Stoppa störningar!

Kurskapitel A, del 1: . Vad alla bör känna till om EMC.

Detta kurskapitel (det första i en serie självstudiekurser) är ämnat som en motivation för EMC-aktiviteter samt introduktion till EMC-ämnet och bör studeras av alla personkategorier: chefer (alla nivåer), kvalitetsansvariga, projektledare, marknadsförare, säljare, installatörer, el- och elektronikkonstruktörer, mekanikkonstruktörer och andra som arbetar med produkter med el- och elektronik. EMC förklaras och EMC-termer samt begrepp definieras.

.

Vad är EMC?

EMC (EMC = Electro Magnetic Compatibility (definieras senare) betyder, som de flesta vid det här laget förmodligen vet, elektromagnetisk förenlighet eller samexistens. EMC är ett tillstånd då all utrustning (apparat, delsystem, system, anläggning, fordon, båtar, fartyg, osv) med el- och elektronikkomponenter fungerar utan att störa varandra (dvs en apparat stör inte en annan apparat) eller utan att bli störda av naturliga elektromagnetiska fenomen såsom urladdning av elektrostatisk laddning (ESD), åska eller jordmagnetiska stormar. 

 

Ett objekt har ändliga, dubbelriktade EMC-egenskaper (reglerat i lag genom minimikrav); dvs det tål en viss grad av elektromagnetisk miljöpåverkan samtidigt som det påverkar denna miljö till en viss grad. Man kan säga att objektet har en viss tålighet mot elektromagnetisk påverkan och att det även påverkar den elektromagnetiska miljön genom elektromagnetisk emission. Notera att detta gäller för alla frekvenser från 0 Hz till 300 GHz! 

Hur vet jag att en utrustningen krånglar på grund av störning?

Om en apparat går sönder (katastroffel), dvs slutar fungera som det är tänkt, så kan ju detta ha många orsaker. En möjlighet är att den blivit utsatt för en kraftig elektromagnetisk påverkan, t ex åska, urladdning av statisk elektricitet (ESD), över- eller underspänning (signal eller drivspänning) eller kraftigt elektromagnetiskt fält. 

 

Apparaten behöver inte gå sönder omedelbart vid påverkanstillfället, apparaten kan åldras i förtid och felet inträffar senare. Vid katastroffel är felsökning och första åtgärd inte så svår: felaktig apparat byts ut eller repareras. Däremot kan felorsaksanalys vara besvärlig (vad orsakade felet?) och kräver ofta bedömning av erfaren personal (EMC-specialister) och ev felanalys på mikrokretsnivå. Har felet uppstått pga svaga komponenter eller pga yttre påverkan? 

 

Om felet visar sig bero på elektromagnetisk påverkan uppstår behovet av förebyggande åtgärder baserat på analys av användnings- och installationsförhållanden. Återigen behov av EMC-specialister med tillgång till lämplig utrustning och erfarenhet. 

 

Betydligt svårare är det att hitta och åtgärda sporadiska fel, dvs felfunktion eller bristande prestanda, som bara uppträder ibland. En påkänning, som ibland leder till katastroffel, kan i andra fall ge upphov till sporadiska fel utan att någon komponent är trasig. Exempel: lågnivå-ESD, tillfälliga transienta överspänningar och em-fält, radiosändarfält, radiofrekvent emission från oavsiktliga radiosändare (Radio Frequency Interference, RFI). RFI ger sig oftast till känna genom oljud eller dålig bildkvalitet, men även som räckviddsminskning (”dålig täckning”). Behov av EMC-specialister är i dessa fall ännu större. 

Varför EMC?

Är det önskvärt att definiera en produkts EMC-egenskaper? Vi vågar påstå att både kunder (användare) och leverantörer önskar produkter med störningsfri funktion. Man önskar tillräckliga EMC-egenskaper i första  hand av kvalitetsskäl, men de lagliga kraven är tvingande: apparater får inte säljas eller tagas i bruk om de inte uppfyller lagens krav! 

 

I så fall: hur får man dessa önskade egenskaper? Man måste konstruera, bygga och installera för att uppnå tillräckliga EMC-egenskaper! Skulle t ex en biltillverkare försöka åstadkomma krockskyddsegenskaper endast genom provning? Naturligtvis skall önskade egenskaper konstrueras och byggas in i objektet antingen det gäller krockskydd eller EMC. EMC-konstruktionsarbetet måste börja redan på idéstadiet. 

EMC är en del av en produkts kvalitet

Definition: EMC är en apparats, utrustning eller systems förmåga att fungera tillfredsställande i sin elektromagnetiska miljö utan att oacceptabelt påverka någonting i denna miljö. Se mer senare! 

Huruvida en utrustning fungerar tillfredsställande eller oacceptabelt påverkar annan utrustning avgörs ju av användaren. Med kvalitet avses att en användare är nöjd med produkten. Således är en produkts EMC-egenskaper en del av produktens kvalitet. Konsekvensen av detta är, att det är företagets eller projektets kvalitetsansvarig, som ska driva EMC-verksamheten. 

EMC i hela projektet

EMC-hänsyn måste genomsyra hela produktframtagningsprocessen från idé till avveckling! EMC är ett komplext ämne. Många människor i ett företaget eller projekt är involverade. Detta kräver samarbete. EMC berör många områden: teknik (ellära, konstruktionspraxis, standardtillämpning, provningsmetodik mm), administration (projektledning, organisation, inköp, marknadsföring, försäljning, mm) och juridik (lagar, förordningar, föreskrifter, mm). EMC-egenskaper uttrycks förvisso i elektromagnetiska termer, men har stor inverkan på det mekaniska utförandet; allt från IC-kretsar, kretskort och kablage till apparathöljen samt montering. 

 

Det är inte en omöjlig uppgift att med rimliga medel åstadkomma önskade EMC-egenskaper hos en produkt. För att lyckas med EMC behöver man, förutom provningsresurser: kunskap, erfarenhet och kontinuitet i EMC-arbetet. Det går att modifiera befintliga apparater så att de uppfyller CE-märkningskraven eller kundens funktions- och prestandarelaterade EMC-krav, men det blir alltid billigast om man tar hänsyn till dessa krav redan på idéstadiet. Processen för att bygga in EMC-egenskaper skiljer sig inte mycket från att bygga in andra miljöegenskaper (fukttålighet, temperaturtålighet, skak- och vibrationstålighet, tysthet osv) i en produkt. 

 

Vid modifiering får man oftast vara bered på omfattande och kostsamma förändringar. Det händer ibland att en produkt går att förbättra med relativt små förändringar, men det är ytters sällsynt att en produkt klarar all EMC-provning vid första försöket utan omfattande EMC-arbete. EMC-provning motiveras av specificerade krav på EMC-egenskaper, jfr med övrig miljöprovning. 

 

I alltför många produktutvecklingsprojekt görs fortfarande misstaget att EMC-kraven sätts långt ner på projektledarens eller konstruktörens kravlista, om de överhuvudtaget är uttalade (brist på rutin)! I dagens snabba utveckling är produkternas livslängd allt kortare, vilket i sin tur kräver kortare utvecklingstid – pressen är stor att lyckas första gången. 

EMC är inte endast provning

Många sätter tyvärr likhetstecken mellan EMC och EMC-provning. Även om EMC-provning är en viktig ingrediens i EMC-arbetet är det långt ifrån allt. EMC-arbetet måste påbörjas långt innan man kommer till det verifierande provningsstadiet; risken är annars stor att man får börja om med konstruktionsarbetet eller, i bästa fall, genomföra omfattande förändringar. 

 

Vi upprepar: EMC-verksamheten i ett projekt måste starta redan på idéstadiet och ska vara en integrerad del av produktutvecklingen samt ska bedrivas kontinuerligt under produktens hela livscykel. Tid och resurser behöver således anslås för en mängd EMC-aktiviteter, se Figur A 01. 

Figur A01. EMC-aktiviteter från ide till avveckling.

 

En störningskälla avger ett potentiellt störande elektromagnetiskt fenomen (kallas störning). Om en annan krets blir exponerad för denna störning kan den orsaka störning i denna krets, som då blir störningsoffer. Notera att samma ord, störning, i svenskan både avser fenomenet och effekten, konsekvensen, av fenomenet. I engelskspråkig litteratur kallas fenomenet disturbance och verkan av detta interference. 

 

Man eftersträvar dels låg störningsemission, dels hög störningstålighet. När apparatens störningstålighetsnivå överstiger omgivande apparaters störningsemissionsnivå har man inga störningsproblem. Detta gäller i varje punk mellan störningskällan och störningsoffret. 

 

Notera att ett störande elektromagnetiskt fenomen kan vara en önskad eller oönskad elektromagnetisk emission (t ex en medvetet utsänd radiosignal eller en oönskad radiofrekvent emission från en dator). 

Definitioner

EMC = ElectroMagnetic Compatibility = elektromagnetisk kompatibilitet eller förenlighet eller samexistens. 

 

Definition: en utrustnings eller systems förmåga att fungera tillfredsställande i sin elektromagnetiska miljö utan att oacceptabelt påverka någonting i denna miljö. EMC är det tillstånd som eftersträvas, i vilket man inte har problem med elektromagnetiskt orsakade störningar. 

 

EMI = ElectroMagnetic Interference = elektromagnetisk störning. Oönskad effekt i apparat orsakad av elektromagnetiskt fenomen (motsatsen till EMC). 

 

RFI = Radio Frequency Interference = radiofrekvent störning. Störningssituation i radiosystem, mestadels i radiomottagare, orsakad av radiofrekvent elektromagnetiskt fenomen. 

Störning

Det finns två definitioner av det svenska ordet störning: 

  • Elektromagnetiskt fenomen, vilket orsakar oacceptabel funktions- eller prestandaförsämring i komponent, apparat, utrustning eller system. Engelska: disturbance. 
  • Funktions- eller prestandaförsämring av komponent, apparat, utrustning eller system orsakad av elektromagnetiskt fenomen. Engelska: interference. 

EMC-egenskaper

I princip kan en apparats EMC-egenskaper delas upp i fyra olika delar, se Figur A 02. 

Emission (störningsemission) är apparatens bidrag till sin elektromagnetiska omgivning (till den elektromagnetiska miljön). Störningsenergin kan koppla till omgivningen på två sätt: 

  • Via anslutande kablar och ledningar = ledningsbunden eller ledd emission. 
  • Som elektromagnetisk fält, som läcker ut via öppningar och diskontinuiteter i skärmen eller via till apparaten anslutna kablar = fältemission. 
Figur A02. EMC-egenskaper.

Båda dessa egenskaper är entydiga och relativt lätta att mäta. En apparats emission är kanske inte det första en konstruktör tänker på när det gäller ev. störningsbekämpning; det är kanske snarare apparatens tålighet mot störning denne bekymrar sig för. Även här skiljer man på ledd (ledningsbunden) koppling och fältkoppling, men då till apparaten: 

  • Störningsenergi kopplas till apparaten via kablar = tålighet mot ledningsbunden eller ledd störning. 
  • Störningsenergi kopplas till apparaten (och dess kablar) som fält = tålighet mot störningsfält.

I litteratur, särskilt i standarder, förekommer olika förkortningar för dessa egenskapstyper: 

  • CE = conduced emission 
  • RE = radiated emission 
  • CI = conducted immunity 
  • CS = conducted susceptibility 
  • RI = radiated immunity 
  • RS = radiated susceptibility 

Det är oftast besvärligare att utföra provning av tålighet, bl a eftersom alla apparatens utparametrar (elektriska, optiska, mekaniska, kemiska mm) bör övervakas. Apparatens tålighetskriterier ska även vara definierade före provningens början. 

 

En lite speciell typ av påkänning är den pga ESD (electrostatic discharge, urladdning av statisk elektricitet). Vid provning av tålighet mot urladdning av statisk elektricitet är det svårt att särskilja påkänning orsakad av ledd påkänning eller fältpåkänning; ESD kopplar till apparaten på båda sätten samtidigt. 

Tålighetskriterier

Det finns alltid en viss mängd störningsenergi i en apparats omgivning. Apparaten bör kunna fungera i sin avsedda omgivning trotts dessa störningar. Vi vill att apparaten ska besitta tålighet mot dessa störningar till en viss nivå. Tålighetsnivåer bör bestämmas, men de är meningsfulla bara om de kopplas ihop med tålighetskriterier. Dessa beskriver vad som får och inte får hända när apparaten utsätts för angivna påkänningsnivåer. 

 

I likhet med emissionsfallen brukar man skilja på fall då apparaten exponeras för störningen via dess ledningar, vilket benämns tålighet mot ledningsbunden (eller ledd) störning, och då apparaten exponeras för störande fält, benämnd tålighet mot fältstörning. 

 

I olika störningstålighetsstandarder finns i regel olika tålighetskriterier angivna. Beroende på standard kan variationer förekomma, exempelvis: 

  • full funktion, 
  • prestandaförsämring och funktionsstörning, 
  • tillfälligt utebliven funktion eller prestanda eller 
  • förstörelse. 

Full funktion innebär att provningsobjektet skall fungera som avsett utan prestandaförsämring under hela tiden störningarna förekommer vid specificerad nivå eller högre (vid provning: under exponering av de simulerade elektromagnetiska påkänningarna). 

 

Detta gäller oftast för kontinuerlig störningsexponering, t ex för radiofrekventa fält. En radiostation sänder ju kontinuerligt under en kortare eller längre tid. En apparat som utsätts för stationens radiofrekventa fält skall tåla dessa utan att påverkas. 

 

Prestandaförsämring och funktionsstörning innebär att provningsobjektet tillåts att påverkas av störningarna under exponeringstiden, men apparaten skall automatiskt återgå till normal funktion omedelbart eller efter en viss specificerad tid, efter att störningarna har upphört. Apparaten skall bete sig likadant efter en störningspåverkan som före densamma! 

 

Detta gäller till exempel för transienta, tillfälliga, störningar, som oftast är kortvariga. Apparaten skall inte ha ändrat operationstillstånd eller minnesinnehåll när störningen har upphört. 

 

Tillfälligt utebliven funktion eller prestanda innebär, att provningsobjektet tillåts bli påverkat av störningarna temporärt, men apparaten skall återgå till normal full funktion och prestanda av sig själv eller efter enklare manuell manöver, såsom ”återstart” eller genom att bryta och åter sluta matningsspänningen.

 

Förstörelse kan ibland accepteras under förutsättning att reparation kan ske inom specificerad tid, som t ex för vissa extrema och sällsynta typer av påkänningar såsom EMP (elektromagneic pulse). Då krävs det att det finns reservdelar lätt tillgängliga. 

 

Klicka för större bild

 

Miklos Steiner, redaktion@electronic.se
Ulf Nilsson, emculf@gmail.com