Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
E-mail: marko.jankovec@fe.uni-lj.si
V prejšnjem prispevku sem predstavil problematiko elektromagnetne združljivosti elektronskih naprav, zakaj jo je za prodajo izdelkov po celem svetu potrebno dosegati in kako lahko trgovci prek spletnih trgov zlahka zaobidejo zakon in na trg EU dajejo neskladne izdelke, ki za več razredov velikosti presegajo meje dovoljenega.
Upam, da ste dobili dovolj motivacije, da je področje EMC pomembno za vse, ki želijo spraviti nove elektronske produkte na trg.
Področje EMC je v EU urejeno z zakonom – Direktivo 2014/30/EU [1], ki pod osnovnimi zahtevami navaja – citiram:
Oprema je načrtovana in izdelana ob upoštevanju stanja tehnike, tako da se zagotovi, da:
(a) elektromagnetne motnje, ki jih povzroča, ne presegajo ravni, nad katero radijska in telekomunikacijska oprema ter druga oprema ne morejo delovati, kakor je predvideno;
(b) ima raven odpornosti pred elektromagnetnimi motnjami, ki se pričakuje pri predvideni uporabi opreme in ki ji omogoča delovanje brez nesprejemljivega poslabšanja njene predvidene uporabe.
Na področju EMC se torej v Evropi omejuje tako elektromagnetno sevanje elektronskih naprav kot tudi njihova občutljivost nanje. Ker je Slovenija polnopravna članica EU, pri nas velja enako. Zanimivo je, da npr. v Ameriki glavni regulator za to področje Federal Communication Commision (FCC) odpornosti ne preverja, saj menijo, da če bo naprava preveč občutljiva na zunanje motnje, potem jo bo zaradi slabega in nezanesljivega delovanja trg sam izločil. To seveda ne velja za vojaško, avtomobilsko, medicinsko in tudi določeno industrijsko opremo, kjer preslaba odpornost na zunanje motnje lahko ogrozi življenje.
Če se vrnemo v Evropo, naša EMC direktiva opredeljuje še polno drugih stvari, vendar pa ne predpisuje dovoljenih nivojev sevanja, niti merilnih metod, ničesar ne govori o tehničnih rešitvah ali o vplivu sevanja na zdravje. Ker se stanje tehnike nenehno spreminja, vse to prepušča standardom. In tako kot druge direktive daje zgolj pravno podlago. Tako je že od leta 1985, ko je EU začela sprejemati t.i. direktive novega pristopa, kjer so zaradi vse hitrejšega razvoja tehnike v zakonodaji (direktivah) zgolj navajali minimalne temeljne zahteve glede varnosti, zdravja in varstva okolja, medtem ko so se vsa tehnična priporočila preselila v t.i. harmonizirane standarde. Slednji nimajo zakonodajnega značaja, temveč zgolj priporočajo, kako te lastnosti doseči in natančno definirajo metode, kako jih preveriti.
Osnovna družina standardov, ki pokriva področje EMC v EU je IEC 61000 [2], ki jih pripravlja Tehnični odbor IEC TC 77 in predstavljajo osnovo za vse bolj specifične standarde. Drugo veliko družino standardov s tega področja pripravlja skupina International Special Committee on Radio Interference (CISPR). Iz teh osnovnih standardov oboji izpeljujejo vrsto specifičnih standardov za določene družine izdelkov, kot so vozila, gospodinjski aparati, razsvetljava, informacijsko-komunikacijska tehnologija, in še bi lahko naštevali. Vsakič, ko se pojave neka večja družina novih izdelkov, jim mora standardizacija slediti in se prilagoditi. Tehnične komiteje sestavljajo strokovnjaki, ki so nemalokrat povezani z velikimi podjetji – glavnimi igralci na nekem področju in vplivajo na vsebino standardov tako, da svojemu podjetju omogočajo konkurenčno prednost pred tekmeci.
Kakorkoli že, vse izdelke, ki spadajo v področja, ki jih določajo direktive novega pristopa, je potrebno opremiti z znakom CE in izjavo o skladnosti, o čemer sem že pisal v prejšnjem prispevku. Skladnost izdelkov pa lahko preverjajo t.i. priglašeni organi (Notified Body), ki so avtorizirani s strani Evropske komisije za izvajanje certificiranih meritev in ugotavljanja skladnosti [3].
Sedaj pa nadaljujmo s tematiko, ki spada pod »Osnove elektrotehnike«, ki je med dijaki in študenti elektrotehnike zagotovo bolj priljubljen predmet, kot mednarodno pravo in standardizacija.
Elektromagnetno združljivost lahko opišemo z enostavnim modelom, ki ga sestavljata Izvor motnje na eni strani in žrtev na drugi strani. Da motnja pride do žrtve, mora njima obstajati neka vrsta povezave. Situacija prikazuje slika 1.
Izvori motnje so lahko naravni ali umetni. Pod naravne izvore štejemo elektrostatično izpraznitev (ESD) človeka ali stroja, udar strele, kozmične delce, … medtem ko med umetne izvore štejemo elektromagnetno sevanje naprav. To pa je lahko hoteno, kot npr. pri brezžični komunikaciji, kjer prek elektromagnetnega sevanja prenašamo informacije ali pa nehoteno, kot stranski produkt delovanja elektronskih naprav. Žrtve tega sevanja so lahko biološke – rastline, živali ljudje in umetne – to je druge naprave. Naj na tem mestu poudarim, da EMC regulative ne regulirajo varnosti zaradi bioloških vplivov sevanja, temveč se ukvarjajo le z vplivom na delovanje naprav. Tretji pomemben in potreben člen EMC verige pa je povezava, kjer pa se lahko elektromagnetne motnje širijo po prostoru ali pa po žičnih povezavah. V okviru emisije motenj naprav glede na povezavo ločimo prevodne (konduktivne) in sevalne (radiacijske) motnje, medtem ko je imunost naprav razdeljena podrobneje in sicer med sevalne motnje poleg le-teh spadajo še brezkontaktne elektrostatične razelektritve (ESD- ElectroStatic Discharge), po prevodnih poteh se širijo hitri prehodni pojavi (FTB – Fast Transient Bursts), prenapetosti (Surge) in tudi kontaktne ESD. Posebej so zaradi specifike vpliva in zaščite opredeljena še nizkofrekvenčna magnetna polja, ki se seveda širijo po prostoru. Razdelitev nazorno prikazuje slika 2.
Elektrostatično razelektritev velikokrat povzročamo ljudje, saj se pri gibanju z neprevodno obutvijo hitro naelektrimo in če se zgolj približamo napravi, nanjo vplivamo s statičnim električnim poljem. Ob dotiku pa se zgodi še razelektritev, kar je gotovo vsak od nas občutil že velikokrat. To je lahko usodno za elektronske naprave, saj napetosti ESD dosegajo nivoje več kilovoltov. Na to so občutljivi predvsem polprevodniški elementi, kjer so razdalje najmanjše in zato so ESD zaščite že tovarniško vgrajene v vse čipe, da se ne uničijo že med sicer pazljivim rokovanjem. V vezja pa se dodajajo predvsem na komunikacijske in napajalne vhode še posebne ESD zaščitne diode. FTB motnje povzročajo hitri preklopi kontaktorjev, relejev, elektromagnetov, stikal, ki povzročajo iskrenje in se po napajalnih vodih širijo do naprav. Prenapetostni pojavi pa so posledica udarov strele ali pa večjih preklopov ali napak v energetskem omrežju in glede na FTB nosijo bistveno več energije in so lahko destruktivni za samo napravo. NF magnetna polja pokrivajo frekvenčno področje od frekvence omrežne napetosti 50/60 Hz, kjer jih sevajo predvsem transformatorji in motorji pa tja do 150 kHz, kjer so glavni viri magneti v zvočnikih, indukcijski grelci in brezžični polnilniki.
Pri razvoju elektronike se moramo torej ukvarjati z obema vlogama elektronskih naprav: v vlogi izvora (takrat govorimo o omejevanju sevanja naprave) in v vlogi žrtve (takrat govorimo o imunosti naprave). Izkaže se, da so ukrepi mnogokrat recipročni, se podpirajo med seboj. Tako je naprava, ki malo seva tudi bolj imuna na zunanje motnje in obratno. A ni vedno tako. Naprava, ki malo seva je lahko bolj občutljiva na motnje ESD – elektrostatične izpraznitve. Pravil in dobrih praks načrtovanja elektronskih naprav je veliko in jih je treba upoštevati hierarhično z dobršno mero soli, saj niso vsi enako pomembni in ne pridejo vsi vedno in povsod v poštev v enaki meri.
Naj tokratni prispevek zaključim z eno zelo pomenljivo mislijo. Dr. Todd Hubing je v uvodu v članek [4] zapisal: „Some of the worst printed circuit board design choices are made by engineers who are trying to comply with a list of EMC design guidelines.”
Velikokrat lahko z eno majhno načrtovalsko napako bistveno poslabšamo sevanje naprave, kar lahko ilustrativno prikažem na sliki 2 iz prve EMC delavnice in študentskega tekmovanja [5], kjer so študentje razvijali DC-DC stikalni napajalnik za napajanje LED za avtomobilski žaromet. Na desni strani je prikazan izsek tiskanega vezja, kjer je z rumeno označen položaj izhodnega kondenzatorja, ki je neoptimalno povezan. Pod sliko načrta vezja je slika posnetka bližnjega magnetnega polja s posebnim EMC skenerjem [6], ki kaže zelo močno sevanje na izhodnem filtrskem vezju. Ko smo dodali dodatni 100 nF kondenzator, ki je bil optimalno postavljen in povezan, smo situacijo sevanja precej omilili in znižali amplitudo v točki maksimalnega sevanja za več kot 20 dB. Če bi pri prvotnem vezju premaknili izhodno linijo neposredno na izhodni kondenzator, kot je to nakazano s črtkano rumeno črto, potem bi bil problem bistveno manjši. Ker je bilo to vezje načrtano v sklopu tekmovanja, je študenta ta napaka verjetno stala prve nagrade in gotovo si jo je zapomnil za celo življenje. In ker je praksa in z njo povezane bolečine najboljša šola, z EMC delavnico in študentskim tekmovanje vztrajamo že deveto leto, vsakič z drugačnimi izzivi, ki ji postavljajo slovenska podjetja.
Naslednjič se pa vržemo v strogo elektrotehniko. Nič več prava in standardov. Častna.
[1] „Uradni list EU L96.pdf“, Uradni list Evropske unije, L 096, 29. marec 2014. Pridobljeno: 22. april 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/SL/TXT/?uri=OJ:L:2014:096:TOC
[2] „Basic EMC publications“. Pridobljeno: 23. april 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.iec.ch/basic-emc-publications
[3] „EUROPA – European Commission – Growth – Regulatory policy – SMCS“. Pridobljeno: 23. april 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://webgate.ec.europa.eu/single-market-compliance-space/home
[4] T. Hubing, „PCB EMC Design Guidelines: A Brief Annotated List“, Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2003, jan. 2003, doi: 10.1109/ISEMC.2003.1236559.
[5] „LPVO: Načrtovanje elektronike za EMC 2016“. Pridobljeno: 22. april 2025. [Na spletu]. Dostopno na: http://lpvo.fe.uni-lj.si/izobrazevanje/seminarji/nacrtovanje-elektronike-za-emc-2016/
[6] „SCN series“, Pendulum Instruments. Pridobljeno: 22. april 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://pendulum-instruments.com/products/detectus-emc-scanners/scn-series/
