Електромагнітне поле як виклик інженерам

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest® з пропонованими аналізаторами спектру, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цього 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 - усе це може бути результатом впливу електромагнітних перешкод.

Для мінімізації ефектів, викликаних електромагнітними перешкодами в Північній Америці, Федеральна комісія зі зв'язку (FCC) встановила стандарти обмеження електромагнітного випромінювання для різних категорій пристроїв. Контроль електромагнітної сумісності (EMC) входить до переліку тестів визначення специфікації приладу.

Багато продуктів не проходять контроль EMC через взаємодію ненавмисного високочастотного випромінювання радіодіапазону (RF), викликаного особливостями структури ланцюга або окремого елемента. Електричні та магнітні поля, які можуть викликати цю взаємодію, невидимі неозброєному оку, тому пошук джерела електромагнітних перешкод часто є складним завданням.

В чому причина? Де джерело сигналу або енергія, що викликає випромінювання? Як це виправити?

На щастя, існують прості інструменти та технології, які допомагають ідентифікувати джерело електромагнітного випромінювання. Якщо джерело випромінювання знайдено, можна розпочати усунення проблеми. Ця технологія не замінює офіційні EMC-випробування, а є методом попереднього тестування на відповідність, що дозволяє швидко виявляти потенційно проблемні ділянки без використання дорогого лабораторного обладнання.

У цій статті розглядаються прості методи попереднього EMI-тестування з використанням струмових пробників та пробників індуктивності поля для пошуку потенційних джерел електромагнітного випромінювання. Такий підхід дозволяє суттєво скоротити витрати часу та коштів на розробку виробу.

Примітка: Попереднє тестування на відповідність EMC допомагає визначити та усунути електромагнітний вплив, здатний завадити проходженню офіційних EMC-випробувань, але не є заміною повноцінного тестування в сертифікованій лабораторії.

Основи електромагнітного випромінювання

В електроніці електромагнітне випромінювання в основному викликається протіканням струму або зміною напруги через провідник. Доріжки друкованих плат, дроти, виводи компонентів, роз'єми, шасі, корпуси та інші металеві елементи можуть виступати провідниками.

Електромагнітне випромінювання є комбінацією електричного та магнітного полів.

Рис. 1. Поширення електромагнітної хвилі. Електричне та магнітне поля ортогональні одне одному.

Хоча електричне (E) та магнітне (H) поля створюються одним фізичним явищем, їх поведінка відрізняється. Магнітне поле виникає лише під час руху заряджених частинок, тобто при протіканні струму.

У більшості електронних схем струм протікає по доріжках друкованих плат, дротах та виводах компонентів, тому магнітне поле переважає в електромагнітному випромінюванні, викликаному такими елементами.

Магнітне поле нескінченно довгого прямого провідника описується законом Ампера.

Для кругової траєкторії використовується формула:

B - магнітне поле
μ₀ - магнітна проникність вільного простору
I - струм
r - радіус провідника

Рис. 2. Магнітне поле, викликане протіканням струму.

На відміну від магнітного поля, електричне поле може бути викликане як рухомими, так і статичними зарядженими частинками. При дослідженні корпусів, радіаторів та інших великих металевих поверхонь електричне поле часто переважає над магнітним.

Список необхідного обладнання

• Аналізатор спектру або EMI-приймач - для вимірювання рівня сигналу залежно від частоти.
• Пробники магнітного поля - промислові або саморобні.
• Струмові пробники - промислові або саморобні.
• Кабель 50 Ом - для підключення пробників до аналізатора спектру.

Рис. 3. Аналізатор спектру SIGLENT SSA3021X 2.1 ГГц.

Пробники

Для виявлення електромагнітного випромінювання використовуються два основні типи пробників: пробники магнітного поля та пробники електричного поля.

Пробники магнітного поля та струмові кліщі працюють за однаковим принципом - магнітний потік проходить через петлю пробника та індукує напругу для подальшого вимірювання.

• Перед тестуванням виміряйте рівень фонового випромінювання.
• Перевіряйте дисплеї, вентиляційні отвори, роз'єми та місця з'єднання корпусу.
• Чим ближче пробник до джерела випромінювання, тим вища амплітуда сигналу.
• Орієнтація пробника відносно магнітного поля суттєво впливає на результати.
• Для серії вимірювань використовуйте неметалеві тримачі та фіксатори.

Рис. 4. Вплив орієнтації та положення пробника на результат вимірювання.

Рис. 5. Набір пробників SIGLENT SRF5030.

Рис. 6. Тестування друкованої плати за допомогою SIGLENT SSA3X та пробника SRF5030.

Кабелі та з'єднання можуть працювати як антени, якщо вони не екрановані або неправильно заземлені. Для пошуку джерел випромінювання від кабелів використовуються струмові кліщі та аналізатор спектру.

Рис. 7. Саморобні струмові кліщі.

Поради щодо роботи з пробниками

• За потреби використовуйте зовнішній атенюатор для захисту входу аналізатора спектру.
• Перевіряйте всі кабелі, включаючи живлення, USB, Ethernet та інші інтерфейси.
• Регулярно вимірюйте рівень фонового випромінювання.

Рис. 8. Вимірювання високочастотного випромінювання USB-кабелю.

Рис. 9. Вплив фонового випромінювання на результати вимірювання.

Сканування та аналіз

Отримані під час попереднього тестування результати можуть відрізнятися від даних сертифікованих EMC-лабораторій. Однак цей метод дозволяє швидко локалізувати джерела випромінювання та визначити шляхи їх усунення.

1. Перевіряйте достовірність пікових значень за допомогою зовнішнього атенюатора.
2. Використовуйте функцію Max Hold для пошуку максимальних значень випромінювання.
3. Застосовуйте маркери та таблицю піків для точного визначення частоти та рівня сигналу.

Рис. 10. Порівняння результатів сканування з використанням атенюатора 10 дБ.

Рис. 11. Аналізатор спектру SIGLENT SSA3000X з активованими маркерами та таблицею піків.

Висновок

Магнітне поле виникає під час протікання струму, тому для локалізації випромінювання над доріжками друкованих плат, проводами та кабелями доцільно використовувати пробники магнітного поля.

Для пошуку джерел електричного поля на корпусах, радіаторах, дисплеях і роз'ємах використовуються пробники електричного поля.

Струмові кліщі ефективно допомагають знаходити потенційні джерела випромінювання в кабелях, проводах та конекторах.

Дисплеї, вентиляційні отвори, роз'єми та комунікаційні порти часто стають джерелами підвищеного випромінювання.

Регулярний контроль фонового випромінювання та використання простих інструментів попереднього тестування дозволяють значно скоротити час розробки виробів та підвищити ймовірність успішного проходження EMC-випробувань.

купити аналізатор спектру в Україні