Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko
Avtor: Izr. prof. dr. Marko Jankovec
Pred vami je prvi članek iz serije prispevkov o elektromagnetni združljivosti, s katero vam bom skušal odkriti svet, ki za mnoge razvojnike predstavlja strah in trepet in ga nekateri celo primerjajo s črno magijo.
O tej temi je bilo napisanih že veliko knjig in ena izmed njih se celo imenuje »A handbook of black magic«[1]. Področje je namreč zelo kompleksno in zelo težko računsko napovedujemo rezultate, zato se moramo večkrat zanašati na intuicijo, praktične izkušnje in seveda meritve. Mogoče je ravno zato bilo to področje tudi v naših učnih programih precej zapostavljeno. Sam sem namreč pred petnajstimi leti na Fakulteti za elektrotehniko, Univerze v Ljubljani začel predavati pri dveh predmetih s področja načrtovanja elektronskih vezij in sklopov, kjer sem začel vključevati te vsebine.
Elektromagnetna združljivost (EMC – ang. Electromagnetic Compatibility) je področje elektrotehnike, kjer se ukvarjamo na eni strani z elektromagnetnim sevanjem elektronskih naprav, na drugi strani pa z njihovo občutljivostjo na zunanje elektromagnetne motnje. Oboje je potrebno obvladovati, če želimo zagotavljati brezhibno delovanje množice naprav, ki sobivajo v našem okolju. To je tudi zahteva zakonodaje, ki se sicer v različnih državah razlikuje v detajlih, a splošno načelo omejevanja motenja velja za cel svet. V kakšni meri in pri katerih frekvencah, določajo standardi. In skladnost s trenutno veljavnimi standardi je pogoj, da lahko elektronske naprave dajemo v prosto prodajo po celem svetu.
V zgodovini so se z EMC začeli ukvarjati, ko so se širše uveljavile radijske komunikacije in že leta 1934 je bila v okviru Mednarodne elektrotehniške komisije (IEC) ustanovljena posebna skupina za radijske motnje, imenovana CISPR. Določili so meje elektromagnetnega sevanja v različnih frekvenčnih območjih, kot tudi merilne metode in inštrumente za preverjanje skladnosti naprav. Skozi leta so izdali vrsto standardov, ki so jih ob hitrem napredku elektronike ves čas nadgrajevali. Vojska je postavljala radarje, ki so s svojimi močnimi elektromagnetnimi pulzi občasno motili druge naprave, najprej radijske zveze, nato avtomobile, ko so že vsebovali določene elektronske sklope. Področje se je kasneje razvilo s prihodom osebnih računalnikov, mobilnih telefonov, do danes, ko smo obkroženi z množico naprav z radijskimi oddajniki in sprejemniki, ki jih napajamo s stikalnimi pretvorniki. Obstaja na tisoče zgodb od nedolžnih preglavic do smrtnih izidov, ki so povezane z elektromagnetno združljivostjo, imenovanih »Banana skins« [2]. Za največjo nesrečo, ki jo povezujejo z EMC, velja nesreča britanske letalonosilke H.M.S. Sheffield med falklandsko krizo leta 1982. Zaradi motenj, ki jih je radar povzročal satelitskemu komunikacijskemu sistemu, je bil radar izklopljen, zato je bila ladja ranljiva za napad z raketo, ki jo je potopila [3].
Danes je EMC ključni del sestavljanke pri razvoju praktično vsake elektronske naprave in prej se zavemo tega, laže peljemo razvoj do končnega produkta, primernega za trg. Če se problema EMC zavemo šele po tem, ko smo izdelek že razvili in ga pripravili za proizvodnjo in šele takrat pri testiranju ugotovili, da ni skladen z EMC direktivo, je možnosti za rešitev problema precej manj. Ne samo, da to podraži izdelek, še huje je, da zamakne njegov prihod na trg, kar je nemalokrat povezan z visokimi penali, če ne celo s propadom projekta. Razpoložljive rešitve in njihovo ceno nazorno kaže slika 1.
Verjetno ravno zato še danes lahko kupimo izdelke, ki niso skladni z evropsko EMC direktivo. Ti večinoma prihajajo iz daljnega vzhoda in jih kupujemo preko tujih spletnih trgovin, saj se tako proizvajalci lahko skrijejo pred evropskimi inšpekcijskimi organi. Če je namreč naprava proizvedena v EU, potem zanjo odgovarja proizvajalec, sicer pa uvoznik.
Razlogov za neskladnost je verjetno več: pomanjkljivo znanje, cenovni pritiski (npr. filtrske komponente so drage) in seveda možnost skriti se v množici. Slovenski inšpektorjih večkrat naredijo vzorčenje določenih izdelkov v slovenskih trgovinah in jih pošljejo na akreditirane meritve, ki jih pri nas izvaja Slovenski Inštitut za kakovost in meroslovje (SIQ) [4]. Večkrat se izkaže, da na vezjih npr. manjkajo filtrski elementi, čeprav je prostor zanje pripravljen. Zelo verjetno so napravo na meritve motenj poslali kompletno, nato pa za znižanje cene v prodajo poslali naprave brez filtrov. To je eden od razlogov, zakaj za skladnost naprave ni odgovoren akreditiran laboratorij, ki izda certifikat, temveč izključno proizvajalec. Odgovornost za skladnost izraža z nameščenim CE znakom in podpisom izjave o skladnosti, prikazana na slikah 2 in 3.
In že na tem mestu lahko opazimo prve sumljive znake, da je nekaj narobe z izdelkom, kot je to prikazano na slikah 4 in 5. Naj pokažem za zaključek tega prvega prispevka primer meritve prevodnih elektromagnetnih motenj laboratorijskega napajalnika, kupljenega v znani tuji spletni trgovini. Merilna postavitev je prikazana na sliki 6, kjer vezje LISN poskrbi, da se elektromagnetne motnje, ki jih merjenec povzroča na napajalnem priključku ne širijo v 230V omrežje, temveč jih preusmeri v EMI sprejemnik, ki je v bistvu analizator spektra, posebej prilagojen za EMC meritve. Z bremenskimi upori smo obremenili napajalnik, da smo dosegli običajni režim delovanja. Rezultati meritev so prikazani na slikah 7 in 8. Rdeče črte so meje prevodnih motenj, ki jih določa EMC standard za tovrstne naprave. Motnje, ki jih napajalnik povzroča presegajo dovoljene meje za več kot 40 dB, kar je več kot faktor 100. Ko smo v napajalnik vgradili ustrezen filter, smo motnje znižali na 10 dB pod mejo. Dodatni komentarji po moje niso potrebni.
Viri:
[1] H. Johnson in M. Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, 1st edition. Upper Saddle River, NJ: Pearson, 1993.
[2] „EMI Stories – EMC Standards“. Pridobljeno: 20. marec 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.emcstandards.co.uk/banana-skins
[3] „HMS Sheffield (D80)“, Wikipedia. 14. december 2024. Pridobljeno: 20. marec 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=HMS_Sheffield_(D80)&oldid=1262989601
[4] „SIQ | Slovenski institut za kakovost in meroslovje, Ljubljana“. Pridobljeno: 20. marec 2025. [Na spletu]. Dostopno na: https://www.siq.si/
