.

Electromagnetisk miljö, elmiljö

Engelska: Electro Magnetic Environment (EME). Elmiljö, eller elektromagnetisk miljö, definieras som mängden av alla elektromagnetiska fenomen existerande i en given volym. I alla utrymmen, installationsplatser och så vidare, råder en viss elektro­magnetisk miljö. Vi kan inte med våra sinnen känna de elektromagnetiska fenomenen förrän de når över vissa gränser, t ex för elchock, men vi kan mäta dem. Utrustning med elektronik utsätts för och kan påverkas av installationsplatsens elmiljö. Nivåerna för de olika fenomenen varierar oftast med tiden, t ex så finns enbart åskrelaterade fenomen när och där det är åskväder. En produkt som är tänkt att användas i en viss elmiljö bör vara byggd och specificerad för denna varierande miljö.

Varför EMC?

Eftersom användning av el- och elektronikutrustningar tränger allt mer och djupare in i alla delar av samhällslivet, ökar störningspotentialen och risken för allvarliga olyckor eller tillbud orsakade av bristfälliga EMC-egenskaper. Det finns verifierade exempel på dödsolyckor, där bristen på tillräckliga EMC-egenskaper varit direkt händelseorsak.

 

EMC är också relaterad till: produktsäkerhet, tillförlitlighet, ”fortifika­tion” (de känsligaste delarna är väl skyddade, som krutet i gamla befäst­ningar), signalintegritet, produktkvalitet (och därmed färre reklamatio­ner). Goda EMC-egenskaper påverkar dessa egenskaper i positiv riktning. Motivationen för att ställa och uppfylla EMC-krav kan vara:

• Verkligheten ställer EMC-krav: apparater och delsystem inom ett sys­tem eller installation resulterar ofta i kompakt uppbyggnad med korta avstånd mellan apparater och tillhörande kablar (exempelvis i maskiner, byggnader, fordon, båtar, flygplan, etc.).
• Det Europeiska EMC-direktivet och andra regelverk ställer krav (in­klusive gränsvärden) på enskilda apparater (ex: hushållsapparat, borrma­skin, TV, PC, larmcentral, frekvensomriktare mm).
• Kunder och användare har legitima krav att ”allt ska fungera”.

Störningar – Finns dom?

Elektromagnetisk störning betecknas i engelskspråkig litteratur som Electromagnetic Disturbance (fenomen) eller Electromagnetic Interference, EMI (verkan). Dessa fenomen, och verkan därav, är ett allvarligt och stän­digt ökande hot. Dess effekter (EMI) omfattar allt från mer eller mindre obetydliga störningar i radiokommunikation till felfunktion hos el- och elektronikutrustningar, vilka kan orsaka allvarliga olyckor eller tillbud i säkerhetskritiska system. Det förekommer även att illvilliga personer försöker störa eller förstöra apparater med hjälp av kraftiga elektromag­netiska effekter. Detta kallas på engelska för Intentional Electromagnetic Interference (IEMI).

 

Olika former av elektromagnetiska störningar (fenomen):

• orsakar ofta felfunktion i el- och elektronikutrustningar,
• hindrar eller försvårar radiokommunikation eller begränsar fullt utnyttjande av frekvensspektret,
• antänder explosionsfarliga gaser och material,
• orsakar förstörelse och olyckor samt
• kan ha effekt på biologisk material (uppvärmning).

Varför förekommer elektromagnetiska störningar?

Bristande EMC kan förklaras med i princip tre fysikaliska faktorer:

• Alltför stora skillnader mellan nyttosignalernas och störningarnas (= de ”oönskade signalernas”) effektnivåer. Till exempel: frekvensomriktare – radio; nättransient – logikkrets.
• Parasitiska, icke önskvärda och oftast förbisedda, egenskaper hos led­ningar och komponenter samt osynliga kopplingselement (se Figur A03) såsom induktans hos ledare, strökapacitans mellan ledare och komponen­ter samt parasitresonans.
• Olinjärt uppförande hos material och halvledarkomponenter, vilket bl a medför energiöverföring från ”utomband” till ”inomband” (se Figur A04).

I grunden kan ju inte en transistor avgöra vad som är rätt eller fel signal. Om transistorn utsätts för ”för hög” signal (till ingång eller utgång, inom eller utom tänkt bandbredd) reagerar den. Detta gäller oavsett om det handlar om analoga eller digitala kretsar. Om en transistor i en analog krets matas med en signal i storleksordningen brusnivån kommer signa­len att förstärkas. Detta normala beteenden gäller både inom som utom kretsens bandbredd, men med olika känslighet. Det är viktigt att kretsen inte utsätts för ”för höga” nivåer av oönskade signaler oberoende av frek­vens. Situationen blir värre om tredje fallet enligt ovan inträffar, dvs om en transistor drivs in i sitt olinjära område, då den kommer att fungera som ”likriktare”. Det senare förklarar t ex varför en audioförstärkare kan uppträda som radiomottagare (fenomenet kallas LF-detektering).

Kompatibilitetskilen

Figur A05 illustrerar elmiljöutvecklingen. De nedre röda kurvorna repre­senterar den allmänna emissionsnivåns (miljöns) ”toleransband”, som stän­digt växer bl a pga användning av fler och fler avsiktliga radiosändare och oavsiktliga emissionskällor. Både sammanlagd nivå och bandbredder ökar. De övre gröna kurvorna representerar den allmänna tålighetsnivåns ”to­leransband”, som visar en sjunkande tendens bland annat på grund av teknologiförändringar, framför allt pga ökande bandbredder, men även ökad användning av radiobaserade system samt minskande dimensioner.

Två tendenser kan urskiljas, vilka pågår parallellt:

Minskad tålighet mot elektromagnetisk påverkan pga känsligare kom­ponenter:

• från reläer till elektronrör till transistorer till IC-kretsar till mikropro­cessorer,
• VLSI-teknik (mikroprocessorer) för nya ändamål och användningsområ­den, där tidigare lösningar byggde på elektromekanik eller analogteknik,
• fler system med radiomottagare och
• bredbandigare system.

Ökad elektromagnetisk nedsmutsning av omgivningen, dvs försämrad elmiljö, pga:

• switchande styr- och drivelektronik, radar, bärbara telefoner, mm,
• mikroprocessorer och datorer med allt högre klockfrekvenser och större bandbreddsbehov samt halvledarteknologi med kortare omslagstider or­sakar nedsmutsning vid allt högre frekvenser.

Dessa två tendenser kan illustreras i form av ett minskande och ofta obe­fintligt förenlighetsgap. När den rådande elektromagnetisk miljö över­stiger i samma miljö installerade apparaters tålighet, uppstår det stör­ningsproblem. Detta illustreras med att toleransbanden delvis överlappar varandra.

 

Olika regelverk (nationella, regionala, internationella) och standarder syf­tar till att upprätthålla ett mer eller mindre definierat gap mellan emission och tålighet. Om man inte någon gång skulle tolerera visst överlapp, skul­le detta ofta resultera i omotiverade kostnader. I säkerhetskritiska system däremot måste sannolikheten för störning vara mycket mindre (= litet överlapp) än då störning enbart innebär irritation.

Exempel på störningskällor

I denna text nämner vi olika orsaker till störningseffekter i apparater med el- och elektronikkretsar. Här följer en lista med exempel på störnings­källor, utan att vi går djupare in på dessa källors egenskaper. Vi skiljer på naturliga fenomen och fenomen orsakade av olika former av utrustning (eng: man made):

Naturliga fenomen:

• Åska, statisk elektricitet, ESD, jordmagnetiska fältförändringar, sol-stormar, coronaeffekter.

Utrustningsalstrade, icke avsiktliga fenomen:

• Bristfällig elkvalitet
• Elektriska och magnetiska närfält från apparater och kablar orsakade av kraft- och signalspänningar och dito strömmar.
• Transienta spännings- och strömförändringar, både avsiktliga och oav-siktliga.
• Kretsar med reläer och kontaktorer (gniststörningar).
• Elmotorer med tillhörande drivkretsar (t ex frekvensomriktare).
• Mikroprocessorutrustningar.
• EMP (elektromagnetisk puls alstrad av kärnvapensprängning).

Utrustningsalstrade avsiktliga fenomen:

• Radio- och radarsändarfält, HPM (High Power Microwave, både radar och vapen).
• IEMI (Intentional EMI), avsiktligt alstrad störning.

Direktiv, lagar, förordningar och standarder

I Europa har vi t ex ett EMC-direktiv, som styr de nationella lagarna med syfte att åstadkomma ett rimligt kompatibilitetsgap till rimliga kostnader. De nationella lagarna (i Sverige: lagar, förordningar och föreskrifter) hän­visar till olika standarder, vilka anger hur man för olika typer av appara­ter kan visa att en apparat har förmodat tillräckliga EMC-egenskaper för den tilltänkta användningsmiljön. Se Figur A06.

 

Notera att befintliga standarder oftast avser apparaters EMC-egenskaper, vilka kan vara olika för olika apparattyper trotts att de kan användas i lika- dana miljöer. Angivna gränsvärden täcker dessutom inte alla före­kommande elmiljöeffekter. Detta beror delvis på att standardernas mål­sättning är att EMC ska uppnås med 80 % sannolikhet för 80 % av alla apparater.  Miljöstandarder finns att tillämpa då det saknas apparatstandard. Re­gelverket gäller även för system, men här gäller det att tillämpa relevant praxis.

 

I flera produktspecifika direktiv finns krav på EMC-egenskaper och i dessa fall behöver inte EMC-direktivet och till detta hörande nationella regler tillämpas. Notera att det legala regelverket, även om det uppfylls fullt ut, inte garan­terar att alla apparater och system kommer att fungera tillfredsställande i alla användningsmiljöer!

 

Den som vill uppfylla marknadens kvalitetskrav (= kundens legitima krav på full funktion och fulla prestanda) behöver därför utgående från en miljöanalys sätta upp egna EMC-krav.

Standarder

Man brukar kategorisera de olika EMC-standarderna enligt nedan. För att kunna tillämpas gentemot EMC-direktivet ska standarderna vara Eu­ropastandarder, även om standarderna har ett internationellt ursprung.

• Produkt- eller produktfamiljstandard är avsedd för bestämd apparattyp.
• “Generic standards” (generella standarder) är generella standarder och finns för vissa miljöer.
• “Basic standards” (grundstandarder) anger provningsmetoder.

Produkt- och generella standarder anger gränsvärden och hänvisar till grundstandarder avseende mätmetoder. Produkt- eller produktfamiljstandarder fungerar ibland som “grundstan­darder”.

Val av standarder:

1. Tillämpa i första hand produkt- eller produktfamiljstandarder.
2. Finns ej produkt- eller produktfamiljstandarder, tillämpa generella standarder.
3. Om produktens användningsmiljö är strängare än vad gränsvärden i standarder anger, skärp frivilligt gränsvärdeskraven (= kvalitetsförbättring).
4. Om produktens användningsmiljö innehåller andra typer av störning-ar än vad som täcks av generella standarder eller produkt- och pro-duktfamiljstandarder, tillämpa frivilligt även andra standarder (= kva-litetsförbättring).

Ett grundkrav i det europeiska EMC-direktivet är att ingen utrustning får störa och ingen utrustning får bli störd! Dessutom förutser direktivet att apparater har tillräckliga EMC-egenskaper relativt sin användningsmiljö; detta oberoende av om det finns relevant standard eller ej. Gränsvärden i tillämpade standarder bör representera aktuell miljö, i annat fall får man skärpa kravgränserna. Man behöver egentligen inte tillämpa någon stan dard alls, men man behöver kunna visa, att apparater man tillhandahåller inte stör eller blir störda i sin användningsmiljö.

 

Oberoende av vilken metod som tillämpats för att visa att en viss typ av apparat är avsedd för en viss miljö, så gäller det att alla apparater i en tillverkningsserie är exakt likadana; minsta lilla ändring kan drastiskt förändra en apparts EMC-egenskaper.

Avslutning

Detta var den andra delen av den första kursen i en serie med syfte att ge olika yrkeskategorier inblick i och förståelse för vad EMC innebär och varför koncist och kontinuerligt EMC-arbete krävs. Följande kurser tränger lite djupare in i tekniken att uppnå EMC, dvs att slippa störningar.

 

Har du frågor eller synpunkter är du hjärtligt välkomna med dessa till info@contentavenue.se. Vi utlovar inga personliga svar (även om det kan bli så), men vid behov publicerar vi tillrättalägganden. Vi uppskattar ditt engagemang!

Frågor och svarsalternativ, del A-2:

 

Miklos Steiner, redaktion@electronic.se

Ulf Nilsson, emculf@gmail.com