TECHNIKA EKRANOWANIA I USZCZELNIANIA

Transkrypt

1

2 Szanowni Państwo! Ciągły wzrost częstotliwości przetwarzanych sygnałów oraz tendencja do minimalizacji rozmiarów urządzeń sprawia, że problemy związane z kompatybilnością elektromagnetyczną mają coraz większe znaczenie przy projektowaniu urządzeń. Wiedza związana z filtrowaniem, uszczelnianiem i ekranowaniem stała się niezbędna przy projektowaniu i produkcji urządzeń, które muszą spełnić wymogi dyrektywy unijnej EMC. Postanowiliśmy podzielić się z Państwem naszym doświadczeniem, które zebraliśmy w ciągu ostatnich kilku lat. Ideą tego przewodnika jest przede wszystkim: opis podstawowych zjawisk związanych z EMC sposoby rozwiązań typowych problemów EMC pomoc w doborze optymalnych elementów uszczelniających i ekranujących Mamy nadzieję, że ta broszurka będzie dla Państwa źródłem ciekawych i pożytecznych informacji. Staramy się działać według zasady dajcie nam problem, a my znajdziemy rozwiązanie, dlatego w przypadku jakichkolwiek problemów prosimy o kontakt. Z poważaniem ASTAT Sp. z o.o. 2

3 Spis treści: 1. Kompatybilność elektromagnetyczna Ekranowanie elektromagnetyczne Kompatybilność elektromagnetyczna - projektowanie Projekt PCB uwzględniający problematykę EMC Projekt przewodów wewnętrznych uwzględniających EMC Projekt ekranowanej obudow Obudowy niemetalowe Okna Miejsca składania obudów Przepusty Filtry Łączenia i uziemienie Rozwiązywanie problemów, schematy blokowe Normy dotyczące EMC Przepisy FCC FDA i wytyczne EMC Europejska dyrektywa EMC Zastosowania specjalne Projekty uwzględniające emc dla urządzeń wojskowych Modelowanie i analiza Wymagania przy projektach specjalnych Ekranowanie w budownictwie Słownik Dodatki Dodatek A: Materiały ekranujące Dodatek B: Normy Oferta firmy ASTAT Uszczelnienia o małej sile docisku Okna ekranowane Ukierunkowane siatki druciane zatopione w nośniku elastycznym Siatki i sploty druciane Przewodzące elastomery Panele wentylacyjne Materiały przewodzące Materiały ekranujące

4 1. Kompatybilność elektromagnetyczna Kompatybilność elektromagnety czna (EMC, electromagnetic compatibility) to zdolność urządzenia elektronicznego lub systemu do niezawodnej pracy w swoim docelowym środowisku elektromagnetycznym. Urządzenie musi cechować się niewrażliwością (odpornością) na zaburzenia elektryczne i minimalizacją wytwarzanych niepożądanych zaburzeń elektrycznych. Zaburzenia elektromagnetyczne (EMI, Electromagnetic Interferences) mają negatywny wpływ na urządzenia lub systemy elektryczne. Kompatybilność elektromagnetyczną urządzeń osiągamy poprzez ograniczenie emisji zaburzeń do pewnego poziomu, poniżej którego nie powodują już wadliwej pracy urządzenia lub systemu elektrycznego. Najczęściej kompatybilność jest realizowana poprzez stosowanie filtrów elektrycznych oraz komponentów i elementów ekranujących. Przykład źródła zaburzeń EMI i urządzenia zakłócanego pokazany jest na rys. 1. ŹRÓDŁO ZABURZEŃ URZĄDZENIE ZAKŁÓCANE system może być jednocześnie źródłem jak i odbiornikiem zaburzeń. Linie przerywane obrazują rozchodzenie się zaburzeń na drodze emisji, a linie ciągłe zaburzeń na drodze przewodzenia. Strzałki pokazują kierunek sprzęgania i przenoszenia się zaburzeń. Linia A przedstawia zaburzenia sprzężone bezpośrednio od źródła do odbiornika zaburzeń na drodze emisji. Linia B pokazuje, że przewody połączeniowe mogą również stanowić źródło emisji zaburzeń. Linia C obrazuje, że przewody połączeniowe mogą się zachowywać jak urządzenie zakłócane i reagować na zaburzenia które pochodzą z emisji. W ten sposób zaburzenie, które początkowo u źródła przenosi się na drodze emisji, dociera do urządzenia zakłócanego na drodze przewodzonej. Linia D reprezentuje problem przenikania zaburzeń, który występuje w przewodach połączeniowych, gdzie zaburzenia z jednego przewodu mogą w sposób pojemnościowy lub indukcyjny sprzęgać się z drugim przewodem. Rys. 1 Drogi rozchodzenia się zakłóceń Na rys. 1 źródło zaburzeń reprezentuje urządzanie lub system, który generuje zaburzenia. Urządzenie zakłócane (odbiornik zaburzeń) reprezentuje urządzenie lub system, który jest wrażliwy (nieodporny) na te zaburzenia. W rzeczywistości urządzenie lub 4

5 2. EKRANOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE Fala elektromagnetyczna składa się z dwóch pól oscylujących pod kątem prostym (rys. 2). Jedno z tych pól to pole elektryczne (E), a drugie to pole magnetyczne (H). Impedancja fali elektromagnetycznej (Z w ) w Ω jest definiowana jako stosunek natężenia pola elektrycznego E wyrażonego w woltach na metr (V/m) do natężenia pola magnetycznego H wyrażonego w amperach na metr (A/m). Pole elektryczne E jest generowane na skutek rozdzielenia ładunków (różnica potencjałów) i łatwo oddziaływuje z wysoko impedancyjnymi obwodami o charakterze napięciowym takimi jak prosty przewodnik lub dipol. Pole H jest wytwarzane na skutek przepływu ładunków (prądu) i najlepiej oddziaływuje z nisko impedancyjnymi obwodami o charakterze prądowym jak zwoje przewodów. Definiowany jest następująco: Dla pola E, Dla pola H, Skuteczność ekranowania pola przez ekran jest funkcją materiału, z której jest on wykonany (przenikalność, przewodność i grubość), częstotliwości i odległości źródła zaburzeń EMI od ekranu. Podstawowe równania opisujące zjawiska elektromagnetyczne oraz ich oddziaływanie z materiałami przewodzącymi zostały dobrze rozwinięte i opisane ponad sto lat temu przez J. C. Maxwella. Rozwiązanie równań różniczkowych opisujących te zjawiska jest często złożone, nawet dla prostych przypadków. To zraża do ich stosowania w analizie i doborze ekranu. Rys. 2 Spolaryzowana fala elektromagnetyczna płaska Każda bariera ustawiona między źródłem zaburzeń a odbiornikiem zaburzeń, która zmniejsza siłę zakłóceń może być uważana za ekran elektromagnetyczny EMI. To jak bardzo ekran tłumi pole elektromagnetyczne opisuje parametr zwany skutecznością ekranowania SE (ang. Shielding Effectiveness). Dlatego też skuteczność ekranowania jest miarą zdolności tego materiału do pochłaniania wypromieniowanej energii elektromagnetycznej. Standardową jednostką pomiarową skuteczności ekranowania jest decybel (db). Decybel jest wyrażony jako stosunek dwóch wartości siły pola elektromagnetycznego, przed i po założeniu ekranu. Rys. 3 Straty na przewodzącym ekranie z ciała stałego Prostsza metoda badania zależności między falą elektromagnetyczną a materiałem przewodzącym została rozwinięta przez S. A. Schelkunoffa w roku Przy użyciu tej metody, całkowita skutecz- 5

6 ność ekranowania (SE db ) ekranu z przewodzącego ciała stałego może być wyrażona jako suma strat przy odbiciach (R db ), pochłanianiu (A db ) oraz ponownych odbiciach (B db ) (zobacz rys. 3). Straty przy odbiciach są proporcjonalne do impedancji fali elektromagnetycznej (Z w ) i odwrotnie proporcjonalne do wewnętrznej impedancji ekranu (Z B ). Straty przy pochłanianiu są proporcjonalne do grubości (t) i współczynnika pochłaniania ekranu (a). Odwrotność współczynnika pochłaniania daje nam głębokość wnikania (δ). Głębokość wnikania jest to właściwość magnetyczna, która powoduje wypieranie płynącego prądu na powierzchnię przewodnika. Głębokość wnikania staje się mniejsza (płytsza), gdy częstotliwość, przewodność lub przenikalność się zwiększa. Pole elektromagnetyczne jest tłumione o 1/e 0,37 co każdą głębokość wnikania δ w głąb ekranu, jak pokazano to na rys. 4. Im większa liczba wielokrotności głębokości wnikania δ w danej grubości materiału, tym większe straty wynikające z absorpcji (pochłaniania). Im głębokość wnikania staje się płytsza wraz ze wzrostem częstotliwości, straty wynikające z absorpcji przy dużych częstotliwościach stają się głównym i dominującym składnikiem. Straty wynikające z ponownych odbić silnie zależą od strat wynikających z pochłaniania. Jeśli tylko pojawi się odbicie na granicy powietrza i metalu ekranu, podobne odbicie pojawia się na granicy metalu z powietrzem. Przy stratach pochłaniania większych niż 10 db składnik wynikający z ponownych odbić może być pominięty. Wewnętrzna impedancja (Z B ) ekranu jest funkcją względnej przenikalności magnetycznej ekranu (μ r ), względnej przewodności (σ r ) i częstotliwości (f). Impedancja fali jest funkcją bezwzględnej przenikalności magnetycznej (μ o ) i bezwzględnej przenikalności elektrycznej (ε o ). Dwoma innymi ważnymi współczynnikami w równaniach opisujących ekranowanie są odległość (r) od źródła energii elektromagnetycznej do ekranu oraz długość fali (λ). Długość fali jest powiązana z szybkością rozchodzenia się światła i częstotliwością (f) zgodnie ze wzorami: Gdy odległość źródło-ekran jest mniejsza niż około jedna szósta długości fali (λ/2p), pole nazywane jest polem bliskim. Jeśli odległość źródło-ekran jest większa niż λ/2p pole nazywamy polem dalekim. Odległość pomiędzy źródłem a ekranem jest ważna w określeniu współczynników odbicia dla bliskiego pola elektrycznego E i magnetycznego H. Dla pola elektrycznego E straty wynikające z odbić dla pola bliskiego zwiększają się, gdy odstęp między źródłem a ekranem zmniejsza się i gdy częstotliwość maleje. Z drugiej strony, dla pola magnetycznego H straty wynikające z odbić dla pola bliskiego zwiększają się, gdy odstęp między źródłem a ekranem zwiększa się i gdy częstotliwość rośnie. Dla absorpcji straty są niezależne od tego, czy jest to pole dalekie czy bliskie i są takie same, niezależnie czy w fali przeważa składnik elektryczny E czy magnetyczny H, czy jest to fala płaska (fala elektromagnetyczna, w której wszystkie punkty prostopadłe do kierunku rozchodzenia się są w fazie lub są równoległe do siebie lub poruszają się w tym samym kierunku). Rys. 4 Straty pochłaniania (absorpcji) jako funkcja głębokości wnikania (δ) Podsumowując: Absorpcja: inaczej pochłanianie, zwiększa się wraz ze wzrostem częstotliwości fali elektromagnetycznej, grubości ekranu, przenikalności magnetycznej ekranu i przewodności. 6

7 Odbicia: generalną zasadą jest, że powyżej 10 khz odbicia zwiększają się wraz ze wzrostem przewodności i zmniejszeniem się przenikalności magnetycznej. Odbicia pole E: zwiększają się wraz ze zmniejszaniem się częstotliwości i zmniejszaniem się odległości między źródłem a ekranem. Odbicia pole H: zwiększają się wraz ze wzrostem częstotliwości i wzrostem odległości między źródłem a ekranem. Odbicia fala płaska: zwiększają się wraz ze zmniejszeniem częstotliwości. Rozwiązanie równań opisujących skuteczność ekranowania dla przewodzących ciał stałych, przy założeniu, że ekran jest nieskończoną powierzchnią o skończonej grubości prowadzi do wyników, w których poziom ekranowania jest większy niż praktycznie osiągalny w rzeczywistej obudowie. Spowodowane jest to skończonymi wymiarami obudowy i różnymi nieciągłościami, które są koniecznością przy projektowaniu obudowy przewodzącej (np. rowki, otwory na przewody, otwory wentylacyjne). Grubość ekranu musi spełnić wymagana co do mechanicznej wytrzymałości i jednocześnie zapewnić odpowiednią skuteczność ekranowania. Najważniejszymi rozważaniami podczas projektowania ekranu jest materiał na ekran oraz obróbka rowków, zagłębień oraz otworów. W Dodatku A zawarte jest zestawienie materiałów uwzględniające przenikalność magnetyczną względną, straty pochłaniania (absorpcji) i starty wynikające z odbić. Technika i metody ekranowania wraz z charakterystyką różnych produktów została opisana dalszych rozdziałach tego przewodnika. 7

8 3. Kompatybilność elektromagnetyczna - projektowanie Projekt uwzględniający problematykę EMC powinien być integralną częścią projektu każdego elektronicznego urządzenia bądź obwodu. Jest to bardziej uzasadnione z ekonomicznego punktu widzenia niż dokonywanie zmian związanych z EMC na gotowym produkcie. Podstawowe techniki wykorzystywane przy projektowaniu zgodnym z wymogami EMC to ekranowanie elektromagnetyczne, filtrowanie obwodów oraz staranny i przemyślany projekt masy urządzenia, włączając w to dokładną analizę tłumienia łączeń elementów urządzenia z masą. Rys. 5 Piramida projektu EMC Rys. 5 przedstawia zalecaną metodologię dla wykonania dobrego projektu urządzenia lub obwodu z uwzględnieniem EMC. Hierarchia jest przedstawiona w formie piramidy. Po pierwsze, fundamentem dobrego projektu EMC są zasady dobrego zaprojektowania części elektrycznej i mechanicznej. Wliczamy tu rozważania dotyczące niezawodności, takie jak spełnienie specyfikacji projektu w akceptowalnej tolerancji, odpowiednia obudowa i całościowe sprawdzenie na etapie projektowania. Platformą, na której budowane są współczesne urządzenia elektroniczne, najczęściej jest płytka drukowana (PCB). Na tej platformie znajduje się szereg potencjalnych źródeł zaburzeń, jak również szereg elementów i obwodów wrażliwych na energię elektromagnetyczną (zaburzenia). Dlatego też kolejnym ważnym etapem przy projektowaniu urządzeń z uwzględnieniem EMC jest przemyślany projekt płytki PCB. Dokładnych rozważań na temat EMC wymaga umiejscowienie elementów aktywnych, wytyczenie ścieżek, impedancje dopasowania, ścieżki masy oraz filtrowanie obwodów. Pewne elementy PCB mogą również wymagać ekranowania. Kolejnym krokiem przy projektowaniu urządzeń jest projekt wewnętrznego okablowania (wewnętrzne przewody są używane do połączeń między PCB lub innymi elementami składowymi). Prawidłowy projekt wewnętrznego okablowania uwzględniającego problemy EMC, czyli ich prowadzenie i ekranowanie, jest bardzo ważny dla całego urządzenia. Po zaprojektowaniu PCB i wewnętrznego okablowania specjalną uwagę należy zwrócić na projekt ekranowania obudowy i odpowiednią obróbkę wszystkich otworów, zagłębień i przepustów kablowych. Końcowym etapem jest filtrowanie wejść i wyjść oraz innych przewodów Projekt PCB uwzględniający problematykę EMC Gdy projektujemy płytkę PCB, należy zawsze mieć na uwadze i kontrolować: a) emisję z obwodów PCB b) wrażliwość obwodów na płytce PCB na zaburzenia zewnętrzne c) sprzęganie się obwodów na płytce PCB ze znajdującymi się blisko zewnętrznymi obwodami w urządzeniu oraz d) sprzęgania się obwodów w obrębie tej samej płytki PCB 8

9 Dokonujemy tego poprzez zwrócenie szczególnej uwagi na rozmieszczenie elementów, minimalizację nieciągłości impedancji oraz (gdzie możliwe) używanie sygnałów o niskich amplitudach. Jeśli używamy zegara o częstotliwości powyżej 10 MHz, w większości przypadków będzie konieczne użycie wielowarstwowego projektu płytki z wbudowaną w podłoże warstwą masy. Jeśli nie jest to możliwe dla danego produktu ze względu na koszty należy użyć ścieżek chronionych, co oznacza masę po obu stronach ścieżki z sygnałem. Elementy powinny być umiejscowione tak, by zakłócające i wrażliwe elementy mogły być odizolowane. Należy prowadzić ścieżki z sygnałem taktu zegara, szyny i układy scalone osobno od linii I/O i konektorów. Częstotliwość zegara powinna być ograniczona do minimum, a jego ścieżki powinny być ustawione prostopadle do ścieżek z sygnałami. Gdy sygnał zegara wychodzi poza obszar płytki wówczas ścieżki powinny być umieszczone blisko złącza. W przeciwnym wypadku zegar powinien być umiejscowiony na środku by umożliwić minimalizację rozprowadzonych ścieżek. Układy wejścia/wyjścia powinny być umieszczone blisko przypisanego im złącza. Obwody wyjściowe powinny być tłumione za pomocą rezystora, cewki lub koralika ferrytowego zamocowanego blisko sterownika. Różne rodzaje obwodów (np. cyfrowe, analo gowe, zasilające) powinny być odseparowane, podob nie jak ich masy. Firma ASTAT oferuje szeroką gamę elementów ekranujących szczególnie przydat nych do ekranowania aplikacji opartych na PCB włączając obszerną linię przewodzących elastomerów. Dla projektów urządzeń o dużej częstotliwości, rozmieszczenie elementów musi być traktowane jak środowisko transmisji sygnałów na drodze radiowej, co powoduje konieczność minimalizacji nieciągłości impedancji. Dobrą praktyką przy projektowaniu PCB jest odsprzęganie; należy używać wielu kondensatorów odprzęgających (ang. bypasses capacitors). Typowym będzie kondensator ceramiczny od 0,1 μf do 1,0 μf. Kondensatory odsprzęgające powinny być zamontowane blisko układów scalonych. Należy minimalizować pętle, które tworzą się z linii zasilania, poprzez prowadzenie ścieżek z zasilaniem tak blisko jak to możliwe ścieżki powrotnej. Linie zasilające powinny być filtrowane na złączu płytki Projekt przewodów wewnętrznych uwzględniających EMC Wewnętrzne okablowanie powinno być zredukowane do minimum. Gdy do połączeń płytek i elementów składowych urządzenia wymagane są przewody, ich długość powinna być minimalizowana. Zastosowanie długich przewodów może być katastrofalne w skutkach. Jeśli płytki PCB są prawidłowo zaprojektowane, wymagania odnośnie ekranowania wewnętrznych przewodów są bardzo małe. Jednakże, jeśli okaże się, że ekranowanie jest niezbędne, sposób i metoda uziemienia ekranu jest krytyczna dla całkowitej tłumienności, którą ten ekran zapewnia. Ekrany przewodów nie powinny być używane jako powrót sygnału. Często używane są przewody koncentryczne dla pewnych niesymetrycznych obwodów. W takim przypadku ekran przewodu koncentrycznego (ang. coaxial) jest celowo używany jako ścieżka powrotu. Przy takim zastosowaniu ekran nie jest przeznaczony do tłumienia energii elektromagnetycznej ze środka przewodu. Jeśli urządzenia na obu końcach przewodu koncentrycznego są prawidłowo zaprojektowane, przewód koncentryczny nie powinien emitować zakłóceń. Jednakże jeśli impedancje urządzeń nie są dopasowane i przewód koncentryczny zaczyna emitować, trzeba dodać dodatkowy ekran do przewodu (ang. triaxial). Ten zewnętrzny ekran musi być podłączony do masy obudowy. Do tego celu nadają się doskonale plecione druciane siatki oraz metalowe taśmy, specjalnie zaprojektowane dla wiązek przewodów i ekranowania kabli, jak również dla zastosowania przy uziemianiu. 9

10 3.3. Projekt ekranowanej obudowy Obudowa musi być zaprojektowana z myślą o ekranowaniu. Jeżeli płytki PCB i wewnętrzne okablowanie są prawidłowo zaprojektowane, wówczas nie potrzeba stosować ekranów. Jeśli okaże się jednak, że ekran jest konieczny, jego projekt będzie z pewnością niedrogi. Ekranowana obudowa powinna być wykonana z materiału, który posiada pożądane właściwości fizyczne i elektryczne, włączając w to rezystancję oraz odporność na niekorzystne warunki środowiskowe. Nieciągłości w ekranie obniżają poziom ekranowania, a ich poprawne wykonanie jest kluczowe w utrzymaniu wymaganej skuteczności ekranowania, uniemożliwiając elektromagnetyczne sprzęganie się fal (emisję) poprzez otwory i szczeliny. Skuteczność takiego sprzęgania zależy od rozmiaru otworów i szczelin oraz od długości fali zakłócającej. Każdy otwór w obudowie może stanowić doskonałą drogę emisji przy pewnych częstotliwościach. Gdy zwiększają się rozmiary otworów, droga emisji polepsza się. Praktyczną zasadą, której warto przestrzegać podczas projektowania jest unikanie otworów większych niż λ/20 dla produktów ogólnego przeznaczenia oraz λ/50 dla produktów pracujących w zakresie mikrofal. Ponieważ większość problemów z emisją EMI występuje w szerokim zakresie częstotliwości, interesującą częstotliwością będzie największa częstotliwość z zakresu emisji. Rysunek 6 przedstawia rozmiary otworów dla λ/20 i λ/50 w funkcji częstotliwości z zakresu 100kHz do 10GHz. Rys. 6 Maksymalny rozmiar szczeliny dla danej częstotliwości Jeśli konieczne jest wykonanie otworu większego niż λ/20 lub λ/50 konieczne będzie zastosowanie dodatkowych elementów, które obniżają poziom emisji przez te otwory (czytaj rozdział 4). Emisja energii elektromagnetycznej przez otwory zależy od dwóch czynników: a) najdłuższego wymiaru otworu (d) b) długości fali emitowanego pola Dla długości fal mniejszych niż dwa największe wymiary otworu (przykładowo dla otworu kwadratowego będzie to przekątna), energia elektromagnetyczna przejdzie swobodnie przez otwór i nie będzie tłumiona. Dla długości fal równej podwójnej długości otworu, ekranowanie jest zerowe. Częstotliwość (f c ) przy której wystąpiło to zjawisko nazywana jest częstotliwością odcięcia (ang. cut-off frequency), gdzie c jest prędkością rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. Dla długości fal większych niż dwie wielkości największego otworu tłumienie jest wyrażone następująco: dla 2 > d > t (t = grubość materiału) Otwory mają wpływ zarówno na odbicia jak i pochłanianie. Odbicia zmniejszają się ponieważ zwiększa się impedancja ekranu w stosunku do impedancji fali. Ten wzrost impedancji ekranu spowodowany jest indukcyjnością upływu, która jest ściśle powiązana z wymiarami otworów oraz odległością między źródłami emisji a otworem. Nie popełni się dużego błędu jeśli przyjmie się założenie, że tłumienie wynosi 0dB dla częstotliwości odcięcia f c oraz że maleje liniowo 20dB na dekadę przy zmniejszaniu się częstotliwości. Oczywiście, maksymalna możliwa do osiągnięcia skuteczność ekranowania jest równa tej obliczonej dla ekranu z litego materiału bez otworów. Nie rozważamy jednak tutaj efektu, gdy źródło za- 10

11 burzeń jest blisko otworu. Tak długo jak potencjalne źródło zaburzeń EMI jest umiejscowione przynajmniej w odległości równej największemu wymiarowi otworu, takie przybliżenie będzie prawdziwe. Gdy źródło zaburzeń jest w odległości bliższej niż największy wymiar otworu, można się spodziewać mniejszego stopnia ekranowania. W takiej sytuacji uzyskanie wyznaczonych parametrów ekranowania może być bardzo skomplikowane. W przybliżeniu możemy napisać, że skuteczna częstotliwość odcięcia maleje proporcjonalnie do pewnego współczynnika, który jest zależny od odległości do otworu: Obecność więcej niż jednego otworu tego samego rozmiaru w jednolitym ekranie z metalu daje efekt w postaci zmniejszenia całkowitej skuteczności ekranowania. Zmniejszenie to zależne jest od odległości między sąsiednimi otworami, długości fali zakłócającej i całkowitej liczby otworów. Jeśli sąsiadujące ze sobą otwory mają ten sam maksymalny wymiar i są oddalone od siebie przynajmniej o odcinek (s) równy połowie długości fali, zmniejszenie jest minimalne i praktycznie może być przyjęte za zerowe. Jeśli otwory są położone bliżej siebie (s<2λ), to nie zachowują się już jak pojedyncze otwory. Zmniejszenie skuteczności ekranowania spowodowane wieloma blisko położonymi otworami jest w przybliżeniu proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z całkowitej liczby (n) otworów o równych rozmiarach. oraz Gdzie: n = liczba otworów s = odległość od krawędzi do krawędzi otworu Relacje te słuszne są np. dla ekranującej plecionki drucianej pod warunkiem, że ma ona dobry styk elektryczny w połączeniach krzyżujących się i przecinających drucików, z których jest wykonana Obudowy niemetalowe Wiele urządzeń elektronicznych ogólnego przeznaczenia jest montowanych w obudowach z plastiku lub innego tworzywa nie przewodzącego. Gdy jednak urządzenie (by spełnić wymagania EMC) wymaga ekranowania, obudowa musi być pokryta materiałem przewodzącym. Wśród różnych technik metalizacji możemy wymienić naparowywanie próżniowe, powlekanie bezprądowe, metalizację łukową oraz przewodzące farby w spray u. Ostatnia wymieniona metoda jest najczęściej stosowaną. Jest to, przypominająca farbę, zawiesina złożona z drobinek metalu w chemicznym nośniku. Taka łatwo dostosowywująca się powłoka zbudowana jest z bardzo małych drobinek materiału przewodzącego, takiego jak srebro, nikiel, miedź czy węgiel. Przykładem takiego produktu mogą być wysoce przewodzące akrylowe i poliuretanowe farby wypełnione drobinkami srebra. Uzyskiwana rezystancja powierzchniowa jest na poziomie 50 mω przy grubości pokrycia wynoszącej 1 mil (1 mil to tysięczna część cala czyli około 0,0254mm). Im mniejsza rezystancja powierzchniowa przewodzącego pokrycia, tym większa skuteczność ekranowania. Można w ten sposób uzyskać skuteczność ekranowania na poziomie od 60 db do 100 db. 11

12 Okna Często konieczne są duże otwory w obudowie pełniące funkcję wizjera do podglądu wyświetlaczy, lamp sygnalizacyjnych i stanu działania urządzenia. Gdy wymagane jest ekranowanie EMC dużych powierzchni, mamy do wyboru następujące opcje: połączenie (laminat) warstwy metalowej siatki o drobnych oczkach z warstwami przeźroczystego tworzywa lub szkła odlanie arkusza przezroczystego tworzywa z zatopioną w nim metalową siatką o drobnych oczkach naniesienie cienkiej optycznie czystej przewodzącej warstwy na przezroczyste podłoże Miejsca składania obudów Przy projektowaniu składań w obudowach, nadrzędnym celem powinno być osiągnięcie całkowicie przewodzącego zestyku wzdłuż całej długości składania. W przypadkach gdzie z praktycznego punktu widzenia nie jest to możliwe należy zwrócić szczególną uwagę na: A) Połączenie na zakładkę: Dwie składane powierzchnie tworzą kondensator. Ponieważ pojemność jest funkcją powierzchni, składanie powinno być wykonane tak duże, jak jest to praktycznie możliwe by zapewnić odpowiednie sprzęganie pojemnościowe, co oznacza funkcjonowanie przy wysokich częstotliwościach jak zwarcie elektryczne. Dobrą zasadą, której warto przestrzegać jest, by stosunek minimalnej odległości zachodzenia na siebie składań do odległości między powierzchniami wynosił 5 do 1. Rys. 7 Połączenie blach na zakładkę i odstępy B) Punkty styku składań: Wzdłuż całej długości każdego składania powinny być utworzone mocne i trwałe połączenia elektryczne w odległościach nie większych niż λ/20 dla urządzeń przemysłowych i λ/50 dla urządzeń mikrofalowych. Połączenia te można wykonać za pomocą elementów dociskowych takich jak: śruby lub elementy złączne, wkładki uziemiające, paski wzdłuż składania lub przewodzące uszczelnienia (gaskety). Wykorzystać można ponadto taśmy metalowe, cienkie uszczelnienia z elastomerów, przewodzące uszczelniacze i wypełniacze oraz wiele innych produktów. Jeśli obie składane powierzchnie są z materiału przewodzącego i są szczelnie złożone, zapewnione jest między nimi elektryczne zwarcie. By dodatkowo doszczelnić składanie można użyć wzdłuż całego składania przewodzące uszczelnienie zwane z angielskiego gasketem. Zastosowanie przewodzących uszczelnień należy rozpatrywać w następujących przypadkach: a) Całkowite wymagania odnośnie do ekranowania sięgają 40 db b) Obudowy ze składniami mającymi szczelinę większą niż λ/20 c) Częstotliwości emisji sięgają 100 MHz d) Dopasowanie materiałów za pomocą obróbki mechanicznej jest niemożliwe e) Elementy składane wykonane są z różnych materiałów i urządzenie docelowo będzie pracować w trudnych warunkach. f) Niezbędne są składania odporne na czynniki środowiskowe (np. kurz, opary) Stosując gaskety można uzyskać zadowalające ekranowanie EMI jak również pożądane uszczelnienie środowiskowe. Należy jednak wiedzieć, że osiągnięcie pożądanego poziomu uszczelnienia elektromagnetycznego zależy zarówno od górnej jak i dolnej granicy siły docisku gasketu. Im większą siłę 12

13 docisku przyłożymy do uszczelnianego połączenia, tym lepsze uzyskamy uszczelnienie środowiskowe jak i EMI. Należy jednak pamiętać, że jeśli przekroczymy maksymalny poziom siły nacisku na gasket to może dojść do jego nieodwracalnego uszkodzenia. Takie uszkodzenie może zmniejszyć docisk wzdłuż szczeliny i pogorszyć zarówno charakterystyki środowiskowe jak i EMI uszczelnienia. Należy zatem zastosować, gdzie tylko jest to możliwe, wypustki lub rowki ograniczające siłę docisku na gasket poniżej maksymalnego dopuszczalnego poziomu Przepusty Przepusty w obudowie można podzielić na: a) przez które przechodzi przewodnik, b) przez które nie przechodzi przewodnik. Przykładem pierwszego jest złącze interfejsu do połączeń przewodem, a przykładem drugiego otwory wentylacyjne i otwory na wałek wykonany z dielektryka. By uzyskać całkowite ekranowanie obudowy z przepustami kablowymi należy zastosować filtry elektryczne lub ekranowane przewody. Do ekranowania przewodów można wykorzystać metalową siatkę lub metalowe taśmy. By uzyskać całkowite ekranowanie obudowy z przepustem na nieprzewodzący wałek lub panel wentylacyjny można posłużyć się teorią falowodów. Metalowa rura może być przepustem dla nieprzewodzącego wałka jak pokazano na rys. 8. By ocenić charakterystykę tłumienia takiej rury należy potraktować ją jak falowód. Charakterystyka tłumienia (A) pojedynczego falowodu poniżej częstotliwości odcięcia (f c ) jest funkcją stosunku głębokości do szerokości (d/w). Gdy współczynnik głębokości do szerokości wzrasta, to wzrasta również skuteczność ekranowania. Dla kwadratowych falowodów można napisać następującą zależność: Opisane powyżej panele wentylacyjne, które tłumią fale elektromagnetyczne są najczęściej budowane w postaci wielu małych otworów w metalowej obudowie. Jednakże w niektórych wypadkach, gdy wymagane tłumienie nie może być osiągnięte tym sposobem (przykładowo gdy źródło zakłóceń jest blisko panelu wentylacyjnego) można użyć falowodów zwanych plastrami miodu pokazanymi na rys. 8. Dla okrągłych falowodów można napisać następującą zależność: Rys. 8 Falowody 13

14 3.4. Filtry By tłumić emisję zakłóceń w liniach zasilających oraz liniach przesyłu danych, niezbędne jest zastosowanie filtrów. Tłumienność filtru zależy od impedancji źródła i obciążenia. Dane producenta są najczęściej podawane dla impedancji źródła i obciążenia równej 50Ω, podczas gdy rzeczywista impedancja jest zmienna i w dużym stopniu zależna od zakresu częstotliwości. Chociaż istnieją metody oszacowania rzeczywistej wartości impedancji, najczęściej jednak te wartości nie są znane. Skutkiem tego dobór filtru na drodze matematycznych obliczeń jest najczęściej niepraktyczny. Alternatywnym podejściem do zagadnień filtracji jest założenie, że istnieje pewne niedopasowanie impedancji. Oznacza to, że jeśli istnieje różnica między impedancją źródła a impedancją obciążenia, to zaburzenia EMI będą się przenosiły w jakimś stopniu. Jeśli impedancja sieci jest wysoka, to impedancja wejściowa filtru powinna być niska czyli zbocznikowana kondensatorem. Jeśli natomiast impedancja sieci jest niska to impedancja wejściowa filtru powinna być wysoka czyli z szeregową indukcyjnością. Analogiczne zależności powinny występować pomiędzy impedancją wyjściową filtru a impedancją obciążenia. Należy również rozważyć czy zaburzenia są symetryczne czy niesymetryczne. Zaburzenia symetryczne oznaczają zaburzenia między przewodami a uziemieniem, natomiast zaburzenia asymetryczne oznaczają zaburzenia między różnymi przewodami. W większości przypadków konieczne jest tłumienie obu rodzajów zaburzeń. Praktycznie wszystkie filtry sieciowe z półki są w stanie sprostać zaburzeniom asymetrycznym, a wiele z nich potrafi tłumić zarówno zaburzenia asymetryczne jak i symetryczne. Bez szczegółowych danych z pomiarów zaburzeń przewodzonych trudno jest ocenić rodzaj zaburzeń, a zatem rodzaj wymaganego filtru. W wyborze filtru w pierwszej kolejności pomocna jest podstawowa wiedza o projektowaniu filtrów. Gdy wymagane jest tłumienie zaburzeń asymetrycznych należy zastosować strukturę filtru z kondensatorami włączonymi równolegle między linię a masę oraz cewkami z wspólnym rdzeniem. Gdy wymagane jest tłumienie zaburzeń symetrycznych należy zastosować strukturę filtru z kondensatorami włączonymi między linie oraz pojedynczymi cewkami. Rys. 9 pokazuje przykłady obu rodzajów filtrów. Jedyną drogą upewnienia się, że filtr ograniczy EMI poniżej wymaganych poziomów jest przebadanie urządzenia pod kątem emisji zaburzeń przewodzonych przy różnych kombinacjach z różnymi filtrami. Metoda prób i błędów nie wygląda na profesjonalną, ale w większości wypadków okazuje się najszybszą, najbardziej ekonomiczną i niosącą najmniejsze ryzyko pomyłki. Rys. 9 Przykłady różnych struktur filtrów Instalacja filtru jest niezwykle ważna. Połączenie obudowy filtru z obudową urządzenia musi mieć jak najmniejszą impedancję w zakresie częstotliwości w której działa filtr, wyprowadzenia wejść/wyjść muszą mieć możliwie największą izolację oraz, w przypadku filtrów sieciowych i filtrów I/O, filtrowane linie powinny być jak najbliżej wejścia do obudowy (patrz rys. 10). 14

15 Rys. 10 Instalacja filtrów Filtry w postaci koralików ferrytowych są bardzo skuteczne, szczególnie w liniach I/O i przy tłumieniu wysokich częstotliwości (>100 MHz). Na jedno należy zwrócić uwagę, żeby impedancja ferrytu nie wpływała na charakterystykę sygnału Łączenia i uziemienie W poprzednich rozdziałach odwoływano się do pojęcia pożądana niska impedancja połączenia z uziemieniem filtrów i ekranów. Uziemienie jest prawdopodobnie najważniejszym, ale zarazem najmniej rozumianym aspektem EMI. Często połączenia uziemienia są wykonane bez zwracania uwagi na impedancję przewodów uziemiających dla wymaganego zakresu częstotliwości. Skutkiem tego może być pogorszenie parametrów ekranowanej obudowy, ekranowanego przewodu lub filtru. Gdy używamy słowa uziemienie najczęściej mamy na myśli jakiś punkt odniesienia. W większości przypadków najlepszym punktem odniesienia jest zielono-żółty przewód ochronny w przewodzie zasilającym AC (przy założeniu, że urządzenie nie jest zasilane z baterii). Odkąd różne organizacje i normy zaczęły wymagać przyłączenia przewodu ochronnego do obudowy, przewód ten najczęściej jest przyłączony do obudowy zaraz przy wejściu zasilania. Jest to dobra praktyka z punktu widzenia EMI, ponieważ ten punkt ochronny będzie służył jako główny punkt odniesienia dla innych połączeń uziemienia. Nadrzędnym celem jest utrzymanie bardzo niskiej impedancji połączeń między tym punktem i każdym innym punktem uziemienia w urządzeniu. Zatem utrzymywanie niskiej impedancji połączeń pomiędzy współpracującymi częściami jest ważnym aspektem dobrego projektu elektrycznego uziemienia. Pociąga to za sobą wymaganie, by współpracujące części obudowy nie były pomalowane, przewody i obejmy uziemiające nie były przyłączone do pomalowanych powierzchni. W środowiskach korozyjnych szczególną uwagę należy zwrócić na użycie różnych metali, ponieważ mogą wystąpić reakcje galwaniczne. Celem jest utrzymanie jednego potencjału masy tak, jak to tylko fizycznie jest możliwe. Powroty linii sygnałowych generalnie powinny być dołączone do masy w jednym punkcie (koncepcja masy w pojedynczym punkcie) by zapobiec pętlom masy. Warto jednak tutaj zaznaczyć, że w niektórych przypadkach przyłączenie masy w kilku punktach (koncepcja masy wielopunktowej) przynosi jeszcze lepsze rezultaty. Prawdopodobnie będzie przydatna metoda prób i błędów. Projekt płytki drukowanej powinien również być oparty na koncepcji masy w pojedynczym punkcie po to, by zapewnić separację różnych rodzajów obwodów omawianych poprzednio. Dobrym sposobem przy projektowaniu schematu elektrycznego masy jest używanie różnych symboli dla masy bezpieczeństwa, analogowej i RF. Pomoże to w wyszukiwaniu potencjalnych problemów takich jak pętle masy oraz wspólne ścieżki masy dla różnych rodzajów podobwodów. Rys. 11 ilustruje opisany powyżej sposób. Jest to przypadek idealny. W rzeczywistości w wielu przypadkach konieczne jest podłączenie powrotów linii 15

16 z jednej PCB to drugiej lub z jednego obwodu do drugiego. Powoduje to powstawanie pętli masy. By zminimalizować groźby związane z EMI można zastosować następujące środki: a) używać, gdy tylko to możliwe, symetrycznych różnicowych obwodów b) minimalizować obszary pętli masy c) prowadzić przewody gorące oraz powrotu obok siebie Rys. 11 Przykład schematu elektrycznego masy urządzenia 4. ROZWIĄZYWANIE PROBLEMÓW, SCHEMATY BLOKOWE W przypadku gdy urządzenie lub system ma problemy z EMC lub nie spełnia wymogów odpowiednich norm EMC, sposoby na rozwiązanie problemu można znaleźć w poniższych schematach blokowych. Problemy możemy podzielić następująco: Emisja promieniowana Emisja przewodzona Odporność promieniowana Odporność przewodzona Wyładowania elektrostatyczne szereg zagadnień opisanych powyżej, odnoszących się do pojedynczego problemu. Schematy wskazują także na elementy ekranujące i filtrujące, które są zalecane do rozwiązania danego problemu. Schemat 1 jest przewodnikiem, który prowadzi od dostrzeżonego problemu do metody rozwiązania pokazanego na schematach od 2 do 6. Każda metoda rozwiązania jest logicznym przejściem przez 16

17 SCHEMAT 1 17

18 SCHEMAT 2 - Zakłócenia promieniowane (odporność) 18

19 19

20 SCHEMAT 3 - Zakłócenia promieniowane (odporność) 20

21 SCHEMAT 4 - Zakłócenia przewodzone (odporność) 21

22 SCHEMAT 5 - Wyładowania elektrostatyczne (powietrzne) 22

23 23

24 SCHEMAT 6 - Wyładowania elektrostatyczne (dotykowe) 24

25 5. NORMY DOTYCZĄCE EMC Jak wspomniano wcześniej, głównym celem projektowania uwzględniającego wymagania EMC jest zapewnienie niezawodnej pracy urządzenia lub systemu w docelowym środowisku elektromagnetycznym z zachowaniem jednoczesnej odporności na zaburzenia i minimalizacją emisji zaburzeń. Innymi celami są: a) zwiększenie niezawodności urządzenia b) zgodność z wymogami zawartymi w umowie (jeśli dotyczą) c) zgodność z normami prawymi Często wymagania zawarte w umowie bazują na normach prawnych, a w przypadku gdy produkt ma być sprzedawany w kilku krajach, wymagania będą kondensacją najbardziej rygorystycznych przepisów z poszczególnych krajów. Problemy EMC należy zawsze rozważyć w projektowaniu wszelkich produktów, które funkcjonują dzięki energii elektromagnetycznej biorąc pod uwagę punkt a) wyszczególniony powyżej. Oczywiście, gdzie to obowiązkowe, należy stosować się do wymogów prawnych i wymogów klienta. Historia pokazała, że regulacje prawne przeszły przez szereg gwałtownych oraz względnie spokojnych zmian, zależnych od tempa rozwoju technologii. Przykładowo, normy prawne uległy dynamicznym zmianom wraz z rozwojem i rozszerzeniem Unii Europejskiej. Procedury pomiarowe i maksymalne poziomy są publikowane dla UE przez organizację zwaną CENELEC (European Committe for Electrotechnical Standarization) i zawierają szeroki zakres dyrektyw. Prowadzone są ciągłe badania dotyczące procedur pomiarowych oraz maksymalnych poziomów i dlatego pojawiły się one również w regulacjach międzynarodowych, włączając te w Stanach Zjednoczonych np. wymagania EMC zawarte w FCC (Federal Communications Commision) oraz FDA (Federal Drug Administration). Istnieje wiele międzynarodowych norm EMC, zbyt wiele by je opisać w tym krótkim przewodniku. Opisane zostały jedynie te, które mają obecnie największy wpływ na światowych producentów. Laboratoria badawcze EMC zawsze pomagają w wyborze odpowiednich norm dla danego produktu lub zastosowania oraz definiują odpowiednie wymagania Przepisy FCC Przepisy FCC regulują i zabezpieczają usługi komunikacyjne, dlatego też od produktu wymaga się spełnienia norm EMC na emisyjność. W przepisach jest jednakże zdanie, które wymaga od produktu, by praco wał poprawnie w danym środowisku bez uszkodzenia, ale nie są sprecyzowane żadne szczególne wyma gania. Procedury testowe są wyszczególnione w dokumencie CFR (Code of Federal Regulations), rozdział 47. Części 15 i 18 dokumentu CFR 47 są podstawowymi normami na emisję pokrywającymi umyślne i nieumyślne źródła emisji, gdzie umyślne źródła emisji oznaczają urządzenia z komunikacją radiową, natomiast nieumyślne źródła emisji to przykładowo: komputery, odbiornik radiowy i inne urządzenia, które działają dzięki energii elektromagnetycznej w obwodach elektrycznych, a których celem nie jest wypromieniowywanie tej energii np. w celu komunikacji. Wiele urządzeń jest wyłączonych z tych regulacji np.: a) urządzenia przeznaczone wyłącznie do pracy w pojazdach transportowych, b) urządzenia przeznaczone do elektronicznego sterowania lub układy dużej mocy, c) specjalistyczne cyfrowe urządzenia elektroniczne o przeznaczeniu medycznym, d) urządzenia elektroniczne o małym zużyciu mocy poniżej 6 nw, e) drążki sterownicze (ang. joystick) i inne podobne urządzenia, f) urządzenia cyfrowe, w których zarówno najwyższa generowana i przetwarzana częstotliwość nie przekracza 1,705 MHz i które nie są zasilane z linii AC. 25

26 Zasadniczo część 18 odnosi się do urządzeń przemysłowych, naukowych i medycznych ISM (Industrial, Scientific and Medical) zaprojektowanych do przetwarzania dużych energii RF lub ultradźwiękowych, podczas gdy część 15 reguluje wszystkie pozostałe urządzenia. Dopuszczalne poziomy emisji dla części 15 są wymienione w dodatku B, tabela B-1. Oznaczenie klasa A i B odnosi się do urządzeń cyfrowych, gdzie Klasa A stanowi urządzenia przeznaczone do użytku w środowisku przemysłowym, natomiast Klasa B to urządzenia przeznaczone do pracy w środowisku domowym. Dopuszczalne poziomy zakłóceń promieniowanych i przewodzonych dla części 18 powiązane są z charakterystycznymi rodzajami urządzeń takimi jak piece przemysłowe, spawarki łukowe, medyczna diatermia, urządzenia ultradźwiękowe, piece indukcyjne, urządzenia oświetleniowe itp FDA i wytyczne EMC FDA przygotowała dokument zatytułowany (Reviewer Guidance for Premarket Notification Submissions). Rozdział 510(k) zawiera wiele wytycznych dotyczących EMC w elektronicznych urządzeniach medycznych. Te wytyczne często są częścią procesu wprowadzania produktu do obrotu. Tak jak w tytule, FDA zawiera tylko wytyczne i wskazówki, a nie wymagania. Jeśli to samo zadanie (np. wykazanie bezpieczeństwa urządzenia) można wykonać za pomocą innych środków, lub jeśli pewne rozwiązania nie są możliwe do zastosowania dla urządzenia, producent może przedstawić racjonalne uzasadnienie dla tak podjętych zmian i odstąpień. Tabela B-2 zawiera podsumowanie wytycznych FDA. Można zauważyć, że są one dość obszerne i zawierają wymagania z międzynarodowych norm oraz norm wojskowych Europejska dyrektywa EMC Produkty sprzedawane na rynkach Unii Europejskiej muszą być zgodne z dyrektywą EMC oznaczoną 89/336/EEC która głosi, że: a) Zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez urządzenie nie mogą przekraczać poziomu, który nie pozwoli na poprawną pracę urządzeń radiowych, telekomunikacyjnych i innych b) Urządzenie musi posiadać odpowiedni poziom wewnętrznej odporności na zakłócenia elektromagnetyczne by umożliwić poprawną pracę zgodnie z przeznaczeniem. Zgodność jest uzyskiwana poprzez spełnienie wymagań zawartych w określonych normach emisji i odporności, które są publikowane w Oficjalnym Dzienniku Unii Europejskiej. Z listy tej producent wybiera normy, które dotyczą jego produktu. Tam gdzie nie ma określonej normy na produkt, obowiązują normy ogólne. Pomimo że wygląda to na bardzo proste, zrozumienie norm europejskich i odszukanie odpowiedniej normy dla danej aplikacji nie jest łatwe. Istnieje wiele zasadniczo identycznych międzynarodowych norm oznaczonych trzema różnymi numerami. Przykładowo, normy europejskie muszą być zaakceptowane zarówno przez CENELEC oraz ETSI (European Telecomunitations Standard Institute). CENELEC dołącza numery dokumentów do wydanych norm. CENELEC często przejmuje istniejące już normy np. normy IEC (International Electrotechnical Commission). Najczęściej numer normy użyty przez CENELEC jest podobny do przejętej normy. Przykładowo, norma CENELEC EN dla urządzeń medycznych bazuje na normie IEC Innym przykładem jest przejęcie przez CE- NELEC i utworzenie serii norm EN na bazie norm IEC (dawniej IEC 801). Podsumowując, przykładowo istnieją trzy zasadniczo takie 26

27 same normy odporności na ładunki elektrostatyczne o numerach IEC 801-2, IEC oraz EN , ale o różnych nazwach. By być na bieżąco z dynamicznie zmieniającą się sytuacją w Unii Europejskiej konieczne jest uzyskiwanie informacji z dziennika Unii Europejskiej lub zaprenumerowanie usługi dostarczającej okresowe podsumowanie zmian w normach europejskich. Firma ASTAT jako firma specjalizująca się m. in. w dostarczaniu przyrządów do badań EMC chętnie pomoże w określeniu wymagań co do produktu. Oczywistym jest, że przed rozpoczęciem projektowania urządzenia należy określić wymagania. Poniżej przedstawione są wymagania co do niektórych częściej stosowanych norm. Większość norm EMC zbudowana jest według bardzo podobnego schematu. Urządzenia informatyczne (np. sprzęt komputery) Odpowiednie dopuszczalne poziomy emisji są zawarte w normie PN-EN 55022, Charakterystyki zaburzeń radioelektrycznych. Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru. Istnieją ponadto normy odporności dotyczące urządzeń informatycznych są na etapie opracowania w czasie powstawania tej broszurki. Dlatego też obowiązujące są ogólne normy odporności. Są dwie ogólne normy odporności bazujące na założonym środowisku pracy urządzenia. Są to PN-EN , Kompatybilność elektromagnetyczna Ogólne normy odporności; Część 1: Środowisko domowe i lekko uprzemysłowione oraz PN-EN , Kompatybilność elektromagnetyczna Ogólne normy odporności; Część 1: Środowisko przemysłowe. Dopuszczalne poziomy emisji dla normy EN przedstawia tabela B-3. Podobnie jak dla dopuszczalnych poziomów FCC, istnieją dopuszczalne poziomy emisji przewodzonej i promieniowanej dla klasy A (środowisko przemysłowe) i klasy B (środowisko domowe). Podsumowanie wymagań norm EN i EN jest przedstawione odpowiednio w tabelach B-4 oraz B-5. Medyczne urządzenia elektryczne Norma dotycząca urządzeń medycznych to EN , Medyczne urządzenia elektryczne. Część 1-2: Ogólne wymagania bezpieczeństwa. Norma uzupełniająca. Kompatybilność elektromagnetyczna. Wymagania i badania, która zawiera wymagania odnośnie emisji i odporności. Szczegóły można znaleźć w tabeli B-6. Urządzenia przemysłowe Wymagania mogą się zmieniać w zależności od danego urządzenia. Przykładowo norma EN 55011, Przemysłowe, medyczne i naukowe (PMN) urządzenia o częstotliwości radiowej. Charakterystyki zaburzeń radioelektrycznych. Dopuszczalne poziomy i metody pomiarów, dotyczy urządzeń PMN, które są definiowane jako urządzenia zaprojektowane do lokalnego generowania i/lub przetwarzania energii o częstotliwościach radiowych do celów przemysłowych, naukowych, medycznych, domowych lub podobnych z wyłączeniem urządzeń telekomunikacyjnych i informatycznych. Należy zaznaczyć, ze definicja urządzeń PMN jest szersza niż definicja FCC.. Urządzenia są dzielone na Klasę A (aplikacje niedomowe) oraz Klasę B (aplikacje domowe). Dalej urządzenia dzielone są na urządzenia Grupy 1 i Grupy 2 zdefiniowane jak poniżej: Grupa 1: urządzenia, w których energia RF jest celowo generowana i/lub przewodzona, i co jest warunkiem koniecznym do działania urządzenia. Grupa 2: urządzenia, w których energia RF jest celowo generowana i/lub używana w formie promieniowania elektromagnetycznego do obróbki materiałów i urządzeń cięcia elektroiskrowego. Dopuszczalne poziomy dla urządzeń grupy 1 są podsumowane w tabeli B-7. Jeśli ten dokument nie pasuje do danego produktu to obowiązują normy ogólne, czyli EN Kompatybilność elektromagnetyczna Ogólne normy odporności; Część 1: Środowisko domowe i lekko uprzemysłowione. W tabeli B-2 można znaleźć szczegóły. Do chwili obecnej nie ma wyszczególnionych norm odpornościowych dla urządzeń przemysłowych, dlatego obowiązują opisane powyżej normy ogólne odporności EN oraz

28 6. ZASTOSOWANIA SPECJALNE 6.1. Projekty uwzględniające EMC dla urządzeń wojskowych Od około 1990 roku widoczny jest trend w wojsku do akceptacji cywilnego sprzętu z półki, szczególnie w wyposażeniu, które nie ma krytycznego znaczenia. W wielu kontraktach wojskowych można znaleźć przy wymaganiach EMC odniesienie do norm IEC oraz FCC. Dzieje się tak z wielu powodów włączając w to m. in. redukcję kosztów. Jednakże tam gdzie wymagania są bardziej restrykcyjne najczęściej pojawiają się normy wojskowe zarówno dla emisji jak i odporności (częściej w wojsku nazywanej wrażliwością) jaką jest MIL-STD-461D, Wymagania dotyczące ograniczenia emisji zaburzeń elektromagnetycznych oraz wrażliwości i MIL-STD- -462D, Pomiary zakłóceń elektromagnetycznych. Jak pokazują tytuły, jeden dokument określa maksymalne poziomy emisji i kryteria oceny wrażliwości (odporności), natomiast drugi definiuje metody pomiarowe. Jak można się domyślić, wojskowe dopuszczalne poziomy emisji są o wiele niższe i kryteria oceny wrażliwości są bardziej restrykcyjne niż te zawarte w normach cywilnych. Również przedziały częstotliwości są szersze, co pokazano w dodatku B (tabela B-9), która podsumowuje normę MIL-STD-461D. Podstawowe zasady projektowania urządzeń z uwzględnieniem zagadnień EMC dla urządzeń cywilnych dotyczą również urządzeń wojskowych. Największe różnice występują przy projektowaniu obudowy i filtrów sieciowych Modelowanie i analiza W wielu przypadkach obwód lub element jest źródłem promieniowania lub jest narażony na promieniowanie EMI tylko dla pewnych częstotliwości. Przykładowo: nadajnik radiowy pracujący na częstotliwości 10 MHz może zakłócać przy normalnej pracy, położony niedaleko cyfrowy obwód elektroniczny, podczas gdy częstotliwość transmisji nadajnika radiowego różniąca się o jeden procent może nie powodować już zakłóceń. Z drugiej jednak strony szczególnie dokuczliwe zakłócenia mogą mieć kilka dyskretnych częstotliwości emisji, wszystkie leżące w paśmie wrażliwości danego obwodu. dwóch różnych poziomów napięć z nieskończenie krótkim czasem przejścia z poziomu na poziom. Rys. 12 ilustruje idealny przebieg prostokątny wraz z rozkładem częstotliwościowym. By zrozumieć problemy związane z sygnałami wieloczęstotliwościowymi w powiązaniu z emisją elektromagnetyczną pomocne będzie zrozumienie zależności częstotliwościowych podstawowych przebiegów, jak np. przebieg prostokątny. Idealny przebieg prostokątny składa się z przełączanych Rys. 12 Idealny przebieg prostokątny oraz jego składowe Fourierowskie 28

29 Teoria Fouriera głosi, że widmo przebiegu prostokątnego można wyrazić jako nieskończoną sumę przebiegów sinusoidalnych o zmniejszającej się amplitudzie, których częstotliwości rosną wraz z nieparzystymi wielokrotnościami częstotliwości (f) podstawowego przebiegu prostokątnego. Rysunek ten obrazuje, że w wyższych harmonicznych zawarta jest znaczna ilość energii w porównaniu z energią dla częstotliwości podstawowej. Rys. 13 pokazuje to samo widmo idealnego przebiegu prostokątnego z amplitudą przeliczoną na decybele i częstotliwością w skali logarytmicznej. Takie przedstawienie pozwala na łatwe porównanie z dopuszczalnymi poziomami w normach, które są najczęściej przedstawiane w ten właśnie sposób. Rys. 14 Amplituda przebiegu trapezowego w funkcji częstotliwości Rys. 13 Amplitudy składowych Fourierowskich idealnego przebiegu prostokątnego w db odniesionych do A Pionowe linie reprezentują amplitudę sygnału w funkcji częstotliwości. W praktyce pomija się dyskretną naturę pomiarów emisji i bierze się pod uwagę wyłącznie krzywą powstałą z połączenia maksymalnych wartości amplitud (trudne i czasochłonne jest mierzenie emisji dla pojedynczych częstotliwości). Rys. 13 pokazuje, że charakterystyka emisyjności idealnego przebiegu prostokątnego zmniejsza się z prędkością 20dB na dekadę częstotliwościową. Rzeczywiste przebiegi prostokątne (w odróżnieniu od przypadku idealnego) nie mają nieskończenie krótkich czasów przejść między idealnie płaskimi poziomami napięć. Wierniejszym modelem byłby przebieg trapezowy. Rys. 14 przedstawia przebieg trapezowy ze skończonym czasem narastania razem z wykresem amplitudowo-częstotliwościowym. Zbocze emisji zmienia się od 20dB na dekadę do 40dB na dekadę w zależności od czasu narastania/ opadania przebiegu. Gdy czas narastania (t r ) zwiększa się, częstotliwość przy której zbocze zmienia się z 20dB do 40dB na dekadę maleje. Dodatkowo charakterystyki emisji są funkcją współczynnika wypełnienia sygnału. Gdy sygnał jest symetryczny (współczynnik wypełnienia 50%) mamy do czynienia z najgorszą charakterystyką emisji. Gdy współczynnik wypełnienia zmniejsza się, amplitudy niskoczęstotliwościowe również się zmniejszają. Wykres na rys. 14 pokazuje jak zmienia się amplituda w zależności od częstotliwości dla przebiegu trapezowego o współczynniku wypełnienia 50% i 20%. Po identyfikacji głównych źródeł emisji zaburzeń i najbardziej wrażliwego urządzenia w całym systemie należy je uwzględnić przy zagadnieniach EMC w projekcie. Dopuszczalny poziom zaburzeń pochodzący od pojedynczego elementu lub systemu musi być określony na podstawie całkowitego dopuszczalnego poziomu zaburzeń. Każdy obwód emitujący zaburzenia oddaje swoje zaburzenia do systemu jako wartość skuteczna (rms). Gdy wszystkie źródła zaburzeń mają mniej więcej równą moc, całkowite zaburzenia są równe średniej wartości ze wszystkich zaburzeń, pomnożonej przez 29