EMC-suunnittelu ja -testaus

Transkriptio

1 EMC-suunnittelu ja -testaus Luennot: - tiistai ja torstai klo TS126 - Esko Korhonen: esko.korhonen@esju.fi, (esko.korhonen@ee.oulu.fi) - tutustuminen EMC-laboratorioon (Esju Oy) Laskuharjoitukset: - perjantai klo TS127 - Jari Hannu: jari.hannu@ee.oulu.fi Laboratoriotyöt: - huhti-toukokuu (päivä-iltavuorot) Tentti samalla kertaa viimeistä kertaa EMC-suunnittelun ja EMC-testauksen tentit EMC-suunnittelu ja testaus, kurssisuunnitelma Luennot 1. Viikko: 27. ja Johdanto, CE-merkki ja standardit 2. Viikko: (ei luentoja kiirastorstai) Testaus (Fundamentals of EMI testing, Instrumentation for EMI Emission Testing) 3. Viikko: (ei luentoja ti pääsiäistauko) Testaus (Instrumentation jatkuu, Sensors for EMI testing, Errors in EMI testing) 4. Viikko: 17. ja Suunnittelu (Interference coupling mechanisms) 5. Viikko: 24. ja Suunnittelu (Layout and grounding) 6. Viikko: (ei luentoja ti wappupäivä) Suunnittelu (Digital and analogue circuit design) 7. Viikko: 08. ja Suunnittelu (Interfaces, Filtering and shielding)

2 1. JOHDANTO EMC SÄHKÖMAGNEETTINEN YHTEENSOPIVUUS, STANDARDIT JA EU-DIREKTIIVI, EMC-TESTAUS 1.1 Sähkömagneettisen yhteensopivuuden historiaa 1.2 Sähkömagneettisen yhteensopivuuden käsite 1.3 Sähkömagneettisten häiriöiden jaotteluperusteita 2. EMC-STANDARDOINTI 2.1 Standardisoimisjärjestöt 2.2 Standardien nimeämistavat 2.3 EMC-standardien käsittelemiä asioita 2.4 Tutkittavat EMC-ilmiöt Matalataajuiset häiriöt Johtuvat transientit ja HF-häiriöt Sähkökenttä ja magneettikenttä Staattinen sähkö Immuniteetin ja emissioiden yhteys EMC SÄHKÖMAGNEETTINEN YHTEENSOPIVUUS, STANDARDIT JA EU-DIREKTIIVI, EMC-TESTAUS 3. EU:N EMC-DIREKTIIVI 3.1 EMC-direktiivi 3.2 Direktiivin soveltamisala 3.3 Vaatimustenmukaisuus, CE-merkintä Vaatimustenmukaisuus CE-merkintä

3 EMC SÄHKÖMAGNEETTINEN YHTEENSOPIVUUS, STANDARDIT JA EU-DIREKTIIVI, EMC-TESTAUS 4. EMC-TESTIT 4.1 Emissio: johtuvien häiriöiden mittaaminen Johtuvan häiriöjännitteen mittaaminen Harmonisten komponenttien mittaaminen Jännitteen vaihteluiden mittaaminen 4.2 Emissio: säteilevien häiriöiden mittaaminen Häiriötehon mittaaminen Sähkömagneettisen häiriökentän mittaminen 4.3 Sietotestit ESD-testaus Nopean transientin / purskeen sietotesti RF-kentän sietotesti EMC SÄHKÖMAGNEETTINEN YHTEENSOPIVUUS, STANDARDIT JA EU-DIREKTIIVI, EMC-TESTAUS EMC (electromagnetic compatibility) eli sähkömagneettinen yhteensopivuus tarkoittaa: 1) Sähkölaitteen kykyä toimia aiheuttamatta sallittua suurempia sähkömagneettisia häiriöitä ympäristöönsä. 2) Sähkölaitteen kykyä toimia häiriintymättä ympäristössä, jossa esiintyvien sähkömagneettisten häiriöiden sallitut raja-arvot on määritelty. Kuinka sähkölaitteet saadaan toimimaan keskenään? - vastuu EMC:n huomioon ottamisesta kuuluu pääasiassa tuotekehitykselle - EMC:hen pystyvät vaikuttamaan elektroniikka-, ohjelmisto- ja mekaniikkasuunnittelijat - esim. EU:n direktiivien määrittelemien standardien noudattaminen antaa riittävän tai ainakin hyväksytyn tason laitteiden yhteensopivuudelle Seuraukset EMC suunnittelun ja testauksen laiminlyömisestä voivat olla vakavia. EMC ei ole vain jotain toisarvoista vaan välttämättömyys suunniteltaessa elektroniikkalaitteita ja kaikkia muitakin sähkökäyttöisiä laitteita.

4 SÄHKÖMAGNEETTISEN YHTEENSOPIVUUDEN HISTORIAA Alku sotilasympäristöstä, jossa laitteiden on toimittava luotettavasti hyvin lähellä toisiaan. Siviilistandardit saaneet runsaasti vaikutteita sotilaallisista MIL-standardeista (USA). EMC:n kannalta sotilasympäristön ja siviiliympäristön välillä erona mm. - sotilasympäristössä laitteet metallialustalla hyvin lähellä toisiaan * standardeissa esim. säteilevien häiriöiden mittauksissa mittausetäisyys 1 m - siviiliympäristössä laitteet yleensä eristävällä alustalla ja laitteiden välinen etäisyys suurempi * mittausetäisyys yl. 10 m tai useinmiten sallitaan myös 3 m Etäisyydet 1 m ja 10 m:ä on pyritty valitsemaan siten, että tätä kauempana tutkittava laite ei häiritsisi ympäristöään. Yleisemmin huomio EMC:hen on lisääntynyt vasta pakon edessä EUdirektiivien EMC-vaatimusten tultua voimaan , jolloin neljän vuoden siirtymäaika loppui. - jo aiemmin on ollut EMC:hen liittyviä kansallisia ja kansainvälisiä standardeja SÄHKÖMAGNEETTISEN YHTEENSOPIVUUDEN HISTORIAA EMC on ollut ja on aina jollain tasolla mukana jokaisessa sähköisessä laitteessa - esim. RF-tekniikan laitteet vaativat EMC:n huomioon ottamisen, jotta laite edes toimisi (isolaatiovaatimukset lohkojen välillä) - nykyiset vaatimukset sisältävät hienosäätöä, yhteisesti tunnustettuja raja-arvoja - joidenkin laitteiden tapauksessa standardien vaatimukset ovat lievemmät kuin itse laitevalmistajan (yl. sietoisuuskriteeri) - EMC-standardien määrä kasvaa, sillä niitä laaditaan lisää eri ilmiöille ja tietyille tuoteryhmille

5 SÄHKÖMAGNEETTISEN YHTEENSOPIVUUDEN KÄSITE Sähkömagneettisella yhteensopivuudella (EMC = electromagnetic compatibility) tarkoitetaan sähkölaitteiden kykyä toimia yhdessä tietyssä sähkömagneettisessa ympäristössä. - laitteen aiheuttamista häiriöistä käytetään nimitystä emissio (Emission, EMI) - laitteen kyvystä sietää häiriöitä nimitykset suskeptibiliteetti ja immuniteetti (Susceptibility, Immunity, EMS) Sähkömagneettisen yhteensopivuuden perusajatus voidaan tiivistää kahteen lauseeseen: Sähkölaitteen kyky toimia aiheuttamatta sallittua suurempia sähkömagneettisia häiriöitä ympäristöönsä. Sähkölaitteen kyky toimia häiriintymättä ympäristössä, jossa esiintyvien sähkömagneettisten häiriöiden sallitut raja-arvot on määritelty. SÄHKÖMAGNEETTISEN YHTEENSOPIVUUDEN KÄSITE EMC-standardien avulla pyritään luomaan välttävä sähkömagneettinen ympäristö - jaotellaan ympäristö tyypillisten sähkömagneettisten ominaisuuksien asettamien vaatimusten mukaisiin luokkiin, esim. kotitalous-, sairaala-, teollisuus-, sähkölaitos- ja sotilasympäristö - jaottellaan laitteet tuoteryhmiin järkevien vaatimusten aikaansaamiseksi, esim. tele-, radio- ja kotitalouslaitteet Jotta järjestelmä voitaisiin pitää yhtenäisenä tarvitaan standardeja - valitettavasti ei ole vielä päästy yleismaailmallisiin harmonisoituihin standardeihin,jolloin vaatimukset olisivat kaikkialla yhtenäiset - sähkömagneettinen yhteensopivuus ei aina tarkoita samaa asiaa, vaan riippuun siitä miten se kussakin tapauksessa määritellään

6 SÄHKÖMAGNEETTISTEN HÄIRIÖIDEN JAOTTELUPERUSTEITA Sähkömagneettiset häiriöt (EMI = electromagnetic interference) voidaan jaotella etenemistapaa tutkimalla johtuviin häiriöihin ja säteileviin häiriöihin. Johtuvat häiriöt (conducted interference) - galvaaninen yhteys häiriölähteestä häiriön vastaanottavaan laitteeseen - esim. käyttöjännitteen aaltoilu, nopeat transientit, harmoniset jne. Säteilevät häiriöt (radiated interference) - välittyminen ilman galvaanista kontaktia - esim. sähkömagneettinen kenttä, kipinäpurkaus Rajat eri etenemismuotojen välillä eivät ole selviä. - säteilevä häiriö voi kytkeytyä johtimiin, edetä johtuvana häiriönä ja säteillä edelleen jne. - vastaavasti johtimessa etenevä häiriö voi aiheuttaa säteileviä häiriöitä, jotka voivat kytkeytyä johonkin laitteeseen tai uudelleen johtimeen jne. SÄHKÖMAGNEETTISTEN HÄIRIÖIDEN JAOTTELUPERUSTEITA Häiriöongelman syntymiseen tarvitaan häiriölähde, häiriön kytkeytymistie ja häiriintyvä laite. - ongelman poistamiseksi johonkin näistä on tehtävä muutoksia Sähkömagneettinen ympäristö kahden sähkölaitteen välillä (Kuva 1) - johtuvien ja säteilevien häiriöiden yhdistelmä - toinen laite häiriölähde, toinen häiriön kohde - valinta riippuu siitä kumpaa laitetta tarkastellaan - tässä tapauksessa muista laitteista tulevia tai muita ulkoisia häiriöitä ei oteta huomioon

7 SÄHKÖMAGNEETTISTEN HÄIRIÖIDEN JAOTTELUPERUSTEITA Kuva 1. Kahden sähkölaitteen aiheuttama sähkömagneettinen ympäristö. Säteilevä häiriö häiriölähteestä Kytkeytyminen suoraan laitteelle Tarkasteltavan laitteen aiheuttama säteilevä häiriö Häiriölähde Johtuva häiriö häiriölähteestä Kytkeytyminen johtimiin Tarkasteltava laite Tarkasteltavan laitteen aiheuttama johtuva häiriö Galvaaninen yhteys Johdon säteilemä häiriö SÄHKÖMAGNEETTISTEN HÄIRIÖIDEN JAOTTELUPERUSTEITA Häiriöiden jaottelu kapeakaistaisiin ja laajakaistaisiin - perusteena häiriösignaalin leveys taajuusalueessa - tyypillinen kapeakaistainen häiriö on prosessorin toimintataajuudella esiintyvä piikki - esim. lämpökohina on laajakaistainen häiriö Jaottelu tarkoituksellisiin ja tahattomiin häiriöihin - radiolähetys on tarkoituksellinen häiriö tutkittavan laitteen kannalta (ellei se ole radiovastaanotin) - tietokoneen kellotaajuuden tai näytön poikkeutuksen aiheuttama ulkoinen häiriökenttä on tahaton Vaikka sähkölaitteiden emissiotasot saataisiin pieniksi, joudutaan silti suojautumaan luonnonilmiöiden, kuten salaman ja staattisten purkausten häiriövaikutuksilta. Toisaalta radiotaajuiset lähetykset ja niiden maantieteellinen ja taajuusalueellinen kattavuus on hyvä esimerkki laitteelta vaadittavasta RF-kentän siedosta.

8 SÄHKÖMAGNEETTISTEN HÄIRIÖIDEN JAOTTELUPERUSTEITA Johtimissa etenevät häiriöt ovat joko differentiaalisia tai yhteismuotoisia. Differentiaalinen häiriö esiintyy johtimien välillä. - nimitykset epäsymmetrinen häiriö tai poikittainen häiriö - esim. kellopulssin aiheuttamat harmoniset häiriöt Yhteismuotoinen häiriö (common mode) esiintyy molemmissa johtimissa yhtäaikaisesti. - nimitykset symmetrinen häiriö ja pitkittäinen häiriö - esim. jännitetason muuttuminen DC-moottorin käytöstä Standardeissa häiriöt luokitellaan usein tutkittavien ilmiöiden perusteella sähkö- ja magneettikentän aiheuttamiin häiriöihin. Tällöin pyritään simuloimaan käytännössä esiintyviä häiriöitä. EMC-STANDARDOINTI EMC-standardit koskevat häiriönsietoa ja häiriöemissiota sekä keinoja näiden varmistamiseksi. EMC-STANDARDIEN JAOTTELU: 1. maailmanlaajuisiin, alueellisiin ja kansallisiin * USA: FCC ja ANSI * EU: EN ja ENV * maailma: IEC (n. 50 maata mukana) 2. perusstandardeihin, yleisstandardeihin ja tuotekohtaisiin standardeihin 3. siviilistandardeihin ja militaaristandardeihin 4. tuotteen kompleksisuuden mukaan * komponenttitasoa ei ole tavallisesti standardoitu EMC:n osalta, mutta usein rajakomponentin ja laitteen välillä ei ole selvä

9 EMC-STANDARDOINTI Järjestelmätaso Laitetaso Komponenttitaso EMC-STANDARDOINTI Standardisoimistoimintaan pääsee mukaan liittymällä joko standardisoimiskomiteaan tai seurantaryhmään. EMC-standardit kehittyvät nopeasti ja siksi niiden jatkuva seuraaminen on välttämätöntä. Standardisoimisjärjestöjen, standardien jaotettelu - kansallinen, maanosan ja maailmanlaajuinen - Suomen kannalta: suomalainen, eurooppalainen (tai EU) ja maailmanlaajuinen - kansallisia standardisoimisjärjestöjä on useita ja niiden mahdollinen vaikutus on otettava huomioon kaupankäynnissä

10 EMC-STANDARDOINTI Taulukko 1. Standardisoimisjärjestöt Suomen kannalta JÄRJESTÖ VAIKUTUSALUE IEC (sähkötekniikka) maailmanlaajuinen ITU (teleala) maailmanlaajuinen ISO (yleinen) maailmanlaajuinen CENELEC (sähkötekniikka) eurooppalainen ETSI (teleala) eurooppalainen CEN (yleinen) eurooppalainen SESKO (sähkötekniikka) kansallinen THK (teleala) kansallinen SFS (yleinen) kansallinen Kaikki IEC-standardit asetetaan hyväksyttäväksi myös eurooppalaisiksi ENstandardeiksi Kansallisten standardisoimisjärjestöjen tehtävänä on hoitaa EN-standardien julkaiseminen kansallisina standardeina. Tulevaisuudessa on yhä enenevässä määrin tarkoitus pyrkiä standardeihin, joiden vaikutusalue olisi mahdollisimman laaja. STANDARDIEN NIMEÄMISTAVAT Standardin nimeämistapa kertoo standardisoimisliiton, standardin vaikutusalueen ja mahdollisesti myös standardin esikuvat. Suomalaisten standardien nimeämistapa -ensin esitetään standardisoimisliiton tunnus eli SFS - mahdollinen kirjaintunnus (eurooppalainen EN-standardi tai kansainvälinen IEC-standardi) * jos kirjainyhdistelmää ei ole, standardin vaikutusalue on ainoastaan Suomi - lopuksi tulee standardin numero * jos numero alkaa 60 -, kyseessä vastaavan IEC-standardin kanssa yhtenevä EN-standardi * 50-alkuisella numerolla viitataan alkujaan eurooppalaiseen standardiin * muissa tapauksissa standardi on alkuperältään suomalainen

11 EMC-STANDARDIEN KÄSITTELEMIÄ ASIOITA EMC-standardit voidaan jakaa perusstandardeihin, tuotestandardeihin ja yleisstandardeihin: Perusstandardit - määrittelevät mittausmenetelmät ja mittausympäristön Tuotekohtaisista standardit - määrittelevät tarkemmat testausjärjestelyt ja raja-arvot Yleisstandardi - käytetään, jos tuotteelle ei ole omaa tuotekohtaista standardia Yleisesti standardeissa käsiteltäviä asioita ovat: - EMC:n perusteet, määritelmät ja termit - EMC-ympäristö - testaustekniikat - raja-arvot - asennusohjeet yms. TUTKITTAVAT EMC-ILMIÖT Häiriöiden luokittelu IEC yleisstandardissa: 1) matalataajuiset häiriöt 2) johtuvat transientit ja HF-häiriöt 3) staattinen sähkö 4) magneettiset häiriöt 5) radiotaajuiset sähkömagneettiset häiriöt 6) muut häiriöt Häiriö ymmärretään laitteen sähkömagneettiseksi ominaisuudeksi, josta voi olla haittaa toisten sähkölaitteiden toiminnalle. Luetellut häiriötyypit eivät välttämättä ole merkittäviä kaikkien laitteiden kannalta. - esim. patterikäyttöiset laitteet eivät aiheuta johtuvia verkkohäiriöitä

12 MATALATAAJUISET HÄIRIÖT Matalataajuiset häiriöt johtuvat pienjänniteverkon (sähkönjakeluverkon) ominaisuuksista 1) harmoniset (yliaallot) 2) väliharmoniset 3) signalointi pienjänniteverkossa 4) jännitteen aaltoilu 5) jännitteen putoamiset ja hetkelliset katkeamiset 6) kolmivaiheisten järjestelmien epätasapaino 7) syöttöjännitteen taajuuden vaihtelut ja DC-komponentti AC-verkoissa MATALATAAJUISET HÄIRIÖT Harmoniset häiriöt (Kuva 2) - esiintyvät verkkotaajuuden f nom (50 Hz tai 60 Hz) harmonisilla taajuuksilla n * f nom - aiheutuvat esim. käyttöjännitteen reguloinnista - yl. parilliset harmoniset pienempiä kuin parittomat Laite voi reagoida tämäntyyppisiin häiriöihin, mikäli sen toimintataajuus sattuu häiriötaajuudelle tai sen kaistanleveys on suuri ja ulottuu häiriötaajuuksille. Kuva 2. Tyypillisiä harmonisia komponentteja. I n f

13 MATALATAAJUISET HÄIRIÖT Signalointi pienjänniteverkossa - audiotaajuuksilta RF-taajuuksiin (< 500 khz) - luonteeltaan pulssimaista Jännitteen aaltoilu (Kuva 3) - syntyy suurien kuormien kytkemisen yhteydessä - kuorma voi olla resistiivinen, induktiivinen, kapasitiivinen tai niiden yhdistelmä - kuorman tyyppi määrää jännitteenmuutoksen muodon * puhtaasti resistiivisellä kuormalla muutos askelmainen * induktanssi tai kapasitanssi pyöristävät jännitemuutosta U/U (%) t MATALATAAJUISET HÄIRIÖT Kolmivaihejärjestelmien epätasapaino - voi aiheuttaa ylikuumenemista ja harmonisia häiriöitä - epätasapaino määritellään positiivisen ja negatiivisen jännitesekvenssin jännitteiden suhteesta * ideaalitilanteessa suhde on 1 Verkkotaajuuden vaihtelu - yleensä pientä DC-komponentti AC-verkossa - voi rikkoa herkkiä laitteita esim. suojaamattoman spektrianalysaattorin tulo voi vaurioitua DC-komponentista

14 JOHTUVAT TRANSIENTIT JA HF-HÄIRIÖT Johtuvat transientit - testaamiseen käytetään erilaisia pulssimuotoja - pyrkivät vastaamaan verkossa esiintyviä todellisia häiriöitä, kuten kytkinvärähtelyä, salaman aiheuttamaa syöksyjännitettä ja sulakkeen palamista - ilmiöille on standardeissa määritelty tyypilliset pulssimuodot, joita käytetään testeissä HF-häiriöt johtimissa - simuloivat RF-kentän johtimiin aiheuttamia häiriöitä esim. lentokoneessa saattaa kulkea pitkiä johtimia, joihin matkapuhelin aiheuttaa RF-kentän SÄHKÖKENTTÄ JA MAGNEETTIKENTTÄ 10 k Aaltoimpedanssi [Ω] 3 k Sähkökenttä dominoi 1 k Lähikenttä Magneettikenttä dominoi Kaukokenttä Etäisyys lähteestä R = λ/2π Kuva 4. Lähi- ja kaukokentän raja lineaariapproksimaationa.

15 SÄHKÖKENTTÄ JA MAGNEETTIKENTTÄ Dominoiva magneettikenttä syntyy pieni-impedanssisessa lähteessä, jossa kulkee virta. Dominoiva sähkökenttä syntyy suuri-impedanssisessa lähteessä jännitteen vaikutuksesta - sähkökenttä on merkittävä yli 30 MHz:n taajuuksilla - magneettikenttä merkittävä tätä pienemmillä taajuuksilla Jotta sietotesteistä saataisiin todellisuutta vastaavia, niin sähkökenttää moduloidaan ( amplitudi- tai taajuusmodulaatio) RF-kenttä - aiheuttajia esim. matkapuhelimet, tutkat, radio- ja televisiolähetykset Magneettikenttä - jatkuva, pulssitettu, yksittäinen pulssi tai vaimenevasti värähtelevä - jatkuva kenttä aiheutuu esim. monitorin poikkeutuskelasta - pulssitettu kenttä syntyy esimerkiksi induktiivisessa tiedonsiirrossa - yksittäisen pulssin aiheuttajaksi ajatellaan yleensä salamaa - vaimenevaa värähtelyä syntyy kytkinilmiöissä STAATTINEN SÄHKÖ (ESD-PURKAUS) Staattinen varaus on ihmiseen, eläimeen tai johonkin elottomaan kohteeseen muodostunut varaus. Sähköstaattiseksi purkaukseksi (ESD) kutsutaan em. varauksen purkautumista - purkausjännite voi olla hyvinkin suuri (tyypillisesti muutama kv, jopa 35 kv) - varauksen suuruus riippuu ilman lämpötilasta ja kosteudesta sekä ympäristön materiaaleista

16 EMISSION JA IMMUNITEETIN YHTEYS Sähkömagneettinen yhteensopivuus käsittää immuniteetin ja emission. Useimmiten samat ilmiöt liittyvät sekä immuniteettiin että emissioon. - ellei häiriölähdettä ole, niin siltä ei tarvitse suojautua Yleisesti emissiomittauksissa tutkitaan: - johtuvaa häiriöjännitettä - säteilevää RF-kenttää - magneettikenttää - harmonisia häiriöitä - jännitteen aaltoilua Tyypillisimpiä sietotestejä ovat: - ESD - nopea transientti (ËFT, bursti) - syöksyjännite - säteilevä RF-kenttä - johtuva RF - magneettikenttä EU:N EMC-DIREKTIIVI EU:n EMC-direktiivi on laadittu New Approach ja Global Approach periaatteita noudattaen - direktiivissä esitetään vain yleiset perusvaatimukset - tarkat tekniset vaatimukset perustuvat yleiseurooppalaisiin standardeihin, joihin direktiivissä viitataan - markkinoillesaattamismenettely koko EU:n alueella EU:n EMC-direktiivi - hyväksytty , tullut voimaan siirtymäaika loppunut => toisin sanoen viimeistään vuoden 1996 alusta lähtien direktiiviä on pitänyt noudattaa EMC-direktiivin perusvaatimukset laitteen rakenteelle - laitteen synnyttämä sähkömagneettinen häiriö ei ylitä tasoa, joka estäisi radio- ja telelaitteiden ja muiden laitteiden toimimisen tarkoitetulla tavalla - laitteella on riittävä häiriöiden sietokyky, joka tekee mahdolliseksi sen toimimisen tarkoitetulla tavalla

17 DIREKTIIVIN SOVELTAMISALA Direktiivi koskee kaikkia sähkökäyttöisiä ja elektronisia laitteita, jotka sisältävät sähköisiä tai elektronisia komponentteja. - noudatetaan harmonisoituja EMC-standardeja: - useilla laitteilla omat EMC-standardit joko valmiina tai tulossa * kotitalouslaitteet, autojen laitteet, lääkintälaitteet * radiolähettimet eivät enää (välttämättä) vaadi ilmoitetun tarkastuslaitoksen suorittamaa tyyppihyväksyntää Laite (apparatus, equipment) - itsenäisesti toimiva lopputuote, markkinoille yhtenä kaupallisena yksikkönä - täytettävä direktiivin vaatimukset Järjestelmä - muodostuu useista laitteista, jotka yhdessä toimien täyttävät erityisen tarkoituksen (esim. PC) - täytettävä direktiivin vaatimukset VAATIMUKSENMUKAISUUS, CE-MERKINTÄ Vaatimustenmukaisuus voidaan osoittaa valmistajan antamalla vaatimustenmukaisuusvakuutuksella, mikäli laite täyttää perusteena olevat harmonisoidut standardit. Mikäli standardit täytetään vain osin, vaaditaan laadittavaksi tekninen rakennetiedosto, jossa oltava toimivaltaisen toimielimen (tarkastuslaitoksen) antama tekninen kertomus tai todistus direktiivin vaatimustenmukaisuuden varmistamismenettelystä. Vaatimustenmukaisuusvakuutus tai tekninen rakennetiedosto - oltava toimivaltaisen viranomaisen käytettävissä 10 vuotta laitteen markkinoillesaattamisesta - perustana laitteen CE-merkinnälle

18 CE-merkki VAATIMUKSENMUKAISUUS, CE-MERKINTÄ - valmistaja kiinnittää laitteeseen, käyttöohjeeseen ja/tai pakkaukseen - osoittaa (tai ainakin pitäisi osoittaa), että laite täyttää kaikki laitetta koskevat direktiivit ja niiden vaatimukset - laitetta voi koskea EMC-direktiivin lisäksi esim. pienjännite tai/ja konedirektiivi - takaa laitteen vapaan liikkuvuuden EU:n alueella - EI ole laatumerkki EMC-TESTIT EMC-testijärjestelmä, joka suorittaisi kaikki testit kerralla nopeuttaisi testaamista huomattavasti. Valitettavasti tällaisen järjestelmän realisoiminen on mahdotonta ja testit joudutaan suorittamaan erikseen. Mittauksiin tarvitaan testauspaikka, jossa ympäristöhäiriöt ovat vähäisiä tutkittaviin tasoihin nähden. Toinen vaihtoehto on käyttää häiriösuojattua huonetta. EMISSIOTESTIT: Johtuvia häiriöitä mitataan stabilointiverkolla (LISN) ja virtamuuntajalla sekä erilaisilla mittauskytkennöillä. Säteileviä häiriöitä mitataan virtaklampilla ja antennilla. Molemmissa tapauksissa tarvitaan lisäksi tulokset ilmaiseva mittalaite. SIETOTESTIT: Vakioitu häiriömuoto luodaan testigeneraattoreilla. Johtuvat häiriöt kytketään kytkeytymisverkoilla tai virtamuuntajalla. Säteilevien häiriöiden kytkemiseen käytetään antennia. Häiriövaikutuksien arvioimiseksi testattavan laitteen toiminta on tunnettava hyvin ja sitä on seurattava testin ajan (SW-testaukseen).

19 EMISSIO: JOHTUVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Häiriöjännite - laitteen johtimiinsa aiheuttama häiriö (Kuva 5) - häiriösignaalin suuruus määräävä tekijä, muotoon ei kiinnitetä erityistä huomiota Mitattavat johtimet - laitteen tehonsyöttöjohtimet - kuormana oleviin laitteisiin menevät johtimet ja muut vastaavat johtimet Käytössä oleva yksikkö dbµv on pieni ja tyypilliset raja-arvot (Taulukko 2) ovat huomattavan pieniä verrattuna laitteen sietotesteissä käytettäviin tasoihin EMISSIO: JOHTUVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN U n f Kuva 5. Tyypillinen johtuva häiriöjännite.

20 EMISSIO: JOHTUVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Taulukko 2. Tyypilliset raja-arvot häiriöjännitteelle Taajuus [MHz] Kvasihuippuarvo (QUASI PEAK) [dbuv] Keskiarvo (AVERAGE) [dbuv] ,009?? 0, , (lin. taajuus log.arvo) - 0, , (lin. taajuus log.arvo) (lin. taajuus log.arvo) 0, Kvasihuippuarvomittaus suodattaa pois harvoin esiintyvät häiriöt. - mikäli häiriösignaalin toistotaajuus on yli 10 khz kvasihuippuarvo vastaa huippuarvoa - vastaavasti alle 1 khz:n toistotaajuuksilla kvasihuippuarvoilmaisimen vaste laskee jyrkästi EMISSIO: JOHTUVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Häiriöjännitteen mittaaminen (Kuva 6) Maataso - vähintään 2 m*2 m (voi olla pysty- tai vaakasuorassa) - oltava vähintään 0,8 m metallipinnoista tai toisesta maatasosta ja vähintään 0,4 m seinistä Testattava laite - 0,8 m (tai 0,4 m vaimennetussa huonessa) irti maatasosta, mikäli laitetta ei ole maadoitettu ja tarkoitettu lattialle - 0,5 m maatason reunojen sisäpuolella - metrin pituinen verkkojohto tai yli metrin menevä osa kiedotaan kiepille (bundle), jonka halkaisija < 0,4 m - stabilointiverkon (LISN) etäisyys laitteesta 0,8 m

21 EMISSIO: JOHTUVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Jännitesyöttö 0,5 m LISN 0,8 m Johtoa 1 m ylimenevä osa max. 40 cm kiepille DUT 0,8 m 0,5 m MITTALAITE: -kvasihuippuarvo -keskiarvo Maataso Kuva 6. Johtuvien häiriöiden mittausjärjestely häiriöjännitteen mittaamiseksi. EMISSIO: JOHTUVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Mittalaite - maatason ulkopuolella ja sen tulee pystyä näyttämään kvasihuippuarvoa - tavallisella spektrianalysaattorilla saattavat arvot olla suurempia (peak) - CISPR 16-1:ssä määritellään myös mittalaitteissa käytettävät mittauskaistat eri taajuusalueille Stabilointiverkko (LISN) - määritelty erikseen taajuussalueille 9 khz khz ja 150 khz MHz - verkon avulla pystytään mittaamaan testattavan laitteen aiheuttamia häiriöitä - stabiloi impedanssin 50 Ω:iin, suodattaa jännitteenjakeluverkon puolelta tulevia häiriöitä ja poistaa verkkotaajuisen komponentin - käytännössä stabilointiverkko tarvitsee eteensä hyvän verkkosuodattimen - huomattava myös radiotaajuisten häiriöiden suodattaminen - mittaukset voidaan suorittaa vaihe- että nollajohtimista, myös DC:n molemmista johtimista, kuten standardissa määritellään

22 . HARMONISTEN KOMPONENTTIEN MITTAAAMINEN Harmoniset komponentit - laitteen verkkotaajuuden harmonisille taajuuksille aiheuttamat häiriöt - mitattava taajuus f = n * f nom jossa f nom on verkkotaajuus ja n = parillisille harmonisille taajuuksille sallitaan pienemmät häiriöt kuin parittomille (Taulukko 3) - televisiovastaanottimille on määritelty omat raja-arvonsa - mittaukset suoritetaan erikseen vaihe- ja nollajohtimista. Mittaustulokset - sallitaan 5 %:n virhe - tämä edellyttää, että lähteen ja mittalaitteen aiheuttama sarjaimpedanssi pieni - analysaattorin oltava selektiivinen (vaimennus mittaustaajuuden ulkopuolisille komponenteille) Lähteen aiheuttamille harmonisille komponenteille sekä lähdejännitteen stabiilisuudelle on määritelty rajat. HARMONISTEN KOMPONENTTIEN MITTAAAMINEN Taulukko 3. Tyypilliset raja-arvot harmonisille komponenteille Parilliset harmoniset Parittomat harmoniset n Sallittu virta [A] n Sallittu virta [A] 2 1,08 3 2,30 4 0,43 5 1,14 6 0,30 7 0, ,23 * 8 / n 9 0, , , ,15 * 15 / n

23 HARMONISTEN KOMPONENTTIEN MITTAAMINEN 1) Virtamuuntaja - virtamuuntaja ei saa aiheuttaa merkittävää sarjaimpedanssia - virtamuuntaja kalibroitava kullekin mitattavalle taajuudelle - virtamittapään rakentamiseen on annettu ohjeita standardissa CISPR toteutus pohjautuu muuntajateoriaan, jossa mitattava johdin ajatellaan ensiöksi ja toroidisydämelle käämitty kela toisioksi. 2) Mittausvastus (Kuva 7) - järjestelyt muodostuvat hieman hankaliksi, sillä mittausvastus R m < 0,1 Ω ja sen tulee olla myös virtuaalisesti ei-induktiivinen eli aikavakion on oltava pienempi kuin 10-5 s Mittal. Lähde Z s G R m DUT Kuva 7. Harmonisten komponenttien mittauskytkentä. JÄNNITTEENVAIHTELUN MITTAAMINEN Jännitteen vaihtelu eli flikkeri - laitteen aiheuttama verkkojännitteen aaltoilu - käytännössä aaltoilu näkyy esim. valaistuksen välkkymisenä Aaltoilu aiheutuu erityyppisten kuormien kytkeytymisistä. - aaltoilu jaetaan luokkiin a, b, c ja d. - luokka a edustaa puhtaasti resistiivisiä muutoksia ja toisessa ääripäässä luokka d kohinaluontoisia muutoksia Flikkerin mittaaminen - helpointa käyttämällä tarkoitukseen suunniteltua flikkerimittaria - vaatimukset flikkerimittarille on esitetty EN-standardissa testausaika riippuu sovellutuksesta * tavallisesti min. * suoralla flikkerimittauksella testausaika 10 min

24 EMISSIO: SÄTEILEVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Säteilevät häiriöt - mittaus joko antennilla tai käyttämällä absorpoivaa virtaklamppia Standardi SFS-EN 55022:E - tietotekniikan laitteet, kevyt teollisuus - vastaavat rajat antennimittaukselle (Taulukko 4) - yksikkönä on dbµv/m - taajuusalue 30 MHz...1 GHz (uudessa korkeammalle GHz) Kotitaloussähkölaitteita koskeva standardi SFS-EN mittaukset käyttäen virtaklamppia, joten myös raja-arvot (Taulukko 4) määritelty tälle mittaukselle, yksikkönä dbpw -taajuusalue 30 MHz MHz. Virtaklampin käyttö - approksimaatiomenetelmä - ei huomioi laitekotelosta säteileviä häiriöitä, vaan ainoastaan johtimista säteilevät häiriöt - mittausjärjestely yksinkertaisempi EMISSIO: SÄTEILEVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Taulukko 4 Säteilevien häiriöiden tyypilliset raja-arvot (EN55022) Kvasihuippuarvo Keskiarvo Taajuus [MHz] Häiriöteho [db(pw)] Häiriökenttä [db(µv/m)] Häiriöteho [db(pw)]

25 EMISSIO: SÄTEILEVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Sähkömagneettisen häiriökentän mittaminen -käytetään antennia, antenni kalibroitava - julkaisussa CISPR 16-1 esitetään useita mahdollisia antennivaihtoehtoja - antennitekijä (antenna factor) otettava huomioon, jotta antennilla mitatusta jännitteestä saadaan laskettua sähkökenttä Mittaus - antenni riittävän kaukana testattavasta laitteesta, kaukokentässä * standardien mittaustaajuuden alaraja 30 MHz edellyttää vähintään 1,6 m:n etäisyyttä mitattavan laitteen ja antennin välillä * tyypillisesti pienin mittausetäisyys 3 m (kaukokenttvaatimus) - testattavan laitteen ja antennin ympärille tarvitaan riittävästi vapaata tilaa - jos laite kyllin pienikokoinen ja pyörivällä pöydällä (Kuva 8) vapaaksi tilaksi riittää Fresnelin ellipsoidin määrittelemä alue - suurin osa RF-kentästä siirtyy testattavalta laitteelta antennille Fresnelin ellipsoidin sisällä (Kuva 9) - useissa std-mittauksessa johtava maataso (maaheijatus) EMISSIO: SÄTEILEVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Antenni Mittausetäisyys, tyypillisesti. 3, 10 tai 30 m säädettävä m, molemmat polarisaatiot Pyörivä puinen pöytä DUT 0,8 m Maataso Kuva 8. Säteilevien häiriöiden mittausjärjestely.

26 EMISSIO: SÄTEILEVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Kuva 9. Fresnelin ellipsin määrittämä vapaan tilan tarve. EMISSIO: SÄTEILEVIEN HÄIRIÖIDEN MITTAAMINEN Mittalaite - tarvittavan vapaan tilan ulkopuolella - jos mittaus häiriösuojatussa huoneessa, mittalaite huoneen ulkopuolella - mittalaitteen pystyttävä ilmaisemaan kvasihuippuarvoa (QP) - mittauskaistanleveydet määritelty julkaisussa CISPR 16-1 Mittausetäisyydet - tavallisesti 3 m, 10 m tai 30 m - mittaustulokset joudutaan normalisoimaan standardin mukaiseen mittausetäisyyteen - normalisointiin käytetään 20 db/dekadi käänteistä korjauskerrointa, mikä vastaa sähkökentän vaimenemisen 1/r -verrannollisuutta kaukokentässä Antennimittaus on EMC-mittauksista vaativin ja virhetekijöitä voi olla runsaasti - esim. heijastukset häiriösuojatussa, mutta vaimentamattomassa huoneessa - mikäli laitteeseen menevät johdot ovat pitkiä (useita metrejä), niin mittaustulokset voivat muuttua kymmeniä desibelejä johtojen asentoa muutettaessa

27 SIETOTESTIT Häiriönsieto - kriteerinä hyväksymiselle laitteen toiminta testin aikana ja sen jälkeen - toiminnan arvioimiseen ohjeet laitteen toimintaa kuvaavista luokista * luokkien asteet (kriteerit) vaihtelevat toiminnasta tarkoitetulla tavalla laitteen rikkoontumiseen - toimintakriteerit määriteltävä tarkemmin laitekohtaisesti, standardeissa peruslinjaus - standardeissa määriteltävissä vaatimustasoissa esiintyy myös luokka x, jolloin laite testataan määrättyä suuremmalla tasolla STAATTISEN SÄHKÖN PURKAUS (ESD) Testausjärjestely - riippuu laitteen käyttötarkoituksesta (pöydällä vai lattialla käytettävä laite) 0,1 m Vaakapurkaustaso Eristekerros DUT Pystypurkaustaso Puinen pöytä Maataso 0,8 m Kuva 10. ESD-testijärjestely pöydälle sijoitettaville laitteille ilman vastuksia ja testigeneraattoria

28 STAATTISEN SÄHKÖN PURKAUS (ESD) Staattisen sähkön purkaustesti (ESD) - käytetään ESD-generaattoria, josta vakioitu pulssimuoto - simuloi ihmiskehosta saatavaa ESD-purkausta - generaattorista kontakti- tai ilmapurkaus - kontaktipurkauksessa purkauskärki kiinni laitteeseen ennen purkauksen antamista - ilmapurkauksessa kipinäväli, vastannee paremmin todellista tilannetta - kontaktipurkauksen toistettavuus parempi - tyypilliset testitasot alle 20 kv (Taulukko 5) - purkauksia annetaan vähintään 10 kpl kullakin testattavalla tasolla - joskus käytetään myös ns. sarjapurkausta Taulukko 5. Tyypillisiä ESD-testissä käytettäviä jännitetasoja Taso [±kv] (posit. ja negat. polarisaatio) Ilma eli kipinäpurkaus Kontaktipurkaus STAATTISEN SÄHKÖN PURKAUS (ESD) generaattorin maadoitusjohto maatasolle, 2 m pitkä ESDgeneraattori purkauskärki Purkaustasot Eriste DUT ESD-testi - EMC-testeistä helpoimpia suorittaa - ESD-pulssi hyvin nopea, joten sen kattama taajuusalue laaja - kannattaa harkita tehtäväksi jo tuotekehitysvaiheessa siedon arviointitestinä

29 NOPEAN TRANSIENTIN JA PURSKEEN SIETO FAST TRANSIENT AND BURST Testi - laite altistetaan johtojen kautta tuleville nopeille pulsseille, joita lähetetään purskeina * testipulssin nousunopeus 5 ns ja kesto 50 ns * purskeen kesto 15 ms ± 20 % ja jaksonpituus 300 ms ± 20 % * impussien toistotaajuuus purskeessa 5 khz Testigeneraattori - tuottaa toistettavia pulsseja - kytkeytyminen laitteen johtoihin kapasitiivisella klampilla tai kytkeytymisverkolla - kapasitiivisena klamppina testattavan johdon ympärille asetettava metallivaippa - tavallisesti verkkojohdot testataan kytkeytymisverkolla ja signaali- sekä kontrollijohdot kapasitiivisella klampilla - testitasot määritellään eri porteille hieman eri tavoin (Taulukko 6) * tehonsyöttölinjoilla tiukemmat vaatimukset NOPEAN TRANSIENTIN JA PURSKEEN SIETO FAST TRANSIENT AND BURST Testijärjestely - kytkentälaitteen ja EUT:n väli korkeintaan 1m - testattavan johdon metrin yli menevä osa kiedottava max. 0,4 m kiepille - testausaika kullakin testitasolla on vähintään 1 minuutti - laitteen toimintaa tarkkailtava testin aikana - lisäksi suodatettava verkkoon menevät häiriöt Testigeneraattori 5/50 ns pulsseja ulos purskeina kytkeytymisverkko tai klamppi DUT Kuva 11. Nopean transientin ja purskeen sietotestin periaate.

30 NOPEAN TRANSIENTIN JA PURSKEEN SIETO FAST TRANSIENT AND BURST Taso Tehonsyöttöjohtimet I/O-, kontrolli- ja signaaliportit 1 0,5 0, , x x x Taulukko 6. Tyypillisiä testitasoja (kv) nopean transientin/purskeen sietotestissä. RF-KENTÄN SIETOTESTI Suurtaajuisen RF-kentän sietotesti - antenni säteilylähteenä - antennitekijä otettava huomioon * TAF = transmit antenna factor ei ole sama kuin emissiotestissä * emissioille AF = antenna factor - kentänvoimakkuudet tarkistetaan mittausanturilla kentän kalibroinnin yhteydessä - käytettävät kentänvoimakkuudet: testaustasot 1, 3, 10 V/m tai erikseen määritelty suurempi (x) - RF-signaaligeneraattori testattavalle taajuusalueelle (tyypillisesti 80 MHz...1 GHz) - käytännössä tarvitaan lisäksi laajakaistainen tehovahvistin Testausjärjestely - pyritään käyttämään häiriösuojattua ja häiriövaimennettua huonetta tai GTEM-solua, koska aiheutetaan häiriöitä laajalle taajuuskaistalle suurillakin säteilytasoilla - huoneessa oltava vaimennusmateriaali kaikilla sivuilla, myös lattiassa * emissiotestissä yl. maataso heijastava - antennia ei liikuteta korkeussuunnassa, koska kenttä kalibroitu etukäteen - antennin polarisaatiotasoa kääntämällä toinen mittaussuunta - johtojen pituudeksi määritelty yl. 1 m, yli menevä osa kiepille