Testy EMC/EMI – czym są i jak się do nich przygotować?

W procesie projektowym, gdy mamy już pierwsze prototypy, przychodzi czas na testy. Oczywistością są testy funkcjonalne, które mają potwierdzić, czy urządzenie posiada funkcje podane w założeniach projektowych. Testy z zakresu bezpieczeństwa również nie dziwią, gdyż chcemy, aby produkt był bezpieczny dla użytkownika i otoczenia. To, czemu warto nieco dokładniej się przyjrzeć w kontekście sprawdzania sprawności produktu, szczególnie jeśli stawiamy pierwsze kroki w branży, są testy EMC i EMI. Co się kryje za tymi skrótami?

Zjawisko kompatybilności elektromagnetycznej, czyli EMC (ang. ElectroMagnetic Compatibility), to oddziaływanie urządzenia elektrycznego z innymi przyrządami znajdującymi się ich w okolicy, poprzez fale i pole elektromagnetyczne. Natomiast EMI (ang. ElectroMagnetical Interferance) – odporność elektromagnetyczna, odpowiada za zdolność urządzenia do radzenia sobie z zakłóceniami pochodzącymi z otoczenia.

Dlaczego testy EMC są konieczne?

Istnieje kilka powodów, dla których testy EMC są wymagane. Należą do nich:

• Bezpieczeństwo użytkowników – urządzenia medyczne, sterowniki przemysłowe, a nawet urządzenia, które wykorzystujemy na co dzień w domu, muszą działać niezawodnie w docelowych warunkach.
• Wymogi  prawne i certyfikacja – produkt, aby mógł być wypuszczony na rynek, musi być zgodny z normami obowiązującymi w danym kraju.
• Gwarancja niezawodności – producent świadczący swoją marką ma pewność, że jego produkt będzie satysfakcjonujący dla klienta oraz że nie starci jego zaufania poprzez wadliwość i zawodność wyrobu.

Podział testów EMC

Testy EMC dzielą się na:

1. Testy emisji – mierzą, jakie zakłócenia generuje urządzenie:
   • emisja przewodzona,
   • emisja promieniowana.
2. Testy odporności – sprawdzają, jak urządzenie reaguje na zakłócenia:
   • ESD,
   • EFT/Burst,
   • Surge,
   • odporność na pola elektromagnetyczne,
   • odporność na zapady i przerwy w zasilaniu.

Emisja przewodzona i promieniowana

Jednym z pierwszych testów, które musi przejść urządzenie, jest sprawdzenie, czy zakłócenia, które emituje do sieci oraz otoczenia, mieszczą się w dopuszczalnych limitach.

Test jest wykonywany przy użyciu bardzo dokładnego analizatora i systemu, który ma za zadanie przefiltrować oraz odpowiednio przetworzyć zakłócenia wytwarzane przez urządzenie. W całym badanym zakresie poziom zakłóceń powinien być niższy niż maksymalny dopuszczalny.

Poniżej znajdziecie przykładowy wykres z badań emisji przewodzonej. Czerwoną linią zaznaczono maksymalny dopuszczalny poziom dla danej częstotliwości. Z kolei na niebiesko wskazano zmierzone poziomy zakłóceń emitowanych przez urządzenie. Widzimy przekroczenia dla częstotliwości powyżej 1 MHz.

Równie ważnym testem jest emisja promieniowana. W dobie wszechobecnej komunikacji bezprzewodowej jedno urządzenie, powodujące masę zakłóceń w częstotliwościach radiowych, może skutecznie „zaszumieć” sygnał radiowy albo spowodować problemy urządzeń komunikujących się bezprzewodowo np. poprzez Bluetooth.

Środowisko do testów emisji i odporności promieniowanej

Zarówno emisja jak i odporność promieniowana potrzebują odpowiedniego środowiska do testów.

Najczęściej jest to komora bezechowa lub semi-bezechowa. To rodzaj pomieszczenia zaprojektowanego tak, aby skutecznie pochłaniało fale elektromagnetyczne. Wnętrze komory jest ekranowane magnetycznie oraz dokładnie obłożone materiałami o kształcie klinów wykonanych ze specjalnej pianki grafitowej. Takie zabiegi pozwalają na dokonanie precyzyjnych pomiarów emitowanych zakłóceń. W innym przypadku (testów poza komorą) pomiary mogłyby być zniekształcone poprzez zjawiska odbicia.

Dla małych urządzeń można zastosować komorę GTEM. Jest to niewielka komora o kształcie przypominającym ostrosłup czworokątny, mająca spełniać funkcję komory bezechowej dla testów drobniejszych produktów. Jej zaletą jest mniejszy rozmiar i koszt oraz uzyskiwanie w łatwiejszy sposób wyższych poziomów pola elektromagnetycznego.

Specjalna antena umieszczona w komorze może pełnić rolę zarówno odbiornika jak i nadajnika.

Ustawienie urządzenia w komorze również jest bardzo ważne.

Device Under Test

Testowane urządzenie (ang. Device Under Test, DUT) powinno spełnić następujące wymogi:

• Ustawione na nieprzewodzącej podstawie na wysokości 0,8 m dla testów promieniowania (często wykorzystuje się do tego celu drewniany stół) oraz 0,1 m dla testów przewodzonych.
• Powinno być zorientowane w sposób reprezentatywny dla normalnej instalacji – jeżeli taki nie jest zdefiniowany, to powinno się wykonać kilka testów w różnych orientacjach.
• Tryb pracy urządzenia powinien odwzorowywać tzw. worst-case, czyli tryb pracy, w którym urządzenie generuje najwięcej zakłóceń.
• Wszystkie peryferia powinny być podłączone do urządzenia i aktywne.

Okablowanie urządzenia powinno być podłączone i odpowiednio ułożone na stole lub swobodnie zwisające z niego (przy każdej konfiguracji ułożenie kabli powinno być identyczne).

Odporność przewodzona i promieniowana

Odporność przewodzona ma za zadanie sprawdzić zachowanie urządzenia po podłączeniu go do sieci lub zasilania, w których są określone ilości zakłóceń.

Wszystkie poziomy oraz kryteria są opisane w normie EN 61000-4 lub w odpowiedniej normie dla grupy urządzeń, której podlega urządzenie.

Podczas testów zachowanie urządzenia powinno być zgodne z podanym w normie poziomem, żeby przejść test pozytywnie.

Kryteria zachowania urządzenia (ang. performance criteria)

1. Urządzenie działa zgodnie z założeniami przez cały czas (podczas i po zakończeniu testu).
2. Urządzenie może przejściowo przestać działać poprawnie podczas testu, ale powinno samoczynnie wrócić do poprawnego działania.
3. Urządzenie może przejściowo przestać działać poprawnie podczas testu i wymagać ingerencji operatora w celu powrotu do pełnej funkcjonalności.
4. Urządzenie może bezpowrotnie utracić swoją funkcjonalność.

Podczas testów odporności ważne jest ciągłe monitorowanie urządzenia. Robi się to poprzez zapis i sprawdzanie komunikacji z urządzeniem oraz przez ciągłą obserwację pracy, np. przy użyciu kamery znajdującej się w komorze testowej.

Zakłócenia podczas badania odporności przewodzonej mogą być wstrzykiwane do urządzenia na kilka sposobów:

• CDN (ang. coupling decoupling network) – sieć sprzęgająca – odpowiednio sprzęga zakłócenia z DUT bez narażania innych urządzeń oraz sieci zasilającej.
• EM Clamp – jest to urządzenie, przez które sprzęga się zakłócenia z urządzeniem poprzez umieszczenie okablowania do zapinanej metalowej szyny podłączonej do generatora.
• EM injection probe – jest to pierścień, który podobnie jak EM Clamp służy do przenoszenia zakłóceń do  podczas testów.

Testy ESD

Wyładowania elektrostatyczne, pomimo że są niegroźne dla człowieka, mogą być zabójcze dla elementów półprzewodnikowych, szczególnie gdy na płytce PCB występują procesory, mikrokontrolery lub inne wrażliwe na wyładowania podzespoły.

Pomimo stosunkowo niewielkiego ładunku zgromadzonego w wyładowaniu ESD, napięcie może sięgać od kilkuset woltów nawet do kilku kilowoltów. Przyłożenie tak wysokiego napięcia do wrażliwych komponentów wywołuje gwałtowny przepływ prądu, który bez problemu może zniszczyć urządzenie lub sprawić, że będzie funkcjonowało niezgodnie z założeniami. Część uszkodzeń spowodowanych odziaływaniem ESD może objawić się po długim czasie.

Z tego powodu kładzie się tak duży nacisk na ochronę urządzeń przed wyładowaniami elektrostatycznymi.

Test ESD polega zazwyczaj na wyładowaniu ładunku na powierzchnię obudowy urządzenia, która jest narażona na wystąpienie wyładowań ESD podczas kontaktu z użytkownikiem albo z innymi częściami maszyny.

Istnieją dwa typy testów:

• wyładowanie poprzez kontakt,
• wyładowanie przez powietrze.

Test uznaje się za pozytywnie zaliczony, jeżeli zachowanie urządzenia podczas testu oraz po nim jest poprawne i zgodne z warunkami umieszczonymi w normie.

Surge oraz EFT/Burst

Oba testy badają odporność urządzenia na zaburzenia w sieci zasilającej. Różnią się jednak charakterem zaburzeń oraz ich pochodzeniem.

Test Surge (ang. surge – udar przepięciowy) symuluje bardzo silne zakłócenie w sieci energetycznej wywołane uderzeniem pioruna lub przełączeniem w sieci. Zakłócenia te niosą ze sobą dużą energię, która jest w stanie zniszczyć urządzenie.

Elementy charakterystyczne:

• Kształt impulsu: 1,2/50 us dla napięcia oraz 8/20 us dla prądu.
• Poziomy testowe: od 0,5 kV do nawet 4 kV i więcej (zgodnie z normą IEC 61000-4-5).

Testy Burst/EFT (ang. Electrical Fast Transients) to badanie odporności na szybkie stany przejściowe – krótkie, powtarzające się impulsy pojawiające się w sieci. Ich pochodzenie może być różne np. przełączanie obciążeń indukcyjnych lub praca styczników.

W porównaniu do testów Surge, zakłócenia są o wiele szybsze, ale niosą ze sobą małą energię.

• Impulsy: czas narastania ok 5 ns, czas trwania ok. 50 ns.
• Powtarzalność: generowane są w paczkach trwających kilkanaście milisekund powtarzanych co 300 ms.

Zapady napięcia

Zapady napięcia (ang. Voltage dips) to częściowe i krótkotrwałe spadki napięcia zasilającego na czas od pół okresu do nawet kilku sekund. Po tym czasie napięcie powraca do swojej nominalnej wartości. Jest to ważna kwestia, szczególnie dla urządzeń pracujących bez przerwy lub tych, których restart wiązałby się z poważnymi konsekwencjami.

Newralgicznymi obszarami są:

• Systemy przemysłowe, gdzie przerwa w pracy jednej maszyny może spowodować paraliż całej taśmy produkcyjnej, a co za tym idzie, ogromne straty dla producenta.
• Urządzenia medyczne – chwilowa utrata funkcjonalności może skutkować zagrożeniem życia pacjenta.
• Systemy bankowe – przerwa w działaniu systemu zazwyczaj wiąże się z wielomilionowymi stratami.

Do testów wykorzystuje się generator, który pozwala symulować odpowiednie poziomy zapadów.

Norma ICE 61000-4-11 przewiduje następujące poziomy zapadów:

• Zapad do 0% napięcia (zanik) – przez 0,5 okresu lub 1 okres.
• Zapad do 40% napięcia – przez 10 okresów.
• Zapad do 70% napięcia – przez 25 okresów.

Dodatkowo testy wykonuje się przy różnych fazach sieci: 0, 90, 180 oraz 270 stopni.

Podsumowanie

Testy EMC nie są jedynie wymogiem stawianym poprzez normy i certyfikację. To przede wszystkim pewność, że urządzenie będzie niezawodnie funkcjonowało w docelowym środowisku oraz będzie bezpieczne dla użytkownika, jak i dla innych urządzeń w pobliżu. Testy EMC sprawdzają emisję zakłóceń (czy mieści się w dopuszczalnych normach), jak i odporność, czyli zdolność do prawidłowego funkcjonowania w obliczu zakłóceń zewnętrznych.

Testy EMC oraz EMI już w fazie rozwoju produktu mogą wykryć słabe punkty konstrukcji, a tym samym uchronić producenta od kosztów związanych z reklamacjami oraz poświadczać o solidności marki. Użytkownicy zyskują dzięki nim pewność, że certyfikowane urządzenie będzie stabilnie pracować w normalnych warunkach. Dodatkowo testy dają gwarancję, że pomimo wzrastającej ilości elektroniki w otoczeniu, środowisko elektromagnetyczne pozostanie bezpieczne i przewidywalne.

Niewidzialne zakłócenia, to fascynujące zagadnienie warte szerszej eksploracji, bo w końcu tak obecne na co dzień w naszym świecie. Powyższe rozwiązania prezentują fragment tego obszernego i fascynującego tematu. Wchodząc głębiej w temat, na pewno przyda się wiedza z wielu dziedzin fizyki. Jednakże warto pamiętać, że jeżeli sprzęt nieoczekiwanie resetuje się, pojawiają się błędy komunikacji albo przestaje całkowicie odpowiadać, to może być znak, że problem związany jest z EMC i należy tematowi przyjrzeć się dokładniej.

Bibliografia

1. RF Immunity Testing – a handy guide Schaffner
2. ICE 61000-4
3. EMC testing: Continuous & Transient Immunity