Электромагнитное поле как вызов инженерам

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest® с предлагаемыми анализаторами спектра, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого раздела.

Электромагнитное соответствие: детектирование неисправностей пробниками поля и токовыми пробниками

Вступление

Электромагнитные помехи (EMI) могут вызывать множество сопутствующих проблем, особенно при разработке продукта или прохождении контроля электромагнитной совместимости (EMC). Искаженное изображение, «битые» данные или полная неработоспособность - все это может быть результатом влияния электромагнитных помех (EMI). Для минимизации эффектов, вызванных электромагнитными помехами в Северной Америке, Федеральная коммуникационная комиссия (FCC) установила стандарты ограничения электромагнитного излучения для различных категорий приборов. Контроль электромагнитной совместимости (EMC) входит в перечень тестов определения спецификации прибора.

Многие продукты не проходят контроль на электромагнитную совместимость (EMC) по причине взаимодействия непреднамеренного высокочастотного излучения радиодиапазона (RF), вызванного особенностями структуры цепи или элемента. Электрические и магнитные поля, которые могут вызывать данное взаимодействие, невидимы невооруженному глазу, а попытки изолировать источник электромагнитных помех часто приводят к значительным осложнениям.

В чем причина?

Где находится источник сигнала или энергия, вызывающая излучение?

Как это исправить?

К счастью, существуют простые инструменты и технологии, помогающие идентифицировать источник электромагнитного излучения. Если источник излучения определен, можно приступать к поиску решения проблемы. Данная технология идентификации источника излучения не входит в перечень тестов контроля EMC. Скорее, это технология предварительного тестирования на соответствие, позволяющая быстро выявлять потенциальные зоны электромагнитного воздействия без применения сложного и дорогостоящего оборудования.

В данной статье рассматриваются простые технологии предварительного тестирования EMI для идентификации потенциально проблемных источников электромагнитного излучения с использованием токовых пробников и пробников индуктивности поля. Такой подход позволяет существенно сократить время и затраты при разработке устройств и создании испытательных стендов.

Примечание: Предварительное тестирование на соответствие EMC помогает определить и устранить электромагнитное воздействие, способное препятствовать прохождению контроля на соответствие EMC, но не является заменой полноценного тестирования в сертифицированной лаборатории.

Основы электромагнитного излучения

В электронике электромагнитное излучение в основном вызвано потоком тока или изменением напряжения вдоль проводника. Дорожки печатных плат, отдельные провода, выводы компонентов, коннекторы, шасси и корпус устройства могут выступать проводниками. Электромагнитное излучение представляет собой комбинацию электрического и магнитного полей.

Рис. 1. Распространение электромагнитной волны. Электрическое и магнитное поля ортогональны относительно друг друга.

Хотя электрическое (E) и магнитное (H) поля создаются одним и тем же физическим явлением, их поведение существенно отличается. Магнитное поле создается только движением заряженных частиц, то есть током. Поэтому в большинстве электронных схем магнитное поле преобладает в электромагнитном излучении, возникающем на дорожках печатных плат и проводниках.

Магнитное поле бесконечно длинного прямого проводника можно вычислить с использованием закона Ампера.

Для круговой траектории используется формула:

B - магнитное поле
μ₀ - магнитная постоянная
I - ток
r - радиус проводника

Рис. 2. Магнитное поле, вызванное протеканием тока.

В отличие от магнитного поля, электрическое поле может быть вызвано как движущимися, так и статическими заряженными частицами. При анализе корпусов приборов и радиаторов охлаждения электрическое поле часто преобладает над магнитным.

Список требуемого оборудования

• Анализатор спектра или EMI-приемник - измеряет мощность высокочастотного сигнала относительно частоты.
• Пробники магнитного поля - промышленные или самодельные.
• Токовые пробники - промышленные или самодельные.
• Кабель 50 Ом - для подключения пробников к анализатору спектра.

Рис. 3. Анализатор спектра SIGLENT SSA3021X 2.1 ГГц.

Пробники

Для обнаружения электромагнитного излучения используются пробники магнитного поля, пробники электрического поля и токовые клещи.

• Перед тестированием измерьте уровень фонового излучения.
• Проверяйте дисплеи, разъемы, вентиляционные отверстия и стыки корпуса.
• При приближении пробника к источнику излучения амплитуда сигнала возрастает.
• Ориентация пробника относительно магнитного поля существенно влияет на результаты измерений.
• Для серии измерений используйте непроводящие держатели из дерева или пластика.

Рис. 4. Влияние ориентации и положения пробника магнитного поля на результаты измерений.

Рис. 5. Набор пробников SIGLENT SRF5030.

Рис. 6. Тестирование PCB с использованием SIGLENT SSA3X и пробника SRF5030.

Кабели и соединения могут выступать в роли антенн, если они недостаточно экранированы или заземлены. Даже небольшие токи способны создавать излучение, превышающее допустимые EMC-пределы.

Рис. 7. Самодельные токовые клещи.

Советы по работе с пробниками

• При необходимости используйте внешний аттенюатор для защиты входа анализатора спектра.
• Проверяйте все подключенные кабели: питание, USB, Ethernet и другие интерфейсы.
• Регулярно измеряйте уровень фонового излучения окружающей среды.

Рис. 8. Измерение высокочастотного излучения USB-кабеля, подключенного к осциллографу.

Рис. 9. Влияние фонового излучения на результаты измерений токовыми клещами.

Сканирование и анализ

Данные, полученные с помощью пробников, могут отличаться от результатов сертифицированных EMC-лабораторий. Однако данный метод позволяет быстро локализовать источник высокочастотного излучения и определить способы устранения проблемы.

1. Проверяйте достоверность пиковых значений с помощью внешнего аттенюатора.
2. Используйте функцию Max Hold для фиксации максимальных значений сигнала.
3. Применяйте маркеры и таблицу пиков для точного определения частоты и амплитуды сигнала.

Рис. 10. Сравнение результатов сканирования с использованием внешнего аттенюатора 10 дБ.

Рис. 11. Анализатор спектра SIGLENT SSA3000X с активированной таблицей маркеров.

Заключение

Магнитное поле возникает при протекании тока. Для локализации электромагнитного излучения над дорожками печатных плат, проводами и кабелями следует использовать пробники магнитного поля (H).

Для поиска источников электрического поля на радиаторах, разъемах, дисплеях и корпусах устройств рекомендуется применять пробники электрического поля (E).

Для определения источников излучения от кабелей и коннекторов используются токовые клещи.

Дисплеи, вентиляционные отверстия, коммуникационные порты и разъемы часто являются источниками повышенного электромагнитного излучения.

Используйте проводящую ленту или алюминиевую фольгу для экранирования проблемных участков и обязательно проверяйте качество заземления экрана.

Периодически измеряйте уровень фонового излучения для повышения достоверности результатов тестирования.

Использование анализатора спектра, пробников поля и токовых клещей позволяет значительно сократить время разработки устройств и повысить вероятность успешного прохождения EMC-тестирования.

купить анализатор спектра в Украине