Badania Kompatybilności Elektromagnetycznej

Krzysztof Sieczkarek
Laboratorium Technik Automatycznej Identyfikacji
Instytut Logistyki i Magazynowania

Kompatybilność elektromagnetyczna to zapewne dla większości Czytelników nowe pojęcie. Nie należy go utożsamiać z ogólnie znanym pojęciem kompatybilności np. komputerów, które oznacza zgodność pod względem stosowanych rozwiązań technicznych, możliwość adaptacji danych i stosowania tego samego oprogramowania, swobodnego przepływu informacji pomiędzy różnymi systemami etc. Kompatybilność elektromagnetyczna to nic innego jak zdolność urządzeń, instalacji lub systemów do poprawnej pracy w określonym środowisku elektromagnetycznym bez wprowadzania dodatkowych zakłóceń elektromagnetycznych do tego środowiska lub do innych urządzeń, których poprawna praca mogłaby być z tego powodu zachwiana. Przez środowisko elektromagnetyczne rozumie się tu miejsce użytkowania urządzenia określone poziomem i charakterem zakłóceń pochodzących od ich źródeł. Należy zwrócić uwagę źródłami mogą być obiekty emitujące fale elektromagnetyczne celowo (np. stacje telewizyjne i radiowe) jak i niezamieżenie (np. suszarka do włosów Pani Jadzi) W ramach kompatybilności elektromagnetycznej rozróżnia się pojęcia emisji zakłóceń i odporności na zakłócenia. Każde pracujące urządzenie elektryczne jest źródłem zakłóceń elektromagnetycznych o różnych poziomach i charakterze. Jednym z nich jest emisja promieniowana pól zakłóceń czyli propagacja fal elektromagnetycznych. Dla zilustrowania zjawiska kompatybilności w przypadku emisji promieniowanej zakłóceń podajmy przykład pracy dwóch komputerów pracujących niezależnie ale w bliskiej od siebie odległości. Jak w każdej dziedzinie życia (w pracy, w domu, w tramwaju) taki stan może wywołać pewne anomalia. Na ryc. 1 przedstawiona została sytuacja, w której komputer A uniemożliwia poprawną pracę komputerowi B - zasada kompatybilności elektromagnetycznej została złamana.

Ryc. 1). Zachwianie stanu kompatybilności elektromagnetycznej.

Uśmiechnięty A pracuje bez przeszkód, gdy w tym samym czasie B musi czekać na zakończenie jego działalności, by sam mógł rozpocząć bezkonfliktową pracę. Niewątpliwie, to właśnie pole elektromagnetyczne emitowane przez komputer A jest przyczyną nieprawidłowej pracy komputera B lecz nie można go "obwiniać" na podstawie tego faktu. W pierwszej kolejności należy odpowiedzieć na następujące pytanie: Czy emisja promieniowana zakłóceń komputera A przekroczyła dopuszczalny poziom, czy też może odporność na zakłócenia komputera B jest zbyt niska? O wiele gorszą sytuację ilustruje ryc. 2: Wzajemne oddziaływanie A i B uniemożliwia ich poprawne funkcjonowanie.

Ryc. 2) Zachwianie stanu kompatybilności elektromagnetycznej.

Stan kompatybilności elektromagnetycznej osiągnięty jest wtedy, gdy oba urządzenia działają poprawnie w swojej obecności (ryc. 3). Stan taki można osiągnąć w sytuacji, gdy poziom emitowanych przez nie zakłóceń oraz ich odporność na zakłócenia spełniają wymogi np. norm przedmiotowych.

Ryc. 3) Zachowanie stanu kompatybilności elektromagnetycznej.

Badanie kompatybilności elektromagnetycznej (ang. Electromagnetic compatibility - EMC) nie jest rzeczą nową w Polsce. Jednak z uwagi na koszty aparatury pomiarowej oraz stosunkowo długi czas trwania i skomplikowany charakter pomiarów nie jest ono rozpowszechnione a wymogi norm respektowane. Polska jako kraj starający się o przyjęcie w szeregi Wspólnoty Europejskiej musi się liczyć z koniecznością zmiany tego stanu rzeczy. Od 1 stycznia 1996 roku w krajach członkowskich obowiązuje dyrektywa Unii Europejskiej dotycząca kompatybilności elektromagnetycznej (EMC Directive 89/336/EEC). W jej wyniku powstały kryteria (tzw. normy zharmonizowane) jakie w zakresie emisji i odporności na zakłócenia muszą być spełnione przez dopuszczane na rynek techniczne urządzenia informatyki. Dla przykładu w Polsce normą określającą dopuszczalne poziomy emisji zakłóceń elektromagnetycznych jest EN 55022: 1996 "Kompatybilność elektromagnetyczna. Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zakłóceń radioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia informatyczne." Określa ona nie tylko limity emitowanych pól zakłóceń ale również dopuszczalne poziomy emitowanych napięć zakłóceń określonych dla urządzeń techniki informatycznej (np. komputery, drukarki a również kasy elektroniczne, elektroniczne maszyny do pisania oraz urządzenia telekomunikacyjne). Jest ona tłumaczeniem europejskiej normy jest EN 55022  "Limits and methods of measurement of radio disturbance characteristics of informartion technology equipment.". Norma ta z kolei jest oparta na dokumencie CISPR 22 (Comit International Spcial des Pertutbations Radiolectriques).

Wychodząc na przeciw wzrastającemu zainteresowaniu tematyką kompatybilności elektromagnetycznej, w Laboratorium Technik Automatycznej Identyfikacji i Instytucie Logistyki i Magazynowania w Poznaniu  utworzony został system do kompleksowego badania tego zjawiska. W jego skład wchodzi pomiar emisji napięć, mocy i pól zakłóceń oraz badanie odporności urządzeń na zewnętrzne pole elektromagnetyczne, wyładowania elektrostatyczne, serie szybkich elektrycznych zakłóceń impulsowych (EFT/burst), zakłócenia udarowe (surge), zakłócenia radioelektryczne wprowadzane do przewodów oraz na spadki, krótkie zaniki i wahania napięcia zasilającego.

Do badania wymienionych zjawisk wykorzystywana jest najnowocześniejsza aparatura. Badania emisji i odporności na pole elektromagnetyczne wykonywane są za pomocą urządzeń pomiarowych, które są nowością nie tylko w skali europejskiej ale i światowej. Klasyczna metoda pomiaru emisji pola elektromagnetycznego wymaga, by badane urządzenie (np. komputer) w trakcie pomiarów znajdowało się na wydzielonym obszarze, wolnym od zewnętrznych zakłóceń radiowych i nie powodującym odbić zwrotnych emitowanych przez testowany obiekt fal. W praktyce jest niemal niemożliwe spełnienie takich warunków - wymagałoby to bowiem przeprowadzania testów na nie zabudowanej, dużej i płaskiej przestrzeni wolnej od wpływu stacji radiowych. Dodatkowym utrudnieniem w trakcie przeprowadzania pomiarów jest wykonywanie szeregu manualnych czynności, które znacząco przedłużają czas pomiaru. Dlatego też na przełomie lat 80/90-tych rozpoczęły się prace nad opracowaniem nowej ale całkowicie równoważnej metody pomiarów emisji pól zakłóceń, które zainicjowały BSI (Brytyjski Instytut Normalizacyjny) i firma Pera International. Efektem tych prac stało się skonstruowanie tzw. komory GTEM (Gigahertz Transverse Electromagnetic Mode Cell - Gigahercowa Transwersalna Komora Elektromagnetyczna). Komora ta umożliwia symulację wykonywanych testów według wymogów większości obowiązujących światowych norm, bowiem zapewnia ona wymagania środowiskowe a dodatkowo eliminuje konieczność wykonywania licznych manualnych operacji. Jej specyficzna konstrukcja eliminuje odbicia fal elektromagnetycznych pochodzących od badanego urządzenia i całkowicie separuje obszar pomiarowy od wpływu obcych pól elektromagnetycznych. Współpracuje ona z odbiornikiem lub analizatorem widma oraz z komputerem klasy IBM PC, który zarządza całym procesem pomiarowym. Podstawowy układ do pomiarów natężeń pól zakłóceń przedstawiony jest na ryc. 4.

Ryc. 4). Układ do pomiarów natężeń pól zakłóceń z zastosowaniem komory GTEM.

Złącze IEEE-488 umożliwia zdalne sterowanie większości nowoczesnych urządzeń pomiarowych. Obsługę złącza, korelację danych i współpracę z ploterem wykreślającym wyniki pomiarów kontroluje oprogramowanie przeznaczone do pomiarów pól przy użyciu komory GTEM. Zezwala operatorowi systemu zmieniać ustawienia odbiornika (analizatora) na wiele sposobów. Jednak by uzyskać zgodność z obowiązującymi normami dotyczącymi emisji zakłóceń promieniowanych, odbiornik (analizator) musi być tak ustawiony, aby możliwy był pomiar pełnego widma w zakresie częstotliwości od 30MHz do 1GHz przy wykorzystaniu 120 kilohertzowej rozdzielczej szerokości pasma pośredniej z krokiem pomiarowym nie większym niż 120kHz. Normy narzucają konieczność wykorzystania tzw. detektora quasi-szczytowego, dla którego określone są dopuszczalne poziomy emitowanych zakłóceń przedstawione w tab. 1 (wg PN- EN 55022 ).

Tab. 1 ). Dopuszczalne poziomy natężeń pól zakłóceń i zakres częstotliwości
pomiarowych dla urządzeń informatycznych wg PN-EN 55022.

Uwaga: Dla urządzeń klasy A i B przewidziano odległość
pomiarową 10m.

Wymogi norm są bardzo niewygodne w praktycznej realizacji pomiarów z dwóch powodów:

- Detektor quasi-szczytowy potrzebuje przynajmniej jednej sekundy, by poprawnie zmierzyć amplitudę sygnału przy jednej częstotliwości. By dokładnie pomierzyć cały zakres pomiarowy (od 30MHz do 1GHz ) przy maksymalnym dopuszczalnym kroku pomiarowym 120 kHz, liczba częstotliwości pomiarowych (punktów pomiarowych) będzie musiała wynosić 8084. Jak łatwo obliczyć całkowity pomiar trwać będzie około 2 i 1/4 godziny (nie licząc wpływu operacji manualnych). Gdy taki pomiar będzie przeprowadzany przy użyciu komory GTEM, całkowity czas pomiaru zwiększy się trzykrotnie, gdyż musi być on przeprowadzony w trzech osiach badanego obiektu ze względu na konieczność korelacji danych w celu uzyskania równoważności pomiarów wg norm przedmiotowych.

Jeśli test zostanie przeprowadzony w opisany powyżej sposób, końcowa analiza uzyskanych pomiarów ujawni w większości przypadków, że badane urządzenie przekroczy dopuszczalne poziomy emisji przy stosunkowo nielicznych częstotliwościach a z pewnością nie we wszystkich. Można powiedzieć, że obiekt został przetestowany nadmiarowo.

By zwiększyć wydajność tego rodzaju testów konieczne jest zastosowanie nowej metody przy pomiarach z wykorzystaniem komory GTEM, która jednocześnie musi spełniać ważne wymagania wypływające z konieczności dostosowania się do obowiązujących norm:

• musi spełnić warunek pomiaru dokładnie całego zakresu częstotliwości w krótkim czasie.
• musi umożliwić pomiary detektorem quasi-szczytowym przy częstotliwościach, przy których istnieje podejrzenie, że wartość emisji pola przekracza lub jest zbliżona do wartości dopuszczalnej.

Rozwiązaniem przyspieszającym pomiary natężeń pól zakłóceń przy jednoczesnej możliwości przeprowadzenia pomiarów przy zastosowania detektora quasi-szczytowego jest wykorzystanie tzw. detektora szczytowego. Jest on kilkadziesiąt razy szybszy więc wstępny pomiar zakłóceń trwa minuty a nie godziny. W praktyce wartości zakłóceń pomierzonych za pomocą detektora quasi-szczytowego nie przekraczają wartości pomierzonych detektorem szczytowym. Jest to bardzo ważna własność - umożliwia ona szybkie wyselekcjonowanie tych częstotliwości, przy których zakłócenia przekraczają limity lub zbliżają się do nich. W kolejnym kroku tylko te częstotliwości poddawane są ocenie detektorem quasi-szczytowym, co w sumie wielokrotnie skraca czas trwania pomiarów.

Komora GTEM znajdująca się w Laboratorium Technik Automatycznej Identyfikacji ILIM (http://www.ilim.poznan.pl/la/index.html) wchodzi również w skład układu do badania odporności urządzeń na zewnętrzne pole elektromagnetyczne. Wraz z układem do pomiaru emisji stanowi kompleksowy system do badania kompatybilności elektromagnetycznej w zakresie pól zakłóceń elektromagnetycznych częstotliwościach radiowych (do 1GHz). Pozytywna ocena stanu kompatybilności elektromagnetycznej jest wymogiem poprawnej, wspólnej pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych (patrz ryc. 3). Ocena emisji pól i odporności na zewnętrzne pole elektromagnetyczne stanowi tylko częścią działań czynionych w celu potwierdzenia kompatybilności elektromagnetycznej. Do listy należy dopisać także wcześniej wspomniane rodzaje badań.

Ryc 5 prezentuje przykładowy rezultat badań - przedstawiony poziom emisji napięć zakłóceń urządzenia spełnia wymagania normy PN-EN 55022 . Życzmy sobie by wszystkie komputery je spełniały a nie przeszkadzały nam w ogladaniu programów telewizyjnych lub radiowych odbieranych przy użyciu anten firmy Delta.

Ryc. 5 Przykładowy rezultat pomiaru napięć zakłóceń quasi-szczytowych (w dBuV) w funkcji częstotliwości w MHz (skala liniowa - poziom dopuszczalny dla urządzeń klasy B).

Przedstawione w artykule terminy, zjawiska oraz metody badawcze miały na celu zaakcentowanie problemu z jakimi związane jest pojęcie kompatybilności elektromagnetycznej, które generalnie jest bardziej złożone a co roku na świecie poświęcanych tej tematyce jest wiele sympozjów i konferencji.

Opracował :
Krzysztof Sieczkarek
Instytut Logistyki i Magazynowania
Laboratorium Technik Automatycznej Identyfikacji
ul. E. Estkowskiego 6, 61-755 Poznań
tel. 061-8527681
fax 061-8526376