Электромагнитная совместимость - Википедия - Electromagnetic compatibility

Безэховая радиочастотная камера, используемая для испытаний на ЭМС (излучаемые излучения и невосприимчивость). Мебель должна быть деревянной или пластиковой, а не металлической.
Логопериодическая антенна измерение на открытом воздухе

Электромагнитная совместимость (EMC) - это способность электрического оборудования и систем нормально функционировать в своих электромагнитная среда, ограничивая непреднамеренное генерирование, распространение и прием электромагнитной энергии, которая может вызвать нежелательные эффекты, такие как электромагнитная интерференция (EMI) или даже физическое повреждение рабочего оборудования.[1] Целью EMC является правильная работа различного оборудования в общей электромагнитной среде. Это также название соответствующей отрасли электротехники.

EMC преследует три основных класса проблем. Эмиссия это генерация электромагнитной энергии, преднамеренная или случайная, каким-либо источником и ее выброс в окружающую среду. EMC изучает нежелательные излучения и меры противодействия, которые могут быть приняты для снижения нежелательных излучений. Второй класс, восприимчивость, это тенденция электрического оборудования, называемого жертвой, к неисправности или поломке в присутствии нежелательных излучений, которые известны как радиочастотные помехи (RFI). Иммунитет является противоположностью восприимчивости, являясь способностью оборудования правильно функционировать в присутствии радиопомех, при этом дисциплина «укрепления» оборудования известна в равной степени как восприимчивость или невосприимчивость. Третий изучаемый класс - связь, который является механизмом, с помощью которого излучаемые помехи достигают жертвы.

Уменьшение помех и, следовательно, электромагнитная совместимость могут быть достигнуты путем решения любой или всех этих проблем, то есть подавления источников помех, запрета путей связи и / или усиления защиты потенциальных жертв. На практике многие используемые инженерные методы, такие как заземление и экранирование, применимы ко всем трем вопросам.

Вступление

В то время как электромагнитные помехи (EMI) - это явление - испускаемое излучение и его эффекты - электромагнитная совместимость (ЭМС) - это оборудование характеристика или же свойство - не вести себя неприемлемо в среде EMI.

Электромагнитная совместимость гарантирует правильную работу в одной и той же электромагнитной среде различного оборудования, которое использует электромагнитные явления или реагирует на них, а также предотвращение любых помех. Другими словами, EMC - это контроль EMI так что нежелательные эффекты предотвращены.

Помимо понимания явлений самих по себе, EMC также обращается к контрмерам, таким как режимы контроля, дизайн и измерения, которые должны быть приняты, чтобы предотвратить любые неблагоприятные последствия выбросов.

Виды помех

Основная статья: Электромагнитная интерференция

Электромагнитная интерференция делится на несколько категорий по характеристикам источника и сигнала.

Источник помех, часто называемых в этом контексте «шумом», может быть искусственным (искусственным) или естественным.

Непрерывное вмешательство

Непрерывная или непрерывная волна (CW), интерференция возникает, когда источник непрерывно излучает в заданном диапазоне частот. Этот тип естественным образом делится на подкатегории в соответствии с частотным диапазоном, и в целом его иногда называют «от постоянного тока до дневного света».

  • Частота звука, от очень низких до примерно 20 кГц. Частоты до 100 кГц иногда могут быть классифицированы как аудио. Источники включают:
    • Сетевой гул от: блоков питания, ближайшей электропроводки, линий электропередачи и подстанций.
    • Оборудование для обработки звука, такое как аудио усилители мощности и музыкальные колонки.
    • Демодуляция высокочастотной несущей волны, такой как FM радио коробка передач.
  • Радиочастотные помехи (RFI), обычно от 20 кГц до верхнего предела, который постоянно увеличивается по мере того, как технологии подталкивают его выше. Источники включают:
    • Беспроводные и радиочастотные передачи
    • Телевидение и радиоприемники
    • Промышленное, научное и медицинское оборудование (ISM)
    • Схемы цифровой обработки, такие как микроконтроллеры
  • Широкополосный шум может распространяться по частям одного или обоих частотных диапазонов без акцента на конкретной частоте. Источники включают:

Импульсные или переходные помехи

An электромагнитный импульс (EMP), иногда называемый преходящий Возмущение возникает, когда источник излучает кратковременный импульс энергии. Энергия обычно широкополосная по своей природе, хотя часто возбуждает относительно узкополосную затухающая синусоида ответ в жертве.

Источники в целом делятся на изолированные и повторяющиеся события.

  • Источники отдельных событий ЭМИ включают:
    • Коммутационное действие электрических схем, включая индуктивные нагрузки, такие как реле, соленоиды или электродвигатели.
    • Линия электропередачи скачки / импульсы
    • Электростатический разряд (ESD), в результате того, что два заряженных объекта приблизились или соприкоснулись.
    • Молния электромагнитный импульс (LEMP), хотя обычно это короткая серия импульсов.
    • Ядерный электромагнитный импульс (NEMP), в результате ядерного взрыва. Вариантом этого является высотное ядерное оружие EMP (HEMP), предназначенное для создания импульса в качестве основного разрушительного воздействия.
    • Неядерное электромагнитное импульсное оружие (NNEMP).
  • Источники повторяющихся событий ЭМИ, иногда регулярных пульс поезда, включают:
    • Электродвигатели
    • Системы электрического зажигания, например, в бензиновых двигателях.
    • Постоянные коммутационные действия цифровой электронной схемы.

Механизмы сцепления

Некоторые из используемых технических слов могут иметь разные значения. Эти термины используются здесь широко, что согласуется с другими статьями энциклопедии.

Базовое расположение шум источник, связь путь и жертва, рецептор или раковина показана на рисунке ниже. Источник и жертва обычно электронное оборудование устройств, хотя источником может быть естественное явление, такое как удар молнии, электростатический разряд (ESD) или, в один известный случай, то Большой взрыв у истока Вселенной.

Четыре режима связи электромагнитных помех (EMI).

Существует четыре основных механизма сцепления: проводящий, емкостной, магнитный или индуктивный, и радиационный. Любой путь соединения можно разбить на один или несколько из этих механизмов соединения, работающих вместе. Например, нижний путь на схеме включает в себя индуктивный, проводящий и емкостный режимы.

Проводящая муфта

Проводящая муфта возникает, когда путь связи между источником и приемником образуется прямым электрическим контактом с проводящим телом, например линией передачи, проводом, кабелем, Печатная плата след или металлический корпус.

Кондуктивный шум также характеризуется тем, как он проявляется на разных проводниках:

  • Синфазный связь: шум появляется синфазно (в одном направлении) на двух проводниках.
  • Дифференциальный режим связь: шум появляется в противофазе (в противоположных направлениях) на двух проводниках.

Индуктивная связь

Индуктивная связь возникает там, где источник и приемник разделены небольшим расстоянием (обычно менее длина волны ). Строго говоря, «индуктивная связь» может быть двух видов: электрическая индукция и магнитная индукция. Обычно электрическую индукцию называют емкостная связь, а к магнитной индукции как индуктивная связь.

Емкостная связь

Емкостная связь происходит при изменении электрическое поле существует между двумя соседними проводниками, как правило, на расстоянии меньше длины волны друг от друга, вызывая изменение Напряжение на приемном проводнике.

Магнитная муфта

Индуктивная связь или же магнитная муфта происходит при изменении магнитное поле существует между двумя параллельными проводниками, как правило, на расстоянии меньше длины волны друг от друга, вызывая изменение Напряжение по приемному кондуктору.

Радиационная связь

Радиационная связь или же электромагнитная связь возникает, когда источник и жертва разделены большим расстоянием, обычно превышающим длину волны. Источник и жертва действуют как радиоантенны: источник излучает или излучает электромагнитная волна который распространяется через пространство между ними и подбирается или принимается жертвой.

Фильтр электромагнитных помех для подавления кондуктивного излучения

Контроль ЭМС

Повреждающее воздействие электромагнитных помех создает неприемлемые риски во многих областях техники, и необходимо контролировать такие помехи и снижать риски до приемлемых уровней.

Контроль электромагнитных помех (EMI) и обеспечение EMC включает в себя ряд связанных дисциплин:

  • Характеризуя угрозу.
  • Установление стандартов для уровней выбросов и восприимчивости.
  • Дизайн в соответствии со стандартами.
  • Тестирование на соответствие стандартам.

Для сложной или новой единицы оборудования это может потребовать производства специального План управления ЭМС резюмируя применение вышеуказанного и указывая необходимые дополнительные документы.

Характеризуя угрозу

Характеристика проблемы требует понимания:

  • Источник помех и сигнал.
  • Путь сцепления к жертве.
  • Характер пострадавшего как в электрическом отношении, так и с точки зрения значимости неисправности.

Риск, связанный с угрозой, обычно носит статистический характер, поэтому большая часть работы по определению характеристик угроз и установлению стандартов основана на снижении вероятности разрушительных EMI до приемлемого уровня, а не на ее гарантированном устранении.

Законы и регуляторы

Регулирующие органы и органы по стандартизации

Несколько организаций, как национальных, так и международных, работают над продвижением международного сотрудничества в области стандартизации (гармонизация ), включая публикацию различных стандартов EMC. По возможности стандарт, разработанный одной организацией, может быть принят с небольшими изменениями или без изменений другими. Это помогает, например, гармонизировать национальные стандарты по всей Европе.

Международные организации по стандартизации включают:

Среди основных национальных организаций:

Законы

Соответствие национальным или международным стандартам обычно устанавливается законами, принятыми отдельными странами. Разные страны могут требовать соблюдения разных стандартов.

В Европейское право, производители электронные устройства рекомендуется провести испытания на ЭМС для соблюдения обязательных CE-маркировка. Директива ЕС 2004/108 / EC (ранее 89/336 / EEC) по электромагнитной совместимости определяет правила распределения электрических устройств в пределах Евросоюз. Больше дано в список директив EMC.

В 2019 году США приняли программу защиты критически важной инфраструктуры от электромагнитного импульса, вызванного геомагнитная буря или высотное ядерное оружие.[2]

ЭМС дизайн

А Карта ТВ-тюнера показано множество небольших байпасных конденсаторов и три металлических экрана: скоба PCI, металлический корпус с двумя коаксиальными входами и экран для S-Video соединитель
Основная статья: Проблема ЭМС (чрезмерная напряженность поля)

Электромагнитный шум производится в источнике из-за быстрого Текущий и Напряжение изменяется и распространяется через механизмы связи, описанные ранее.

Прерывание пути связи одинаково эффективно как в начале, так и в конце пути, поэтому многие аспекты хорошей практики проектирования ЭМС в равной степени применимы как к потенциальным источникам излучения, так и к потенциальным жертвам.

Конструкция, которая легко связывает энергию с внешним миром, одинаково легко передает энергию внутрь и будет восприимчива. Одно улучшение часто снижает как выбросы, так и восприимчивость.

Заземление и экранирование

Заземление и экранирование призваны уменьшить излучение или отвести электромагнитные помехи от пострадавшего, обеспечивая альтернативный путь с низким импедансом. Методы включают:

  • Заземление или заземление такие схемы как звездное заземление для звукового оборудования или наземные самолеты для РФ. Схема также должна соответствовать правилам техники безопасности.
  • Экранированный кабели, где сигнальные провода окружены внешним проводящим слоем, заземленным с одного или обоих концов.
  • Экранированные корпуса. Проводящий металлический корпус будет действовать как экран от помех. Чтобы получить доступ к внутренней части, такой корпус обычно выполняется секциями (например, ящик и крышка); В стыках можно использовать высокочастотную прокладку, чтобы уменьшить просачивающиеся помехи. Прокладки RF бывают разных типов. Простая металлическая прокладка может быть либо плетеной проволокой, либо плоской полосой с прорезями для создания множества упругих «пальцев». Если требуется водонепроницаемое уплотнение, гибкий эластомерный основа может быть пропитана рублеными металлическими волокнами, распределенными внутри, или длинными металлическими волокнами, покрывающими поверхность, или тем и другим.

Другие общие меры

  • Развязка или фильтрация в критических точках, таких как кабельные вводы и высокоскоростные переключатели, используя ВЧ дроссели и / или RC элементы. А сетевой фильтр реализует эти меры между устройством и линией.
  • Линия передачи методы для кабелей и проводки, такие как сбалансированный дифференциальный сигнал и обратные пути, а также согласование импеданса.
  • Избегание антенных конструкций такие как петли циркулирующего тока, резонансные механические структуры, несбалансированные импедансы кабеля или плохо заземленное экранирование.
  • Устранение ложных выпрямительных переходов которые могут образовываться между металлическими конструкциями вокруг передатчиков и рядом с ними. Такие переходы в сочетании с непреднамеренными антенными структурами могут излучать гармоники частоты передатчика.

Подавление выбросов

Метод расширенного спектра снижает пики ЭМС. Частотный спектр периода нагрева импульсного источника питания, использующего метод расширенного спектра, вкл. диаграмма водопада через несколько минут

Дополнительные меры по снижению выбросов включают:

  • Избегайте ненужного переключение операции. Необходимое переключение следует производить как можно медленнее.
  • Зашумленные цепи (с большой коммутационной активностью) должны быть физически отделены от остальной части конструкции.
  • Высоких пиков можно избежать, используя расширенный спектр метод, при котором разные части схемы излучают на разных частотах.
  • Гармонический волновые фильтры.
  • Разработан для работы при более низких уровнях сигнала, уменьшая энергию, доступную для излучения.

Восприимчивость закаливания

Дополнительные меры по снижению восприимчивости включают:

  • Предохранители, расцепители и автоматические выключатели.
  • Переходные поглотители.
  • Разработан для работы при более высоких уровнях сигнала, что снижает относительный уровень шума по сравнению.
  • Методы исправления ошибок в цифровых схемах. Они могут быть реализованы аппаратно, программно или их комбинацией.
  • Дифференциальная сигнализация или другие методы синфазного шума для маршрутизации сигналов

EMC тестирование

Требуется тестирование, чтобы подтвердить, что конкретное устройство соответствует требуемым стандартам. В целом он подразделяется на испытания на выбросы и испытания на чувствительность.

Открытые тестовые площадки или OATS являются эталонными площадками для большинства стандартов. Они особенно полезны для испытаний на выбросы больших систем оборудования.

Однако радиочастотное тестирование физического прототипа чаще всего проводится в помещении, в специализированной испытательной камере на ЭМС. Типы камер включают безэховый, реверберация и Гигагерцовый поперечный электромагнитный элемент (Ячейка GTEM).

Иногда вычислительная электромагнетизм симуляции используются для тестирования виртуальных моделей.

Как и все испытания на соответствие, важно, чтобы испытательное оборудование, включая испытательную камеру или площадку и любое используемое программное обеспечение, было правильно откалибровано и обслуживалось.

Как правило, для выполнения заданного цикла испытаний конкретной единицы оборудования требуется План испытаний на ЭМС и последующие меры отчет об испытаниях. Полная программа испытаний может потребовать представления нескольких таких документов.

Испытания на выбросы

Эмиссия обычно измеряется для излучаемой напряженности поля и, где необходимо, для кондуктивных помех вдоль кабелей и проводки. Напряженности индуктивного (магнитного) и емкостного (электрического) поля являются эффектами ближнего поля и важны только в том случае, если тестируемое устройство (ИУ) спроектировано для размещения рядом с другим электрическим оборудованием.

Для кондуктивных помех типичные преобразователи включают LISN (сеть стабилизации импеданса линии) или AMN (сеть искусственного питания) и RF токовые клещи.

Для измерения излучаемого излучения антенны используются в качестве преобразователей. Указанные типовые антенны включают диполь, подбиконический, логопериодический, двухгребневые направляющие и конические лог-спиральные конструкции. Излучаемые излучения следует измерять во всех направлениях вокруг ИУ.

Специализированные тестовые приемники EMI или анализаторы EMI используются для тестирования соответствия EMC. Они включают полосы пропускания и детекторы в соответствии с международными стандартами EMC. Приемник EMI может быть основан на анализатор спектра для измерения уровней излучения ИУ в широкой полосе частот (частотная область) или на настраиваемом узкополосном устройстве, которое прокручивается в желаемом частотном диапазоне. Приемники электромагнитных помех вместе с указанными преобразователями часто могут использоваться как для кондуктивных, так и для излучаемых излучений. Фильтры предварительной селекции также могут использоваться для уменьшения влияния сильных внеполосных сигналов на входной каскад приемника.

Некоторые импульсные излучения более полезно охарактеризовать с помощью осциллограф для захвата формы импульса во временной области.

Тест на чувствительность

Тестирование восприимчивости к излучаемому полю обычно включает в себя мощный источник радиочастотной или электромагнитной энергии и излучающую антенну для направления энергии на потенциальную жертву или тестируемое устройство (DUT).

Испытания на кондуктивную чувствительность к напряжению и току обычно включают в себя мощный генератор сигналов и токовые клещи или другой тип трансформатор для подачи тестового сигнала.

Переходные сигналы или сигналы ЭМИ используются для проверки невосприимчивости ИУ к помехам в электросети, включая скачки напряжения, удары молнии и коммутационные помехи.[3] В автотранспортных средствах аналогичные испытания проводятся на аккумуляторных батареях и сигнальных линиях.[4][5] Переходный импульс может быть сгенерирован в цифровом виде и пропущен через широкополосный импульсный усилитель или подан непосредственно на преобразователь от специализированного генератора импульсов.

Электростатический разряд тестирование обычно выполняется с пьезоискровый генератор называется "Пистолет ESD ". Импульсы более высокой энергии, такие как моделирование молнии или ядерного ЭМИ, могут потребовать большого токовые клещи или большая антенна, полностью окружающая тестируемое устройство. Некоторые антенны настолько велики, что располагаются на открытом воздухе, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не создавать опасности ЭМИ для окружающей среды.

История

Происхождение

Самая ранняя проблема EMC была молния удар (молния электромагнитный импульс, или LEMP) на кораблях и зданиях. Громоотводы или молниеотводы начали появляться в середине 18 века. С появлением повсеместного производство электроэнергии и линий электроснабжения с конца 19 века, проблемы также возникли с оборудованием короткое замыкание отказ, влияющий на источник питания, а также опасность местного пожара и поражения электрическим током при ударе молнии в линию электропередачи. Электростанции были обеспечены мощностью Автоматические выключатели. Здания и техника скоро будут снабжены вводом предохранители, а позже в 20-м веке вошли в употребление миниатюрные автоматические выключатели (MCB).

Начало двадцатого века

Можно сказать, что радиопомехи и их коррекция возникли с первым экспериментом с искровым разрядником Маркони в конце 1800-х гг.[6] По мере развития радиосвязи в первой половине 20 века помехи между транслировать начали появляться радиосигналы, и была создана международная нормативно-правовая база для обеспечения связи без помех.

Переключающие устройства стали обычным явлением в середине 20 века, как правило, в автомобилях и мотоциклах с бензиновым двигателем, но также и в бытовых приборах, таких как термостаты и холодильники. Это вызвало временные помехи для внутреннего радио и (после Второй мировой войны) приема телевидения, и в свое время были приняты законы, требующие подавления таких источников помех.

Проблемы с электростатическим разрядом впервые возникли случайно электрическая искра сбросы в опасных средах, таких как угольные шахты, а также при заправке самолетов или автомобилей. Необходимо было разработать безопасные методы работы.

Послевоенный период

После Второй мировой войны военные стали все больше беспокоиться о влиянии ядерного электромагнитного импульса (NEMP), удара молнии и даже мощных радар балки на транспортных средствах и мобильном оборудовании всех видов, особенно в электрических системах самолетов.

Когда высокие уровни радиочастотного излучения из других источников стали потенциальной проблемой (например, с появлением микроволновые печи ) определенные полосы частот были предназначены для использования в промышленности, науке и медицине (ISM), что позволяет ограничивать уровни излучения только стандартами тепловой безопасности. Разнообразие проблем, таких как излучение боковой полосы и гармоник, широкополосные источники и постоянно растущая популярность электрических коммутационных устройств и их жертв, привели к неуклонному развитию стандартов и законов.

С конца 1970-х годов популярность современных цифровых схем быстро росла. По мере развития технологии, со все более высокими скоростями переключения (увеличение выбросов) и более низкими напряжениями в цепи (увеличение восприимчивости), электромагнитная совместимость становилась источником беспокойства. Многие другие страны осознали, что ЭМС - растущая проблема, и выпустили директивы для производителей цифрового электронного оборудования, в которых излагаются основные требования производителя до того, как их оборудование может быть продано или продано. Организации в отдельных странах, по всей Европе и по всему миру были созданы для соблюдения этих директив и связанных стандартов. В 1979 году американская FCC опубликовал постановление, требующее, чтобы электромагнитное излучение всех «цифровых устройств» было ниже определенных пределов.[6] Эта нормативно-правовая среда привела к резкому росту отрасли EMC, предлагающей специализированные устройства и оборудование, программное обеспечение для анализа и проектирования, а также услуги по тестированию и сертификации. Низковольтные цифровые схемы, особенно КМОП-транзисторы, стали более восприимчивыми к повреждениям от электростатического разряда, поскольку они были миниатюризированы, и, несмотря на развитие внутрикристальных методов упрочнения, пришлось разработать новый режим регулирования электростатического разряда.

Современная эра

С 1980-х годов на взрывной рост мобильная связь и вещательные каналы СМИ оказывают огромное давление на доступное воздушное пространство. Регулирующие органы начали сжимать распределение полос все ближе и ближе друг к другу, полагаясь на все более изощренные методы управления электромагнитной совместимостью, особенно в области цифровой связи, чтобы поддерживать межканальные помехи на приемлемом уровне. Цифровые системы по своей природе менее уязвимы, чем аналоговые, а также предлагают гораздо более простые способы (например, программное обеспечение) для реализации очень сложной защиты и исправление ошибки меры.

В 1985 году США выпустили диапазоны ISM для маломощной мобильной цифровой связи, что привело к развитию Вай фай и ключи от дверей автомобиля с дистанционным управлением. Этот подход основан на прерывистой природе помех ISM и использовании сложных методов исправления ошибок, чтобы гарантировать прием без потерь во время тихих промежутков между любыми пакетами помех.

Производители испытательного оборудования на ЭМС (буквенные)

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ DIN EN 61000-2-2 VDE 0839-2-2: 2003-02 - Электромагнитная совместимость (ЭМС). VDE. 2003 г.
  2. ^ Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Правительство США документ: "Распоряжение о координации национальной устойчивости к электромагнитным импульсам ".
  3. ^ Тестирование ЭМС и стандарты тестирования невосприимчивости к переходным процессам, помехоустойчивости к радиочастотам. Electronics-project-design.com. Проверено 19 июля 2011.
  4. ^ ISO 7637-2: 2004 / Amd 1: 2008. Iso.org (01.03.2011). Проверено 19 июля 2011.
  5. ^ ISO 7637-3: 2007 - Транспорт дорожный - Электрические помехи от проводимости и связи - Часть 3: Передача электрических переходных процессов посредством емкостной и индуктивной связи по линиям, отличным от линий питания. Iso.org (06.09.2010). Проверено 19 июля 2011.
  6. ^ а б Клейтон, Пол (2008). Введение в электромагнитную совместимость. Вайли. п. 10. ISBN  978-81-265-2875-2.

внешняя ссылка

Веб-сайты

Общие введения

Конкретные темы