Електромагнетне сметње (еми) - врсте, стандарди и технике заштите

Сертификација је обично једна од најскупљих и најмоћнијих фаза током развоја новог хардверског производа. Властима помаже да знају да ли се производ придржава свих прописаних закона и смерница у вези са функцијама. На овај начин се могу осигурати перформансе одређеног производа како би се спречиле опасности и штета за његове кориснике. Колико год ова фаза обично била заморна, важно је да производне компаније то планирају пре него што укину сложеност у последњем тренутку. За данашњи чланак размотрићемо ЕМИ Десигн Стандардшто је врло честа пракса коју дизајнери морају имати на уму да би развили квалитетне производе. Детаљно ћемо размотрити ЕМИ и испитаћемо његове типове, природу, спецификације и стандарде, механизме за спајање и заштиту и најбоље праксе за полагање ЕМИ тестова.

ЕМИ стандарди - Како је све почело?

Стандард ЕМИ (електромагнетне сметње) првобитно је створен да заштити електронске склопове од електромагнетних сметњи које их могу спречити да раде онако како су првобитно замишљени. Ова ометања могу понекад чак и учинити уређај потпуно неисправним и постати опасан по кориснике. То је први пут постало забрињавајуће педесетих година прошлог века, а било је превасходно од интереса за војску због неколико значајних несрећа које су настале услед кварова у навигацији услед електромагнетних сметњи у навигационим системима и емисија радара који су довели до нехотичног пуштања оружја. Као таква, војска је желела да осигура да системи буду међусобно компатибилни, а операције једног не утичу на друго, јер би то могло довести до смртних случајева у њиховом занату.

Поред војне примене, недавно унапређење медицинских и здравствених решења попут пејсмејкера и других врста ЦИЕД-а такође је допринело потреби за ЕМИ прописима јер ометање оваквих уређаја може довести до ситуација опасних по живот.

Ово су, између осталих сценарија, оно што доводи до успостављања ЕМИ интерференцијског стандарда и великог броја основаних ЕМЦ регулаторних тела.

Шта су електромагнетне сметње (ЕМИ)?

Електромагнетне сметње могу се дефинисати као нежељена електромагнетна енергија која нарушава правилно функционисање електронског уређаја. Сви електронски уређаји генеришу одређену количину електромагнетног зрачења, јер струја која тече кроз његове кругове и жице никада није у потпуности садржана. Ова енергија из уређаја „А“, која се шири кроз ваздух као електромагнетно зрачење, или је спојена у (или проведена дуж) И / О или каблова другог уређаја „Б“, могла би да поремети оперативну равнотежу у уређају Б, узрокујући да уређај квар понекад на опасан начин. Ова енергија из уређаја А која омета рад уређаја Б назива се електромагнетним сметњама .

Сметње понекад могу бити из природног извора попут електричних олуја, али чешће су неретко обично резултат деловања другог уређаја у непосредној близини. Иако сви електронски уређаји генеришу неке ЕМИ, одређена класа уређаја попут мобилних телефона, посебно ЛЕД екрана и мотора, има већу вероватноћу да ствара сметње у поређењу са другима. Будући да ниједан уређај не може радити у изолованом окружењу, важно је осигурати да се наши уређаји придржавају одређених стандарда како би се осигурало да сметње буду сведене на минимум. Ови стандарди и прописи познати су као ЕМИ стандард и сваки производ / уређај који се користи / продаје у регионима / земљи у којој су ови стандарди законски мора да буде сертификован да би могао да се користи.

Врсте електромагнетних сметњи (ЕМИ)

Пре него што погледамо стандард и прописе, вероватно је важно испитати врсту ЕМИ-а да бисмо боље разумели какву врсту имунитета треба уградити у своје производе. Електромагнетне сметње могу се разврстати у врсте на основу неколико фактора, укључујући;

Извор ЕМИ
Трајање ЕМИ
Пропусни опсег ЕМИ

Размотрићемо сваку од ових категорија једну за другом.

1. Извор ЕМИ

Један од начина категоризације ЕМИ у типове је испитивање извора сметњи и начина на који су настале. Под овом категоријом у основи постоје две врсте ЕМИ, ЕМИ који се природно јављају и ЕМИ који ствара човек. Јављају у природи ЕМИ односи се електромагнетних сметњи које се јављају као резултат природних феномена као осветљење, електрични олуја и других сличних појава. Док се с друге стране вештачки ЕМИ односи на ЕМИ који настају као резултат активности других електронских уређаја у близини уређаја (пријемника) који доживљавају сметње. Примери ове врсте ЕМИ укључују, између осталог, радио фреквенцијске сметње, ЕМИ у звучној опреми.

2. Трајање сметњи

ЕМИ се такође сврставају у врсте на основу трајања сметње, односно временског периода током којег је дошло до ометања. На основу овога, ЕМИ се обично групишу у два типа, континуирани ЕМИ и импулсни ЕМИ. Цонтинуоус ЕМИ односи на ЕМИС који се стално емитују извора. Извор може бити вештачки или природан, али сметње се доживљавају непрекидно, све док постоји механизам спреге (проводљивост или зрачење) између ЕМИ извора и пријемника. Импулсни ЕМИје ЕМИ који се јављају повремено или у врло кратком трајању. Као и непрекидни ЕМИ, Импулзни ЕМИ такође може бити природан или човек. Пример укључује импулсни шум изазван прекидачима, осветљењем и сличним изворима који могу емитовати сигнале који узрокују поремећај у напону или тренутној равнотежи повезаних оближњих система.

3. Пропусни опсег ЕМИ

ЕМИ се такође могу сврстати у типове помоћу њихове ширине опсега. Пропусни опсег ЕМИ односи се на опсег фреквенција на којима се ЕМИ доживљава. На основу овога, ЕМИ се могу сврстати у ускопојасне ЕМИ и широкопојасне ЕМИ. Нарровбанд ЕМИ обично састоји од једног фреквенције или ускопојасне сметњи фреквенција, евентуално бити генерише облик осцилатора или као резултат лажних сигнала јављају услед различитих врста дисторзија у предајника. У већини случајева обично имају мали ефекат на комуникацију или електронску опрему и могу се лако искључити. Међутим, они и даље остају моћан извор сметњи и треба их држати у прихватљивим границама. Широкопојасни ЕМИСсу ЕМИ који се не јављају на појединачним / дискретним фреквенцијама. Они заузимају велики део магнетног спектра, постоје у различитим облицима и могу настати из различитих вештачких или природних извора. Типични узроци укључују лучење и корону, што представља извор доброг процента ЕМИ проблема у опреми за дигиталне податке. Добар пример природне ЕМИ ситуације је „Прекид сунца“, који се јавља као резултат енергије сунца која ремети сигнал са комуникационог сателита. Остали примери укључују; ЕМИ као резултат неисправних четкица у моторима / генераторима, лучења у системима паљења, неисправних водова и лоших флуоресцентних сијалица.

Природа ЕМИ

ЕМИ, као што је раније описано, су електромагнетни таласи који се састоје од Е (електричног) и Х (магнетског) компоненти поља, осцилирајући под правим углом једни према другима, као што је приказано доле. Свака од ових компоненти различито реагује на параметре као што су фреквенција, напон, удаљеност и струја, стога је од кључне важности разумети природу ЕМИ-а и знати која од њих доминира пре него што се проблем може јасно решити.

На пример, за компоненте електричног поља, ЕМИ слабљење се може побољшати материјалима са високом проводљивошћу, али смањити материјалима са повећаном пропустљивошћу, што за разлику од тога побољшава слабљење компоненте магнетног поља. Као таква, повећана пропустљивост у систему са ЕМИ којим доминира Е поље ће смањити слабљење, али ће се слабљење побољшати у ЕМИ доминираном Х пољем. Међутим, због недавног напретка у технологијама које се користе у стварању електронских компоненти, Е-поље је обично главна компонента сметњи.

Механизми спајања ЕМИ

Механизам спреге ЕМИ описује како ЕМИ прелазе од извора до пријемника (погођени уређаји). Разумевање природе ЕМИ заједно са начином на који је повезан са извором на пријемник је кључно за решавање проблема. Покрећу се са две компоненте (Х-поље и Е-поље), ЕМИ се спајају од извора до пријемника помоћу четири главна типа ЕМИ спреге, која спроводе, зраче, капацитивну спрегу и индуктивну спрегу. Погледајмо механизме за спајање један за другим.

1. Кондукција

Проводна спрега се јавља када се ЕМИ емисије преносе дуж проводника (жица и каблова) који повезују извор ЕМИ и пријемника заједно. ЕМИ спрегнут на овај начин је уобичајен на водовима за напајање и обично је тежак на компоненти Х поља. Кондуктивна спрега на далеководима може бити или уобичајена проводљивост (сметње се појављују у фази на + ве и -ве линији или тк и рк водовима) или диференцијална проводљивост (сметње су ван фазе на два проводника). Најпопуларније решење за спречавање кондуктивне спреге је употреба филтера и оклопа преко каблова.

2. Зрачење

Радијационо спајање је најпопуларнији и најчешће искусан облик ЕМИ спреге. За разлику од проводљивости, он не укључује никакву физичку везу између извора и пријемника, јер се сметње емитују (зраче) кроз простор према пријемнику. Добар пример зрачене ЕМИ је претходно поменути прекид сунца.

3. Капацитивна спојница

То се догађа између два повезана уређаја. Капацитивна спрега постоји када променљиви напон у извору капацитивно преноси набој на жртву

4. Индуктивно / магнетно спајање

Ово се односи на врсту ЕМИ која настаје као резултат проводника који индукује сметње у другом проводнику у близини заснован на принципима електромагнетне индукције.

Електромагнетне сметње и компатибилност

За ЕМИ стандард се може рећи да је део регулаторног стандарда под називом Електромагнетна компатибилност (ЕМЦ). Садржи списак стандарда перформанси које уређаји морају да испуне како би показали да могу да коегзистирају са другим уређајима и да се понашају онако како су дизајнирани, а да то такође не утиче на перформансе осталих уређаја. Као такви ЕМИ стандарди су у основи део општих ЕМЦ стандарда. Иако се имена обично користе наизменично, између њих постоји јасна разлика, али ово ће бити покривено у следећем чланку.

Различите земље и континенти / економске зоне имају различите варијације ових стандарда, али за овај чланак размотрићемо стандарде Федералне комисије за комуникације (ФЦЦ). Према делу 15 наслова 47: Телекомуникације, ФЦЦ стандарда, који регулише „ненамерну“ радио фреквенцију, постоје две класе уређаја; Класа А и Б.

Уређаји класе А су уређаји који су намењени за употребу у индустрији, канцеларијама, свуда осим за домове, док су уређаји класе Б уређаји намењени за кућну употребу, без обзира на употребу у другим срединама.

Што се тиче емисије спрегнуте проводљивости, за уређаје класе Б намењене за употребу у кући, очекује се да ће емисије бити ограничене на вредности приказане у доњој табели. Следеће информације се добијају са веб странице Електронског кодекса савезних прописа.

За уређаје класе А ограничења су;

За зрачене емисије, очекује се да уређаји класе А остану унутар доњег ограничења за одређене фреквенције;

Фреквенција (МХз)	µВ / м
30 до 88	100
88 до 216	150
216 до 960	200
960 и више	500

Док су за уређаје класе Б ограничења;

Фреквенција (МХз)	µВ / м
30 до 88	90
88 до 216	150
216 до 960	210
960 и више	300

Више информација о овим стандардима може се наћи на страници различитих регулаторних тела.

Да би се ускладили са овим ЕМЦ стандардима за уређаје, потребна је ЕМИ заштита на четири нивоа: нивоу појединачне компоненте, нивоу плоче / ПЦБ-а, нивоу система и укупном нивоу система. Да би се то постигло, две главне мере; Обично се користе електромагнетно оклопљење и уземљење, мада се користе и друге важне мере попут филтрирања. Због затворене природе већине електронских уређаја, ЕМИ заштита се обично примењује на нивоу система да садржи и зрачене и спроведене ЕМИ како би се осигурала усклађеност са ЕМЦ стандардима. Као такви, сагледаћемо практична разматрања око заштите као мере за ЕМИ заштиту.

Електромагнетно оклопљење - Заштитите свој дизајн од ЕМИ

Заштита је једна од главних мера усвојених за смањење ЕМИ у електронским производима. Укључује употребу металног кућишта / оклопа за електронику или каблове. У одређеној опреми / ситуацијама када је заштита читавог производа можда прескупа или непрактична, заштићене су најкритичније компоненте које могу бити ЕМИ извор / судопер. Ово је посебно често у већини претходно сертификованих комуникационих модула и чипова.

Физичко оклопљење смањује ЕМИ слабљењем (слабљењем) ЕМИ сигнала кроз рефлексију и апсорпцију његових таласа. Метални штитови су конструисани на такав начин да он може да одражава компоненту Е-поља, а да поседује високу магнетну пропустљивост да апсорбује компоненту Х-поља ЕМИ. У кабловима су сигналне жице окружене спољним проводљивим слојем који је уземљен на једном или оба краја, док за кућишта проводно метално кућиште делује као интерференцијски штит.

У идеалном случају, савршено ЕМЦ кућиште би било оно направљено од густог материјала попут челика, потпуно запечаћено са свих страна без каблова, тако да талас не улази или излази, али неколико разлога, попут потребе, ниске цене кућишта, управљања топлотом, каблови за одржавање, напајање и пренос података, чине такве идеале непрактичним. С обзиром на то да је свака од рупа створена, будући да су ове потребе потенцијалне улазне / излазне тачке за ЕМИ, дизајнери су приморани да предузму неколико мера како би осигурали да укупне перформансе уређаја на крају дана и даље буду у дозвољеним границама ЕМЦ стандарда.

Практична разматрања заштите

Као што је горе поменуто, потребно је неколико практичних разматрања када се штити кућишта или заштитни каблови. За производе са критичним ЕМИ могућностима (здравство, ваздухопловство, енергетика, комуникације, војска и тако даље), важно је да тимови за дизајн производа чине особе са релевантним искуством у заштити и општим ЕМИ ситуацијама. Овај одељак ће дати широк преглед неких могућих савета или ЕМИ заштите.

1. Дизајн ормана и кућишта

Као што је горе поменуто, немогуће је дизајнирати кућишта без одређених отвора који ће служити као вентилационе решетке, рупе за каблове, врата и за ствари попут прекидача. Ови отвори на кућиштима, без обзира на њихову величину или облик, кроз које ЕМ талас може ући или изаћи из кућишта, ЕМИ терминима, називају се прорезима. Прорези морају бити дизајнирани тако да их њихова дужина и оријентација у односу на РФИ фреквенцију не претворе у таласовод, док би њихова величина и распоред у случају вентилационих решетки требало да одржавају праву равнотежу између протока ваздуха потребног за одржавање топлотних захтева кола и могућност управљања ЕМИ на основу потребног слабљења сигнала и укључене РФИ фреквенције.

У критичним применама попут војне опреме, прорези попут врата итд. Обично су везани специјалним заптивкама које се називају ЕМИ заптивке. Долазе у различитим врстама, укључујући плетене жичане мреже и металне спиралне заптивке, али неколико фактора дизајна (обично трошкови / користи) узима се у обзир пре него што се направи избор заптивки. Све у свему, број слотова би требало да буде што мањи, а величина што мања.

2. Каблови

Одређена кућишта могу бити потребна да имају отворе за каблове; ово такође мора бити урачунато у дизајн кућишта. У

Поред тога, каблови такође служе као средство за спровођење ЕМИ као такви у критичној опреми, каблови користе оплетени штит који се затим уземљује. Иако је овај приступ скуп, ефикаснији је. Међутим, у јефтиним ситуацијама решења са полице, попут феритних зрнаца, постављају се на одређена места на ивици каблова. На нивоу ПЦБ плоче, филтери се такође примењују дуж улазних водова.

Најбоље праксе за полагање ЕМИ тестова

Неке од пракси дизајнирања ЕМИ, посебно на нивоу плоче, како би се ЕМИ држао под контролом, укључују;

Користите претходно сертификоване модуле. Нарочито за комуникацију, коришћење већ сертификованих модула смањује количину посла који тим треба да уради у заштити и смањује трошкове сертификације за ваш производ. Савет за професионалце: Уместо да дизајнирате ново напајање за свој пројекат, направите пројекат тако да буде компатибилан са постојећим изворима напајања. То вам штеди трошкове приликом овјере напајања.
Нека тренутне петље буду мале. Способност проводника да повезује енергију индукцијом и зрачењем смањује се мањом петљом која делује као антена
За парове трагова бакарних штампаних кола (ПЦ) користите широке трагове (мале импедансе) поравнате један изнад другог и испод њих.
Лоцирајте филтере на извору сметњи, у основи што ближе модулу за напајање. Вредности компонената филтера треба бирати узимајући у обзир жељени опсег фреквенције слабљења. Као пример, кондензатори се саморезонирају на одређеним фреквенцијама, изнад којих делују индуктивно. Нека каблови заобилазног кондензатора буду што краћи.
Поставите компоненте на ПЦБ узимајући у обзир близину извора буке потенцијално осетљивим круговима.
Поситион децоуплинг кондензатора што је ближе могуће претварача, посебно Кс и И кондензатора.
Користите равнине уземљења када је то могуће како бисте свели на најмању меру зрачену спрегу, смањили површину попречног пресека осетљивих чворова и смањили површину попречног пресека чворова велике струје који могу зрачити, попут оних из кондензатора уобичајеног режима.
Уређаји за површинско монтирање (СМД) бољи су од оловних уређаја у раду са РФ енергијом због смањене индуктивности и доступних ближих компонената.

Све у свему, важно је да у свом тиму током процеса развоја буду појединци са овим дизајнерским искуством, јер помажу у уштеди трошкова приликом сертификације, а такође осигуравају стабилност и поузданост вашег система и његових перформанси.