הפרעות אלקטרומגנטיות (emi) - סוגים, תקנים וטכניקות מיגון

הסמכה היא לרוב אחד השלבים היקרים והמייגעים ביותר בפיתוח מוצר חומרה חדש. זה עוזר לרשויות לדעת שהמוצר עומד בכל החוקים וההנחיות שנקבעו סביב הפונקציות. בדרך זו, ניתן להבטיח ביצועים של מוצר מסוים זה כדי למנוע סכנות ופגיעה במשתמשים בו. עד כמה שלב זה בדרך כלל מייגע, חשוב שחברות המוצר יתכננו זאת לפני היד כדי לבטל את המורכבות של הרגע האחרון. למאמר של היום, נבחן את תקן העיצוב EMIוזה פרקטיקה נפוצה מאוד שעלי מעצבים לזכור בכדי לפתח מוצרים איכותיים. נבחן את EMI בפירוט ונבחן את סוגיה, טבעה, מפרטים וסטנדרטים, מנגנוני צימוד ומיגון ושיטות עבודה מומלצות להעברת מבחני EMI.

תקני EMI - איך הכל התחיל?

EMI (הפרעה אלקטרומגנטית) סטנדרטי נוצרה במקור כדי להגן מעגלים אלקטרוניים הפרעות אלקטרומגנטיות שעשויים למנוע מהם מלבצע את הדרך שבה הם תוכננו במקור להיות. הפרעות אלה עשויות לגרום מתישהו לתקלה מוחלטת של המכשיר עלולה להפוך למסוכן למשתמשים. זה הפך לראשונה לדאגה בשנות החמישים, ובעיקר עניין את הצבא בגלל כמה תאונות בולטות שנבעו מכשלים בניווט עקב הפרעות אלקטרומגנטיות במערכות ניווט, ופליטת מכ"ם שהובילה לשחרור נשק בשוגג. ככזה הצבא רצה להבטיח שהמערכות תואמות זו את זו ופעולות האחת אינן משפיעות על השנייה שכן הדבר עלול להוביל להרוגים במלאכתם.

מלבד יישומים צבאיים, התקדמות לאחרונה בתחום הפתרונות הקשורים לרפואה ובריאות כמו קוצבי לב וסוגי CIED אחרים, תרמו גם לצורך בתקנות EMI שכן הפרעה במכשירים מסוג זה עלולה להוביל למצבים מסכני חיים.

אלה בין תרחישים אחרים הם שמובילים להקמת תקן הפרעות EMI ועם המספר הגדול של גופי הרגולציה של EMC שהוקמו.

מהי הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI)?

ניתן להגדיר הפרעות אלקטרומגנטיות כאנרגיה אלקטרומגנטית לא רצויה שמפריעה לתפקוד תקין של מכשיר אלקטרוני. כל המכשירים האלקטרוניים מייצרים כמות מסוימת של קרינה אלקטרומגנטית מכיוון שהחשמל שזורם במעגלים ובחוטים שלו לעולם אינו מכיל לחלוטין. אנרגיה זו ממכשיר "A", המופצת דרך האוויר כקרינה אלקטרומגנטית, או מחוברת (או מועברת לאורך) קלט / פלט או כבלים של מכשיר אחר "B", עלולה לשבש את האיזון התפעולי בהתקן B, ולגרום למכשיר תקלה לפעמים בצורה מסוכנת. אנרגיה זו ממכשיר A המפריעה לפעולות של מכשיר B מכונה הפרעות אלקטרומגנטיות .

ההפרעה יכולה להיות מתישהו אפילו ממקור טבעי כמו סופות חשמל, אך לעתים קרובות יותר, זה בדרך כלל כתוצאה מפעולות של מכשיר אחר בסמיכות. בעוד שכל המכשירים האלקטרוניים מייצרים כמה EMI, סוג מסוים של מכשירים כמו טלפונים ניידים, תצוגות LED ומנועים במיוחד, נוטים יותר להפריע בהשוואה לאחרים. מכיוון שאף מכשיר אינו יכול לפעול בסביבה מבודדת, חשוב לוודא שהמכשירים שלנו עומדים בתקנים מסוימים כדי להבטיח שההפרעה תישמר למינימום הקשה ביותר. תקנים ותקנות אלה ידועים בתור תקן EMI ועל כל מוצר / מכשיר לשימוש / למכור באזורים / מדינה שבהם תקנים אלה הינם חוקים, חייבים להיות מאושרים לפני שניתן יהיה להשתמש בהם.

סוגי הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI)

לפני שנבדוק את התקן והתקנות, כנראה שחשוב לבחון את סוג ה- EMI כדי להבין טוב יותר את סוג החסינות שיש לבנות במוצרים שלך. ניתן לסווג הפרעות אלקטרומגנטיות לסוגים המבוססים על מספר גורמים כולל;

1. מקור ה- EMI
2. משך ה- EMI
3. רוחב הפס של EMI

אנו נסתכל על אחת מהקטגוריות הללו אחת אחרי השנייה.

1. מקור ה- EMI

אחת הדרכים לסווג EMI לסוגים היא על ידי בחינת מקור ההפרעה ואיך נוצרה. תחת קטגוריה זו, ישנם בעצם שני סוגים של EMI, EMI המתרחש באופן טבעי ו- EMI מעשה ידי אדם. ה- EMI הטבעי המתרחש מתייחס להפרעות אלקטרומגנטיות המתרחשות כתוצאה מתופעות טבע כמו תאורה, סערות חשמליות והתרחשויות דומות אחרות. בעוד מעשה ידי אדם EMI מצד השני, מתייחס EMIs אשר מתרחש כתוצאה מהפעילויות של מכשירים אלקטרוניים אחרים בקרבת המכשיר (Receiver) חווה את ההפרעה. דוגמה לסוג זה של EMI כוללת הפרעות בתדרי רדיו, EMI בציוד קול בין היתר.

2. משך ההפרעה

EMI מסווגים גם לסוגים על פי משך ההפרעה, כלומר פרק הזמן בו חוו ההפרעה. על סמך זה, EMI מקובצים בדרך כלל לשני סוגים, EMI רציף ו- EMI של Impulse. EMI הרציף מתייחס EMIs נפלטים ברציפות על ידי מקור. המקור עשוי להיות מעשה ידי אדם או טבעי, אך ההפרעה נחווית ברציפות, כל עוד קיים מנגנון צימוד (הולכה או קרינה) בין מקור ה- EMI למקלט. דחף EMIהם EMI המתרחשים לסירוגין או תוך פרק זמן קצר מאוד. כמו EMIs הרציפים, EMI של Impulse יכול להיות גם טבעי או מעשה ידי אדם. הדוגמה כוללת רעש דחפים המופיע במתגים, בתאורה ובמקורות דומים העלולים לפלוט אותות הגורמים להפרעה במתח או בשיווי המשקל הנוכחי של מערכות סמוכות מחוברות.

3. רוחב הפס של EMI

ניתן לקטלג גם EMI לסוגים באמצעות רוחב הפס שלהם. רוחב הפס של EMI מתייחס לטווח התדרים שעליו מנוסה ה- EMI. על סמך זה, ניתן לסווג EMI ל EMI צר ו EMI פס רחב. ה- EMI של ה- Narrowband מורכב בדרך כלל מתדר בודד או מפס תדרים של הפרעות, ואולי נוצר על ידי צורת מתנד או כתוצאה מאותות מזויפים המתרחשים עקב סוגים שונים של עיוותים במשדר. ברוב המקרים, בדרך כלל יש להם השפעה מינורית על תקשורת או על ציוד אלקטרוני וניתן לכוון אותם בקלות. עם זאת, הם נותרים מקור עוצמתי להפרעות ויש לשמור אותם בגבולות מקובלים. ה- EMI של הפס הרחבהם EMI שאינם מתרחשים בתדרים בודדים / בדידים. הם תופסים חלק גדול מהספקטרום המגנטי, קיימים בצורות שונות ויכולים לנבוע ממקורות שונים מעשה ידי אדם או טבעיים. הסיבות האופייניות כוללות קשת וקורונה והיא מייצגת את המקור לאחוז טוב של בעיות EMI בציוד נתונים דיגיטלי. דוגמא טובה למצב EMI טבעי הוא "הפסקת שמש", המתרחשת כתוצאה מאנרגיית השמש המשבשת את האות מלוויין תקשורת. דוגמאות אחרות כוללות; EMI כתוצאה ממברשות פגומות במנועים / גנרטורים, קשתות במערכות הצתה, קווי חשמל פגומים ומנורות פלורסנט גרועות.

אופי EMI

EMI כפי שתואר לעיל, הם גלים אלקטרומגנטיים המורכבים מרכיבי השדה E (חשמל) ו- H (מגנטיים), המתנדנדים בזווית ישרה זה לזה כמוצג להלן. כל אחד מהרכיבים הללו מגיבים באופן שונה לפרמטרים כמו תדר, מתח, מרחק וזרם, ולכן חשוב להבין את אופי ה- EMI, לדעת איזה מהם דומיננטי לפני שניתן יהיה לטפל בבעיה בצורה ברורה.

לדוגמא, עבור רכיבי השדה החשמלי, ניתן לשפר את הנחתת EMI באמצעות חומרים עם מוליכות גבוהה, אך להפחית אותם על ידי חומרים בעלי חדירות מוגברת, מה שמנגד משפר את ההחלשה עבור רכיב השדה המגנטי. ככזה, חדירות מוגברת במערכת עם EMI הנשלט על ידי שדה אלקטרוני תפחית את ההאטה אך ההנחתה תשתפר ב- EMI הנשלט על ידי שדה H. עם זאת, בשל ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות המשמשות ליצירת רכיבים אלקטרוניים, שדה E הוא בדרך כלל המרכיב העיקרי של ההפרעה.

מנגנוני צימוד EMI

מנגנון צימוד EMI מתאר כיצד ה- EMI עוברים מהמקור למקלט (מכשירים מושפעים). הבנת אופי ה- EMI יחד עם אופן הצמדתו מהמקור למקלט היא המפתח לטיפול בבעיה. מופעל על ידי שני המרכיבים (שדה H ושדה E), EMIs מצמידים ממקור למקלט באמצעות ארבעה סוגים עיקריים של צימוד EMI שהם מוליכים, קרינה, צימוד קיבולי וזוגיות אינדוקטיבית. בואו נסתכל על מנגנוני ההצמדה בזה אחר זה.

1. הולכה

צימוד הולכה מתרחש כאשר פליטת EMI מועברת לאורך מוליכים (חוטים וכבלים) המחברים את מקור ה- EMI והמקלט. EMI המשולב באופן זה נפוץ בקווי אספקת החשמל ובדרך כלל כבד על רכיב שדה H. צימוד הולכה בקווי חשמל יכול להיות הולכה במצב משותף (ההפרעה מופיעה בשלב בקו + ve ו- -ve או בקווי tx ו- rx) או הולכה במצב דיפרנציאלי (ההפרעה נראית מחוץ לשלב בשני מוליכים). הפיתרון הפופולרי ביותר להפרעות מצמרות הולכה הוא שימוש בפילטרים ומגן מעל כבלים.

2. קרינה

צימוד קרינה הוא הצורה הפופולרית ביותר והנוסה ביותר של צימוד EMI. שלא כמו בהולכה, זה לא כרוך בחיבור פיזי כלשהו בין המקור למקלט מכיוון שההפרעה נפלטת (מוקרנת) דרך החלל למקלט. דוגמא טובה ל- EMI מוקרן היא הפסקת השמש שהוזכרה קודם לכן.

3. צימוד קיבולי

זה קורה בין שני מכשירים מחוברים. צימוד קיבולי קיים כאשר מתח משתנה במקור מעביר קיבולית מטען לקורבן

4. צימוד אינדוקטיבי / מגנטי

הכוונה היא לסוג ה- EMI המתרחש כתוצאה ממוליך המביא להפרעה במוליך אחר, על בסיס עקרונות האינדוקציה האלקטרומגנטית.

הפרעות ותאימות אלקטרומגנטיות

ניתן לומר כי תקן EMI הוא חלק מהתקן הרגולטורי הנקרא תאימות אלקטרומגנטית (EMC). הוא מכיל רשימה של תקני ביצועים שעליהם התקנים חייבים לעמוד כדי להראות שהם מסוגלים להתקיים יחד עם מכשירים אחרים ולבצע כמתוכנן מבלי להשפיע גם על ביצועי המכשירים האחרים. ככאלה תקני EMI הם למעשה חלק מהתקנים הכלליים של EMC. אמנם בדרך כלל משתמשים בשמות להחלפה, אך הבדל ברור קיים ביניהם, אך זה יוסבר במאמר המשך.

במדינות וביבשות שונות / אזורים כלכליים יש וריאציות שונות של תקנים אלה, אך עבור מאמר זה נשקול את תקני ועדת התקשורת הפדרלית (FCC). על פי חלק 15 של כותרת 47: טלקומוניקציה, של תקני FCC, המסדירים תדר רדיו "לא מכוון", ישנם שני סוגים של מכשירים; מחלקה א 'וב'.

מכשירי Class A הם מכשירים המיועדים לשימוש בתעשייה, במשרדים, בכל מקום אחר מלבד בתים, ואילו מכשירי CLass B הם מכשירים המיועדים לשימוש ביתי, על אף השימוש בהם בסביבות אחרות.

מבחינת פליטת הולכה, עבור מכשירי Class B המיועדים לשימוש בבית, הפליטות צפויות להיות מוגבלות לערכים המוצגים בטבלה שלהלן. המידע הבא מתקבל באתר הקוד הרגיל של הרגולציה הפדרלית.

עבור מכשירי Class A המגבלות הן:

לפליטות מקרינות, צפוי כי מכשירי Class A יישארו בגבול שלמטה בתדרים שצוינו;

תדר (MHz)	µV / m
30 עד 88	100
88 עד 216	150
216 עד 960	200
960 ומעלה	500

בעוד שמכשירי Class B, המגבלות הן;

תדר (MHz)	µV / m
30 עד 88	90
88 עד 216	150
216 עד 960	210
960 ומעלה	300

מידע נוסף על תקנים אלה ניתן למצוא בעמוד גופי הרגולציה השונים.

עמידה בתקני EMC אלה עבור התקנים, מצריכה הגנה על EMI בארבע רמות: רמת הרכיב הבודדת, רמת הלוח / PCB, רמת המערכת ורמת המערכת הכוללת. כדי להשיג זאת, שני צעדים עיקריים; מיגון וארקה אלקטרומגנטית משמשים בדרך כלל, אם כי משתמשים גם באמצעים חשובים אחרים כמו סינון. בשל האופי הסגור של מרבית המכשירים האלקטרוניים, מיגון EMI מוחל בדרך כלל ברמת מערכת כדי להכיל הן EMI מוקרנות והן מועברות על מנת להבטיח עמידה בתקני EMC. ככזה, נבחן שיקולים מעשיים סביב מיגון כמדד להגנה על EMI.

מיגון אלקטרומגנטי - הגן על העיצוב שלך מפני EMI

מיגון הוא אחד הצעדים העיקריים שננקטו להפחתת EMI במוצרים אלקטרוניים. זה כולל שימוש במארז / מגן מתכתי עבור האלקטרוניקה או הכבלים. בציוד / מצבים מסוימים בהם הגנה על המוצר כולו עשויה להיות יקרה מדי או לא מעשית, מוגנים הרכיבים הקריטיים ביותר שיכולים להיות מקור / כיור EMI. זה נפוץ במיוחד ברוב המודולים והשבבים שאושרו מראש.

מיגון פיזי מפחית את ה- EMI על ידי החלשת (החלשת) אותות EMI באמצעות השתקפות וספיגת גליו. מגנים מתכתיים מתוכננים בצורה כזו שהיא מסוגלת לשקף רכיב שדה אלקטרוני תוך כדי חדירות מגנטית גבוהה עבורו לקליטת רכיב שדה ה- H של ה- EMI. בכבלים חוטי האות מוקפים בשכבה מוליכה חיצונית אשר מקורקעת בקצה אחד או בשניהם, ואילו עבור סגרים בית מתכת מוליך משמש כמגן הפרעה.

באופן אידיאלי, מארז ה- EMC המושלם יהיה כזה העשוי מחומר צפוף כמו פלדה, אטום לחלוטין מכל הצדדים ללא כבלים ולכן אין גל שנכנס פנימה והחוצה, אך כמה שיקולים, כמו הצורך בעלות נמוכה על מתחמים, ניהול חום, בין היתר כבלי תחזוקה, חשמל ונתונים, הופכים את האידיאלים הללו לבלתי מעשיים. כאשר כל אחד מהחורים שנוצרו, על ידי הצרכים הללו הינם נקודות כניסה / יציאה פוטנציאליות עבור EMI, מעצבים נאלצים לנקוט בכמה צעדים בכדי להבטיח כי הביצועים הכוללים של המכשיר עדיין נמצאים בטווחים המותרים של תקן EMC בסופו של יום..

הגנה על שיקולים מעשיים

כאמור לעיל נדרשים כמה שיקולים מעשיים בעת מיגון במארזים או בכבלים מוגנים. למוצרים עם אפשרויות EMI קריטיות (בריאות, תעופה, כוח, תקשורת, צבא וכן הלאה), חשוב שצוותי עיצוב המוצרים יכללו אנשים בעלי ניסיון רלוונטי בנושא מיגון ומצבי EMI כלליים. חלק זה ייתן סקירה רחבה של כמה טיפים אפשריים או מיגון EMI.

1. ארון ועיצוב מארז

כאמור לעיל אי אפשר לתכנן מתחמים ללא צמצמים מסוימים שישמשו כסורגי אוורור, חורי כבלים, דלתות וכדומה למתגים בין היתר. פתחים אלה על מתחמים, ללא קשר לגודלם או צורתם, שדרכם גל EM יכול להיכנס או לצאת מהמתחם, במונחי EMI, מכונים חריצים. חריצים חייבים להיות מתוכננים בצורה כזו שאורכם וכיוונם ביחס לתדר ה- RFI לא יהפכו אותם למוליך גל, בעוד שגודלם וסידורם במקרה של סורגי אוורור צריכים לשמור על איזון נכון בין זרימת האוויר הנדרשת לשמירה על דרישות התרמיות. של המעגל ואת היכולת לשלוט ב- EMI על בסיס הנחתת האות הנדרשת ותדר ה- RFI המעורב.

ביישומים קריטיים כמו ציוד צבאי, חריצים כמו דלתות וכו 'בדרך כלל משובצים באטמים מיוחדים הנקראים אטמי EMI. הם מגיעים בסוגים שונים, כולל רשת תיל סרוגה, ואטמים ספירליים מתכתיים, אך מספר גורמי תכנון (בדרך כלל עלות / תועלת) נחשבים לפני שבוחרים את האטם. בסך הכל, מספר החריצים צריך להיות כמה שפחות והגודל צריך להיות קטן ככל האפשר.

2. כבלים

ייתכן שמתחמים מסוימים יצטרכו להיות בעלי צמצמי כבלים; יש לקחת זאת בחשבון בתכנון המתחם. ב

מלבד זאת, הכבלים משמשים גם כאמצעי לניהול EMI ככאלה בציוד קריטי, הכבלים משתמשים במגן קלוע אשר מקורקע לאחר מכן. גישה זו אמנם יקרה, אך יעילה יותר. עם זאת, במצבים של עלות נמוכה, פתרונות מדף כמו חרוזי פריט ממוקמים במקומות ספציפיים בקצה הכבלים. ברמת לוח ה- PCB, מסננים מיושמים גם לאורך קווי מתח קלט.

שיטות עבודה מומלצות להעברת מבחני EMI

חלק משיטות העיצוב של EMI, במיוחד ברמת הלוח, כדי להשאיר את EMI בבדיקה כוללות;

1. השתמש במודולים שהוסמכו מראש. במיוחד לתקשורת, שימוש במודולים שהוסמכו כבר מפחית את כמות העבודה שצוות צריך לעשות במיגון ומפחית את עלות ההסמכה למוצר שלך. טיפ למקצוענים: במקום לתכנן ספק כוח חדש לפרויקט שלכם, תכננו את הפרויקט כך שיהיה תואם לספקי הכוח הקיימים מהמדף. זה חוסך את העלות בהסמכת ספק הכוח.
2. שמור על לולאות זרם קטנות. יכולתו של מוליך לקשר אנרגיה על ידי אינדוקציה וקרינה מופחתת בלולאה קטנה יותר, הפועלת כאנטנה
3. עבור זוגות של עקבות לוח מעגלים מודפסים (PC), השתמשו במעקבים רחבים (עכבה נמוכה) מיושרים אחד מעל השני.
4. אתר מסננים במקור ההפרעה, בעיקרון קרוב ככל האפשר למודול החשמל. יש לבחור בערכי רכיבי סינון תוך התחשבות בטווח התדרים הרצוי. כדוגמה, קבלים מהדהדים בעצמם בתדרים מסוימים שמעבר להם הם פועלים אינדוקטיביים. שמור על מוליכים לקבלים עוקפים קצרים ככל האפשר.
5. הצב רכיבים על ה- PCB תוך התחשבות בסמיכות מקורות רעש למעגלים שעלולים להיות רגישים.
6. מקם קבלים לניתוק צימוד קרוב ככל האפשר לממיר, במיוחד קבלים X ו- Y.
7. השתמש במישורי קרקע במידת האפשר כדי למזער צימוד מוקרן, למזער את שטח החתך של צמתים רגישים ולמזער את שטח החתך של צמתים בעלי זרם גבוה שעשוי להקרין כמו אלה מקבלים במצב נפוץ
8. התקני הרכבה עיליים (SMD) טובים יותר ממכשירים מובילים בהתמודדות עם אנרגיית RF בגלל ההשראות המופחתות והמיקומים הקרובים יותר של רכיבים זמינים.

בסך הכל, חשוב שיהיו אנשים עם חוויות עיצוב אלה בצוות שלך במהלך תהליך הפיתוח מכיוון שהוא עוזר לחסוך בעלויות בהסמכה וגם מבטיח את יציבות ואמינות המערכת שלך וביצועיה.