Електромагнітне поле як виклик інженерам

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з пропонованими Аналізаторами спектру, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Електромагнітна відповідність: Детектування несправностей пробниками поля та струмовими пробниками.

Вступ:

Електромагнітні перешкоди (EMI) можуть викликати безліч супутніх проблем, особливо під час розробки продукту або проходження контролю електромагнітної сумісності (EMC). Спотворене зображення, «биті» дані або повна непрацездатність – це може бути результатом впливу електромагнітних перешкод (EMI). Для мінімізації ефектів, викликаних електромагнітними перешкодами в Північній Америці, Федеральна Комунікаційна Комісія (FCC) встановила стандарти для обмеження електромагнітного випромінювання для категорій приладів. Контроль електромагнітної сумісності (EMC) входить до переліку тестів визначення специфікації приладу.

Багато продуктів не пройшли контроль на електромагнітну сумісність (EMC) через взаємодію ненавмисного високочастотного випромінювання радіодіапазону (RF) викликаного особливостями структури ланцюга або елемента. Електричні та магнітні поля, які можуть викликати цю взаємодію – невидимі неозброєному оку, і спроби ізолювати джерело електромагнітних перешкод можуть призвести до ускладнень.

В чому причина?

Де джерело сигналу чи енергія, що викликає випромінювання?

Як це виправити? до ускладнень.

На щастя, існують прості інструменти та технології, які допомагають ідентифікувати джерело електромагнітного випромінювання. Якщо ви визначили джерело випромінювання, ви можете розпочинати варіанти вирішення проблем. Дана технологія ідентифікації джерела випромінювання не входить до переліку тестів контролю електромагнітної сумісності. Швидше, це технологія попереднього тестування на відповідність, що дозволяє швидко ідентифікувати потенційні зони електромагнітного впливу без застосування складного дорогого обладнання тестування та налаштування.

У даній примітці йтиметься про деякі прості технології попереднього тестування на відповідність EMI, для ідентифікації потенційно проблематичних джерел електромагнітного випромінювання використовуючи струмові пробники та пробники індуктивності поля. Дана технологія заощадить вам багато часу та коштів, оскільки дозволяє швидко ізолювати джерело та створити станцію тестування та зіставляти отримані дані. Отриманий досвід та знання дозволять вам проектувати продукти відповідно до EMC у майбутньому.

Примітка: Попереднє тестування на відповідність EMC допомагає визначити та усунути електромагнітну дію, здатну перешкоджати проходженню контролю на відповідність EMC, але не є заміною повноцінного тестування у сертифікованій лабораторії.

Основи електромагнітного випромінювання:

В електроніці електромагнітне випромінювання в основному викликане потоком струму або збільшенням напруги вздовж або через провідник. Доріжки друкованих плат, окремі дроти, висновки компонентів, конектори та все металеве, включаючи каркас, шасі і навіть корпус самого виробу може бути провідником. Варто зазначити, що електромагнітне випромінювання – це комбінація з компонентів електричного та магнітного полів. Явище поширення ортогональних відмінних у часі магнітних та електричних полів описано на Рис.1 .

Напрямок електричних та магнітних полів

Рис. 1: Поширення електромагнітної хвилі, вид з торця (зверху зліва), вид справа

(Вгорі праворуч), і вид під кутом. Примітка: Електричне та магнітне поле ортогональні відносно один одного (90°).

Хоча електричне (E) і магнітне (H) поля створюються тим самим феноменом, їх поведінка у різному середовищі зовсім відрізняється. Магнітне поле створюється лише рухом частинок (струм). У більшості електричних ланцюгів, струм протікає по доріжках на друкованих платах, висновках компонентів та окремих проводах. Тому магнітне поле значно переважає в електромагнітному випромінюванні викликаному доріжками, проводами, що передають сигнали і потужність до різних ділянок ланцюга.

Візуалізація магнітного поля може спроститися, якщо згадати шкільний курс з фізики. Магнітне поле нескінченно довгого прямого дроту можна обчислити застосувавши закон Ампера:

Закон ампера

Для кругової траєкторії в центрі провідника використовується формула:

Де:

В - Магнітне поле

μ ₀ - Провідність вільного простору (константа)

I - струм

r - радіус провідника

На Рис.2 схематично зображено напрямок магнітного поля. Варто зазначити, що напрямок руху ліній магнітного поля здійснюється за годинниковою стрілкою щодо напрямку струму. Це дуже просто запам'ятати: якщо поставити великий палець правої руки в напрямку руху струму, інші пальці будуть вказувати напрямок руху ліній магнітного поля.

Рис. 2: Магнітне поле, викликане протіканням струму

На відміну від магнітного поля електричне поле може бути викликане як рухомими, а й статичними зарядженими частинками. У разі детектування електромагнітного випромінювання на радіаторах охолодження та корпусах приладів електричне поле переважає над магнітним.

Вплив електричного поля також переважає великій відстані від джерела випромінювання. Вимірювання електромагнітного поля на великій відстані значною мірою зазнає перешкод і впливу навколишнього середовища: радіостанції, Wi-Fi, та інші сигнали радіочастотного діапазону. Вимірювання електричного поля на відстані вимагає набагато більшого складного обладнання, ніж детектування поля поблизу джерела. Шляхом вимірювання амплітуди і частоти магнітного та електричного полів генерованих компонентами приладу, що тестується, можна ідентифікувати області з високим потенціалом здатним викликати електромагнітне випромінювання.

Список необхідного обладнання:

Нижче наведено список основних пристроїв, необхідних виявлення випромінювання поблизу джерела:

Аналізатор Спектру/EMI Приймач: Вимірює потужність високочастотного сигналу щодо частоти. Аналізатор повинен мати максимальну частоту не менше 1 ГГц, DANL -100 дБм (-40 дБмкВ) або менше, і мінімальним дозволом смуги пропускання 10 кГц.

Рис. 3: Аналізатор спектру IGLENT S SA 3021 X 2.1 ГГц.

Пробники магнітного поля: Промислові чи саморобні. Більшість їх пробники магнітного (H) поля, але є і пробники електричного (E) поля.

Токові пробники: Промислові чи саморобні.

Кабель 50 Ом: Використовуйте кабель із роз'ємами, які відповідають роз'ємам на пробниках, та на аналізаторі спектру. Промислові пробники можуть постачатися з кабелем та необхідними перехідниками.

Пробники:

Оскільки EMI (електромагнітне випромінювання) невидиме для неозброєного ока, нам знадобляться деякі інструменти. Враховуючи, що заряджені частинки при русі провідниками генерують магнітне та електричне поле, випромінюване в простір від провідника, ми можемо використовувати дані поля для представлення напруги в ланцюзі. Шляхом вимірювання отриманої напруги ми можемо побічно обчислити потужність. Для виявлення електромагнітного випромінювання використовуються два типи пробників: струмові кліщі і пробники електричного поля.

Пробники магнітного поля та струмові кліщі працюють за однаковим принципом. Магнітне поле проходить через «петлю» пробника та індукує напругу для вимірювання ( рис. 4 ). Велика петля захоплює більше магнітного потоку, що дозволяє знаходити слабші сигнали, але маленька петля забезпечує більшу точність у просторі. Більшість наборів поставляються з кількома петлями різних розмірів ( рис 5 ) для забезпечення ідеального балансу між чутливістю та просторовим дозволом. Пробники електричного поля немає області петлі. Вони вловлюють електричне поле за принципом однополярної антени. Зміна напрямку пробника електричного поля не така критична щодо пробника магнітного поля, але збільшення відстані до джерела значно відбивається на його чутливості.

Нижче наведено вказівки до використання пробників:

Виміряйте рівень фонового випромінювання, шляхом відключення приладу, що тестується, і погляньте на дисплей аналізатора. Зверніть увагу на частоту радіо діапазону, завжди тестуйте випромінювання фону перед тестуванням приладу.
Перевірте дисплеї, виводи портів, отвори вентиляції, технологічні канали, місця з'єднання частин корпусу приладу. Найчастіше це потенційні місця випромінювання.
При розміщенні пробників ближче до джерела випромінювання амплітуда сигналу буде збільшуватися.
Пробники магнітного поля при розміщенні перпендикулярно до магнітного поля вимірять більшу амплітуду, ніж розташовані паралельно в магнітному полі.
Для проведення серії вимірювань приладу слід використовувати додаткові, не провідні засоби фіксації позиції пробника (дерево, пластик), оскільки зміна позиції пробника на кілька міліметрів або зміна кута повороту пробника на кілька градусів спричинить значну зміну результатів вимірювання амплітуди магнітного поля.

Рис 4: Вплив орієнтації та позиції пробника магнітного поля на результат вимірювання амплітуди.

Рис 5: Набір пробників S IGLENT S R F 5030 .

Рис 6: Тестування PCB використовуючи SIGLENT SSA3X та пробник SRF5030.

Кабелі та з'єднання можуть виступати в ролі антени, якщо вони не були екрановані або заземлені належним чином. Навіть невеликі струми, що виходять із провідника, можуть викликати випромінювання здатне перевищувати встановлені EMC межі. Для детектування причин випромінювання викликаних з'єднаннями та кабелями можна скористатися струмовими кліщами та аналізатором спектра.

Принцип роботи струмових кліщів ідентичний принципу роботи пробників магнітного поля. Ви можете придбати струмові кліщі або зробити самостійно: намотавши кілька витків кабелю на феритові кліщі і приклеївши BNC роз'єм, як показано на Рис 7 . Просто зафіксуйте кліщі на тестованому кабелі, приєднайте BNC конектор до входу аналізатора та налаштуйте аналізатор спектру на необхідний діапазон частот.

Рис 7: Саморобні струмові кліщі .

Поради щодо роботи з пробниками:

При найменших сумнівах перед початком роботи слід додати зовнішній дільник перед високочастотним входом аналізатора. Силові кабелі або пристрої високої потужності можуть генерувати сигнали здатні пошкодити високочутливий RF вхід аналізатора.
Протестуйте всі кабелі, що підключаються до пристрою, включаючи кабелі живлення, USB, Ethernet та всілякі роз'єми. ( Рис 8 )

Рис 8: Вимірювання високочастотного випромінювання кабелю USB підключеного до осцилографа.

Токові кліщі, особливо саморобні схильні вловлювати випромінювання навколишнього середовища проживання і фонових сигналів, що може, як послаблювати, і посилювати вимірюваний сигнал. Перед початком вимірювання випромінювання приладу слід виміряти фонове випромінювання шляхом відключення живлення пристрою, що тестується. Після увімкнення пристрою порівняйте отримані результати. Тестування фонового випромінювання слід проводити періодично, щоб уникнути перешкод навколишнього середовища.

Рис 9: Вплив фонового випромінювання (жовч.) на сигнал тестованого пристрою (рожевий) використовуючи струмові кліщі .

Якщо не вдається визначити джерело випромінювання (фон або прилад) слід детально розглянути частоту, що бракує, або перші кілька гармонік цих частот.

Сканування та аналіз:

Існує висока ймовірність не збігу даних, отриманих при тестуванні пробниками і даними отриманими спеціалізованими лабораторіями для вимірювання випромінювання. Але, при необхідності, обстеження високочастотних кабелів, імпульсних блоків живлення, дисплеїв та роз'ємів дозволить швидко локалізувати та знайти шляхи вирішення проблеми високочастотного випромінювання.

Нижче наведено кілька порад для отримання більш точних результатів вимірювання:

1. Більшість аналізаторів не мають фільтра попереднього відбору, при використанні такого аналізатора пікові значення не відповідатимуть дійсності. Ця невідповідність викликана змішуванням сигналів поза частотним діапазоном з тестованим сигналом.

Ви можете перевірити достовірність пікових значень шляхом встановлення зовнішнього атенюатора (3 або 10 дБ). Якщо при цьому пікові значення зменшуватимуться на значення атенюатора – дані амплітуди відповідають дійсності. При зниженні пікових значень більш ніж значення атенюатора – дані не відповідають дійсності. Запам'ятайте помилкові значення для порівняння з результатами тестування EMC. Також можна використовувати фільтри попереднього відбору або приймач EMI, але це занадто висока ціна за високу швидкість тестування.

На Рис 10 нижче, зображено результат перевірки відповідність пікових значень. Дані, отримані без атенюатора, зображені жовтим кольором. Рожевим - зображені результати вимірювання, отримані з використанням атенюатора на 10 дБ на вході аналізатора. У цьому випадку пікові значення відрізняються значення атенюатора і вважаються достовірними і є результатом сигналів поза діапазону.

Рис 10: Порівняння результатів сканування, використовуючи функцію таблиці маркерів аналізатора спектру S IGLENT SSA 3000 X. Жовтий графік – дані отримані без атенюатора, рожевий – із зовнішнім атенюатором 10 дБ.

2. Більшість аналізаторів спектру мають функцію Max Hold, що дозволяє утримувати максимальне амплітудне значення кожного сканування частоти. Ви можете провести тестування у звичайному режимі для відображення рівня активного високочастотного випромінювання та включити режим Max Hold для відображення пікових значень як реалізація найгіршого сценарію.

3. Ви можете скористатися маркерами та таблицею піків для точного визначення частоти та амплітуди пікових значень.

Рис 11: Аналізатор спектру SS A 3000 X з активованою таблицею та маркерами.

Висновок:

Магнітне поле викликається під час протікання струму. Для локалізації електромагнітного випромінювання над доріжками друкованих плат, дротів, гнучких кабелів використовуйте пробник магнітного поля (H).

Електричне поле може бути викликане як перебігом струму, так і статикою. Для локалізації електричного поля на поверхні радіаторів охолодження, роз'ємах, окантовках дисплеїв і корпусах пристроїв слід використовувати пробник електричного поля (E).

Для визначення потенційних джерел випромінювання та резонансу від кабелів, проводів та конекторів використовуйте струмові кліщі.

Дисплеї, отвори, вентиляційні щілини, а також комунікаційні порти та роз'єми можуть бути джерелами підвищеного випромінювання.

Використовуйте стрічку або алюмінієву фольгу для екранування ділянок з підвищеним випромінюванням. Перевірте заземлення екрана. Після проведення тестування знову, для перевірки ефективності екранування.

Погано обжатий кабель або конектор може спричинити підвищене випромінювання.

Періодично вимірювайте фонове випромінювання аналізатором, шляхом відключення живлення пристрою, що тестується. Зверніть увагу на зміни та їхній потенційний вплив на результат вимірювань.

Завдяки лише декільком простим інструментам, ви можете побудувати процес тестування на електромагнітну відповідність пристроїв та значно скоротити час проектування та розробки дизайну пристроїв, а також скоротити кількість тестувань наступних продуктів.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra