Elektromagnetne motnje (emi) - vrste, standardi in zaščitne tehnike

Certifikacija je ponavadi ena najdražjih in dolgočasnejših faz pri razvoju novega strojnega izdelka. Oblasti pomagajo vedeti, da izdelek spoštuje vse zakone in smernice glede funkcij. Na ta način je mogoče zagotoviti učinkovitost tega izdelka, da prepreči nevarnosti in škoduje uporabnikom. Kakor koli je ta stopnja običajno dolgočasna, je za proizvodna podjetja pomembno, da to načrtujejo vnaprej, da razveljavijo zaplete v zadnjem trenutku. Za današnji članek si bomo ogledali EMI Design Standardkar je zelo pogosta praksa, ki jo morajo oblikovalci upoštevati pri razvoju kakovostnih izdelkov. Podrobno si bomo ogledali EMI in preučili njegove vrste, naravo, specifikacije in standarde, mehanizme za spenjanje in zaščito ter najboljše prakse za opravljanje testov EMI.

Standardi EMI - Kako se je vse začelo?

Standard EMI (elektromagnetne motnje) je bil prvotno ustvarjen za zaščito elektronskih vezij pred elektromagnetnimi motnjami, ki jim lahko preprečijo, da bi delovale tako, kot so bile prvotno zasnovane. Zaradi teh motenj se lahko naprava včasih celo popolnoma poslabša in postane nevarna za uporabnike. Zaskrbljujoč je bil prvič v petdesetih letih in je bil za vojsko zanimiv predvsem zaradi nekaj opaznih nesreč, ki so nastale zaradi okvar navigacije zaradi elektromagnetnih motenj v navigacijskih sistemih, in radarskih emisij, ki so povzročile nenamerno izpustitev orožja. Kot taka je vojska želela zagotoviti združljivost sistemov med seboj in operacije enega ne vplivajo na drugega, saj bi to lahko povzročilo smrtne žrtve v njihovi plovilu.

Poleg vojaških aplikacij je nedavni napredek v rešitvah, povezanih z medicino in zdravjem, kot so srčni spodbujevalniki in druge vrste CIED, prispeval tudi k potrebi po predpisih EMI, saj lahko poseganje v takšne naprave povzroči življenjsko nevarne situacije.

Ti med drugimi scenariji vodijo k vzpostavitvi interferenčnega standarda EMI in velikemu številu ustanovljenih regulativnih organov EMC.

Kaj so elektromagnetne motnje (EMI)?

Elektromagnetne motnje lahko definiramo kot neželeno elektromagnetno energijo, ki moti pravilno delovanje elektronske naprave. Vse elektronske naprave ustvarjajo določeno količino elektromagnetnega sevanja, saj elektrika, ki teče skozi njene tokokroge in žice, nikoli ni popolnoma zadržana. Ta energija iz naprave "A", ki se širi po zraku kot elektromagnetno sevanje ali pa je povezana (ali je speljana vzdolž) V / I ali kablov druge naprave "B", lahko poruši operativno ravnovesje v napravi B in povzroči, da naprava okvara včasih na nevaren način. Ta energija iz naprave A, ki moti delovanje naprave B, se imenuje elektromagnetne motnje .

Motnje so lahko včasih celo iz naravnega vira, kot so električne nevihte, vendar so pogosteje posledica dejanj druge naprave v neposredni bližini. Medtem ko vse elektronske naprave generirajo nekaj EMI-jev, določen razred naprav, kot so mobilni telefoni, LED prikazovalniki in motorji, bolj verjetno povzročajo motnje v primerjavi z drugimi. Ker nobena naprava ne more delovati v izoliranem okolju, je pomembno, da naše naprave upoštevajo določene standarde, da zagotovimo čim manj motenj. Ti standardi in predpisi so znani kot EMI Standard in vsak izdelek / naprava, ki se uporablja / prodaja v regijah / državah, kjer so ti standardi zakoniti, mora biti pred njihovo uporabo certificiran.

Vrste elektromagnetnih motenj (EMI)

Preden preučimo standard in predpise, je verjetno pomembno, da preučimo vrsto EMI, da bolje razumemo vrsto imunosti, ki bi jo morali vgraditi v vaše izdelke. Elektromagnetne motnje lahko razvrstimo v vrste, ki temeljijo na več dejavnikih, med drugim;

Vir EMI
Trajanje EMI
Pasovna širina EMI

Vsako od teh kategorij si bomo ogledali eno za drugo.

1. Vir EMI

Eden od načinov razvrstitve EMI v vrste je preučitev izvora motenj in njihovega nastanka. V tej kategoriji v osnovi obstajata dve vrsti EMI, naravni EMI in umetni EMI. Naravno pojavljajoče EMI nanaša na elektromagnetne motnje, ki se pojavljajo kot posledica naravnih pojavov Kot razsvetljave, električnih neviht in drugih podobnih dogodkih. Medtem ko se umetni EMI na drugi strani nanaša na EMI, ki nastanejo kot rezultat dejavnosti drugih elektronskih naprav v bližini naprave (sprejemnika), ki so izpostavljene motnjam. Primeri tovrstnih EMI med drugim vključujejo radijske frekvence, EMI v zvočni opremi.

2. Trajanje motenj

EMI so razvrščeni tudi v vrste glede na trajanje motenj, tj. Na čas, v katerem je bila motnja motena. Na podlagi tega so EMI običajno združeni v dve vrsti, neprekinjeni EMI in impulzni EMI. Stalno EMI nanaša na EMIS, ki jih vira kontinuirano sproščajo. Vir je lahko umetni ali naravni, vendar motnje doživljamo neprestano, dokler obstaja mehanizem za spenjanje (prevodnost ali sevanje) med EMI virom in sprejemnikom. Impulzni EMIje EMI, ki se pojavljajo občasno ali v zelo kratkem času. Tako kot neprekinjeni EMI je lahko tudi impulzni EMI naravni ali umetni. Primer vključuje impulzni šum, ki ga povzročajo stikala, razsvetljave in podobni viri, ki bi lahko oddajali signale, ki povzročajo motnje v napetostnem ali tokovnem ravnotežju povezanih bližnjih sistemov.

3. pasovna širina EMI

EMI lahko tudi razvrstimo v vrste glede na njihovo pasovno širino. Pasovna širina EMI se nanaša na frekvenčno območje, na katerem je EMI izkušen. Na podlagi tega lahko EMI razvrstimo v ozkopasovni EMI in širokopasovni EMI. Ozkopasovni EMI običajno sestavljena iz ene same frekvence ali ozkopasovno z motnjami frekvenc, domnevno nastalih obliko oscilatorja ali kot posledica nepravih signalov zaradi prisotnih različnim vrstam popačenje v oddajniku. V večini primerov imajo ponavadi manjši učinek na komunikacijo ali elektronsko opremo in jih je mogoče enostavno izklopiti. Vendar ostajajo močan vir motenj in jih je treba ohranjati v sprejemljivih mejah. Širokopasovni EMISso EMI, ki se ne pojavijo na posameznih / diskretnih frekvencah. Zasedajo velik del magnetnega spektra, obstajajo v različnih oblikah in lahko nastanejo iz različnih umetnih ali naravnih virov. Tipična vzroka sta lok in korona ter predstavlja dober odstotek težav z EMI v digitalni podatkovni opremi. Dober primer naravne EMI situacije je »izpad sonca«, ki nastane kot posledica sončne energije, ki moti signal s komunikacijskega satelita. Drugi primeri vključujejo; EMI kot posledica okvarjenih ščetk v motorjih / generatorjih, obloka v vžigalnih sistemih, okvarjenih daljnovodov in slabih fluorescenčnih sijalk.

Narava EMI

EMI, kot je opisano prej, so elektromagnetni valovi, ki obsegajo E (električno) in H (magnetno) komponento polja, ki med seboj nihata pravokotno, kot je prikazano spodaj. Vsaka od teh komponent se različno odziva na parametre, kot so frekvenca, napetost, razdalja in tok, zato je ključnega pomena razumeti naravo EMI in vedeti, katera izmed njih prevladuje, preden je mogoče težavo jasno obravnavati.

Na primer, pri komponentah električnega polja lahko oslabitev EMI izboljšamo z materiali z visoko prevodnostjo, vendar zmanjšamo z materiali s povečano prepustnostjo, kar v nasprotju s tem izboljša dušenje komponente magnetnega polja. Kot taka bo povečana prepustnost v sistemu z EMI, v katerem prevladuje E-polje, zmanjšala slabljenje, vendar se bo oslabitev izboljšala v EMI, v katerem prevladuje H-polje. Zaradi nedavnega napredka v tehnologijah, ki se uporabljajo pri ustvarjanju elektronskih komponent, je E-polje običajno glavna komponenta motenj.

Mehanizmi za spenjanje EMI

Mehanizem za spajanje EMI opisuje, kako EMI prihaja od vira do sprejemnika (prizadete naprave). Razumevanje narave EMI in tega, kako je povezan z virom na sprejemnik, je ključnega pomena za reševanje težave. Z dvema komponentama (H-polje in E-polje) sta EMI vezana od vira na sprejemnik prek štirih glavnih vrst EMI sklopk, ki jih vodijo, sevajo, kapacitivno in induktivno sklopijo. Oglejmo si mehanizme za spenjanje enega za drugim.

1. Prevajanje

Prevodna sklopka se pojavi, ko se emisije EMI prenašajo vzdolž vodnikov (žic in kablov), ki med seboj povezujejo vir EMI in sprejemnika. Tako povezani EMI je pogost na napajalnih vodih in ponavadi močan na komponenti H-polja. Prevodna sklopka na daljnovodih je lahko bodisi prevod v skupnem načinu (motnje se pojavijo medfazno na progah + ve in -ve ali tx in rx vodih) bodisi diferencialno vodenje (motnje so videti zunaj faze na dveh vodnikih). Najbolj priljubljena rešitev motenj, povezanih s prevodnostjo, je uporaba filtrov in zaščite nad kabli.

2. Sevanje

Sevalna sklopka je najbolj priljubljena in pogosto izkušena oblika EMI sklopke. V nasprotju s prevodnostjo ne vključuje nobene fizične povezave med virom in sprejemnikom, saj se motnje oddajajo (oddajajo) skozi prostor v sprejemnik. Dober primer sevanega EMI je prej omenjeni izpad sonca.

3. Kapacitivna sklopka

To se zgodi med dvema povezanima napravama. Kapacitivna sklopka obstaja, kadar spreminjajoča se napetost v viru kapacitivno prenese naboj na žrtev

4. Induktivna / magnetna sklopka

To se nanaša na vrsto EMI, ki nastane kot posledica vodnika, ki povzroča interference v drugem prevodniku, ki temelji na principih elektromagnetne indukcije.

Elektromagnetne motnje in združljivost

Za EMI standard lahko rečemo, da je del regulativnega standarda, imenovanega elektromagnetna združljivost (EMC). Vsebuje seznam standardov učinkovitosti, ki jih morajo izpolnjevati naprave, da dokažejo, da lahko soobstajajo z drugimi napravami in delujejo, kot je načrtovano, ne da bi to vplivalo tudi na delovanje drugih naprav. Kot taki so standardi EMI v bistvu del splošnih standardov EMC. Imena se običajno uporabljajo medsebojno zamenljivo, vendar obstaja jasna razlika med njimi, vendar bo to zajeto v nadaljnjem članku.

Različne države in celine / gospodarske cone imajo različne različice teh standardov, toda za ta članek bomo upoštevali standarde Zvezne komisije za komunikacije (FCC). V skladu z delom 15 naslova 47: Telekomunikacije standardov FCC, ki ureja "nenamerne" radijske frekvence, obstajajo dva razreda naprav; Razred A in B.

Naprave razreda A so naprave, ki so namenjene uporabi v industriji, pisarnah, kjer koli drugje, razen v domovih, medtem ko so naprave razreda CL naprave, namenjene domači uporabi, ne glede na njihovo uporabo v drugih okoljih.

Kar zadeva emisije, povezane s prevodnostjo, naj bi bile emisije za naprave razreda B, namenjene za domačo uporabo, omejene na vrednosti, prikazane v spodnji tabeli. Naslednje informacije so pridobljene na spletnem mestu Electronic Code of Federal Regulation.

Za naprave razreda A so mejne vrednosti;

Pri sevanih emisijah se pričakuje, da naprave razreda A ostanejo znotraj spodnje meje za določene frekvence;

Frekvenca (MHz)	µV / m
30 do 88	100
88 do 216	150
216 do 960	200
960 in več	500

Medtem ko so za naprave razreda B mejne vrednosti;

Frekvenca (MHz)	µV / m
30 do 88	90
88 do 216	150
216 do 960	210
960 in več	300

Več informacij o teh standardih je na voljo na strani različnih regulativnih organov.

Za izpolnjevanje teh standardov EMC za naprave je potrebna zaščita EMI na štirih ravneh: na ravni posameznih komponent, ravni plošče / PCB, sistemske ravni in celotne sistemske ravni. Da bi to dosegli, sta potrebna dva glavna ukrepa; Običajno se uporablja elektromagnetno zaščito in ozemljitev, čeprav se uporabljajo tudi drugi pomembni ukrepi, kot je filtriranje. Zaradi zaprte narave večine elektronskih naprav se zaščita EMI običajno uporablja na sistemski ravni, da vsebuje tako sevane kot tudi prevodne EMI, da se zagotovi skladnost s standardi EMC. Kot taki bomo preučili praktične premisleke glede zaščite kot ukrepa za zaščito EMI.

Elektromagnetno zaščito - zaščitite svoj dizajn pred EMI

Zaščita je eden glavnih ukrepov za zmanjšanje EMI v elektronskih izdelkih. Vključuje uporabo kovinskega ohišja / ščita za elektroniko ali kable. V nekaterih napravah / situacijah, ko je zaščita celotnega izdelka predraga ali nepraktična, so zaščitene najbolj kritične komponente, ki bi lahko bile vir / umivalnik EMI. To je še posebej pogosto pri večini predhodno certificiranih komunikacijskih modulov in čipov.

Fizično zaščito zmanjša EMI tako, da oslabi (oslabi) EMI signale z odbojem in absorpcijo njegovih valov. Kovinski ščiti so zasnovani tako, da lahko odseva komponento E-polja, hkrati pa ima visoko magnetno prepustnost, da absorbira komponento H-polja EMI. V kablih so signalne žice obdane z zunanjo prevodno plastjo, ki je ozemljena na enem ali obeh koncih, medtem ko za ograde prevodno kovinsko ohišje deluje kot interferenčni ščit.

V idealnem primeru bi bila popolna ohišja EMC izdelana iz gostega materiala, kot je jeklo, popolnoma zaprta z vseh strani, brez kablov, tako da val ne potuje noter ali ven, vendar je treba upoštevati več razlogov, kot so potreba po nizki ceni ohišij, upravljanje toplote vzdrževalni, napajalni in podatkovni kabli, zaradi česar so takšni ideali nepraktični. Z vsako od ustvarjenih lukenj, ker so te potrebe potencialne vstopne / izstopne točke za EMI, so oblikovalci prisiljeni sprejeti več ukrepov, s katerimi zagotovijo, da je celotna zmogljivost naprave ob koncu dneva še vedno v dovoljenih mejah standarda EMC.

Zaščitni praktični premisleki

Kot smo že omenili, je pri zaščiti z ohišji ali zaščitnimi kabli potrebno več praktičnih premislekov. Za izdelke s kritičnimi možnostmi EMI (zdravstvo, letalstvo, energetika, komunikacije, vojska itd.) Je pomembno, da skupine za oblikovanje izdelkov sestavljajo posamezniki z ustreznimi izkušnjami na področju zaščite in splošnih EMI situacij. V tem poglavju boste našli širok pregled nekaterih možnih nasvetov ali zaščite EMI.

1. Zasnova omare in ohišja

Kot smo že omenili, je nemogoče oblikovati ograde brez določenih odprtin, ki bi služile kot prezračevalne rešetke, odprtine za kable, vrata in med drugim za stvari, kot so stikala. Te odprtine na ohišjih, ne glede na njihovo velikost ali obliko, skozi katere lahko EM val vstopi ali izstopi iz ohišja, se v smislu EMI imenujejo reže. Reže morajo biti zasnovane tako, da jih njihova dolžina in usmerjenost glede na frekvenco RFI ne spremenijo v valovod, medtem ko morata njihova velikost in razporeditev v primeru prezračevalnih mrež vzdrževati pravo ravnovesje med zračnim tokom, potrebnim za vzdrževanje toplotnih zahtev vezja in zmožnost krmiljenja EMI na podlagi zahtevanega dušenja signala in vključene frekvence RFI.

V kritičnih aplikacijah, kot je vojaška oprema, so reže, kot so vrata itd., Običajno vezane s posebnimi tesnili, imenovanimi EMI tesnila. Na voljo so v različnih vrstah, vključno s pletenimi žičnimi mrežami in kovinskimi spiralnimi tesnili, vendar je pred izbiro tesnila upoštevano več oblikovalskih dejavnikov (običajno stroškov / koristi). Na splošno mora biti število rež čim manjše, velikost pa čim manjša.

2. Kabli

Nekatera ohišja bodo morda morala imeti kabelske odprtine; to je treba upoštevati tudi pri zasnovi ohišja. V

Poleg tega kabli služijo tudi kot sredstvo za vodenje EMI kot taki v kritični opremi, saj kabli uporabljajo pleteni ščit, ki je nato ozemljen. Čeprav je ta pristop drag, je bolj učinkovit. Vendar pa so v poceni situacijah rešitve, kot so feritne kroglice, nameščene na določenih mestih na robu kablov. Na ravni plošče PCB se filtri izvajajo tudi vzdolž vhodnih daljnovodov.

Najboljše prakse za opravljanje testov EMI

Nekatere prakse načrtovanja EMI, zlasti na ravni plošče, da bi EMI nadzorovale, vključujejo;

Uporabite predhodno certificirane module. Zlasti za komunikacijo uporaba že certificiranih modulov zmanjša količino dela, ki ga mora ekipa opraviti na področju zaščite, in zmanjša stroške certificiranja vašega izdelka. Nasvet za profesionalce: Namesto da za svoj projekt oblikujete novo napajalno enoto, oblikujte projekt tako, da bo združljiv z obstoječimi napajalniki. To vam prihrani pri potrditvi napajanja.
Naj tokovne zanke majhna. Sposobnost prevodnika, da povezuje energijo z indukcijo in sevanjem, se zmanjša z manjšo zanko, ki deluje kot antena
Za pare sledi bakrenih tiskanih vezij (PC) uporabite široke sledi (nizke impedance), poravnane drug nad drugim in pod njimi.
Poiščite filtre na izvoru motenj, v bistvu čim bližje napajalnemu modulu. Vrednosti komponent filtra je treba izbrati ob upoštevanju želenega frekvenčnega območja dušenja. Kot primer, kondenzatorji samozvonijo pri določenih frekvencah, preko katerih delujejo induktivno. Naj bodo kratki vodi obvodnega kondenzatorja čim krajši.
Na PCB postavite komponente, pri čemer upoštevajte bližino virov hrupa do potencialno občutljivih vezij.
Položaj ločitev kondenzatorji čim bližje do pretvornika, zlasti X in Y kondenzatorjev.
Če je mogoče, uporabite ozemljitvene ravnine, da zmanjšate sevano sklopko, zmanjšate površino preseka občutljivih vozlišč in zmanjšate površino preseka vozlišč z visokim tokom, ki lahko sevajo, na primer kondenzatorji v običajnem načinu
Naprave za površinsko vgradnjo (SMD) so boljše od svinčenih naprav pri ravnanju z radiofrekvenčno energijo zaradi zmanjšanih induktivnosti in bližje postavitve komponent.

Vse skupaj je pomembno, da imate med razvojnim procesom v svoji ekipi posameznike s takimi izkušnjami pri oblikovanju, saj s tem prihranite stroške pri certificiranju, hkrati pa zagotavlja stabilnost in zanesljivost vašega sistema in njegove zmogljivosti.