Академия ЭМС

Введение

Что такие ЭМС?

ЭМС (EMC) - это аббревиатура электромагнитной совместимости. Каждое производимое электронное устройство, выпускаемое на рынок должно соответствовать требованиям ЭМС, то есть соответствовать стандартам в области ЭМС для предполагаемого продукта или его применения. Какие нормы и стандарты применимы для какого продукта определяется страной, на территории которой продукт производится или продается (например, ЕС или США, страны Таможенного союза и т. д.). Далее речь пойдет только об общепромышленных гражданских стандартах и в их терминологии.

Академия ЭМС1.jpg

Уточним сразу, что сокращения в этой области в различных источниках зависят от контекста, например:

Под ЭМП может подразумеваться как электромагнитное поле (EMF), так и электромагнитный импульс (EMP);
ЭМИ может означать электромагнитное излучение или электромагнитный импульс;
Под устойчивостью иногда подразумевают невосприимчивость и наоборот.
Эмиссию радиопомех иногда заменяют словом "выбросы".

В зависимости от нормативных требований к конкретному виду технических средств (продуктовых стандартов, стандартов на вид продукции), совместимое в электромагнитном смысле устройство должно соответствовать одному или нескольким пунктам:

Не мешать другим устройствам / машинам в эфире (излучение);
Не сбоить из-за сигналов или помех других устройств / машин (устойчивость);
Не сбоить и не выходить из строя из-за электростатических разрядов (ЭСР), например из-за прикосновений человека, накоплению заряда из-за осадков или результате атмосферных условий, трения и т.п.
Не сбоить и не выходить из строя при воздействии электромагнитного импульса (ЭМИ). ЭМИ является специальной отдельной темой, обычно актуальной для военных систем, устройств защитного исполнения или повышенной опасности и защищаемой инфраструктуры. EMP - это общий термин для электромагнитных импульсов при ядерном взрыве (NEMP), в т.ч. высотных (HEMP) до 30-400 км, неядерных электромагнитных импульсов высокой интенсивности (NNEMP, HIRF), генерируемых бомбами, ракетами, ЭМ установками беспилотников, без использования ядерных технологий, импульсов (LEMP), вызванных естественными ударами молнии.

Дополнительно отметим, что продукт не должен мешать самому себе. В зависимости от типа и масштабов рассматриваемой системы или объекта, такая ЭМС называется внутренней, внутрисистемной или внутриобъектовой. Эта тема относится не только к ЭМС, но и к целостности сигнала. На следующем рисунке вы можете увидеть устройство-приемник и источник электромагнитных помех (например, обычный торговый автомат), который должен иметь определенный уровень устойчивости к электростатическому разряду, излучению других устройств и помехам, передаваемым по проводам (кондуктивным помехам). С другой стороны, данный автомат сам не должен быть источником этих помех.

совместимое в электромагнитном смысле устройство

ЭМС и ЭМИ

Совместимая в электромагнитном смысле продукция должна быть испытана еще во время разработки. Любой опытный инженер по ЭМС скажет Вам, что излучения прибора и их уровни связаны с его устойчивостью. Перед выходом на рынок, производитель (или продавец) товара должен показать, что его устойчивость (невосприимчивость) достаточно высока для конкретного применения, а электромагнитное излучение достаточно низкое для заданной среды.

Пути (места) проникновения (связи)

Пути проникновения помех в устройство, как и выхода из него, являются важной частью концепции ЭМС. Давайте посмотрим, какие его элементы и части задействованы и воспринимают или излучают помехи.

Источник: в реальных условиях существуют источники нежелательных электрических и магнитных помех. Во время испытаний на электромагнитную совместимость эти источники искусственно воспроизводятся в максимально приближенном виде для данных условий, например, генераторы электростатического разряда имеют заданные напряжения и параметры разрядной цепи, а излучаемое с антенн поле имеет заданную модуляцию, генераторы импульсов задают частоту подачи помех и т.п.
Путь связи: помехам, как и любому другому электромагнитному сигналу, нужен путь от источника к их приемнику. Этот путь называется каналом связи: эфир, заземление, провода ввода/вывода, сеть электропитания. В ГОСТах они обычно фигурируют как порты ИТС: граница между испытуемым техническим средством и внешней средой (кабель, проводник, антенны, корпус и т.п.).
Рассматриваемый объект: испытуемый прибор или система - приемник или источник помех.

Существуют три основных способа решения проблем с помехами:

Понизьте уровень (мощность) источника шума.
- при измерении эмиссии (выбросов) радиопомех от устройства, у Вас есть возможность снизить уровень шума схемотехнически (добавив фильтры, изменив взаимное расположение узлов и плат, реорганизовав заземление), конструктивно (заменив кабели, аппаратно или программно протоколы передачи данных или их параметры, выбрав другого производителя элементной базы).
- при испытаниях на помехоустойчивости, когда невозможно повлиять на уровень источника, например, напряжение генератора ЭСР или коммутационных импульсов (заданы нормативно, стандартом), эффективными средствами являются экранирование (использование ЭМС материалов, заделка кабельных вводов, закоротка воздействия), выбор физических протоколов и интерфейсов.
Удалите или внесите изменения в путь соединения. Это то, на чем вы должны сосредоточиться, если не проходите текущие испытания на ЭМС. Здесь у Вас есть возможности внести изменения в каналы проникновения помех, снижения их уровней, не изменяя дизайн всего продукта.
Повысьте уровень помехоустойчивости с помощью программного обеспечения. Это может быть реализовано с помощью дополнительных функций ПО вашего продукта, например, программные/цифровые фильтры, повышение помехозащищенности кода или протокола (переопрос, изменение частоты кадров).

Давайте подробнее рассмотрим различные типы связей для электромагнитных помех: гальванические и эфирные:

Кондукивная связь (гальваническая)
Емкостная (ближнее поле)
Индуктивная (ближнее поле)
Излучение (дальнее поле)

Кондуктивная связь / Общее сопротивление (гальваническое соединение).
Кондуктивная связь образуется, например, когда две цепи имеют общий контур / проводник заземления или опорного потенциала. Как это может повлиять на ЭМС?
Пример: если теперь одну из этих цепей воздействуют ЭСР, то импульсные ток в течение короткого времени может течь через общий контур, создавая напряжение помех во второй цепи. Даже если сопротивление этого контура (земли, например, мало, амплитуды помех достаточно высоки для того, чтобы создать мешающие напряжения для электроники. По этой причине важно иметь низкоомные заземляющие плоскости / шины. Наличие общего заземления или источника питания часто также приводит к нарушению целостности сигнала. Если предположить, что первая схема управляет некоторой силовой электроникой, а вторая - чувствительной измерительной цепью, высокие токи силовой электроники приведут к помехам в измерительной цепи.

Емкостная связь (ближнее поле).
Емкостная связь - это связь через преимущественно электрическое поле: элементы источника и приемника помех расположены близко друг к другу (на плате или в жгуте проводов) по сравнению с длиной волны воздействующего сигнала. Энергия излучаемого шума E- поля обычно обратно-пропорциональна кубу расстояния до источника или квадрату расстояния, если преобладает магнитное H- поле. излучающими и приемными элементами обычно являются площади, образованные проводниками, металлические пластины, провода. В общем случае, емкостная связь возникает, когда имеются источники шума с быстрыми переходными или высокочастотными сигналами, а чувствительные цепи имеют высокий импеданс ("висящие" концы жил, входы АЦП). Почему емкостная связь может привести к проблемам во время испытаний на ЭМС? Пример: несколько проводов вместе в одном кабеле, что означает, что каждый провод связан с другими (чем длиннее кабель, чем ближе провода друг к другу, тем больше емкость, в пределах длины волны помехи). Один из проводов управляет сигналом вашего контроллера. Во время испытаний на ЭМС, импульс от испытательного генератора, подаваемого на контакт разъема или группу проводников в кабеле, если не предпринято защитных мер, оказывается и на других проводниках того же кабеля, в т.ч. и на управляющем. Ваш контроллер , если помеховый сигнал, не отфильтрован должным образом, дает ложное срабатывание. Учет емкостной связи также важен, когда речь идет о целостности сигнала. Типичным примером емкостной связи является тактовая частота (источник шума), проводник которой лежит параллельно управляющему проводнику с аналоговым сигналом. Чем короче время нарастания и спада тактового сигнала, тем лучше хуже для вашей схемы.

Индуктивная связь.
Индуктивная связь - это также полевая связь, когда источник помехи и объект воздействия находятся в непосредственной близости (на плате или в жгуте). Энергия H- поля обычно уменьшается пропорционально кубу расстояния (или квадрату, если преобладает электрическая составляющая). В обще случае, проблема возникает при наличии сильноточных трасс, протяженных контуров, близко расположенных площадей, образованных проводниками и низкоомными цепями приемника помех (датчика или токовой петли). Индуктивная связь может привести к проблемам во время инжекции токов, имитации скачков напряжения, импульсах с амплитудой до кА и более. Индуктивная связь также может привести к нарушению целостности сигнала: сильноточная сигнальная линия с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) рядом с линией датчика с сигналом 4 - 20 мА.

Излучение (дальнее поле).
Распространение помех через излучение влиет уже и на далеко расположенные друг от друга по сравнению с длиной волны объекты. Интенсивность электромагнитного поля затухает с расстоянием как 1/г. Во время испытаний на восприимчивость (МЭК 61000-4-3), испытательная антенна воздействует на изделий предварительно откалиброванным полем (например, с расстояния 1, 3 или 10 м, вызывая наведенные токи и напряжения, а также эффекты проникновения поля внутрь корпусов.

Резюме по способам проникновения.
Подробнее о ближнем и Дальнем полях читайте в базе знаний EMC academy.

Способ	Тип	Источник	Преобл. величина	Как уменьшить
Индуктивная связь, общий импеданс	Гальваническое соединение	Сильные токи	Ток помех приводит к появлению напряжения на трассах/проводах/нагрузке	Разделить общие контуры тока источника помехи и приемника
Емкостная связь	Ближнее поле (индукция)	Быстропротекающие процессы, Высокое напряжение	Эл. поле спадает как 1/R^3 если источник электрический и как 1/R^2 - если магнитный	Уменьшить переходные процессы. Заэкранировать приемник помехи или источник
Индуктивная	Ближнее поле (индукция)	Сильные токи, индуктивности, трансформаторы	Маг. поле спадает как 1/R^3 если источник магнитный и как 1/R^2 - если эл.	Уменьшить площадь и кол-во контуров от источника помехи до приемника.Заэкранировать
Излучение	Дальнее поле	Трассы плат, провода и кабели, антенны, корпуса	Электромагнитное поле, спадает как 1/R	Экранировать источник и/или приемник помехи. Применить фильтры (ферриты,

Соответствие требованиям ЭМС

Соответствие означает, что изделие соответствует нормам, законам, директивам, правилам или другим требованиям страны, в которой оно продается, производится или используется. Во-первых, как правило, каждое правительство издает свои собственные нормативные документы в области ЭМС. Хотя эти национальные стандарты часто ссылаются на международные. Во-вторых, правительство обычно создает, назначает или выбирает орган, ведомство или комитет, которые отвечают за определение применяемых ЭМС стандартов. Такие организации или комитеты определяют применимые стандарты ЭМС таким образом, чтобы продукты, прошедшие испытания, определенные в применимых стандартах ЭМС, затем соответствовали правилам ЭМС (законам, директивам).

Как это реализовано в различных странах можно наглядно посмотреть здесь.

ЭМС стандарты
Эти разделы ознакомят Вас со стандартами и нормами ЭМС:

Что такое стандарты ЭМС?
Зачем нужны стандарты ЭМС?
Кто пишет стандарты ЭМС?
Какие типы стандартов ЭМС существуют?

Найти стандарты ЭМС, которые применимы для Вашей продукции можно на странице: Стандарты ЭМС.

Что такое стандарты ЭМС?
Стандарты и нормы определяют термины, правила и методы испытаний на ЭМС. Кроме того, они определяют пределы излучений (эмиссии помех) и минимальные уровни (степени жесткости) испытаний электромеханических и электронных изделий.

Зачем нужны стандарты ЭМС?
Стандарты помогают сделать измерения сопоставимыми и воспроизводимыми, определяя методы испытаний, тип и параметры испытательного оборудования и условия испытаний. А самое главное, стандарты по ЭМС имеют цель гармонизировать испытания в глобальном смысле. Это снижает торговые барьеры и, как наиболее важное последствие для общества: гармонизированные стандарты помогают увеличить глобальное процветание и прогресс.

Кто пишет стандарты ЭМС?
Нормы и стандарты в области электромагнитной совместимости либо определяются и формулируются международными, национальными или региональными организациями и комитетами от имени административных органов (например, ЕС делегирует формулировку стандартов по электромагнитной совместимости CENELEC), либо административные и/или регулирующие органы разрабатывают стандарты по электромагнитной совместимости. и сами правила. В России стандарты на ЭМС разрабатывает технический комитет ТК30, также существуют отраслевые стандарты ОСТ, однако, эта практика считается устаревшей.

Какие типы стандартов ЭМС существуют?
Следует различать следующие классы или типы стандартов ЭМС:

Базовые публикации. Базовые издания и стандарты определяют условия проведения испытаний, определяют правила, необходимые для достижения электромагнитной совместимости, определяют методы испытаний (методы испытаний, схему испытаний, испытательное оборудование и условия окружающей среды) и т. д. Базовые стандарты по электромагнитной совместимости — это стандарты, на которые ссылаются другие стандарты по (стандарты на вид продукции или стандарт определенного применения где-либо, отраслевой стандарт и т.п.).
Стандарты вид на продукции. Продуктовые стандарты применяются к конкретным видам продукции, таким как электрические дорожные транспортные средства или коаксиальные кабели, видеокамеры и т.д.
Стандарты семейства продуктов. Групповые стандарты семейства продуктов применяются к группе продуктов, имеющих общие общие характеристики, которые могут работать в одной среде и иметь схожие области применения (оборудование информационных технологий).
Общие стандарты. Общие стандарты предназначены для продуктов, работающих в определенной электромагнитной среде или обстановке (жилые/промышленные/коммерческие зоны), где не существует стандарта ЭМС для конкретного продукта (семейства).