Odporność a emisyjność – dwa aspekty kompatybilności elektromagnetycznej
Kompatybilność elektromagnetyczna ma dwa aspekty: emisyjność, czyli zaburzenia wprowadzane przez urządzenie do otoczenia, oraz odporność – zdolność do prawidłowego działania mimo zewnętrznych zakłóceń.
Podczas badań odporności urządzenie badane (EUT, equipment under test) poddaje się znormalizowanym zaburzeniom i monitoruje jego pracę. Każda metoda odwzorowuje inne zjawisko, dlatego pozytywny wynik jednego testu nie zastępuje pozostałych. Zakres badań i poziomy narażeń wynikają z norm właściwych dla wyrobu i jego środowiska pracy.
Cztery metody badań – różne źródła zaburzeń
Przykładowo laboratorium BORNICO deklaruje możliwość prowadzenia badań ESD do 8 kV dla wyładowań kontaktowych i 16 kV dla powietrznych, a także badań EFT/Burst i SURGE do 4 kV oraz zapadów i zaników napięcia w zakresie od 0 do 100% napięcia znamionowego Un. Są to zakresy deklarowane przez laboratorium, a nie poziomy wymagane dla wszystkich urządzeń.
Wyładowania elektrostatyczne – badania ESD
Wyładowanie elektrostatyczne może wystąpić, gdy naładowany człowiek dotyka urządzenia lub zbliża się do jego powierzchni. Impuls prądowy o bardzo krótkim czasie narastania może zakłócić pracę układów elektronicznych. Generator ESD odwzorowuje wyładowanie przy użyciu modelu 150 pF / 330 Ω.
W badaniu zgodnym z IEC 61000-4-2 rozróżnia się wyładowania kontaktowe i powietrzne. W pierwszym przypadku końcówka generatora dotyka odpowiedniego punktu, a impuls jest wyzwalany przez układ przełączający. W drugim końcówkę zbliża się do powierzchni aż do przeskoku iskry. Stosuje się również wyładowania pośrednie do płaszczyzn sprzęgających, które odwzorowują oddziaływanie wyładowania na obiekt znajdujący się w pobliżu urządzenia.
Sprawdza się miejsca dostępne podczas użytkowania, m.in. elementy obudowy, przyciski i złącza. Skutkiem wyładowania mogą być błędy transmisji, nieprawidłowe stany wyjść, zawieszenie mikrokontrolera, reset, a w słabo chronionym urządzeniu – uszkodzenie obwodów wejściowych.
Nie należy utożsamiać maksymalnego napięcia osiąganego przez generator z wymaganym poziomem badania. W IEC 61000-4-2:2025 najwyższe standardowe poziomy z tabeli wynoszą 8 kV dla wyładowań kontaktowych i 15 kV dla powietrznych; wymagania dla konkretnego wyrobu mogą wskazywać inne poziomy.
EFT/Burst – odporność na serie szybkich impulsów
Szybkie elektryczne stany przejściowe mogą powstawać przy przełączaniu obciążeń indukcyjnych, np. cewek styczników i przekaźników. Seria impulsów o stromych zboczach może zakłócać pracę układów cyfrowych i analogowych, mimo niewielkiej energii pojedynczego impulsu EFT.
IEC 61000-4-4 opisuje impulsy o nominalnym czasie narastania 5 ns i czasie trwania 50 ns, grupowane w paczki. Dla częstotliwości powtarzania 5 kHz nominalny czas trwania paczki wynosi 15 ms, a dla 100 kHz – 0,75 ms. Zaburzenia wprowadza się do obwodów zasilających za pomocą sieci sprzęgająco-odsprzęgającej (CDN), a do odpowiednich przewodów sygnałowych i sterujących m.in. z użyciem pojemnościowego zacisku sprzęgającego.
Szybkie impulsy mogą przenikać między obwodami przez sprzężenia pasożytnicze i ujawniać słabe punkty filtrowania. Możliwe skutki to zakłócenia komunikacji, błędne odczyty wejść, niewłaściwa praca przetworników A/C i restart procesora.
SURGE – badania odporności na udary napięciowe
Udary napięciowe mogą być związane z operacjami łączeniowymi w sieci oraz przepięciami indukowanymi wskutek pobliskich wyładowań atmosferycznych. W porównaniu z EFT mają dłuższy czas trwania i mogą przenosić znacznie większą energię. Badanie SURGE nie jest jednak symulacją bezpośredniego uderzenia pioruna w urządzenie.
W IEC 61000-4-5 stosuje się m.in. generator fali kombinowanej. Przebieg 1,2/50 µs opisuje napięcie na rozwartym wyjściu generatora, natomiast 8/20 µs – prąd przy jego zwartym wyjściu. W zależności od badanego portu zaburzenia mogą być podawane między przewodami lub między przewodem a ziemią, z uwzględnieniem odpowiedniej polaryzacji. Dla obwodów zasilanych napięciem przemiennym istotne mogą być również kąty fazowe, przy których przykładany jest udar. W przypadku określonych zewnętrznych linii telekomunikacyjnych norma przewiduje także generator o przebiegu napięciowym 10/700 µs.
Skutki udarów ogranicza się m.in. za pomocą warystorów, diod TVS i odgromników gazowych. O skuteczności ochrony decydują także rozmieszczenie elementów, koordynacja zabezpieczeń i prowadzenie połączeń. Niewystarczająca ochrona może prowadzić do resetu lub uszkodzeń zasilacza i półprzewodników.
Zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu
Zapad napięcia oznacza przejściowe obniżenie jego wartości skutecznej, a krótka przerwa – niemal całkowity zanik napięcia zasilającego. Zjawiska te mogą towarzyszyć zwarciom w sieci albo załączaniu odbiorników o dużym poborze prądu. Dla zachowania urządzenia znaczenie mają zarówno głębokość i czas trwania zaburzenia, jak i możliwości układu zasilania w zakresie podtrzymania wymaganych napięć wyjściowych.
IEC 61000-4-11:2020 określa metody badań urządzeń przyłączanych do sieci AC o częstotliwości 50 lub 60 Hz, których znamionowy prąd wejściowy nie przekracza 16 A na fazę. W badaniu napięcie obniża się do ustalonego poziomu, np. 0%, 40%, 70% lub 80% Un, na zadany czas. Krótkie przerwy odwzorowuje się przez obniżenie napięcia do 0% Un.
Ocenia się pracę urządzenia podczas zaburzenia i po powrocie napięcia, w szczególności prawidłowy restart oraz zachowanie danych i nastaw. Możliwe problemy to niekontrolowany reset, błędna inicjalizacja i zakłócenie procesu zapisu. Nie można zakładać, że określony czas zapadu będzie bezpieczny dla każdego zasilacza.
Projektowanie elektroniki z uwzględnieniem odporności EMC
Na odporność wpływają nie tylko elementy zabezpieczające, lecz również schemat, projekt PCB, obudowa, połączenia i zasilanie. Zagadnienia EMC warto więc uwzględnić już podczas projektowania i badań prototypu.
W przypadku ESD i SURGE znaczenie ma lokalizacja elementów ograniczających przepięcia oraz sposób prowadzenia prądów zakłócających. Przy EFT istotne są filtrowanie, prowadzenie masy i ograniczanie sprzężeń między obwodami. Ekranowanie i połączenia z obudową powinny tworzyć skuteczną drogę dla zaburzeń tam, gdzie wymaga tego konstrukcja urządzenia. Z kolei odporność na zapady napięcia zależy m.in. od zasobu energii w układzie zasilania, nadzoru napięcia i sposobu obsługi zaniku zasilania przez oprogramowanie.
Ta sama reakcja, np. restart urządzenia, może mieć różne przyczyny. Rozpoznanie mechanizmu zakłócenia wymaga analizy zachowania konkretnej konstrukcji, a nie wyłącznie informacji o rodzaju przeprowadzonego testu.
Ocena wyników badań – kiedy zakłócenie oznacza niezgodność?
Wystąpienie chwilowego zakłócenia nie musi automatycznie oznaczać negatywnego wyniku badania. Ocenę przeprowadza się według właściwych kryteriów funkcjonalnych, określających dopuszczalne zachowanie urządzenia podczas narażenia i po jego ustąpieniu. W zależności od wymagań możliwe jest dopuszczenie przejściowego pogorszenia działania, o ile określone funkcje zostaną przywrócone w przewidziany sposób. Utrata danych, zmiana nastaw czy niekontrolowana zmiana stanów wyjściowych może natomiast być niedopuszczalna.
Przed badaniem należy określić monitorowane funkcje: komunikację, wartości mierzone, stany wejść i wyjść oraz sygnalizację błędów. Ocenia się działanie urządzenia zarówno podczas narażenia, jak i po jego ustąpieniu.
Badania prototypu pomagają wykryć słabe punkty konstrukcji przed produkcją. Po istotnych zmianach w PCB, zasilaczu, obudowie lub oprogramowaniu warto ponownie sprawdzić odporność. Cztery opisane metody nie stanowią pełnej oceny EMC – zależnie od wyrobu potrzebne mogą być także badania emisyjności i odporności na inne zaburzenia, w tym pola elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych.
Źródło: BORNICO Sp. z o.o.
Więcej na www.bornico.com.pl
