Elk product op de markt moet voldoen aan de EMC-voorschriften die de bovengrenzen bepalen voor geleide en uitgestraalde emissies.
Geleide emissies zijn het lawaai componenten die door een apparaat of subcircuit worden gegenereerd en via bekabeling naar een ander apparaat of subcircuit worden overgebracht, pcb sporen, stroom-/aardvlakken of parasitaire capaciteit. De geleide emissies die op de interface- en voedingskabels verschijnen, moeten laag worden gehouden, anders kunnen ze zich door kabels verspreiden en andere apparaten bereiken, waardoor ze problemen krijgen.
Uitgestraalde emissies zijn het lawaai componenten dat het hele systeem genereert als een elektromagnetisch veld, zodat het zich door de lucht kan voortplanten en andere apparaten kan bereiken.
Ingenieurs weten dat signaalvoortplanting door kabels zonder reflectie plaatsvindt wanneer de kabellengte veel korter is dan de signaalgolflengte (lage frequentie). Dit is de reden waarom geleide emissies als een probleem worden beschouwd voor lage frequenties, waar een samengevoegd model kan worden overwogen voor het signaalvoortplantingsmedium.
Integendeel, wanneer de kabellengte veel langer is dan de signaalgolflengte (hoge frequentie), zal de signaalvoortplanting langs de kabel alleen zonder reflectie plaatsvinden als langs het signaalpad wordt voorzien in impedantie-aanpassing. In dit geval kan de voortplanting door de geleiders worden geanalyseerd als a gedistribueerd model (transmissielijntheorie), maar in de echte wereld hebben systemen vaak geleiders (kabels en circuit sporen) die niet zijn ontworpen als transmissielijnen voor hoge frequenties. Dergelijke geleiders kunnen gemakkelijk signalen uitstralen als een elektromagnetisch veld omdat ze zich gedragen als een antenne in plaats van als een transmissielijn. Dit is de reden waarom uitgestraalde emissies als een probleem worden beschouwd voor hoge frequenties.
De algemene vuistregel voor ontwerpers is om rekening te houden met de kritische geleiderlengte die het samengevoegde gedrag als volgt scheidt van het gedistribueerde gedrag:
LKRITISCHE= λ /6
Afbeelding 1. Lumped-systemen versus gedistribueerde systemen.
De volgende tabel toont de golflengte voor verschillende frequenties, de bijbehorende kritische lengte, de structuren waarvan de typische afmetingen vergelijkbaar zijn met de kritische lengte en het type emissie dat typisch wordt gegenereerd:
Tabel 1. Typische verspreidingsmethoden voor emissies voor verschillende frequenties.
Conventioneel wordt het breekpunt tussen de geleide en uitgestraalde emissies vastgesteld op 30 MHz, waarbij de golflengte (in vrije lucht) ongeveer 10 meter is en de kritische lengte ongeveer 1.7 meter is.
De EMC-regelgeving is gericht op het meten van de emissie van apparaten en hun kabels (de zgn EUT - Apparatuur onder test). Aangezien de typische afmetingen van apparaten en bijbehorende kabels maximaal 1.5 m bedragen, laat de bovenstaande tabel zien dat uitgestraalde emissies van apparaten alleen kunnen optreden voor frequenties boven 30 MHz, waarbij de afmetingen van geleiders die deel uitmaken van de EUT ongeveer langer kunnen zijn dan de kritische lengte. Voor frequenties onder de 30 MHz is de uitgestraalde emissie niet significant en in het algemeen wordt gevraagd om de EUT alleen te testen op geleide emissies.
Geleide emissies testen
De typische opstelling voor het testen van geleide emissie van de EUT vereist het volgende:
- EMI-ontvanger of spectrumanalyzer (geschikt voor pre-compliance)
- LISN (Lijnimpedantiestabilisatienetwerk)
- Grondvliegtuig – De EUT, het LISN en de ontvanger worden geplaatst op en verbonden met het grondvlak.
Figuur 2. Basic uitgevoerde emissietestopstelling.
Het LISN is een apparaat met drie poorten dat is aangesloten op de EUT, de ontvanger en de voeding.
Het doel van de LISN is om een gestandaardiseerde impedantie bij RF te bieden over het EUT-meetpunt. Het LISN koppelt het meetpunt van de EUT aan de ontvanger en dempt (vrijwel) ongewenste stoorsignalen afkomstig van de voeding, om te voorkomen dat dergelijke signalen de uitvoering van de test beïnvloeden.
Er zijn verschillende soorten LISN voor het analyseren van DC, enkelfasig of Drie fase AC. Het meest voorkomende type is gedefinieerd in CISPR 16-1-2 en presenteert aan de EUT een equivalente impedantie van 50Ω parallel met 50uH + 5Ω over elke lijn naar aarde. Het wordt een "V-netwerk" -type genoemd voor enkelfasige voeding, omdat de gestabiliseerde impedantie verschijnt over elke arm van de "V", tussen lijn of nulleider en aardverbinding.
Figuur 3. LISN circuit voor elke lijn van het “V-net”
Figuur 4. Impedantie versus frequentie bij EUT-terminals. Afbeelding met dank aan Tekbox - TBLC08 gebruikershandleiding.
Het geluid dat met de ontvanger wordt gemeten, moet worden vergeleken met de geluidslimieten die zijn vastgelegd in de EMC-regelgeving. Bij enkelfasige apparaten moeten de geluidsmetingen voor elke lijn (fase en nulleider) worden herhaald.
Afbeelding 5. Enkelfasige LISN 9KHz-30MHz van verschillende fabrikanten. Afbeelding met dank aan NARDA en Tekbox.
In de hierboven gepresenteerde basistestopstelling speelt het grondvlak een fundamentele rol bij het standaardiseren van de testomgeving, aangezien meestal een deel van de geleide ruis kan worden beïnvloed door parasitaire parameters, zoals later beter wordt uitgelegd.
De EMI-ontvanger is een specifiek apparaat dat is ontworpen voor EMI-testen, zoals de LISN. Het verschilt van een generieke spectrumanalysator voor verschillende aspecten die niet in dit artikel worden behandeld, maar als eerste idee kan het worden beschouwd als een spectrumanalysator met specifieke EMI-testfuncties:
- scanparameters overeenkomstig de wereldwijde EMC-regelgeving (dwz houdtijd, resolutiebandbreedte (RBW), detector, enz.)
- automatische uitvoering van de test met besturing van het LISN en schakelen tussen lijnfasen bij AC-voeding (enkelfasig of Drie fase)
- software-interface voor scanweergave, configuratie en opslaan van testresultaten
Figuur 6. Een EMI-ontvanger. Afbeelding met dank aan NARDA
Een spectrumanalysator kan een goedkopere vervanging zijn voor de EMI-ontvanger bij het uitvoeren van pre-compliance-testen van producten tijdens het ontwerp- en verificatieproces. Een complete pre-compliance testopstelling (LISN + spectrumanalysator + grondvlak) kan worden gekocht voor minder dan $ 2000, een redelijke prijs ook voor kleine bedrijven. Voor zulke beperkte kosten is het mogelijk om een scan te maken van de geleide emissies van een product, buitensporige geluidsemissies te ontdekken en correcties aan te brengen alvorens naar een geaccrediteerd testlaboratorium te gaan voor de definitieve conformiteitstest.
Er zijn tal van bestuursorganen die de toegestane niveaus van emissies van bijproducten reguleren. De wereldwijde normalisatie-instelling is de IEC (International Electrotechnical Commission).
Op regionaal niveau zijn er verschillende instanties die zorgen voor lokale implementatie van voorschriften op basis van EMC-normen die zijn uitgegeven door de IEC: in de Verenigde Staten worden de meest voorkomende voorschriften over emissies uitgevaardigd door de FCC (Federal Communications Commission), terwijl ze in Europa uitgegeven door CEN/CENELEC-organisaties.
De volgende tabel toont de belangrijkste productnormen voor geleide en uitgestraalde emissies:
| Productsector | EN-norm | Amerikaanse standaard |
| Multimedia-apparatuur (MME) | NL 55032 | FCC Part 15 |
| Industriële, wetenschappelijke en medische apparatuur (ISM) | NL 55011 | FCC Part 18 |
| Verlichtingsapparatuur | NL 55015 | FCC-deel 15/18 |
Tabel 2. Belangrijkste productnormen voor geleide en uitgestraalde emissies
Elke norm is ontwikkeld om voorwaarden, testmethoden en limieten voor geleide en uitgestraalde emissies te reguleren. Als voorbeeld kunnen we de normen EN 55032 en FCC Part 15 bekijken.
De norm EN 55032 reguleert in Europa de geleide en uitgestraalde emissies van signalen in het frequentiebereik van 9 kHz tot 400 GHz voor multimedia): apparatuur met een nominale RMS-voedingsspanning van niet meer dan 600 V. De apparaten zijn onderverdeeld in twee klassen:
- Klasse B (commercieel): dit is van toepassing op apparaten die worden gebruikt in woon- en woonomgevingen. Ze moeten een emissie hebben die lager is dan de lagere emissiegrenswaarden die zijn gedefinieerd voor klasse B.
- Klasse A, eerste klasse (industrieel): dit is van toepassing op alle apparaten die de limieten van klasse B overschrijden. In dit geval moet het apparaat een emissie hebben die lager is dan de limieten die zijn gedefinieerd voor Klasse A en kan het interferentie veroorzaken in woongebieden, dus moet de handleiding van het apparaat een waarschuwing bevatten.
Afbeelding 7. EN 55032 Klasse A en Klasse B geleide emissielimieten. Afbeelding met dank aan Texas Instruments.
Evenzo moeten producten die zijn ontworpen voor de Amerikaanse markt voldoen aan gelijkwaardige limieten die zijn vastgesteld door de standaard FCC Deel 15, subdeel B (onbedoelde straling), sectie 15.107 (geleide limieten), waar limieten voor geleide emissies gelijk zijn aan die gegeven in EN 55032. Ook in FCC Deel 15 zijn de apparaten verdeeld in twee klassen:
- Klasse B: digitale apparaten die op de markt worden gebracht voor gebruik in een woonomgeving, niettegenstaande gebruik in commerciële, zakelijke en industriële omgevingen.
- Klasse A, eerste klasse: digitale apparaten die op de markt worden gebracht voor gebruik in een commerciële, industriële of zakelijke omgeving; exclusief apparaten die op de markt worden gebracht voor gebruik door het grote publiek of die bedoeld zijn voor gebruik in huis.