1 stycznia 1996 r. weszła w życie dyrektywa Unii Europejskiej określająca wymogi dla urządzeń elektronicznych w zakresie kompatybilności elekromagnetycznej (EMC – ElectroMagnetic Compability). W Polsce kwestię tę reguluje ustawa z dnia 13 kwietnia 2007. Dyrektywa ta wymusiła na konstruktorach radykalną zmianę metod projektowania. Mimo upływu lat problematyka EMC nadal nie jest łatwa do opanowania.

Trudność projektowania urządzeń zgodnych z dyrektywą EMC polega na dużej złożoności zjawisk, z którymi konstruktor musi zmierzyć się już w pierwszej fazie pracy nad projektem. Na domiar złego, mimo stosowania reguł zgodnych ze sztuką  projektowania, często dopiero w końcowej fazie przekonujemy się, że podjęte działania wykazały małą skuteczność.

W czasach dominacji techniki analogowej nie przywiązywano większej wagi do zagadnień EMC. Masowe wprowadzenie układów cyfrowych zmieniło ten stan. Okazało się, że szerokie widmo generowanych przez nie zaburzeń może zakłócać pracę urządzeń. Konieczne więc było podjęcie środków, które by temu zapobiegały. Samo wprowadzenie rygorystycznych przepisów byłoby oczywiście nieskuteczne, gdyby nie było narzędzi wykorzystywanych do projektowania, skutecznie wspomagających konstruktorów w minimalizowaniu zaburzeń EMI (Electromagnetic Interference). Potrzebne też były odpowiednie przyrządy i metody ich pomiaru. Taką możliwość stworzył boom komputerowy datowany mniej więcej na połowę lat 80.

Geneza dyrektywy EMC

Postęp cywilizacji w dużym stopniu zawdzięczamy zrozumieniu zjawisk fizycznych zachodzących w otaczającym nas świecie. Niestety, w wielu przypadkach dają one o sobie znać w sytuacjach, w których chcielibyśmy, aby niektóre prawa fizyki nie działały. Tymczasem zawsze gdy przez przewodnik płynie prąd, powstaje wokół niego pole magnetyczne. A jeśli z jakichkolwiek przyczyn, ulega ono zmianom, powstaje pole elektromagnetyczne. Dziś, bez jego wykorzystania nie potrafilibyśmy sobie wyobrazić współczesnego świata, ale też w wielu przypadkach trudno w pełni nad nim zapanować. Problemy ujawniają się, gdy zewnętrzne pole elektromagnetyczne wytwarzane na przykład przez jedno urządzenie zaczyna oddziaływać na inne, znajdujące się w pobliżu. Czasami szkodliwe może być nawet własne pole.

W 1996 roku międzynarodowy komitet zajmujący się ochroną radiową (CISPR – Comité International Spécial des Perturbations Radio) sformułował dyrektywę określającą zasady konstruowania urządzeń elektronicznych zapewniających kompatybilność elektromagnetyczną. Urządzenia takie w minimalnym (dopuszczalnym) stopniu wpływają na pracę innych, a jednocześnie zachowują wystarczającą do poprawnej pracy odporność na zakłócenia zewnętrzne. Dyrektywa określa też metody pomiaru zaburzeń radioelektronicznych, a także definiuje parametry przyrządów pomiarowych.

Normy zawarte w dokumencie CISPR 16 rygorystycznie określają związane z EMC parametry urządzeń, nie podając niestety żadnych wskazówek jak je uzyskiwać. Nie może to jednak dziwić, gdyż normy nie temu mają służyć. Konstruowanie urządzeń zachowujących kompatybilność elektromagnetyczną stanowi nawet dzisiaj swego rodzaju wiedzę tajemną. Nawet stosowanie ogólnie poznanych reguł i narzędzi inżynierskich nie zapewnia pełnej skuteczności prac projektowych. Koszty badań prowadzonych na tym etapie w akredytowanych laboratoriach okazują się bardzo wysokie.

Wprowadzenie dyrektywy EMC spowodowało wzrost zainteresowania laboratoriami i możliwością wykonywania wymaganych w normach CISPR16 badań. Ku zadowoleniu producentów sprzętu elektronicznego, w Polsce obserwujemy wzrost liczby takich jednostek. Trend ten jest szczególnie wyraźny po wejściu naszego kraju do Unii Europejskiej. Lepszy dostęp do laboratoriów skutkuje wprawdzie obniżeniem cen za usługi, ale nadal nie są to kwoty bagatelne. Prawdziwy dramat zaczyna się wtedy, gdy pierwsze badania nie zakończą się pomyślnie. Koszty wówczas lawinowo rosną. Konieczne staje się przeprojektowanie urządzenia, a następnie powtórzenie badań. Czy można temu zaradzić?

Pierwszy pomysł, jaki się nasuwa, to: stosować odpowiednie narzędzia już na etapie projektowania. Problem polega na tym, że cena programów symulujących zjawiska radioelektryczne na PCB również jest bardzo wysoka i w wielu wypadkach trudna do zaakceptowania, szczególnie przez mniejszych wytwórców. Poza tym, jak już wiadomo, programy te nie dają wystarczająco wysokiej gwarancji na uzyskiwanie pozytywnych wyników badań certyfikacyjnych. Wydaje się, że rozsądniejsza jest inwestycja w sprzęt pomiarowy, za pomocą którego można we własnym zakresie wykonywać pomiary zbliżone do tych, które są prowadzone w akredytowanych laboratoriach. Podstawową trudność stanowi zagwarantowanie odpowiednich warunków pomiarowych, rozdzielczości i dokładności oraz zakresu pomiarowego aparatury. Pamiętajmy, że laboratoria dysponują drogimi komorami bezechowymi, specjalnymi antenami i obrotowymi stołami pomiarowymi. Takich warunków z pewnością nie da się osiągnąć bez dużych inwestycji.

Pomiary przedcertyfikacyjne w obszarze bliskich pól

Metodą dającą wyobrażenie o tym, jak będzie zachowywało się badane urządzenie w laboratorium są pomiary bliskich pól. Stosuje się je do szacowania poziomu zaburzeń EMI emitowanych przez urządzenie. Niestety, tak uzyskiwane dane tylko w pewnym stopniu odzwierciedlają wyniki pomiarów laboratoryjnych. Przyczyną są zgoła odmienne zjawiska zachodzące w obszarze pól bliskich i pól dalekich. Pomiary bliskich pól pozwalają natomiast precyzyjnie, niemal punktowo, lokalizować ewentualne źródła emisji. W przypadku stwierdzenia takich miejsc warto pomyśleć o dokonaniu odpowiednich modyfikacji konstrukcji przed przekazaniem urządzenia do badań laboratoryjnych. Przykładowym środkiem zapobiegawczym jest np. dodanie elementów mogących wpłynąć na minimalizację zaburzeń (terminatorów, koralików ferrytowych, filtrów itp.), ale nierzadko konieczne są zmiany polegające np. na przeprojektowaniu całego obwodu drukowanego.

Przyrządy pomiarowe wraz z akcesoriami oferowane do realizacji badań przedcertyfikacyjnych umożliwiają wykonywanie pomiarów emisji promieniowanej i przewodzonej. W podstawowych zestawach zwykle nie ma jednak generatorów i anten przeznaczonych do mierzenia wrażliwości urządzeń na zaburzenia zewnętrzne.

Zestaw EMC-SET firmy Rohde&Schwarz dedykowany do pomiarów przedcertyfikacyjnych

Rohde&Schwarz oferuje zestaw EMC-SET przeznaczony do przedcertyfikacyjnych badań EMC. W jego skład wchodzą:

• analizator widma HMS-X z opcją HMS-EMC wymaganą do badań EMC i opcją rozszerzającą firmware HMS-3G zwiększającą pasmo pomiarowe do 3 GHz. Przydatna może być również opcja HMS-TG udostępniająca wbudowany generator śledzący. Wymienione opcje są oferowane dla analizatora w wersji podstawowej w chwili zakupu. Odpowiedniki tych opcji rozszerzających instalowane w dowolnym momencie mają oznaczenia odpowiednio: HVS213, HMS212 i HMS211.
• podstawowy zestaw sond do pomiarów bliskiego pola HZ550 zawierający sondę pola elektrycznego HZ551, sondę pola magnetycznego HZ552 i sondę wysokoimpedancyjną HZ553. Rozszerzenie tego zestawu stanowi sonda pola magnetycznego z małym sensorem HZ554, sonda niskopojemnościowa HZ555 i sonda emisyjna HZ556.
• LISN (sztuczna sieć) HM6050-2 wykorzystywana w pomiarach zaburzeń przewodzonych.
• oprogramowanie HM-Explorer 1.5 dedykowane do automatycznych pomiarów zaburzeń EMI z wykorzystaniem analizatora HNS-X. Oprogramowanie zawiera m.in. narzędzia do tworzenia i edycji linii ograniczeń dla wybranych norm związanych z pomiarami kompatybilności, narzędzie do wykonywania zrzutów ekranowych z analizatora widma, narzędzie do eksportowania danych pomiarowych w formacie CSV. Jest też terminal znakowy SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) wykorzystywany do zdalnego sterowania analizatorem.

W trakcie pomiarów zaburzeń elektromagnetycznych analizator jest sterowany przez program HM-Explorer generujący także raport zawierający końcowe zestawienie wyników.

Sondy pomiarowe zestawu HZ550

W skład zestawu przeznaczonego do pomiarów zaburzeń EMI wchodzą sondy aktywne serii HZ550. Są one zasilane napięciem 6 V za pośrednictwem gniazda dostępnego na płycie czołowej analizatora HMS-X (fot. 1), można też zasilać je z zasilacza zewnętrznego. Przewód jest zakończony wtykiem typu Jack.

Fot. 1. Gniazdo zasilania sond aktywnych HZ550