Электромагнитная совместимость

Безэховая радиочастотная камера, используемая для испытаний на ЭМС (излучение и устойчивость). Мебель должна быть изготовлена ​​из дерева или пластика, а не металла.

Логопериодические измерения антенны для наружного применения

Электромагнитная совместимость ( ЭМС ) — это способность электрического оборудования и систем нормально функционировать в их электромагнитной среде , ограничивая непреднамеренное генерирование, распространение и прием электромагнитной энергии, которая может вызвать нежелательные эффекты, такие как электромагнитные помехи (ЭМП) или даже физический ущерб эксплуатационное оборудование. Целью ЭМС является правильная работа различного оборудования в общей электромагнитной среде. Это также название соответствующей отрасли электротехники.

EMC преследует три основных класса проблем. Эмиссия — это генерация электромагнитной энергии, преднамеренной или случайной, каким-либо источником и ее выброс в окружающую среду. EMC изучает нежелательные излучения и контрмеры, которые можно принять для снижения нежелательных излучений. Второй класс, восприимчивость , представляет собой склонность электрического оборудования, называемого «жертвой», выходить из строя или выходить из строя из-за нежелательных излучений, которые известны как радиочастотные помехи (RFI). Иммунитет является противоположностью восприимчивости и представляет собой способность оборудования правильно функционировать в присутствии радиочастотных помех, при этом дисциплина «укрепления» оборудования также известна как восприимчивость или иммунитет. Третий изученный класс — это связь , представляющая собой механизм, с помощью которого излучаемые помехи достигают жертвы.

Уменьшение помех и, следовательно, электромагнитная совместимость могут быть достигнуты путем решения любой или всех этих проблем, т. е. подавления источников помех, запрещения путей связи и/или усиления защиты потенциальных жертв. На практике многие используемые инженерные методы, такие как заземление и экранирование, применимы ко всем трем проблемам.

История

Происхождение

Самой ранней проблемой ЭМС был удар молнии ( электромагнитный импульс молнии , или LEMP) на корабли и здания. Громоотводы или громоотводы начали появляться в середине 18 века. С появлением в конце 19 века широкомасштабного производства электроэнергии и линий электропередачи также возникли проблемы, связанные с выходом из строя оборудования из-за короткого замыкания, влияющего на источник питания, а также с опасностью местного пожара и поражения электрическим током при ударе молнии в линию электропередачи. Электростанции были оборудованы выходными автоматическими выключателями . Здания и приборы вскоре будут оснащены входными предохранителями , а позже, в 20 веке, в обиход войдут миниатюрные автоматические выключатели (MCB).

Начало двадцатого века

Можно сказать, что радиопомехи и их коррекция возникли вместе с первым экспериментом Маркони с искровым разрядником в конце 1800-х годов. По мере развития радиосвязи в первой половине 20-го века стали возникать помехи между радиовещательными сигналами, и была создана международная нормативно-правовая база для обеспечения связи без помех.

Переключающие устройства стали обычным явлением в середине 20-го века, как правило, в автомобилях и мотоциклах с бензиновым двигателем, а также в бытовой технике, такой как термостаты и холодильники. Это вызвало временные помехи для приема домашнего радио и (после Второй мировой войны) телевидения, и со временем были приняты законы, требующие подавления таких источников помех.

Проблемы с электростатическим разрядом впервые возникли при случайных электрических искровых разрядах в опасных средах, таких как угольные шахты, а также при заправке самолетов или автомобилей. Необходимо было разработать безопасные методы работы.

Послевоенный период

После Второй мировой войны военные стали все больше беспокоиться о воздействии ядерного электромагнитного импульса (NEMP), удара молнии и даже мощных радиолокационных лучей на транспортное и мобильное оборудование всех видов, и особенно на электрические системы самолетов.

Когда высокие уровни радиочастотного излучения от других источников стали потенциальной проблемой (например, с появлением микроволновых печей ), определенные полосы частот были выделены для промышленного, научного и медицинского использования (ISM), что позволило ограничить уровни излучения только стандартами тепловой безопасности. Позже Международный союз электросвязи принял Рекомендацию, устанавливающую пределы излучения устройств ISM для защиты радиосвязи. Разнообразие проблем, таких как боковые полосы и гармонические излучения, широкополосные источники, а также постоянно растущая популярность электрических переключающих устройств и их жертв, привели к устойчивому развитию стандартов и законов.

С конца 1970-х годов популярность современной цифровой схемотехники быстро росла. По мере развития технологии, с все более высокими скоростями переключения (увеличение выбросов) и более низкими напряжениями в цепи (увеличение восприимчивости), ЭМС все больше становилась источником беспокойства. Многие другие страны осознали, что ЭМС становится растущей проблемой, и выпустили директивы для производителей цифрового электронного оборудования, в которых излагались основные требования производителей, прежде чем их оборудование можно будет вывести на рынок или продать. Организации в отдельных странах, по всей Европе и по всему миру были созданы для соблюдения этих директив и связанных с ними стандартов. В 1979 году американская Федеральная комиссия по связи (FCC) опубликовала постановление, которое требовало, чтобы электромагнитное излучение всех «цифровых устройств» было ниже определенных пределов. Эта нормативно-правовая среда привела к резкому росту отрасли EMC, поставляющей специализированные устройства и оборудование, программное обеспечение для анализа и проектирования, а также услуги по тестированию и сертификации. Низковольтные цифровые схемы, особенно КМОП-транзисторы, стали более восприимчивыми к повреждениям, вызванным электростатическим разрядом, поскольку они были миниатюризированы, и, несмотря на развитие методов защиты от электростатического разряда, необходимо было разработать новый режим регулирования электростатического разряда.

современная эпоха

С 1980-х годов бурный рост мобильной связи и вещательных медиа-каналов оказал огромное давление на доступное воздушное пространство. Регулирующие органы начали все теснее и теснее сжимать распределение полос, полагаясь на все более сложные методы контроля ЭМС, особенно в области цифровой связи, чтобы поддерживать межканальные помехи на приемлемом уровне. Цифровые системы по своей природе менее восприимчивы, чем аналоговые системы, а также предлагают гораздо более простые способы (например, программное обеспечение) для реализации сложных мер защиты и исправления ошибок .

В 1985 году в США были выпущены диапазоны ISM для маломощной мобильной цифровой связи, что привело к развитию Wi-Fi и ключей от автомобильных дверей с дистанционным управлением. Этот подход основан на прерывистом характере помех ISM и использовании сложных методов исправления ошибок для обеспечения приема без потерь во время тихих промежутков между любыми всплесками помех.

Концепции

«Электромагнитные помехи» (EMI) определяются как « ухудшение производительности оборудования, канала передачи или системы, вызванное электромагнитными помехами » ( МЭВ 161-01-06), а «электромагнитные помехи» определяются как « электромагнитное явление». которые могут ухудшить работу устройства, оборудования или системы или отрицательно повлиять на живую или инертную материю (МЭВ 161-01-05). Термины «электромагнитное возмущение» и «электромагнитное вмешательство» обозначают соответственно причину и следствие.

оборудования Электромагнитная совместимость (ЭМС) является характеристикой или свойством и определяется как « способность оборудования или системы удовлетворительно функционировать в своей электромагнитной среде, не создавая недопустимых электромагнитных помех чему-либо в этой среде » (IEV 161-01-07).

ЭМС обеспечивает правильную работу в одной и той же электромагнитной среде различных элементов оборудования, которые используют электромагнитные явления или реагируют на них, а также предотвращает любые помехи. Другими словами, ЭМС — это контроль электромагнитных помех с целью предотвращения нежелательных эффектов.

Помимо понимания явлений самих по себе, ЭМС также рассматривает контрмеры, такие как режимы контроля, проектирование и измерения, которые следует предпринять, чтобы предотвратить возникновение каких-либо негативных последствий выбросов.

Технические характеристики помех

Основная статья: Электромагнитные помехи

Виды помех

Под ЭМС часто понимают контроль электромагнитных помех (EMI). Электромагнитные помехи делятся на несколько категорий в зависимости от источника и характеристик сигнала.

Источник помех, часто называемый в этом контексте «шумом», может быть искусственным или естественным.

Непрерывная или непрерывная волна (CW) помеха включает в себя заданный диапазон частот. Этот тип естественным образом делится на подкатегории в зависимости от диапазона частот и в целом иногда называется «от постоянного тока до дневного света». Одна общая классификация состоит из узкополосной и широкополосной связи в зависимости от расширения частотного диапазона.

Электромагнитный импульс (ЭМИ), иногда называемый переходным возмущением, представляет собой кратковременный импульс энергии. относительно узкополосную затухающую синусоидальную волну Эта энергия обычно является широкополосной по своей природе, хотя она часто возбуждает у жертвы . Импульсные сигналы в целом делятся на изолированные и повторяющиеся события.

Соединительные механизмы

Четыре режима связи электромагнитных помех

Когда источник излучает помехи, он следует по маршруту к жертве, известному как путь связи. Существует четыре основных механизма связи: кондуктивный , емкостной , магнитный или индуктивный и радиационный . Любой путь связи можно разбить на один или несколько таких механизмов связи, работающих вместе.

Проводящая связь возникает, когда путь связи между источником и жертвой образуется в результате прямого электрического контакта с проводящим телом.

Емкостная связь возникает, когда между двумя соседними проводниками существует переменное электрическое поле , вызывающее изменение напряжения на принимающем проводнике.

Индуктивная связь или магнитная связь возникает, когда между двумя параллельными проводниками существует переменное магнитное поле , вызывающее изменение напряжения вдоль принимающего проводника.

Радиационная связь или электромагнитная связь возникает, когда источник и жертва разделены большим расстоянием. Источник и жертва действуют как радиоантенны: источник излучает электромагнитную волну , которая распространяется через пространство между ними и улавливается или принимается жертвой.

Контроль

Повреждающее воздействие электромагнитных помех создает неприемлемые риски во многих областях техники, и необходимо контролировать такие помехи и снижать риски до приемлемого уровня.

Контроль электромагнитных помех (EMI) и обеспечение электромагнитной совместимости включает в себя ряд связанных дисциплин:

• Характеристика угрозы.
• Установление стандартов уровней выбросов и чувствительности.
• Проектирование в соответствии со стандартами.
• Тестирование на соответствие стандартам.

Риск, создаваемый угрозой, обычно носит статистический характер, поэтому большая часть работы по определению характеристик угроз и установлению стандартов основана на снижении вероятности разрушительных электромагнитных помех до приемлемого уровня, а не на их гарантированном устранении.

Для сложного или нового оборудования может потребоваться разработка специального плана контроля ЭМС, обобщающего применение вышеизложенного и определяющего необходимые дополнительные документы.

Характеристика проблемы требует понимания:

• Источник помех и сигнал.
• Путь соединения с жертвой.
• Характер пострадавшего как с электрической точки зрения, так и с точки зрения значимости неисправности.

Дизайн

Карта ТВ-тюнера с множеством небольших развязывающих конденсаторов и тремя металлическими экранами: кронштейном PCI, металлической коробкой с двумя коаксиальными входами и экраном для S-Video . разъема

Разрыв пути связи одинаково эффективен как в начале, так и в конце пути, поэтому многие аспекты хорошей практики проектирования ЭМС одинаково применимы как к потенциальным источникам, так и к потенциальным жертвам. Конструкция, которая легко связывает энергию с внешним миром, также легко соединяет энергию и с внешним миром и будет восприимчивой. Одно-единственное улучшение зачастую позволяет сократить как выбросы, так и восприимчивость. Заземление и экранирование направлены на уменьшение излучений или отвлечение электромагнитных помех от пострадавшего, обеспечивая альтернативный путь с низким импедансом. Методы включают в себя:

• Схемы заземления или заземления, такие как звездообразное заземление для аудиооборудования или заземляющие плоскости для радиочастот. Схема также должна соответствовать правилам безопасности.
• Экранированные кабели, в которых сигнальные провода окружены внешним проводящим слоем, заземленным на одном или обоих концах.
• Экранированные корпуса. Проводящий металлический корпус будет действовать как экран от помех. Для доступа внутрь такой корпус обычно состоит из секций (например, коробки и крышки); В стыках можно использовать радиочастотную прокладку, чтобы уменьшить количество просачивающихся помех. RF-прокладки бывают различных типов. Простая металлическая прокладка может представлять собой либо плетеную проволоку, либо плоскую полоску с прорезями для образования множества упругих «пальцев». Если требуется водонепроницаемое уплотнение, гибкая эластомерная основа может быть пропитана рублеными металлическими волокнами, рассеянными внутри, или длинными металлическими волокнами, покрывающими поверхность, или тем и другим.

Другие общие меры включают в себя:

• Развязка или фильтрация в критических точках, таких как кабельные вводы и высокоскоростные переключатели, с использованием радиочастотных дросселей и/или RC-элементов . Сетевой фильтр реализует эти меры между устройством и линией.
• Методы линий передачи для кабелей и проводки, такие как сбалансированный дифференциальный сигнал и пути возврата, а также согласование импеданса.
• Избегайте использования антенных конструкций, таких как петли циркулирующего тока, резонансные механические конструкции, несбалансированные импедансы кабелей или плохо заземленное экранирование.
• Устранение ложных выпрямляющих переходов, которые могут образовываться между металлическими конструкциями вокруг и рядом с установками передатчиков. Такие переходы в сочетании с непреднамеренными антенными конструкциями могут излучать гармоники частоты передатчика.

Метод расширения спектра уменьшает пики ЭМС. Частотный спектр периода нагрева импульсного источника питания, использующего метод расширенного спектра, в т.ч. диаграмма водопада за несколько минут

Дополнительные меры по сокращению выбросов включают:

• Избегайте ненужных операций переключения . Необходимое переключение должно производиться настолько медленно, насколько это технически возможно.
• Шумные цепи (например, с высокой коммутационной активностью) должны быть физически отделены от остальной части конструкции.
• Высоких пиков на отдельных частотах можно избежать, используя метод расширения спектра , при котором разные части схемы излучают на разных частотах.
• гармонических волн. Фильтры
• Разработан для работы при более низких уровнях сигнала, что снижает энергию, доступную для излучения.

Дополнительные меры по снижению восприимчивости включают:

• Предохранители, выключатели и автоматические выключатели.
• Переходные поглотители.
• Разработан для работы при более высоких уровнях сигнала, что позволяет снизить относительный уровень шума.
• Методы исправления ошибок в цифровой схемотехнике. Они могут быть реализованы в аппаратном обеспечении, программном обеспечении или их комбинации.
• Дифференциальная передача сигналов или другие методы синфазного шума для маршрутизации сигналов.

Тестирование

Тестирование необходимо для подтверждения того, что конкретное устройство соответствует требуемым стандартам. В общих чертах оно разделено на испытания на выбросы и испытания на чувствительность. Открытые испытательные полигоны, или ОАТС, являются справочными сайтами в большинстве стандартов. Они особенно полезны для испытаний на выбросы крупных систем оборудования. Однако радиочастотные испытания физического прототипа чаще всего проводятся в помещении, в специализированной камере для испытаний на ЭМС. Типы камер включают безэховую , реверберационную и гигагерцовую поперечную электромагнитную ячейку (GTEM-ячейка). Иногда компьютерное электромагнетическое моделирование используется для тестирования виртуальных моделей. Как и при любом тестировании на соответствие, важно, чтобы испытательное оборудование, включая испытательную камеру или площадку, а также любое используемое программное обеспечение, было должным образом откалибровано и обслуживалось. Как правило, для конкретного запуска испытаний определенной части оборудования требуется план испытаний на ЭМС и отчет о последующих испытаниях . Полная программа испытаний может потребовать предоставления нескольких таких документов.

Излучения обычно измеряются по напряженности излучаемого поля и, где это возможно, по кондуктивным излучениям вдоль кабелей и проводки. Индуктивное (магнитное) и емкостное (электрическое) поля представляют собой эффекты ближнего поля и важны только в том случае, если испытуемое устройство (ИУ) предназначено для размещения рядом с другим электрическим оборудованием. Для кондуктивных излучений типичные преобразователи включают LISN РЧ (сеть стабилизации импеданса линии) или AMN (искусственную сетевую сеть) и токовые клещи . Для измерения излучаемого излучения в качестве преобразователей используются антенны. Типичные указанные антенны включают дипольную , биконическую , логопериодическую , двойную направляющую и коническую лого-спиральную конструкцию. Излучение необходимо измерять во всех направлениях вокруг ИУ. Для испытаний на соответствие требованиям ЭМС используются специализированные тестовые приемники электромагнитных помех или анализаторы электромагнитных помех. Они включают в себя полосу пропускания и детекторы, соответствующие международным стандартам ЭМС. Приемник электромагнитных помех может быть основан на анализаторе спектра для измерения уровней излучения тестируемого устройства в широком диапазоне частот (частотная область) или на настраиваемом устройстве с более узкой полосой частот, которое сканируется в желаемом диапазоне частот. Приемники электромагнитных помех вместе со специальными преобразователями часто можно использовать как для кондуктивных, так и для излучаемых излучений. Фильтры предварительного выбора также могут использоваться для уменьшения влияния сильных внеполосных сигналов на входной каскад приемника. Некоторые импульсные выбросы более полезно охарактеризовать с помощью осциллограф для захвата формы импульсного сигнала во временной области.

Тестирование чувствительности к излучаемому полю обычно включает в себя мощный источник радиочастотной или электромагнитной энергии и излучающую антенну для направления энергии на потенциальную жертву или тестируемое устройство (DUT). Тестирование чувствительности к кондуктивному напряжению и току обычно включает в себя мощный генератор сигналов и токовые клещи другого типа или трансформатор для подачи тестового сигнала. Сигналы переходных процессов или ЭМИ используются для проверки устойчивости ИУ к помехам в линии электропередачи, включая скачки напряжения, удары молний и шумы переключения. В автомобилях аналогичные испытания проводятся на аккумуляторной батарее и сигнальных линиях. Переходный импульс может быть сгенерирован в цифровом виде и пропущен через широкополосный импульсный усилитель или подан непосредственно на преобразователь от специализированного генератора импульсов. Испытание электростатическим разрядом обычно проводится с помощью пьезоискрового генератора, называемого « пистолетом ESD ». Импульсы более высокой энергии, такие как моделирование молнии или ядерного ЭМИ, могут потребовать больших токовых клещей или большой антенны, которая полностью окружает ИУ. Некоторые антенны настолько велики, что расположены снаружи, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не создать опасность ЭМИ для окружающей среды.

Законодательство

Несколько организаций, как национальных, так и международных, работают над развитием международного сотрудничества в области стандартизации ( гармонизации ), включая публикацию различных стандартов ЭМС. Там, где это возможно, стандарт, разработанный одной организацией, может быть принят с небольшими изменениями или без изменений другими. Это помогает, например, гармонизировать национальные стандарты по всей Европе.

Международные организации по стандартизации включают:

• Международная электротехническая комиссия (МЭК), в состав которой входят несколько комитетов, постоянно работающих над вопросами ЭМС. Это:
  • Технический комитет 77 (TC77), работающий над электромагнитной совместимостью оборудования, включая сети.
  • Специальный международный комитет по радиоэлектрическим помехам (CISPR) или Международный специальный комитет по радиопомехам.
  • Консультативный комитет по электромагнитной совместимости (ACEC) координирует работу IEC по ЭМС между этими комитетами.
• Международная организация по стандартизации (ISO), которая публикует стандарты для автомобильной промышленности.

Среди основных национальных организаций:

• Европа:
  • Европейский комитет по стандартизации (CEN) или Европейский комитет по стандартизации).
  • Европейский комитет по электротехнической стандартизации (CENELEC) или Европейский комитет по электротехнической стандартизации.
  • Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI).
• Соединенные Штаты:
  • Федеральная комиссия по связи (FCC).
  • Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE).
  • Радиотехническая комиссия по аэронавтике (RTCA); см . ДО-160
• Великобритания: Британский институт стандартов (BSI).
• Германия: Ассоциация электрических, электронных и информационных технологий (VDE) или Ассоциация электрических, электронных и информационных технологий.

Соответствие национальным или международным стандартам обычно устанавливается законами, принятыми отдельными странами. Разные страны могут требовать соблюдения разных стандартов.

В европейском законодательстве директива ЕС 2014/30/EU (ранее 2004/108/EC) по ЭМС определяет правила размещения на рынке/ввода в эксплуатацию электрического/электронного оборудования в Европейском Союзе . Директива применяется к широкому спектру оборудования, включая электрические и электронные приборы, системы и установки. Производителям электрических и электронных устройств рекомендуется проводить испытания на ЭМС, чтобы соответствовать обязательной маркировке CE . Более подробная информация приведена в списке директив ЭМС . Соответствие применимым гармонизированным стандартам, ссылки на которые указаны в OJEU согласно Директиве по ЭМС, дает презумпцию соответствия соответствующим основным требованиям Директивы по ЭМС.

В 2019 году США приняли программу защиты критической инфраструктуры от электромагнитного импульса, вызванного как геомагнитной бурей , так и высотным ядерным оружием.

См. также

• Кондуктивные электромагнитные помехи
• Перекрестные помехи
• Общество электромагнитной совместимости IEEE
• Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP)
• Список общих стандартов испытаний на ЭМС
• Телевизионные помехи

Внешние ссылки

• Директива Европейской комиссии по ЭМС – Гармонизированные стандарты ЭМС
• Что такое ЭМС? Видео на YouTube.
• Введение в ЭМС
• Основы ЭМС/ЭМП и качества электроэнергии
• Аспекты аналоговых сигналов, радиочастот и электромагнитной совместимости при проектировании печатных плат (PWB)
• Примечание по применению: Проектирование с учетом требований ЭМС
• Проектирование для EMC — влияние прорезей переходных отверстий, разделенных плоскостей, зазоров и путей возврата на тактовый сигнал. Архивировано 7 сентября 2015 г. на Wayback Machine.
• Практика проектирования ЭМС для производителей панелей
• Ресурсы EMC (Университет Клемсона)