|
EMC - ett krav i tiden
Göran Gustafsson AEF
Uppdaterad 2025-06-11
EMC – ett krav i tiden
Apparater och system Måste
konstrueras med tanke på den gemensamma elektromagnetiska miljön, med hänsyn
till olika typer av elektriska störningar och störkänsligheten hos elektronik.
Problemet har aktualiserats eftersom elektronikutvecklingen går mot snabbare och
mera komplexa kretsar som opererar med allt lägre energinivåer samtidigt som
mobiltelefoni, trådlösa nätverk och annan kommunikation fått en oerhört snabb
spridning och blivit till ett alltmer besvärande störproblem för andra
elektroniska apparater och system.
ALLMÄNNA ELMILJÖBEGREPP
ELMILJÖ,
EMC, EMI, RFI, ESD och RÖS
1 EMC = Elektromagnetisk
kompatibilitet
2
EMI = Elektromagnetisk interferens
3
RFI = Radiofrekvens interferens
4
ESD = Elektrostatisk discharge
5
RÖS = Röjande signaler
1
EMC =
Elektromagnetisk kompatibilitet
Elektromagnetisk
kompatibilitet är en apparats, utrustning eller ett systems förmåga att fungera
tillfredsställande i sin elektromagnetiska miljö utan att oacceptabelt påverka
annan utrustning.
2
EMI =
Elektromagnetisk interferens
Elektromagnetisk interferens
är en komponents, utrustning eller ett systems försämrade egenskaper, orsakade
av elektromagnetiska fenomen.
3
RFI =
Radiofrekvens interferens
Radiofrekvent interferens.
Elektriska apparater och system kan genera RFI och EMI som kan påverka
ljudkvaliteten i ett HiFi-system. Dessa interferenser kan orsaka störningar och
oönskade signaler som påverkar grundsignalen.
4
ESD=
Elektrostatisk discharge
Elektrostatik discharge.
Elektriska urladdning sker på olika sätt och från olika material. Redan under
50–60-talet upptäckte man att MOS-transistorn var känslig för ESD. Sedan dess
har en mängd olika typer av halvledare utvecklats med allt tunnare ledare och
mindre isolationsavstånd. Detta har medfört att känsligheten för ESD-skador har
ökat.
5
RÖS =
Röjande signaler
Röjande signaler breder ut
sig som ledningsbundna och strålad vågutbredning. Ledningsbunden utbredning sker
främst utefter kraft- och teleledningar men också utefter andra metalliska
ledare såsom vattenledningsrör och armeringsjärn.
Utveckling och konstruktion
av Elektronik
1 EMC = Elektromagnetisk
kompatibilitet.
EMC är oftast avgörande för
att säkerhetsställa att elektroniska och elektriska apparater fungerar som de
ska och inte påverkar varandra negativt.
Genom att upprätthålla god
EMC kan man förhindra potentiella säkerhetsproblem som kan uppstå om
elektromagnetiska störningar påverkar kritiska system, som medicinsk utrustning
eller flygplanssystem.
Att uppfylla EMC-krav är ofta
ett nödvändigt/krav för att kunna använda produkten i civila – och militära
system.
Sammanfattningsvis är EMC en
viktig aspekt av elektroniska och elektrisk design och utveckling, som syftar
till att säkerhetsställa att enheter fungerar korrekt i en elektromagnetisk
miljö utan att orsaka eller påverkas av störningar.
EMC kraven ställs på alla
militära elapparater och system som vi utvecklade, konstruerade och tillverkade
vid utvecklingsavdelningen vid CVA.
Kraven på militära
utrustningar var att de ska uppfylla kraven enligt milnorm MIL-STD-461 C/D.
Egenskaperna är indelade
enligt följande:
-
SE =
conducerad emission (avgiven ledningsbunden störning) t.ex. CE03
-
SC =
conduserad susceptibility (tålighet mot ledningsbunden störning)
t.ex. CS02
-
RE =
radiented emission (avgiven strålad störning) t.ex. RE02
-
RS =
radiented susceptibility (tålighet mot strålad störning) t.ex. RS03.
Bilden visar
störningseffekter som militära flygplan kan bli utsatta för.
Figuren visar lämplig placering av olika underenheter i en apparat
EMC- åtgärder som
förekommer i ett projekt alla faser:
-
Zonindelning (analogdel skiljes från digitaldel)
-
Avstörning
-
Överspänningsskydd
-
Mönsterkortlayout
-
Val av komponenter
-
Kretskort
-
Avkopplingskondensatorer
-
Gränssnittskretsar
-
Bussar och busskretsar
-
Isolation
-
Skärmning och filtrering
-
Stabilt jordplan
-
Interfacekretsar skall ligga nära sina kontaktdon
-
Högfekventa kretsar skall monteras nära kontaktdon
-
Filterkondensatorer skall ligga extremt nära sina IC-kretsar
-
Skärmad apparatlåda
Kretskort
Kretskorten är ofta betydelsefulla komponenter i en elektronikapparat.
Mönsterkonstruktionen startar vanligen med att bestämma om man ska använda ett
tvålagerkort eller ett flerlagerkort (multilagerkort). Avgörandet styrs av om
det är praktiskt möjligt att komma fram med alla ledare på endast två lager, och
av tvekan inför att ett tvålagerkort kommer att uppfylla EMC- kraven. De allra
flesta kretskort som konstrueras i dag har fyra eller flera lager. Om
mönsterkonstruktionen kan ”lösas” på endast två lager så bör detta prövas.
När antalet lager är valt måste placeringen av de enskilda lagren bestämmas.
Om de tekniska argumenten skall ligga till grund för lagrens placering t ex i
ett fyrlagerkort, avgör man först om jord och spänningsplanen skall ligga
ytterst eller innerst.
Förutsättningen för att uppfylla hårda EMC- krav är att
mönsterkortskonstruktionen, komponentplaceringen och effektiv skärmning
uppfylles.
Det inre området bör delas upp i olika areor så att de är avskilda dels från
varandra och dels från den yttre miljön. Ett effektivt sätt är att dela upp
kretskortet i två huvuddelar, en analog och en digital. Dessa huvuddelar skall
därefter delas upp i allt mindre areor beroende på vilka komponenter som ska
monteras. Ett vanligt fall är om en störande komponent placeras i en arias
ytterkant och en känslig komponent befinner sig i en närliggande arias
ytterkant. Den störande kretsen kommer då fortfarande att påverka den känsliga
trots att de befinner sig i olika areor. De mest störande och känsligaste
komponenterna i respektive kategori bör placeras ut först och så centrerande i
inom sina areor som möjligt. De mest känsliga komponenternas ledare och kablar
skall vara så korta som möjligt, då risken annars är att de börjar fungera som
antenner
Mönsterkort med komponenter. Vid
placering av komponenterna på mönsterkortet måste hänsyn tas för bl. a höga
frekvenser, strömmar, spänningar och mycket annat.
Förutsättningen för en EMC-
anpassad produkt är att elektronikkonstruktionen, komponentplaceringen och
skärmningen är optimerad.
Kretskortet indelat i en digitaldel och analogdel.
2
EMI = Elektromagnetisk interferens
3 RFI = Radiofrekvens
interferens
Elektromagnetisk störning är
en komponents, utrustning eller ett systems försämrade egenskaper, orsakade av
elektromagnetiska fenomen.
Elektromagnetisk interferens
(EMI) och radiofrekvent interferens (RFI) utgör störningar och oönskade effekter
på komponenter, enheter och system.
Elektromagnetisk störning
även kallad radiofrekvensstörning i radiofrekvensspektrumet, är en störning som
genereras av en extern källa som påverkar en elektrisk krets genom
elektromagnetisk induktion, elektrostatisk koppling eller ledning.
4 ESD=Elektro Static Discharge.
Elektriska
urladdning sker på olika sätt och från olika material.
Statisk elektricitet finns i
vår omgivning, på arbetsytor, golv, stolar, kläder, förvaring,
förpackningsutrustning, arbetsplatsutrustning mm.
Elektrostatisk
urladdning sker på olika sätt och från olika material.
•
Isolerande:
Elektriskt isolerande material. (Som t.ex. plast, glas, syntetmaterial.)
•
Dissipativa:
Svagt elektriskt ledande material. (Halvledare.)
•
Ledande:
Elektriskt ledande material. (Som t.ex. metaller.)
Urladdning från uppladdad
person eller verktyg till elektronikkomponenter eller kretskort är vanligt.
Uppladdning från enskild, uppladdad elektronikkomponent till jord eller
kretskort förekommer.
Orsak till ESD- skador
•
Uppladdning från uppladdad person eller verktyg till elektronikkomponent
eller kretskort.
•
Urladdning från ett uppladdat kretskort eller en hel enhet till person.
•
Uppladdning från en enskild, uppladdad elektronikkomponent till jord
eller kretskort.
•
Direkt påverkan från ett elektrostatiskt fält.
Triboelektrisk serie.
ESD-skador
Vad händer
med komponenterna och kretsarna vid en ESD- skada?
-
Katastrofala fel:
I ”bästa ”
fall leder ESD-skadan till att komponenten helt gås sönder och blir
förstörd. Detta leder i sin tur till att också enheten, där den
förstörda komponenten ingår i, också slutar att fungera.
-
Latenta fel:
I värsta
fall blir komponenten bara delvis skadad och fortsätter att fungera. Men
successivt kommer skadan att förvärras så att enheten, där den skadade
komponenten ingår i drabbas av allt flera och kraftigare
funktionsstörningar och till slut slutar fungera långt innan det var
tänkt. Detta är tyvärr den
vanligaste och alvarligaste typen av ESD-ska da.
Skador på komponenter (halvledare) vid ESD-
urladdningar.
ESD skadad MOS-
transistor och operationsförstärkare.
 
ESD- skada på
IC-krets.
OP-förstärkare HA 4741.
5 RÖS = Röjande signaler
Röjande signaler breder ut
sig som ledningsbundna och strålad vågutbredning. Ledningsbunden utbredning sker
främst utefter kraft- och teleledningar men också utefter andra metalliska
ledare såsom vattenledningsrör och armeringsjärn.
Strålad utbredning sker från
apparater som innehåller RÖS-källor och är i huvudsak begränsad till höga
frekvenser (> f= 50Mz) där ledningar i och med typiska längder i och utanför
apparaten kan fungera som sändarantenner. För lägre frekvenser minskar
antenneffektiviteten.
Icke önskvärda
elektromagnetiska och/eller akustiska signaler, som alstras i
informationsberande utrustningar såsom datorer med kringutrustning,
ordbehandlingsmaskiner, dataterminaler, fjärrskriftmaskiner,
krypteringsapparater och andra telekommunikationsutrustningar etc. och som kan
tydas av obehörig, kan bidra till att sekretessbelagd information röjs.
En stor fördel är att använda
optokablar/fiberkablar vid analog- och digitala överföring av RÖS. Fördelarna är
här stor datakapacitet, höga datafrekvenser och störningsfri överföring.
RÖS-signaler i fiberkablar är nästan omöjligt att avlyssna. (Stor störsäkerhet.)
Elektromagnetisk
överhörning mellan metalliska ledare kan ge upphov till radio – RÖS.
Ledningsbunden och strålad utbredning av RÖS.
Förutom att strålad
utbredning kan ske direkt från apparater som innehåller RÖS-källor, kan strålad
utbredning ske i form av radio RÖS.
Vanliga enheter som genererar
RÖS är mobiltelefoner och datanätverk som sänder och tar emot signaler.
RÖS-säkerhetsavstånd
definieras som ”ett avstånd inom vilket risk finns för att röjande signaler
skall kunna registreras”.
Det är också viktigt att
redan i konstruktionsfasen välja konstruktionsprinciper som kan leda till RÖS-
godkännande.
Exempel
på RÖS-skydd vid datakommunikation.
Provning av EMC
När militära apparater eller
system är utvecklade och tillverkade återstår omfattande provning.
Typprovning som omfattar
elektrisk provning, mekanisk provning, klimatisk provning och elmiljöprovning (EMC-,
EMI- och RFI).
Först utförs
konstruktionsprovning. Under konstruktionsarbetet är oftast fördelaktigt att
utföra en rad konstruktionsprovningar av delkonstruktioner och prototyper. Denna
provning kan ge värdefullt underlag som komplement till uppbyggnadsgranskningen.
Den tillverkade prototypenhet
testas först mot en testutrustning i rätt elektrisk miljö enligt tillhörande
specifikation och gällande normer.
Sedan utföres funktionstest i
testrigg där hela prototypen och elektroniksystemet testas dynamiskt.
De normer och krav som
tillämpas är militära MIL-STD-461 C/D och civila EU- direktiv EM 55000 och EN
61000.
Är provapparaten bestyckad
med CPU ska tillhörande programvaran vara installerad.
Typprov Elmiljö (enligt MIL-STD-461C/D).
Elmiljö
(enligt standard MIL-STD-461C/D)
Tålighetsprovning vid olika
driftsfaser utföres enligt följande delprover:
-
CE03 (Avgivna
ledningsbundna störningar).
-
CE07 (Avgivna
transienter vid till- och frånslag).
-
CS01 (Tålighet mot
ledningsbunden störning, 30 Hz-50 kHz).
-
CS02 (Tålighet mot
ledningsbunden störning, 50 kHz- 400 MHz).
-
CS06 (Tålighet mot
ledningsbunden störning, kraftledningar, transienter).
-
RE02 (Avgiven strålad
störning, elektriska fält 14 kHz-18 GHz).
-
RS02 (Tålighet mot
strålad störning, magnetiska fält kopplas induktivt).
-
RS03 (Tålighet mot
strålad störning, elektriska fält 14 kHz- 40 GHz).
ESD (Enligt IEC 1000-4)
Åska (Enligt EN 61000-4-5,
IEC 1000-4-5)
Urladdningspulserna inkopplas
dels till kraftledningens fas (eller faser) och nolla och mellan nolla och
skyddsjord. Åskpulser testas också på signalledningar och signalkretsar,
interfacekretsar mm.
Inkoppling av pulsen till testobjektet sker via
kondensator eller gasurladdningsrör.
EMC prov
EMC provning utföres i ett
godkänt dämpat mätrum enligt bilden nedan.
Dämpat mätrum
EMC-testantenner
I dag har EMC blivet ett
mycket känsligare ämne, för civil och militär elektronik. Från militära
fältstyrkor till rymdteknik, från medicinsk till industriella tillämpningar
eller från bilindustrin, måste varje parameter uppfylla
EMC-kraven.
MTF (Microwave Test Facility)
Flygplans tålighet mot höga strålningsnivåer
och höga frekvenser.
För att prova de utrustningar som kan bli
utsatta för höga strålningsnivåer har en anläggning, ett system som klarar av
detta utvecklats och tillverkats i Sverige. MTF med sina fem mikrovågssändare i
L- , S- , C- , X- och Ku banden (1-18GHz) kan generera pulseffekter på upp till
25MW.
Effekten matas ut via vågledare till en
uppsättning hornantenner, som från taket av containern riktas mot provobjektet.
Elektromagnetisk
strålning kan innebära en katastrof om den stör ett flygplans känsliga
instrument och elektroniksystem.
Flygförare iklädda
skärmade elmiljöskyddsdräkter för att strålningstesta flygplan.
MTF är en kraftfull provutrustning som kan
användas vid elmiljöverifiering av många flera produkter som kräver denna typ av
prov.
Skrivet av:
Göran Gustafsson AEF
Uppdaterad 2025-06-11
Källor:
Egen erfarenhet från EMC-projektet som utvecklare,
konstruktör och tekniskt ansvarig.
|
