Systemy elektroniczne odgrywają obecnie kluczową rolę w niemal każdym aspekcie życia codziennego, a ich nieprzerwana, bezawaryjna praca staje się czynnikiem krytycznym zarówno z punktu widzenia użytkowników indywidualnych, jak i funkcjonowania całego społeczeństwa. Skomplikowane systemy o wysokim stopniu automatyzacji, powszechnie wykorzystywane m.in. w transporcie, przemyśle, telekomunikacji oraz wielu innych dziedzinach życia, są szczególnie wrażliwe na jakiekolwiek anomalie w funkcjonowaniu układów elektronicznych, zaś skutki tego typu zdarzeń mogą być odczuwalne na poziomie całych społeczności.
Z punktu widzenia projektanta, idealny układ elektroniczny powinien spełniać dwa fundamentalne warunki – samemu nie stanowić aktywnego źródła zakłóceń elektromagnetycznych (EMI/RFI), a także cechować się wysoką odpornością na zakłócenia, które mogą być obecne w jego otoczeniu.
O ile ograniczanie emisji własnej (emisji promieniowanej i przewodzonej) jest zagadnieniem stosunkowo dobrze opanowanym i w wielu przypadkach możliwym do osiągnięcia dzięki zastosowaniu powszechnie znanych technik, takich jak filtrowanie linii zasilających, konstrukcja niskoszumowych układów zasilania, optymalizacja topologii PCB oraz wykorzystanie ekranowania, o tyle zapewnienie odporności układu na zakłócenia zewnętrzne w wielu przypadkach wciąż pozostaje sporym wyzwaniem dla projektantów i konstruktorów.
Zakłócenia mogą być sprzęgane z układem drogą przewodzoną (linia zasilająca, sygnałowa, uziemienie), pojemnościową, indukcyjną lub poprzez promieniowanie elektromagnetyczne. W praktyce największe trudności inżynierskie sprawiają zakłócenia przewodzone przez linie sygnałowe, które mają bezpośredni kontakt z układami wejściowymi, charakteryzującymi się z reguły wysoką czułością.
Zagrożenia i potencjalne negatywne skutki oddziaływania zakłóceń elektromagnetycznych podzielić można na dwa rodzaje:
- Trwałe lub czasowe uszkodzenie komponentów/ podzespołów układu, a także związana z tym destabilizacja pracy sprzętowej (hard fault),
- zakłócenia logiczne powodujące błędne wykonanie algorytmu lub naruszenie integralności danych (soft fault).
Ochrona przed zagrożeniami pierwszego rodzaju realizowana jest głównie na poziomie warstwy sprzętowej, np. poprzez zastosowanie ochrony przepięciowej, separacji galwanicznej, filtracji i uziemień. Drugi typ wymaga zaś odpowiednich zabiegów po stronie oprogramowania, takich jak korzystanie z algorytmów detekcji i korekcji błędów transmisji (watchdogi, CRC) czy kontrolę integralności kodu programu.
Dokumenty standaryzacyjne oraz wytyczne
W uznaniu znaczenia problematyki zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) instytucje normalizacyjne i organy rządowe już we wczesnym etapie rozwoju elektroniki podjęły działania mające na celu zapewnienie kompatybilności urządzeń poprzez wdrożenie odpowiednich regulacji. Efektem tych działań są międzynarodowe normy EMC, których celem jest zarówno ograniczenie własnej emisji zakłóceń, jak i zapewnienie odporności na zakłócenia zewnętrzne.
Jedną z kluczowych serii norm jest IEC 61000-4, która definiuje metody badania odporności urządzeń elektronicznych na różne typy zaburzeń elektromagnetycznych. W kontekście ochrony przed zakłóceniami szczególne znaczenie mają:
- IEC 61000-4-2 – opisuje procedury testowania odporności na wyładowania elektrostatyczne (ESD),
- IEC 61000-4-4 – dotyczy odporności na szybkie stany przejściowe (FTB – Fast Transient Burst), typowe np. dla komutacji ładunków indukcyjnych,
- IEC 61000-4-5 – określa metody testowania odporności na przepięcia energetyczne (SURGE), występujące m.in. w wyniku uderzeń piorunów lub przełączeń w sieciach energetycznych.
Wszystkie powyższe normy wykorzystują modelowe źródła zakłóceń opracowane na podstawie rzeczywistych scenariuszy zakłóceniowych, co pozwala na wiarygodną ocenę zachowania układu w warunkach zaburzeń elektromagnetycznych.
Podstawowe zasady konstrukcyjne
Już na wczesnym etapie projektowania systemu, przed podjęciem ostatecznej decyzji dotyczącej rodzaju i liczby zastosowanych środków ochronny, należy stosować się do kilku podstawowych zasad i dobrych praktyk z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej:
- Należy zadbać o to, aby problematyka ochrony EMI od początku była integralną częścią procesu projektowania układu, nie zaś działaniem podejmowanym i dyskutowanym na późnym etapie cyklu projektowego, w odpowiedzi na już zaistniałe problemy.
- Zakłócenia powinny być blokowane jak najbliżej ich źródła, najlepiej zanim dotrą do wnętrza urządzenia; należy je przekierować możliwie bezpośrednio do potencjału odniesienia (płaszczyzny masy układu).
- Wszystkie sekcje układu narażone na oddziaływanie EMI, w tym również te odizolowane galwanicznie, powinny być fizycznie separowane od wrażliwych torów sygnałowych.
Ponieważ układy sygnałowe bardzo często nie są w stanie poradzić sobie z impulsami o napięciu rzędu kilowoltów, zaburzenia tego typu muszą być skutecznie eliminowane już na wejściu systemu, poprzez skierowanie ich możliwie krótką ścieżką do płaszczyzny masy. Prądy pętli masy, które mogą przedostawać się do interfejsów komunikacyjnych i rozprzestrzeniać się po całym układzie, są często eliminowane poprzez zastosowanie izolacji galwanicznej. Jest ona szczególnie skuteczna w przypadku linii długich oraz w środowiskach przemysłowych, gdzie pętle masy mogą osiągać znaczące natężenia.
Przykładowo, wygenerowany przez zakłócenia elektromagnetyczne impuls prądowy o amplitudzie 30 A może wywołać jedynie niewielki spadek napięcia o charakterze rezystancyjnym na ścieżce masy, np. rzędu dziesiątek miliwoltów. Jednak z uwagi na ekstremalnie strome zbocze tego impulsu, mogące przekraczać wartość 30 A/ns, spadek napięcia o charakterze indukcyjnym może sięgać kilkuset woltów (przy założeniu indukcyjności ścieżki rzędu 1 nH/cm), co w zupełności wystarczy do wygenerowania błędów logicznych i przekłamania transmisji danych. Przy wysokiej częstotliwości płynącego prądu w płaszczyźnie masy może również wystąpić zjawisko efektu naskórkowego, które istotnie zwiększa efektywną rezystancję przewodnika, ze względu na to, że prąd płynie jedynie w bardzo cienkiej warstwie powierzchniowej (o grubości rzędu kilku mikrometrów). Aby temu przeciwdziałać, połączenia układy do masy powinny cechować się dużą powierzchnią przewodzącą, co pozwala obniżyć impedancję połączenia.
Bardzo krótkie czasy narastania impulsów mogą również prowadzić do przenikania zakłóceń pomiędzy izolowanymi galwanicznie obszarami obwodu, wskutek oddziaływania sprzężenia pojemnościowego pomiędzy poszczególnymi obwodami.
Typy komponentów ochronnych
W systemach elektronicznych narażonych na zakłócenia EMI kluczowe znaczenie ma właściwy dobór i rozmieszczenie elementów ochronnych. Poniżej przedstawiono charakterystykę najczęściej stosowanych komponentów ograniczających przepięcia i tłumiących zakłócenia.
- Gazowy ogranicznik przepięć (GDT – Gas Discharge Tube) – ogranicznik przepięć GDT to element o konstrukcji zbliżonej do kondensatora, wypełniony gazem (często neonem). Po przekroczeniu napięcia progowego (z reguły rzędu 100 V) następuje jonizacja gazu, tworząca plazmę zdolną do przewodzenia dużych prądów oraz ograniczania napięcia do bezpiecznych poziomów. Elementy te skutecznie absorbują impulsowe przepięcia o wysokiej energii, jednak z uwagi na opóźnienie zapłonu plazmy nie nadają się do tłumienia szybko narastających impulsów (FTB, ESD). Nie są zalecane do ochrony sieci zasilających oraz aplikacji z niską impedancją źródła. W warunkach normalnej pracy ich prądy upływu są znikome.
- Warystor – półprzewodnikowy rezystor o nieliniowej charakterystyce rezystancji, zazwyczaj wykonany z tlenków metali (głównie ZnO), w postaci niewielkiego krążka z elektrodami przymocowanymi po obu stronach. Działa w sposób zbliżony do diody Zenera – w przypadku wzrostu napięcia powyżej wartości progowej gwałtownie maleje jego rezystancja. W porównaniu z ogranicznikami GDT, warystory charakteryzują się znacznie szybszym czasem reakcji, ale również większymi prądami upływu w przypadku pracy w okolicach wartości napięcia progowego. Ich skuteczność energetyczna oraz niski koszt czynią je popularnym rozwiązaniem w przypadku potrzeby tłumienia impulsów o średniej mocy.
- Dioda TVS (Transil) – diody działające na zasadzie zbliżonej do warystora, jednak ze znacznie krótszym czasem reakcji. Z tego względu przeznaczone są przede wszystkim do ograniczania bardzo szybkich impulsów napięciowych. Pojedynczy transil jest w stanie w krótkim czasie (10 μs – 1 ms) pochłonąć setki watów lub kilka kilowatów mocy. Podobnie jak warystory, diody TVS generują znaczne prądy upływu w przypadku pracy w okolicach napięcia przebicia, a także charakteryzują się dużą pojemnością złącza, co może być problematyczne w przypadku szybkich systemów cyfrowych. W takich przypadkach stosuje się dodatkowe mostki diodowe lub separację układów.
- Zintegrowane układy ochronne ESD – gotowe układy ochrony ESD, implementowane bezpośrednio w strukturze scalonej, działają na zasadzie podobnej do diaków. Jest to stosunkowo nowe rozwiązanie. Ich cechy to mała pojemność, niewielkie prądy upływu oraz zdolność ochrony zarówno przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), jak i szybkimi impulsami (FTB). Coraz częściej integruje się je z układami komunikacyjnymi RS-232/RS-485 oraz multiplekserami analogowymi.
- Dławiki oraz koraliki ferrytowe – elementy indukcyjne (dławiki, koraliki ferrytowe) skutecznie tłumią zakłócenia o wysokiej częstotliwości oraz impulsy o stromym narastaniu, jednak nie są w stanie pochłaniać dużej energii. Kluczową cechą w przypadku tego typu komponentów jest częstotliwość rezonansu własnego (SRF – Self Resonant Frequency), powstała wskutek obecności pasożytniczej pojemności uzwojeń. Dławik należy stosować jedynie dla zakłóceń o częstotliwości poniżej jego wartości SRF – powyżej tej częstotliwości element działa jako pojemność, co może prowadzić do powstawania efektów rezonansowych. Dla zwiększenia skuteczności dławiki często łączone są z kondensatorami tłumiącymi w układach typu LC, np. w konfiguracji typu "T". Koraliki ferrytowe są szczególnie skuteczne w ochronie przed zakłóceniami różnicowymi i w filtrach sieciowych.
- Kondensatory ochronne – prawdopodobnie najpowszechniej stosowane elementy ochronne. Ich efektywność zależy od parametrów takich jak: rezystancja szeregowa (ESR), indukcyjność własna, maksymalne natężenie prądu oraz dopuszczalne napięcie pracy. Poprawne rozmieszczenie kondensatorów na PCB jest kluczowe – umożliwiają one tworzenie lokalnych ścieżek niskiej impedancji dla zakłóceń wysokoczęstotliwościowych, co skutkuje ich efektywnym odprowadzeniem do masy (funkcja filtracji dolnoprzepustowej). Każdy kondensator ma także własną częstotliwość rezonansową (SRF) – należy dobierać komponenty w taki sposób, aby SRF była znacznie wyższa niż pasmo zakłóceń, które ma być tłumione.
- Rezystory szeregowe w wielu przypadkach mogą stanowić skuteczne i tanie rozwiązanie ochronne, będące w stanie zastąpić droższe komponenty ze zbliżoną skutecznością, zwłaszcza w zakresie ochrony ścieżek sygnałowych.
Projektowanie PCB
Odpowiednia konstrukcja PCB odgrywa kluczową rolę w minimalizowaniu wpływu zakłóceń elektromagnetycznych. Szybkie zmiany sygnału prądowego generują pole magnetyczne, a gwałtowne zmiany napięć pole elektryczne, co może prowadzić do występowania niepożądanego sprzężenia między ścieżkami.
Sprzężenia elektromagnetyczne można znacznie ograniczyć poprzez zastosowanie odpowiedniego systemu uziemienia oraz ekranowania. Kluczowe znaczenie ma właściwe rozmieszczenie przelotek – zwłaszcza w pobliżu kondensatorów filtrujących, gdzie zaleca się stosowanie wielu przelotek, co pozwala ograniczyć zarówno rezystancję, jak i indukcyjność ścieżki uziemiającej.
Należy unikać tzw. pływającej masy, czyli punktu odniesienia napięcia masy o zmiennym potencjale elektrycznym – taka sytuacja sprzyja pojawianiu się zakłóceń. Ścieżki prowadzące sygnały wysokoczęstotliwościowe emitują sygnał elektromagnetyczny który może oddziaływać na inne obwody. Praktyka inżynierska wskazuje, że prowadzenie ścieżek sygnałowych pod kątem 90° względem siebie minimalizuje wzajemne sprzężenia między sygnałami. Ponadto poprawnie uziemiona i ekranowana obudowa urządzenia skutecznie ogranicza przenikanie sygnałów zewnętrznych do wnętrza systemu, pełniąc rolę ekranowania.
Przykładowy projekt ochronny – termopara
Na rysunku 1 oraz rysunku 2 przedstawiono przykład doboru środków ochrony EMI w układzie przeznaczonym do zbierania i przetwarzania sygnału pomiarowego z termopary. W celu eliminacji zniekształceń sygnału spowodowanych prądami pętli masy w tego typu obwodach powszechnie wykorzystuje się izolację galwaniczną pomiędzy układem pomiarowym a układem przetwarzania sygnału. Jak przedstawiono na rysunku 1, sygnał różnicowy jest kierowany poprzez multiplekser na wejście wzmacniacza instrumentalnego, a następnie przekształcany do postaci cyfrowej przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Dane cyfrowe z ADC są przenoszone przez barierę izolacyjną za pomocą sprzężenia optycznego lub magnetycznego.
Ochronę termopary można dość łatwo zapewnić poprzez zastosowanie prostego filtra dolnoprzepustowego RC na każdej elektrodzie – typowo z wykorzystaniem elementów o nominalnych wartościach 2 kΩ i 100 nF. Dodatkowo, kondensator o pojemności 1 nF i wysokiej wytrzymałości napięciowej łączy układ z płaszczyzną uziemienia. Kondensator ten skutecznie odprowadza zakłócenia ESD do masy, zachowując jednocześnie izolację galwaniczną dla prądów stałych. Tworzy on również pojemnościowy dzielnik napięcia, który ogranicza wartość szczytową napięcia w izolowanym zasilaczu. W celu dalszego ograniczenia napięć szczytowych można równolegle do kondensatora zastosować warystor o wysokim napięciu przebicia.
Rezystor 2 kΩ musi być odporny na wysokie napięcia (nawet ±8 kV) oraz zdolny do rozpraszania znacznych ilości energii. Prądy upływu pojawiające się na wejściach poszczególnych komponentów obwodu (przed barierą izolacyjną) mogą przepływać przez rezystory ochronne, powodując zakłócenia sygnału pomiarowego. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie wzmacniacza buforującego przed multiplekserem, zwiększa to jednak złożoność, rozmiar oraz koszt całego systemu.
Alternatywą dla powyższego rozwiązania może być skorzystanie z monolitycznego układu akwizycji sygnału, który zawiera przetwornik ADC, wzmacniacz buforujący, multiplekser oraz źródło prądowe do pobudzania czujnika (rys. 2).
Test odporności na wyładowania elektrostatyczne (ESD) — IEC 61000-4-2
Zgodnie z normą IEC 61000-4-2 test odporności na wyładowania elektrostatyczne realizowany jest za pomocą generatora impulsów wyposażonego w kondensator o pojemności 150 pF naładowany do wysokiego napięcia oraz rezystor szeregowy 330 Ω (rys. 3). Wyładowanie realizowane jest poprzez przełącznik i elektrodę testową, której kształt odpowiada palcowi ludzkiej dłoni, co ma na celu symulację rzeczywistego kontaktu użytkownika ze sprzętem.
Specyfikacja testowa rozróżnia dwa tryby wyładowania: wyładowanie kontaktowe oraz powietrzne.
W przypadku wyładowania kontaktowego, elektroda testowa (tzw. palec) dotyka powierzchni obudowy badanego urządzenia, później zaś następuje zamknięcie obwodu przez przełącznik, co powoduje rozładowanie energii zgromadzonej w kondensatorze. Napięcia testowe wynoszą kolejno: ±2 kV, ±4 kV, ±6 kV oraz ±8 kV. Rzeczywiste napięcie przykładane do badanego obiektu jest niższe z powodu spadku napięcia na rezystorze szeregowym spowodowane przepływem prądu. Przebiegi prądów zwarciowych generowanych w czasie wyładowania przedstawiono na rysunku 4.
W przypadku wyładowania powietrznego końcówka testowa jest szybko zblizbliżana do powierzchni izolacyjnej badanego urządzenia. Dla każdego poziomu napięcia testowego (±2 kV, ±4 kV, ±8 kV i ±15 kV) należy przeprowadzić co najmniej 10 wyładowań, zachowując minimum jednosekundowe odstępy czasowe pomiędzy kolejnymi impulsami. Celem tego badania jest identyfikacja najsłabiej chronionych punktów w obrębie obudowy urządzenia, zgodnie z wymaganiami normy dla danej klasy sprzętu.
Dodatkowo, przy użyciu tego samego generatora, wykonywany jest test z zastosowaniem sprzężenia pojemnościowego. W tym celu końcówka testowa połączona jest z metalową płytą umieszczoną w pobliżu obudowy (w odległości około 10 cm). Test ten dotyczy wyłącznie części urządzenia, które mogą być dotykane przez użytkownika podczas normalnej eksploatacji lub czynności serwisowych.
Podsumowanie
Ochrona układów elektronicznych przed zakłóceniami elektromagnetycznymi to złożone zagadnienie wymagające kompleksowego podejścia – rozpoczynając od właściwego projektu PCB, przez odpowiedni dobór komponentów ochronnych, aż po zgodność z normami EMC oraz przeprowadzeniem testów i uzyskaniem certyfikatów ją potwierdzających. Skuteczna ochrona opiera się na połączeniu działań inżynieryjnych oraz znajomości fizyki zjawisk elektromagnetycznych. Uwzględnienie problematyki EMI już od pierwszych etapów procesu projektowego, świadomość mechanizmów propagacji zakłóceń i dbałość o detale konstrukcyjne mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodności i długowieczności nowoczesnych systemów elektronicznych.
Damian Tomaszewski
