MHz, sondę prądową, uchwyt kalibracyjny, kabel obciążający 50 Ω, sieć LISN oraz analizator widma. Tak więc pomimo pewnego uproszczenia procedury badań ta metoda zastępcza wymaga jednak dość znacznych nakładów na wyposażenie i staranności w wykonaniu. Zaletą jest możliwość przeprowadzenia badania bez specjalnych komór bezodbiciowych.

Nowe przyrządy pomiarowe usprawniające badania EMC

Rys. 10. Obraz badanego przebiegu w dziedzinie czasu i częstotliwości wraz ze wskaźnikiem czasu spektralnego, pozwalającego "przewinąć" spektrum (widmo częstotliwości) w ustalonym przedziale czasu analogowego

We wstępnych badaniach zgodności z wymaganiami EMC, przy lokalizacji źródeł zaburzeń EM oraz przy ocenie skuteczności środków stosowanych do obniżenia emisji zaburzeń EM i podwyższenia odporności na zaburzenia EM, wykorzystuje się powszechnie analizatory widma, oscyloskopy i wektorowe analizatory sygnału.

Stosowane wcześniej analizatory widma miały budowę podobną do radioodbiorników superheterodynowych, w których następuje przemiana częstotliwości wskutek mieszania odbieranego sygnału w.cz. z przebiegiem otrzymanym ze strojonego lokalnego generatora. Te analizatory z przemiataniem częstotliwości mają dobrą dynamikę i czułość. Pozwalają one uzyskać zależność amplitudy badanego sygnału od częstotliwości.

Przy ustawieniu sposobu pracy z zerowym rozciągiem (zero span mode) można w wybranym punkcie dokonywać obserwacji zmian badanego sygnału w czasie. Nowe rodzaje analizatorów widma, znane jako analizatory RTSA (Real Time Spectrum Analyser), pracują w czasie rzeczywistym i działają na innej zasadzie. Mają one przetwornik A/C do tworzenia próbek badanego sygnału w.cz. w dziedzinie czasu. Po konwersji do zespolonego formatu I-Q, uwzględniającego wielkość i kąt fazowy analizowanego sygnału, próbki te są poddawane dalszej obróbce i przetwarzaniu w procesorze DSP.

Wykorzystuje się każdą próbkę niosącą informację o wielkości i fazie badanego sygnału. Analizator RTSA jest porównawczo znacznie szybszy niż wspomniany powyżej analizator z przemiataniem częstotliwości i wąskim przedziałem rozdzielczości RBW (resolution bandwidth). Za pomocą analizatora RTSA można prowadzić skorelowaną wewnętrznie analizę sygnału w trzech dziedzinach - częstotliwości, amplitudy i fazy - w funkcji czasu. Marker ustawiony na przebiegu w jednej dziedzinie przenoszony jest automatycznie do innej dziedziny.

Cennym przyrządem do rozwiązywania różnych problemów EMC, użytecznym także w badaniach wstępnych EMC, pozostaje oscyloskop. Jego uniwersalność zwiększają wprowadzane nowe rozwiązania. Należy do nich m.in. cyfrowy system wyzwalania RTO zaproponowany przez firmę Rohde & Schwarz. Oscyloskopy R&S RTO mają dzięki temu krótszy czas martwy, pozwalają na precyzyjne określanie czasu wyzwolenia i analizę historii zdarzeń związanych z mierzonymi przebiegami.

Inne udoskonalenie przedstawiają oscyloskopy z mieszanymi sygnałami MSO (mixed signal oscilloscope). Przykładowo seria oscyloskopów 4000 X firmy Agilent zapewnia odświeżanie sygnałów aż 1 mln razy na sekundę, ma zintegrowany 16-kanałowy analizator stanów logicznych i 2-kanalowy 20-megahercowy generator funkcyjny/arbitralny (o dowolnym przebiegu) oraz pasmo do 1,5 GHz. Za imponujące osiągnięcie uznać można oscyloskop z mieszanymi domenami MDO (mixed-domain oscilloscope), opracowany w firmie Tektronix.

Jest to złożony od strony elektrycznej przyrząd zawierający analizator widma i kanały oscyloskopu analogowego oraz kanały cyfrowe (cyfrowego analizatora logicznego) - skorelowane czasowo na wszystkich wejściach. Oscyloskop MDO natychmiastowo "ucyfrawia" badany przebieg w zakresie pełnego pasma częstotliwości. To, z kolei, umożliwia w wybranym miejscu przebiegu globalne wyzwalanie na wszystkich kanałach. Ta właściwość jest oczywiście bardzo korzystna przy diagnostyce EMC.

W szczególności istotną zaletą oscyloskopów Tektronix serii MDO4000 jest możliwość wykonywania pomiarów skorelowanych czasowo w dziedzinie czasu i dziedzinie częstotliwości, przy czym pomiary te obejmować mogą sygnały analogowe, cyfrowe i wielkiej częstotliwości RF. Obserwacja i pomiary sygnałów w.cz., w tym sygnałów modulowanych, jest obecnie ważnym zadaniem wynikającym z rozwoju łączności bezprzewodowej.

Na rysunku 10 przedstawiony został wygląd ekranu w oscyloskopie MDO firmy Tektronix. Badany sygnał jest prezentowany zarówno w dziedzinie czasu, jak i w dziedzinie częstotliwości. Uzyskanie obu tych przebiegów opiera się na wykorzystaniu czasu spektralnego. Jego występowanie w rozwinięciu przebiegów jest wskazywane przez prostokątny żółty (oryginalnie pomarańczowy) wskaźnik, zaznaczony na fotografii. Pozwala on odnieść czas widmowy do czasu analogowego pokazanego na osi poziomej.

Koincydencja zdarzeń obserwowanych na różnych kanałach oscyloskopu i w różnych dziedzinach znacznie ułatwia identyfikację źródeł zaburzeń i skraca czas badań. Za przykład skutecznych zastosowań oscyloskopów MDO w tego rodzaju badaniach służyć mogą pracujące impulsowo zasilacze i wzmacniacze klasy D, interfejsy USB, urządzenia szerokopasmowe z zakresem gigahercowym i różne urządzenia telekomunikacyjne.

Wnioski końcowe

Wstępne badania na zgodność z wymaganiami EMC, przeprowadzone według dobrze przemyślanego planu i wykorzystane w ostatecznym wykonaniu nowo opracowywanego urządzenia, mogą następnie zapewnić pozytywny wynik w formalnych pełnych badaniach w laboratorium EMC. Nie można się przy tym zrażać ewentualną pierwszą porażką, bo zdobyte doświadczenie własne i to zgromadzone podczas kontaktów z fachowym personelem laboratorium EMC będzie podstawą sukcesów w dalszych działaniach.

Jerzy F. Kołodziejski