Ваша корзина пуста!

Детектирование неисправностей пробниками поля и тока

Электромагнитное соответствие: Детектирование неисправностей пробниками поля и токовыми пробниками.

Вступление:

Электромагнитные помехи (EMI) могут вызывать множество сопутствующих проблем, особенно при разработке продукта или прохождении контроля электромагнитной совместимости (EMC). Искаженное изображение, «битые» данные или полная неработоспособность – это всё может быть результатом влияния электромагнитных помех (EMI). Для минимизации эффектов вызванных электромагнитными помехами в Северной Америке Федеральная Коммуникационная Комиссия (FCC) установила стандарты для ограничения электромагнитного излучения для категорий приборов. Контроль электромагнитной совместимости (EMC) входит в перечень тестов определения спецификации прибора.   

Много продуктов не прошли контроль на электромагнитную совместимость (EMC), по причине взаимодействия непреднамеренного высокочастотного излучения радиодиапазона (RF) вызванного особенностями структуры цепи или элемента. Электрические и магнитные поля, которые могут вызывать данное взаимодействие – невидимы невооружённому глазу, и попытки изолировать источник электромагнитных помех может привести к осложнениям.

   В чём причина?

   Где источник сигнала или энергия вызывающая излучение?

   Как это исправить? к осложнениям.

К счастью, существуют простые инструменты и технологии помогающие идентифицировать источник электромагнитного излучения. Если вы определили источник излучения, вы можете приступать к вариантам решения проблем. Данная технология идентификации источника излучения не входит в перечень тестов для контроля электромагнитной совместимости. Скорее это технология предварительного тестирования на соответствие, позволяющая быстро идентифицировать потенциальные зоны электромагнитного воздействия без применения сложного дорогостоящего оборудования тестирования и настройки.

В данном примечании речь пойдёт о некоторых простых технологиях предварительного тестирования на соответствие EMI, для идентификации потенциально проблематичных источников электромагнитного излучения используя токовые пробники и пробники индуктивности поля. Данная технология сэкономит вам много времени и средств, поскольку позволяет быстро изолировать источник и создать станцию тестирования и сопоставлять полученные данные. Полученный опыт и знания позволят вам проектировать продукты в соответствии с EMC в будущем.

Примечание: Предварительное тестирование на соответствие EMC помогает определить и устранить электромагнитное воздействие, способное препятствовать прохождению контроля на соответствие EMC, но не является заменой полноценного тестирования в сертифицированной лаборатории.

Основы электромагнитного излучения:

В электронике, электромагнитное излучение в основном вызвано потоком тока или увеличением напряжения вдоль или через проводник. Дорожки печатных плат, отдельные провода, выводы компонентов, коннекторы и всё металлическое включая каркас, шасси и даже корпус самого изделия может служить проводником. Стоит отметить, что электромагнитное излучение это комбинация из компонентов электрического и магнитного полей. Явление распространения ортогональных отличных во времени магнитных и электрических полей описано на Рис.1.

Направление электрических и магнитных полей

Рис. 1: Распространение электромагнитной волны, вид с торца (вверху слева), вид справа

(вверху справа), и вид под углом. Примечание : Электрическое и магнитное поле ортогональны относительно друг друга (90°).

Хотя электрическое (E) и магнитное (H) поля создаются одним и тем же феноменом, их поведение в разной среде совершенно отличается.  Магнитное поле создаётся только движением частиц (ток). В большинстве электрических цепей, ток протекает по дорожкам на печатных платах, выводах компонентов, и отдельных проводах. Поэтому магнитное поле значительно преобладает в электромагнитном излучении вызванном дорожками, проводами передающими сигналы и мощность к различным участкам цепи.

Визуализация магнитного поля может значительно упростится, если вспомнить школьный курс по физике. Магнитное поле бесконечно длинного прямого провода можно вычислить применив закон Ампера:

 

Закон ампера

Для круговой траектории в центре проводника, используется формула:

Где:

В - Магнитное поле

μ0 - Проводимость свободного пространства (константа) 

I - ток

r - радиус проводника

На Рис.2  схематически изображено направление магнитного поля. Стоит отметить что направление движения линий магнитного поля осуществляется по часовой стрелке относительно направления тока. Это очень просто запомнить: если поставить большой палец правой руки в направлении движения тока, то остальные пальцы будут указывать направление движения линий магнитного поля.

Рис. 2: Магнитное поле, вызванное  протеканием тока

В отличии от магнитного поля электрическое поле может быть вызвано не только движущимися, но и статичными заряженными частицами. В случае детектирования электромагнитного излучения на радиаторах охлаждения и корпусах приборов, электрическое поле преобладает над магнитным.

Влияние электрического поля также преобладает на большом расстоянии от источника излучения. Измерение электромагнитного поля на большом расстоянии значительным образом подвержено помехами и влиянием окружающей среды: радиостанции, Wi-Fi, и прочие сигналы радиочастотного диапазона. Измерения электрического поля на расстоянии требует намного больше сложного оборудования, чем детектирование поля вблизи источника. Путём измерения амплитуды и частоты магнитного и электрического полей генерируемых компонентами тестируемого прибора можно идентифицировать области с высоким потенциалом способным вызвать электромагнитное излучение.

Список требуемого оборудования:

Ниже приведён список основных устройств, необходимых для выявления излучения вблизи источника:

Анализатор Спектра/EMI Приемник: Измеряет мощность высокочастотного сигнала относительно частоты. Анализатор должен обладать максимальной частотой не менее 1 ГГц, DANL  -100 дБм (-40 дБмкВ) или менее, и минимальным разрешением полосы пропускания 10 кГц.

Рис. 3: Анализатор спектра SIGLENT SSA3021X 2.1 ГГц.

Пробники магнитного поля: Промышленные или самодельные. Большинство из них пробники магнитного (H) поля, но существуют и пробники электрического (E) поля.

Токовые пробники: Промышленные или самодельные.

Кабель 50 Ом: Используйте кабель с разъёмами, которые соответствуют разъёмам на пробниках, и на анализаторе спектра. Промышленные пробники могут поставляться с кабелем и необходимыми переходниками.

Пробники:

Так как EMI (электромагнитное излучение) невидимо невооружённому глазу, нам потребуется некоторые инструменты. Учитывая, что заряженные частицы при движении по проводникам генерируют магнитное и электрическое поле, излучаемое в пространство от проводника, мы можем использовать данные поля для представления напряжения в цепи. Путём измерения полученного напряжения, мы можем косвенно вычислить мощность.  Для выполнения выявления электромагнитного излучения используются два типа пробников: токовые клещи и пробники электрического поля.

Пробники магнитного поля и токовые клещи работают по одинаковому принципу. Магнитное поле проходит через «петлю» пробника и индуцирует напряжение для измерения (рис. 4). Большая петля захватывает больше магнитного потока, что позволяет находить более слабые сигналы, но маленькая петля обеспечивает большую точность в пространстве. Большинство наборов поставляются с несколькими петлями разных размеров (рис 5) для обеспечения идеального баланса между чувствительностью и пространственным разрешением. Пробники электрического поля не имеют области петли. Они улавливают электрическое поле по принципу однополярной антенны. Изменение направления пробника электрического поля не такое критичное по отношении к пробнику магнитного поля, но увеличение расстояния к источнику значительно отражается на его чувствительности.

Ниже приведены указания к использованию пробников:

  • Измерьте уровень фонового излучения, путём отключения тестируемого прибора и взгляните на дисплей анализатора. Обратите внимание на частоту радио диапазона, всегда тестируйте фоновое излучение перед тестированием прибора.
  • Проверьте дисплеи, выводы портов, вентиляционные отверстия, технологические каналы, места соединения частей корпуса прибора. Чаще всего это – потенциальные места излучения.
  • При размещении пробников ближе к источнику излучения, амплитуда сигнала будет увеличиваться.
  • Пробники магнитного поля при размещении перпендикулярно относительно магнитного поля измерят большую амплитуду, чем расположенные параллельно в магнитному полю.
  • Для проведения серии измерений прибора следует использовать дополнительные, не проводящие средства фиксации позиции пробника (дерево, пластик), поскольку изменение позиции пробника на несколько миллиметров или изменение угла поворота пробника на несколько градусов повлечёт значительное изменение результатов измерения амплитуды магнитного поля.

Рис 4: Влияние ориентации и позиции пробника магнитного поля на результат измерения амплитуды.

Рис 5: Набор пробников SIGLENT SRF5030.

Рис 6: Тестирование PCB используя SIGLENT SSA3X и пробник SRF5030.

Кабели и соединения могут выступать в роли антенны, если они не были экранированы или заземлены должным образом. Даже небольшие токи, выходящие из проводника, могут вызывать излучение способное превышать установленные EMC пределы. Для детектирования причин излучения вызванных соединениями и кабелями можно воспользоваться токовыми клещами и анализатором спектра.

Принцип работы токовых клещей идентичен принципу работы пробников магнитного поля. Вы можете приобрести токовые клещи или сделать из самостоятельно: намотав несколько витков кабеля на ферритовые клещи и приклеив BNC разъём, как показано на Рис 7. Просто зафиксируйте клещи на тестируемом кабеле, подсоедините BNC коннектор ко входу анализатора и настройте анализатор спектра на необходимый диапазон частот.

Рис 7: Самодельные токовые клещи.

Советы по работе с пробниками:

  • При малейших сомнениях, перед началом работы следует добавить внешний делитель перед высокочастотным входом анализатора. Силовые кабели или приборы высокой мощности могут генерировать сигналы способные повредить высокочувствительный RF вход анализатора.
  • Протестируйте все кабели подключаемые к устройству, включая кабели питания, USB, Ethernet и всевозможные разъёмы. (Рис 8)

Рис 8: Измерение высокочастотного излучения USB кабеля подключённого к осциллографу.

Токовые клещи, в особенности самодельные склонны улавливать излучение окружающей среды и фоновых сигналов, что может, как ослаблять, так и усиливать измеряемый сигнал. Перед началом измерения излучения прибора следует измерить фоновое излучение, путём отключения питания тестируемого устройства. После включения устройства сравните полученные результаты. Тестирование фонового излучения следует проводить периодически, для исключения помех окружающей среды.

Рис 9: Влияние фонового излучения (жёл.)на сигнал тестируемого устройства (розовый)используя токовые клещи.

Если не удаётся определить источник излучения (фон или прибор) следует детально рассмотреть недостающую частоту или первые несколько гармоник этих частот.

Сканирование и анализ:

Существует высокая вероятность не совпадения данных полученных при тестировании пробниками и данными полученными специализированными лабораториями для измерения излучения. Но, при необходимости, обследование высокочастотных кабелей, импульсных блоков питания, дисплеев и разъёмов позволит быстро локализировать и найти пути решения проблемы высокочастотного излучения.

Ниже приведены несколько советов для получения более точных результатов измерения:

1.  Большинство анализаторов не имеют фильтра предварительного отбора, при использовании такого анализатора пиковые значения не будут соответствовать действительности. Данное несоответствие вызвано смешиванием сигналов вне частотного диапазона с тестируемым сигналом.

Вы можете проверить достоверность пиковых значений путём установки внешнего аттенюатора (3 или 10 дБ). Если при этом пиковые значения уменьшаться на значение аттенюатора – данные амплитуды соответствуют действительности. При снижении пиковых значений более чем на значение аттенюатора – данные не соответствуют действительности. Запомните ошибочные значения для сравнения с результатами тестирования EMC. Также можно использовать фильтры предварительного отбора или EMI приёмник, но это слишком высокая цена за высокую скорость тестирования.

На Рис 10 ниже, изображён результат проверки на соответствие пиковых значений. Данные полученные без аттенюатора изображены жёлтым цветом. Розовым - изображены результаты измерения получены с использованием аттенюатора на 10 дБ на входе анализатора. В данном случае пиковые значения отличаются на значение аттенюатора и считаются достоверными и не являются результатом сигналов вне диапазона.

Рис 10: Сравнение результатов сканирования, используя функцию таблицы маркеров анализатора спектра SIGLENT SSA3000X. Жёлтый график – данные получены без аттенюатора, розовый – с внешним аттенюатором 10 дБ.

2.  Большинство анализаторов спектра имеют функцию Max Hold, позволяющую удерживать максимальное амплитудное значение каждого сканирования частоты. Вы можете провести тестирование в обычном режиме для отображения уровня активного высокочастотного излучения, и включить режим Max Hold для отображения пиковых значений как реализация худшего сценария.

3.  В можете воспользоваться маркерами и таблицей пиков для точного определения частоты и амплитуды пиковых значений.

Рис 11: Анализатор спектра SSA3000X с активированной таблицей и маркерами.

 

Заключение:

Магнитное поле вызывается при протекании тока. Для локализации электромагнитного излучения над дорожками печатных плат, проводов, гибких кабелей используйте пробник магнитного поля (H).

Электрическое поле может быть вызвано, как протеканием тока, так и статикой. Для локализации электрического поля на поверхностях радиаторов охлаждения, разъёмах, окантовках дисплеев и корпусах устройств следует использовать пробник электрического поля (E).

Для определения потенциальных источников излучения и резонанса от кабелей, проводов и коннекторов используйте токовые клещи.

Дисплеи, отверстия, вентиляционные щели, а также коммуникационные порты и разъёмы могут быть источниками повышенного излучения.

Используйте проводимую ленту или алюминиевую фольгу для экранирования участков с повышенным излучением. Убедитесь в заземлении экрана. После проведите тестирование снова, для проверки эффективности экранирования.

Плохо обжатый кабель или коннектор может стать причиной повышенного излучения.

Периодически измеряйте фоновое излучение анализатором, путём отключения питания тестируемого устройства. Обратите внимание на изменения и их потенциальное влияние на результат измерений.

Благодаря только нескольким простым инструментам, вы можете построить процесс тестирования на электромагнитное соответствие устройств и значительно сократить время проектирования и разработки дизайна устройств а также сократить количество тестирований последующих продуктов.