Elektromagnetna kompatibilnost

Osnovni pojmovi, značenje i merenje

Dipl.inž. Ivan Blagojević

UVOD

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

Od nastanka Zemlje i života na njoj pa do modernog doba, slaba, prirodna niskofrekventna i visokofrekventna električna i magnetna polja, pored zemljinog statičkog magnetnog polja, su sačinjavala zemaljski elektromagnetni ambijent. Ova prirodna polja nastala su od Sunca i atmosferskih pražnjenja. Međutim, od početka modernog doba naša okolina sadrži različite oblike polja, kako prirodno nastalih tako i onih koje je, svojom tehnikom, proizveo čovek. Počevši od nekih osnovnih kućnih uredjaja pa do mobilnih telefona nastali su ti novi oblici polja. U takvim uslovima se ukupni nivo elektromagnetskih smetnji obično toliko poveća da tehnička rešenja, usmerena ka usavršavanju metoda prijema u prisustvu smetnji, ne mogu da obezbede potreban kvalitet bez ograničavanja, odnosno normalizacije nivoa elektromagnetskih smetnji odgovarajućim standardima. Pri projektovanju elektronskih sistema osim zadovoljenja zahteva po pitanju funkcionalnosti, potrebno je obratiti pažnju i na dodatne zahteve koji se odnose na elektromagnetsku kompatibilnost (EMC).

Elektromagnetna kompatibilnost (EMC-electromagnetic compatibility) Je grana nauke koJa proučava električno nenamerno poklapanje, širenje i prijem elektromagnetne energiJe u odnosu na neželjene efekte (elektromagnetskog mešanja, Electromagnetic interference or EMI) koje mogu izazvati takve energiJe. Cilj EMC je pravilan rad različitih uredjaja u istom elektromagnetnom okruženju, kao i izbegavanje bilo kakvog uplitanja elektromagnetnih efekata. Da bi se ovo postiglo, EMC-sledi dve različite vrste pitanja. Pitanja EmisiJa u vezi sa neželjenim poklapanjem elektromagnetne energiJe od strane nekih izvora, i kontramere koJe treba preduzeti u cilju smanjenja takvih poklapanja kako bi se izbeglo širenje preostalih energiJa u spoljnu sredinu. Pitanje Osetljivosti ili imuniteta koje se odnosi se na ispravan rad električne opreme, označene kao žrtve u prisustvu neplaniranih elektromagnetnih smetnji.

Za električne i elektronske uređaje kaže se da su elektromagnetski kompatibilni akoelektromagnetske smetnje koje ti uređaji stvaraju ne ometaju njihov normalan rad, a isto tako ne ometaju ni ostale uređaje. Dakle, sposobnost uređaja da rade bez međusobnog ometanja naziva se elektromagnetska kompatibilnost. Elektromagnetska inerferencija ili mešanje je pojava smetnji u radu nekog uređaja pod delovanjem neželjenih napona i struja, odnosno elektromagnetskog polja. Smetnje mogu nastati u samom uređaju, ili poticati iz njegove okoline. Izvori smetnji su na primer varničenje na komutatorima motora, varničenje prilikom prekidanja jakih struja (posebno kod induktivnih prijemnika), visokonaponski uređaji automobila (za napajanje svećica), računari, fluorescentna rasveta, radio predajnici, antene za mobilnu telefoniju, atmosferska pražnjenja, elektrostatička pražnjenja i slično. Ove smetnje mogu poremetiti rad radio i televizijskih prijemnika, displeja računara, navigacionih instrumenata i drugih elektronskih uređaja.

IZVORI SMETNJI

Kontinuirane smetnje

Kontinuirani, ili kontinualni talas (Continuos Wave), mešanja nastaJe kada Izvor redovno emituJe u svom zadatom opsegu frekvenciJe. Ovaj tip je, naravno, podeljen u pod-kategoriJe u skladu sa frekvenciJskim opsegom, i kao celina se ponekad naziva i "DC na dnevnoJ svetlosti". Kod Audio frekvenciJa, od veoma niske frekvenciJe do oko 20 kHz. FrekvenciJe do 100 kHz ponekad mogu biti klasifikovane kao audio. Izvori su:- Mrežno zujanje iz napajanja jedinica, u blizini napajanje instalaciJe, dalekovoda i trafostanica.- Audio procesne opreme, kao što su audio poJačala i zvučnika.

2

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

- DemodulaciJa za visoke frekvenciJe nosioca talasa, kao što su FM radio-prenos.

Kod Radiofrekvencijskih smetnji, RFI, od 20 kHz do granica koJa se stalno povećava kako tehnologiJa gura ka više. Izvori su:- Bežični i prenosi radio frekvenciJa- TeleviziJa i radio priJemnici- IndustriJske, naučne i medicinske opreme- Digitalna obrada kola (na primer mikrokontroleri)

Kod ŠirokopoJasni buka može da bude raspoređena širinom delove Jednog ili oba frekvenciska opsega, bez posebno naglašene frekvenciJe. Izvori su:- Sunčeva aktivnost- Kontinuirano operativni varnica praznine, kao što su luk zavarivača- CDMA (Code division multiple access) mobilne telefoniJe

Pulsirajuce ili prolazne smetnje

Elektromagnetskom impuls, EMP, takođe ponekad nazivaju i Prolazni poremećai koj nastaJe - kada izvor emituJe impusl energije kratkog trajanja. Energija Je obično širokog propusnog opsega po prirodi, mada to često izaziva prigušeni sinusni talas relativno uskog opsega koj utiče na žrtvu.Izvori su podeljeni u izolovane i po ponavljanju događaJa. -Izvori koj izoluju EMP događaje uključuJu: - Uključivanje akciJa električnih kola, uključuJući i induktivna opterećenja kao što su

releJi solenoida ili električne motore.- Elektrostatički naboj (ESD), kao rezultat dva punjena predmeta koJi dolaze u neposrednoJ blizinu ili čak kontakt.- Munja elektromagnetskog impulsa (Lemp), iako Je obično kratak niz impulsa.- Nuklearni elektromagnetski impuls (NEMP), kao posledica nuklearne eksploziJe.- Ne-nuklearne elektromagnetskom impuls (NNEMP) oružJa.- StruJnu vodovi

- Izvori koji ponavljaJu EMP događaj, ponekad kao redovni konstanti puls, uključuJu: - Elektromotori - Benzinski motor sistema za paljenje - Stalno prebacivanje akciJe digitalnih elektronskih kola.

PROSTIRANJE SMETNJI

Prostiranje smetnji može biti dvojako: - pretežno vođenim talasom (duž provodnika) što predstavlja kondukcione smetnje - pretežno slobodnim talasom, što predstavlja radijacione smetnje. U praksi je često mešovito prostiranje. Primer kondukcionog prostiranja smetnji je preko mreže za napajanje (impulsne smetnje nastale prilikom prekidanja jakih struja prodiru u računar i blokiraju mu rad). Primer radijacionog prostiranja su smetnje automobilskih motora na kućni radio ili televizijski prijemnik. Međutim, smetnje od automobilskog motora ometaju radio aparat u tom istom automobilu i kondukciono (preko niskonaponske instalacije), i radijaciono (smetnje stižu do antene radio aparata).

Udar groma blizu dalekovoda stvara radijacione smetnje koje indukujusmetnje u dalekovodu. Te smetnje se dalje prenose kondukcionim putem. Međutim, direktan udar groma u dalekovod izaziva kondukcione smetnje. Vodovi i drugi provodnici koji su vezani za uređaj spregnuti su sa samim uređajem(funkcionalno ili zbog parazitnih sprega). Osim toga, elektromagnetski su spregnuti sa okolnim prostorom i ponašaju se kao antene. Struje koje uređaj pobuđuje u svim tim provodnicima stvaraju radijacione smetnje (kao predajne antene). Recipročno, u tim provodnicima se indukuju signali, kada se nalaze u polju smetnji (ponašaju se kao prijemne antene), što utiče na uređaj.

DELOVANJE SMETNJI I ZAŠTITA

3

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

Različiti uređaji različito reaguju na smetnje. Elektroenergetski uređaji su vrlo imunina njih i obično samo atmosferska pražnjenja (ili po intenzitetu slični elektromagnetskiimpulsi nuklearne eksplozije) mogu izazvati probleme, kao što su poremećaji u radu (prekidusled delovanja zaštitnih sklopki ili raspad elektroenergetskog sistema) ili pregorevanjeinstalacija ili mašina.

Elektronski uređaji su mnogo osetljiviji. Smetnje u naponu napajanja mogu dovesti dopada računarskih sistema. Smetnje indukovane u telekomunikacionim vodovima mogudovesti do prekida veze. Elektrostatička pražnjenja, čak i na kućištu uređaja mogu dovesti dopregorevanja elektronskih komponenti (dioda, tranzistora, integrisanih kola, pasivnihelemenata, štampanih ploča). Radijacione smetnje mogu onemogućiti prijem radio,televizijskih ili radarskih signala a jake radijacione smetnje mogu čak oštetiti osetljive ulaznestepene prijemnika. Oštećenja nastaju zbog proboja komponenti usled jakog električnog polja (npr. u kondenzatorima ili kod inverzno polarizovanih pn spojeva), ili termičkih efekata (npr. pregorevanje otpornika usled velikog zagrevanja ili poremećaj u strukturi poluprovodničkih komponenti). Elektronski uređaji sa cevima izdržavaju mnogo veće smetnje od tranzistorskih, a bipolarni tranzistori su obično otporniji od tranzistora sa efektom polja. Komponente koje su projektovane za manje snage ili napone osetljivije su od jačih komponenti.

Prilikom ocene delovanja smetnji na uređaj (elektromagnetna susceptibilnost)razlikuju se sledeći slučajevi:a) uređaji izdržavaju smetnju bez ikakvog poremećaja u radu,b) smetnja izaziva poremećaj, posle toga uređaj nastavlja ponovo da radi (npr. sam se resetuje ili se ponovo uspostavi sinhronizacija),c) uređaj ostaje blokiran pa je potrebna intervencija da bi uređaj nastavio rad,d) dolazi do trajnog oštećenja uređaja koji zahteva opravku.

Signali, koje kondukcionim ili radijacionim putem, emituje neki uređaj mogupredstavljati i opasnost, ne u sistemu ometanja drugih uređaja, već u sistemukompromitovanja samog uređaja. Na primer, elektronski mlaz katodne cevi stvara u svojojokolini polje na osnovu koga se može rekonstruisati slika sa ekrana i tako špijunirati sarastojanja od nekoliko metara (npr., iz susedne prostorije). Drugi primer je emitovanje signala iz lokalnog oscilatora televizijskog prijemnika. Ovaj oscilator se nalazi blizu ulaznihantenskih priključaka prijemnika, pa delić tog signala i zrači antena. Osetljivim prijemnikompodešenim na učestalost lokalnog oscilatora to polje se može detektovati, što je jedan odnačina otkrivanja neprijavljenih tv prijemnika. Slična opasnost postoji i od otkrivanjaračunarskih uređaja u brojnim postrojenjima.

Jedan od načina smanjenja smetnji je pravilan izbor veza između komponenti uređaja kao i sam izbor komponenti i sklopova. Glavna mera zaštite od radijacionih smetnji (emitovanja radijacionih smetnji) je oklapanje. Zadatak oklopa je da u štićenom prostoru što više smanji polje. Teorijski, oklop je šuplje metalno telo u kome se nalazi štićena komponenta ili uređaj. Praktično, oklopi se prave od limova debljine obično reda veličine 1 mm. Limovi se na sastavima moraju dobro spojiti. Delovi oklopa se mogu napraviti i tako da se skidaju. Rastavljiva veza se ostvaruje zavrtnjima koji se moraju postaviti dovoljno gusto da se osigura dobro naleganje. Oklopi neminovno imaju otvore kroz koje prolaze razni vodovi za napajanje, komunikaciju i slično. Ovi otvori, realno smanjuju efikasnost zaštite.

EMC KONTROLA

Štetna deJstava elektromagnetnog mešanja predstavljaju neprihvatljiv rizik u mnogim oblastima tehnologiJe i neophodno Je da se kontrolišu takve smetnje i da se smanji rizik na prihvatljiv nivo.

4

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

Kontrola elektromagnetne interferenciJe (EMI) i osiguranje EMC obuhvata niz srodnih disciplina:

- Karakterišu pretnju.- Postavljanje standarda za emisiJe i osetljivost nivoa.- DizaJn za poštovanje standarda.- Testiranje za pridržavanje standarda.

Za kompleksni deo opreme, može se zahtevati proizvodnja posvećena EMC planu kontrole sumiraJući primenu iznad i specifikaciJu dodatnih neophodnih dokumenata.

KARAKTERIZACIJA PRETNJE

KarakterizaciJa problema zahteva razumevanje:- Smetnje izvor i signala.- SpoJni put do žrtve.- Priroda žrtve i električni uslovi u smislu značaJa kvara.

Rizici izazvani pretnjama se obično statističke prirode, rada o opasnostima karakterizaciJi i standardima zasniva se na smanjenju verovatnoće remećenja EMI na prihvatljiv nivo, a ne njegove sigurne eliminaciJe.

ZAKONI I PROPISI

Regulativa i tela za standardizaciju

Spisak EMC direktivaNekoliko međunarodnih organizacija rade na promovisanju međunarodne saradnje o standardizaciji (harmonizacija), uključujući i objavljivanje različitih EMC standarda. Gde postoji mogućnost za standard razvijen od strane jedne organizacije da može biti usvojen sa malo ili nikakve promene od strane drugih organizacija. Ovo pomaže na primer, da se usklade nacionalni standardi širom Evrope. U Standardne ogranizacije se podrazumevaju :

International Electrotechnical Commission  (IEC) Međunarodna elektrotehnička komisija, koja ima nekoliko odbora koji rade puno radno vreme u vezi EMC pitanja. A to su :

- Technical Committee 77 (TC77) ,koji radi (EMC) kod veza izmdju opreme i mreža.

- Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques  (CISPR) Međunarodni Specijalni komitet za radio smetnje

- The Advisory Committee on Electromagnetic Compatibility (ACEC) Savetodavni komitet za Elektromagnetnu kompatibilnost

International Organization for Standardization  (ISO) Međunarodna organizacija za standardizaciju

Malo više poznatije organizacije u svetu su : EVROPA

Comité Européen de Normalisation  (CEN) Evropski komitet za standardizaciju

Comité Européen de Normalisation Electrotechniques  (CENELEC) Evropski komitet za elektrotehničku standardizaciju (CENELEC)

European Telecommunications Standards Institute  (ETSI) Evropski institut za standarde u telekomunikacijama

The British Standards Institution (BSI) Britanska institucija za standardizaciju

5

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

The Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE) Udruženje za električne, elektronske i informacione tehnologije (Nemačka)

AMERIKA

The Federal Communications Commission (FCC). Savezna komisija za komunikacije

The Society of Automotive Engineers (SAE) Društvo automobilske tehnike

ZAKONI

Usklađenost sa nacionalnim ili međunarodnim standardima obično zahteva zakone od strane pojedinih nacija. Različite nacije mogu zahtevati usaglašenost sa različitim standardima. Po evropskom zakonu, proizvođači elektronskih uređaja se savetuju da pokrenu EMC-testove kako bi se uskladili sa obaveznim CE označavanjem (CE-labeling). Nesmetano korišćenje električnih uređaja za sve kupce bi trebalo da bude osiguran i jačine elektromagnetnog polja treba da se čuvaju na minimalni nivo. EU direktive 2004/108/EC (prethodno 89/336/EEC) na EMC najavljuje pravila za distribuciju električnih uređaja u Evropskoj uniji. Dobar pregled EME i EMI ograničenja zahteva je data u listi EMC direktiva. (List of EMC directives)

UZEMLJENJE I ZAŠTITA

Uzemljenje i zaštita imaju za cilj da skrenu EMI (elektromagnetsko mešanje) od žrtve pružajući alternativni put niske impedanse.

Tehnike uključuju:- Oklopljena kućišta.- Oklopljene linije.- Uzemljenje, ili uzemljenje šeme kao što je Zvezda za uzemljenje za audio opremu, ili ground planes (uzemljenje za električno provodljive površine) za RF.

OSTALE OPŠTE MERE

- Odvojeni ulazi kablova (liniski filter, signalni filter) koristeći RF prigušnicu ili RC elemenat.- Tehnike Prenosne linije ili Dalekovoda za kablove i žice, kao što je uravnoteženi diferencijalni signal sa povratnom spregom i podudaranje impedanse.- Izbegavanje struktura Antena, kao što su kružne strujne petlje, mašinski rezonantne strukture, neuravnotežene impedanse kablova i loše uzemljena zaštita.

SUZBIJANJE EMISIJA

Dodatne mere za smanjenje emisije su:- Izbegavajte nepotrebne operacije prebacivanja. Potrebna promena treba da se uradi što je tehnički moguće sporije.- Bučna kola (sa dosta prebacivanja aktivnosti) treba da budu fizički odvojena od ostatka dizajna.- Visoki pikovi se mogu izbeći korišćenjem metode proširenog spektra.- Harmonijski filteri talasa. - Dizajn za rad na nižim signalnim nivoima, čime se

6

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

smanjuje emisiona energija.

EMC TESTIRANJE

Testiranje je obavezano da se potvrdi da određeni uređaj zadovoljava potrebne standarde. To se deli na testiranje emisija i testiranje osetljivosti. RF fizičko testiranje prototipova se najčešće obavlja u radio-frekvencijskim anehoičkim sobama odnosno komorama. (radio-frequency anechoic chamber ) slika ispod.

Otvoreno testiranje sajtova (Open-air test sites, or OATS), su referentni sajtovi u mnogim standardima. One su posebno korisne za ispitivanje emisije opreme velikih sistema.Ponekad računarska Elektromagnetiska simulacija se koriste za testiranje virtuelnih modela.Kao i sve u skladu testiranja, važno je da oprema za testiranje, uključujući i testiranje u komori ili sajtu ili bilo kom softveru, bude pravilno kalibrisana i održavana.Tipično, s obzirom seriju testova za određeni deo opreme zahteva se EMC-test plan i kao nastavak test izveštaj ( Test report). Slika ispod, otvoreno testiranje.

TESTIRANJE OSETLJIVOSTI

Ispitivanje osetljivosti izbačenih terena obično podrazumeva velike snage izvora RF ili EM energije impulsa i antena koje zrače za usmeravanje energije na potencijalne

7

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

žrtve ili uređaje koji se testiraju (DUT-device under test).Testiranje osetljivosti provodnog napona i struja obično podrazumeva signale velike snage ili puls generatore i druge elektro materijale ili neki drugi tip transformatora za ubrizgavanje test signala.Prolazni imunitet se koristi za testiranje imuniteta DUT protiv dalekovoda, poremećaja uključujući talase, udare groma i prebacivanje buke. U motornim vozilima slični testovi se obavljaju na baterijii i signalanim linijijama.Ispitivanje elektrostatičkog pražnjenja se obično izvodi sa piezo spark generatorima (ESD Pistol- electrostatic discharge pistol). Visoko energetski impulsi, kao što je munja ili nuklearna EMP-simulacije, mogu da zahtevaju current clamp ili klešta za jake energetske impulse, ili veliku antenu koja potpuno okružuje DUT .

Current clamp ESD Pistol

TESTIRANJE EMISIJE

Emisije se obično mere za ozračene snage polja i gde je to potrebno za sprovodnu emisiju kablova i zica. Induktivna (magnetna) i kapacitivna (električna) jačina polja je dejstvo u blizini polja i važna je samo ako je uredjaj koj se ispituje (DUT) dizajniran za bliske kontakte sa drugim električnim uređajima. Obično se analizator spektra (spectrum analyzer) koristi za merenje nivoa emisije DUT preko širokog opsega frekvencija (frekvencijski domen) Specijalizovani analizatori spektra se nazivaju EMI analyzers.Za sprovedene emisije tipični pretvarači su LISN (Line Impedance Stabilisation Network) stabilisana mreža liniske impedanse, takođe ponekad nazivana i AMN (Artificial Mains Network) veštačka osnovna mreža i RF current clamp.Za merenje emisije zračenja koriste se antene kao pretvarači. Emisije zračenja mora da se meri u svim pravcima oko uređaja koji se testira (DUT).

GTEM ćelije za testiranje elektromagnetne kompatibilnosti u opsegu DC do 18 GHz omogućavaju ispitivanje emisije i imunosti na RF smetnje u jedinstvenom, fiksnom i potpuno oklopljenom okruženju.

GTEM ćelija je verzija standardne TEM (transverzalne elektromagnetske) ćelije sa proširenim opsegom učestanosti i omogućava generisanje visoko homogenih elektromagnetnih polja. Obzirom da sami zidovi ćelije sa unutrašnje strane predstavljaju trakasti vod, koji je izolovan metalom sa spoljne strane, moguće je generisanje visoko uniformnog polja za testiranje imunosti ispitnog objekta na RF smetnje, odnosno detekcija emisije samog

8

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

ispitnog objekta bez ikakve dodatne antene. U zavisnosti od veličine ispitnog objekta postoji više različitih modela GTEM ćelija.

ZAKLJUČAK

Tokom razmatranja i pisanja ovog članka ustanovio sam da je sama rec elektromagnetna kompatibilnost slabo poznata među običnim ljudima ali isto tako znam da svi ti ljudi se svakodnevno susreću sa pojmom EMC-a jer su u svakodnevnom kontaktu sa izvorima zračenja. Iskreno se nadam da će moje pisanje i objašnjenja u vezi ovoga malo skrenuti pažnju ljudima o štetnim uticajima elektromagnetnog zračenja i da će tako uspeti barem onoliko koliko su u mogućnosti da zaštite sebe i svoju okolinu. Za vreme studiranja na Elektronskom fakultetu u Nišu posebno me je zainteresovala ova grana elektrotehnike koja se bavi žaštitom ljudi i njihove okoline. Pošto sam bio zapošljen (od 2006 do 2008) u firmi koja je usko vezana za kontrolu kvaliteta i štetnih zračenja (http://www.kvalitet.co.rs/) mogu da kažem da imam neko predznanje kako ovo treba da se ispita, kontroliše i dovede na prihvatljiv nivo za našu okolinu. Hvala [[Википедија на српском језику]] na objavljivanju članka. Ivan Blagojevic dipl.ing.elektronike

9

I. Blagojević Elektromagnetna kompatibilnost

SADRŽAJ

UVOD___________________________________________________________________________________2IZVORI SMETNJI__________________________________________________________________________3Kontinuirane smetnje____________________________________________________________________3Pulsirajuce ili prolazne smetnje___________________________________________________________3PROSTIRANJE SMETNJI____________________________________________________________________4DELOVANJE SMETNJI I ZAŠTITA___________________________________________________________4EMC KONTROLA_________________________________________________________________________5KARAKTERIZACIJA PRETNJE_______________________________________________________________6ZAKONI I PROPISI________________________________________________________________________6ZAKONI_________________________________________________________________________________7UZEMLJENJE I ZAŠTITA____________________________________________________________________7OSTALE OPŠTE MERE____________________________________________________________________7SUZBIJANJE EMISIJA ______________________________________________________________________8EMC TESTIRANJE_________________________________________________________________________8TESTIRANJE OSETLJIVOSTI________________________________________________________________9TESTIRANJE EMISIJE_____________________________________________________________________10ZAKLJUČAK__________________________________________________________________________11

10