Zanim zaplacisz za badania kompatybilnosci, Kompatybilność elektromagnetyczna, Zaburzenia ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->SprzętZanim zapłaciszza badaniakompatybilnościPewnie zarządzający firmami produkującymi sprzęt elektronicznyzastanawiali się, nie raz czy istnieje jakaś metoda wykonaniawstępnych badań kompatybilności elektromagnetycznej, tak abydo certyfikowanego laboratorium pojechał przyrząd tylko w  celupotwierdzenia zgodności z  normami zamiast takiego, który jeszczebędzie wymagał poprawienia. Bo przecież każda poprawka tokonieczność umówienia kolejnej wizyty i  zapłaty kolejnego rachunku.Czy można tego uniknąć?Większość współczesnych urządzeńelektronicznych jest wyposażonych w  mi-krokontrolery lub inne podzespoły pracu-jące synchronicznie. Wzrost częstotliwo-ści zegarowych oraz gęstości upakowaniapodzespołów są powodami, dla którychkonstruktorowi jest trudno zapanować nadgenerowanymi przez układ zaburzeniamielektromagnetycznymi. Z  tego powodu po-jawiło się zapotrzebowanie na instrumen-ty pomiarowe umożliwiające wykonaniewstępnych badań oraz określenie, czy skon-struowany prototyp spełnia wymaganianorm kompatybilności.Aby mieć możliwość wykonania pomia-rów w  pełnym zakresie częstotliwości, takiprzyrząd musi charakteryzować się szerokimpasmem mierzonych częstotliwości, rozcią-gającym się od 150 kHz do 1 GHz, a ostatniomówi się o podniesieniu górnej granicy czę-stotliwości aż do 3 GHz.nania pomiarów szacunkowych. Niestety,oscyloskop ze względu na swoją uniwer-salność kiepsko nadaje się do tego typu za-dań. Podstawowy tryb pomiarowy pokazujesygnał w  dziedzinie częstotliwości, ale niejego widmo i nie amplitudy poszczególnychskładowych.Norma stosowana do określenia emisyj-ności wymaga wykonania pomiarów warto-ści quasi- szczytowych i  średnich poszcze-gólnych prążków składowych. Szerokość pa-sma zależy od rodzaju badanych zaburzeń.Jak wspomniano wcześniej, typowo zakresmierzonych częstotliwości rozciąga się od150  kHz do 1  GHz. Instrument pomiarowymusi mieć dużą czułość – rzędu pojedyn-czychmV.Dodatkowo, wyświetlacz powi-nien czytelnie i  jednoznacznie pokazywaćwyniki pomiarów, a ze względu na przezna-czenie przyrządu do prac konstrukcyjnych,już na pierwszy rzut oka powinien umożli-wiać ocenę poszczególnych prążków widmaczęstotliwości. Do tego celu najlepiej nadajesię skala logarytmiczna.ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2010Oscyloskop, a może...Miernikiem o  szerokopasmowym wej-ściu, dostępnym w  większości biur kon-strukcyjnych czy zakładów przemysłowych,jest oscyloskop. Z  tego powodu niektórzykonstruktorzy próbują użyć go do wyko-92Zanim zapłacisz za badania kompatybilnościco jest bardziej praktyczne, tańsze i umożli-wia szybsze wykonanie pomiarów.Zastosowanie analizatora z  serii HMSoraz sieci sztucznej HM6050-2(fot. 1)umoż-liwia uzyskanie rezultatów porównywal-nych z  wynikami pomiarów w  certyfikowa-nym laboratorium.Zaburzenia promieniowaneZaburzenia promieniowane od przewo-dzonych różnią się przede wszystkim ośrod-kiem, w  którym są propagowane. Zakrespomiarowy zaburzeń promieniowanych roz-ciąga się od 30 MHz do 1 GHz i spodziewanejest jego rozszerzenie do wyższych częstotli-wości (do 3 GHz).Normy wymagają zastosowania odpo-wiednich odbiorników, detektorów orazanten umieszczonych w  pomieszczeniuo  odpowiednich wymiarach i  ścianach wy-łożonych absorberem, który zapobiega po-wstawaniu odbić. Wymagane jest też odizo-lowanie mierzonego urządzenia od wpływujakichkolwiek źródeł zewnętrznych.Wykonywanie pomiarów kompatybil-ności w  laboratorium w  fazie projektowaniajest nieefektywne, kosztowne oraz pochłaniamnóstwo czasu. W  rzeczywistości konstruk-tor potrzebuje szybkiej odpowiedzi na pyta-nia dotyczące zaburzeń promieniowanychprzez przewody lub ścieżki łączące ze sobąposzczególne moduły czy obwody, doprowa-dzające sygnały do złączy i  poza obudowęurządzenia. Nieco inne pomiary wykonywanesą w certyfikowanym laboratorium, ponieważtam zwykle jest dostarczane kompletne urzą-dzenie umieszczone w  obudowie. W  trakcietrwania pomiaru jest ono obracane względemanteny umieszczanej na różnych wysoko-ściach, tak aby sprawdzić natężenie ewentu-alnego promieniowania elektromagnetyczne-go z każdej strony i upewnić się, że urządze-nie nie promieniuje w żadnym kierunku.Tego typu pomiar w  warunkach biurakonstrukcyjnego nie jest potrzebny. KażdyAnalizator widmaRozważając powyższe, łatwo jest dojśćdo wniosku, że do pomiarów emisyjności jestpotrzebny analizator widma. Niestety, stalejest to grupa przyrządów, które nie są zbyt po-wszechne w biurach konstrukcyjnych. Częstojako powód takiej sytuacji osoby zarządzającefirmą podają wysoki koszt zakupu, a przecieżdo wstępnej oceny emisyjności nie jest po-trzebny analizator widma klasy Rolls–Royce’a!Ze względu na fakt, że będzie to przyrząd,który w typowej pracowni konstrukcyjnej niebędzie używany zbyt często, musi być łatwyw  obsłudze dla każdego inżyniera i  nie wy-magać dodatkowego, kosztownego szkolenia.Taki zakup zwróci się szybciej, niż wydaje sięto wielu decydującym o wydatkach w firmach.Rozważmy – dzień spędzony na badaniuprototypu w  certyfikowanym laboratoriummoże kosztować około 4 tysięcy złotych lubwięcej i  dlatego zakup prostego, nieskom-plikowanego w obsłudze analizatora widmazwraca się już po 2–3 dniach spędzonychw laboratorium, czego może wymagać tylkopraca nad pojedynczym prototypem. Bada-nia następnych będą już niejako darmowe.W  takiej sytuacji każde przedsiębiorstwozyskuje możliwość zapłaty rachunku tylkoza wykonanie ostatecznych testów gotowe-go urządzenia, natomiast badania wstępnemoże wykonać w  swoim biurze konstruk-cyjnym. Oczywiście, pomiar emisyjnościwymaga nie tylko odpowiedniego przyrzą-du pomiarowego, ale i  elektromagnetycznejczystości otoczenia. Tę jednak można w jakiśsposób uzyskać, chociażby budując niewiel-ką, niskobudżetową, niekoniecznie zgodnąz  normami pomiarowymi, klatkę Faradayalub stosując inne środki zaradcze.Pomiar zaburzeń przewodzonychW standardowym wyposażeniu każdegolaboratorium pomiarowego jest tzw. sztucz-na sieć (LISN –Line Impedance Stabiliza-tion Network).LISN to urządzenie, któregopodstawowym zadaniem jest odizolowanie,separacja, detekcja oraz umożliwienie po-miarów zaburzeń przewodzonych. W  certy-fikowanym laboratorium jest ono używanew połączeniu z odpowiednim odbiornikiem.Do badań wstępnych w warunkach pracownikonstrukcyjnej czy zakładu przemysłowegosieć sztuczna może być używana w  bezpo-średnim połączeniu z  analizatorem widma,Fot. 1. Sieć sztuczna (LISN), taka jak HAMMEG HM6050-2, jest używana doodizolowania, identyfikacji i pomiaru zaburzeń przewodzonychELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2010Fot. 2. zestaw aktywnych sondHz540/550, które mogą być używane dopomiaru natężenia pola magnetycznego.Jego natężenie jest proporcjonalne dowartości prądu płynącego w obwodzie93Sprzęttechnik czy konstruktor może bowiem wziąćw rękę sondę, odpowiednio ustawić urządze-nia i  sprawdzić interesujący go obszar. Dotakich zastosowań firma Hammeg proponujezestaw różnych sensorów (fot.2).zasady, że przy stałej impedancji wzrostowinapięcia towarzyszy wzrost płynącego przeznią prądu, starają się tą metodą zlokalizowaćźródło zaburzeń. To jednak prowadzi do mi-mowolnego myślenia w kategoriach lokaliza-cji i  pomiaru napięcia, podczas gdy dobrzeobeznani z zagadnieniami EMI inżynierowiewiedzą, że trzeba myśleć w kategoriach prze-pływu prądu.Aktywna sonda H jest doskonałym do-datkiem do analizatora, pozwalającym napomiary prądów interferencji metodą bezdo-tykową, bez potrzeby przecinania jakichkol-wiek przewodników. Sonda jest niewrażliwana odległe źródła zaburzeń i dlatego nie mapotrzeby wykonywania pomiarów w dwóchkrokach, tak jak w  przypadku opisywanejwcześniej sondy E.Każdy metaliczny przewodnik jest ante-ną, która zarówno odbiera, jak i  wypromie-niowuje zaburzenia. Umieszczając sondę Hw  pobliżu przewodów i  stosując analizatorwidma, można się zdziwić, odnajdując za-burzenia elektromagnetyczne w  miejscach,w  których zupełnie się ich nie spodziewa-liśmy, np. wysokie częstotliwości harmo-niczne zegara mikroprocesora mogą byćemitowane w  przestrzeń przez kabel siecizasilającej 230  VAC. Sonda H w  połącze-niu z  logarytmiczną skalą analizatora wid-ma pozwalają na szybkie stwierdzenie, czywszystkie przewody wypromieniowują tęsamą składową, czy też jest ona obecna tylkow niektórych miejscach. Dzięki temu możnapodjąć właściwe środki zaradcze.Każdy praktyk wie, że im jest wyższa mierzo-na częstotliwość, tym większy problem. Zna-czenie ma każdy dodawany do obwodu pF.Sonda pomiarowa HZ555 nie ma prze-wodu powrotnego. Prąd powrotny przepły-wa przez ciało operatora. Dzięki temu sąmożliwe pomiary potencjałów poszczegól-nych doprowadzeń układu scalonego lubpojedynczego pinu złącza czy przewodu.Dzięki wysokiej impedancji sondy i  pojem-nościowej metodzie pomiaru można równieżwykrywać zaburzenia trybu wspólnego.Aktywny sensor pola ESensor pola elektrycznego jest czujni-kiem szerokopasmowym o bardzo dużej czu-łości. Pozwala on na sprawdzenie całkowitejemisji danego komponentu lub całego urzą-dzenia. Powinien być stosowany w odległo-ści 0,5...1 m od mierzonego obiektu. Dziękitemu można mierzyć nie tylko efektywnośćekranowania, ale również sprawność działa-nia filtrów EMI włączonych w obwody kablipołączeniowych.Ze względu na bardzo dużą czułośćsensor E może wychwytywać również za-burzenia pochodzące od innych urządzeńpracujących w  sąsiedztwie lub innych ka-bli połączeniowych. Dlatego też zaleca sięprzeprowadzanie testów w  dwóch krokach:po pierwsze, pomiar i analiza tła, a po dru-gie, zmiany pola po włączeniu testowanegourządzenia. Oczywiście, nie da się w  tensposób wyeliminować prawdopodobieństwapomiarów odbić sygnału (suma, różnica –w zależności od fazy), ale zwykle tego typutest, wykonany w razie potrzeby w różnychpomieszczeniach lub przy różnym ustawie-niu obiektu, pozwala coś stwierdzić.Rezultaty pomiarów sensorem E mogąbyć również zastosowane do oceny wpły-wu środowiska pracy na badane urządzenie.Można na przykład sprawdzić, czy na pracęprototypu mają wpływ zewnętrzne pola elek-tryczne i jaka jest krytyczna wartość ich na-tężenia. Ze względu na analizę wykonywanąw  dziedzinie częstotliwości można szybkoi  łatwo zlokalizować przyczynę i  źródło za-burzeń, a  tej wiedzy użyć do przeciwdzia-łania. Ma to bezpośrednie przełożenie nakoszt późniejszych badań wykonywanychprzez certyfikowane laboratorium, ponieważte prawdopodobnie zostaną wykonane tylkoraz i nie będzie potrzeby ich powtarzania.A jak to jest w praktyce?Każdy inżynier konstruktor, mający pewnedoświadczenie w zakresie budowanych przezsiebie urządzeń, ma w zanadrzu kilka „chwy-tów” pozwalających na uniknięcie problemówzwiązanych z normami kompatybilności elek-tromagnetycznej. Należą do nich staranneekranowanie, odsprzęganie zasilania, odpo-wiednie prowadzenie przewodów połącze-niowych czy stosowanie dławików i  filtrów.Często jednak ze względów na brak przyrzą-dów pomiarowych ostateczne sprawdzenieurządzenia jest wykonywane w laboratorium.Czasami wówczas okazuje się, że zastosowa-ne środki zaradcze są niewystarczające i  ko-nieczne jest użycie kolejnych „łat”. Pół biedy,jeśli zabraliśmy ze sobą walizkę z  elementa-mi i  dławikami, i  wynajęliśmy wystarczającodużo czasu w laboratorium. Inaczej czeka nasmozolna zabawa z  dobieraniem odpowied-nich środków przeciwdziałania tzw. metodąmacajewa. A później kolejne badanie i kolejnyrachunek do zapłacenia... Czy można temu za-pobiec? Rozważmy sytuację, w  której pomiarjest wykonywany w  pracowni konstrukcyjnejprzy użyciu opisanych wcześniej metod i ana-lizatora widma.Sygnał może być pokazany w  dziedzinieczasu lub częstotliwości. Zwykle dla użytkow-nika więcej informacji niesie reprezentacjaw dziedzinie czasu, ponieważ jest ona natural-na i pozwala łatwiej zorientować się w naturzesygnału. Opisane niżej pomiary wykonano napłytce 4-warstwowej o  wymiarach 100×160mm (eurokarta). Ścieżki wiodące zasilanie sąbardzo szerokie. Na środku płytki umieszczo-no grupę kondensatorów służących filtrowaniazasilania. Odstęp pomiędzy VCC a  ścieżkamimasy był równy 100 mm.Sonda wysokoimpedancyjnaSonda o  dużej impedancji wejścioweji  niewielkiej, rzędu 2 pF pojemności, jestużywana do pomiarów sygnałów szerokopa-smowych o  częstotliwości nie większej niż1 GHz. Pełni ona rolę układu dopasowujące-go impedancję wejścia analizatora (50 V) domierzonego obwodu. Można za jej pomocąmierzyć np. sygnały na nóżkach układówscalonych, bez nadmiernego obciążania ob-wodów.Pomimo dobrych parametrów sondy za-wartej w zestawie z fot. 2 w niektórych wa-runkach (zwłaszcza przy konstrukcji wraż-liwych obwodów radiowych) zasadne jestzastosowanie sondy pomiarowej o  lepszychparametrach, tj. o mniejszej pojemności wej-ściowej i  wyższej częstotliwości granicznej.Firma HAMMEG pod oznaczeniem HZ555oferuje sondę o  pojemności wejściowejmniejszej od 0,2  pF i  górnej częstotliwościgranicznej wynoszącej aż 3  GHz. Ta sondapowoduje znacznie mniejsze zmiany sygna-łu mierzonego i  tym samym zapewnia wy-soką precyzję pomiarów, co jest szczególnieważne przy testowaniu układów wielkiejczęstotliwości, w  których niska impedancjawejściowa sondy może stłumić oscylacjebędące źródłem potencjalnych problemów.Aktywny sensor pola HJedną z  najbardziej efektywnych metodprzeciwdziałania zaburzeniom EMI jest do-kładna, bliska ocena i  lokalizacja prądówgenerujących interferencje. Niektórzy kon-struktorzy na końcówkę sondy oscylosko-powej zakładają coś w rodzaju cewki i uży-wają tej prymitywnej sondy do lokalizacjizmiennych pól magnetycznych. Oczywiście,czułość takiej sondy (pomijając jej wątpliweparametry techniczne) jest mizerna i  raczejpozwoli wykryć tylko naprawdę duże fluk-tuacje pola, których jeszcze na dodatek niebędzie można wiarygodnie ocenić.Jeszcze inni konstruktorzy dotykają koń-cówką sondy oscyloskopu wprost do prze-wodów i  punktów lutowniczych w  myślrys. 3. przepływ prądu w bezpośredniejbliskości nóżki VCC układu 74AC163ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/201094Zanim zapłacisz za badania kompatybilnościNarys. 3pokazano oscylogram prądupłynącego w  pobliżu doprowadzenia VCCukładu 74AC163. Amplituda odpowiadaszybkości zmian pola magnetycznego, a więcjest proporcjonalna do szybkości zmian prą-du. Zmiany są bardzo szybkie, zbocza majączasy trwania poniżej nanosekundy. Składo-wa wysokiej częstotliwości prądu płynącegow bezpośrednim sąsiedztwie nóżki VCC możeczerpać energię tylko z pojemności w bezpo-średniej bliskości nóżki układu. Składowewielkiej częstotliwości nie pobierają energiina dłuższych dystansach, ponieważ impe-dancja połączenia jest zbyt duża. W związkuz tym z pojemności umieszczonych w więk-szych odległościach pobierana będzie wyłącz-nie energia o niskiej częstotliwości.Narys. 4pokazano szybkość zmian prąduprzepływającego w  pobliżu grupy konden-satorów umieszczonych w  pobliżu centrumpłytki drukowanej. Jest oczywiste, że ten sy-gnał jest znacznie wolniejszy od tego rys. 3.Czas narastania jego zboczy wynosi ok. 3 ns.Grupa kondensatorów może wstrzykiwaćzmiany prądu pomiędzy warstwy płytki dru-kowanej. Te zmiany można zaobserwowaćtylko z użyciem czułej sondymHo wysokiejrozdzielczości. Kolejny przykład pokazujeskuteczność zastosowanych środków zarad-czych. Przebieg z rys.5pobrano z nóżki VCCukładu 74AC00 przy użyciu sondymH.TuREKLukład jest zasilany z  systemu VCC – masa,bez zastosowania chociażby dławika. Zmianypola magnetycznego są dość znaczne.Rys. 6pokazuje ten sam sygnał, ale tu zasilanie jestdostarczane za pośrednictwem obwodu z dła-wikami. Pin VCC jest podłączony do płasz-czyzny VCC przez dławik, a  jej powierzch-nia jest karbonizowana. Amplituda sygnałuz  rys.  6 jest znacząco mniejsza niż z  rys.  5.W  ten sposób konstruktor może ocenić sku-teczność przeciwdziałania zaburzeniom EMI,bez konieczności angażowania dodatkowego,kosztownego zestawu pomiarowego czy pła-cenia za czas spędzony w laboratorium.Ostatnim przykładem wielu możliwościwykonania wstępnych badań EMI jest sy-gnał pobrany z punktu dystrybucji zegara napłytce o  wymiarach standardowej eurokarty.Rys.  7przedstawia sygnał zmierzony sondąmHw środowisku bez żadnych środków prze-ciwdziałających EMI. Zarejestrowano zabu-rzenia o amplitudzie aż 60 mV. Następnie sze-regowo z wyjściem układu włączono rezystoro wartości 82Ω.Rezultat pokazano narys. 8– amplituda sygnału zaburzeń spadła o poło-wę! Również i w tym przypadku, bez potrze-by udania się do laboratorium, w warunkachpracowni konstrukcyjnej od razu widać efektzastosowania środków zaradczych.rys. 4. zmiany prądu w obszarzezamontowania grupy kondensatorówrys. 5. Sygnał na nóżce VCC układu74AC00Jacek Bogusz, Epjacek.bogusz@ep.com.plAMArys. 6. Sygnał po zastosowaniu dławikai karbonizacji ścieżki VCC (opis w tekście)rys. 7. Sygnał zmierzony sondąµHw po-bliżu wyjścia generatora zegarowego(opis w tekście)rys. 8. rezystor szeregowy na wyjściutłumi o połowę amplitudę zaburzeńELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/201095 [ Pobierz całość w formacie PDF ]