Электромагнитная совместимость ( ЭМС ) — это способность электрооборудования и систем функционировать приемлемо в своей электромагнитной среде , ограничивая непреднамеренное создание, распространение и прием электромагнитной энергии, которая может вызывать нежелательные эффекты, такие как электромагнитные помехи (ЭМП) или даже физическое повреждение эксплуатируемого оборудования. [1] [2] Целью ЭМС является правильная работа различного оборудования в общей электромагнитной среде. Это также название, данное соответствующей отрасли электротехники.
ЭМС рассматривает три основных класса проблем. Эмиссия — это генерация электромагнитной энергии, преднамеренная или случайная, каким-либо источником и ее выброс в окружающую среду. ЭМС изучает нежелательные излучения и контрмеры, которые могут быть приняты для снижения нежелательных излучений. Второй класс, восприимчивость , — это тенденция электрооборудования, называемого жертвой, выходить из строя или ломаться в присутствии нежелательных излучений, которые известны как радиочастотные помехи (RFI). Иммунитет — это противоположность восприимчивости, будучи способностью оборудования правильно функционировать в присутствии RFI, при этом дисциплина «упрочнения» оборудования известна в равной степени как восприимчивость или иммунитет. Третий изучаемый класс — это связь , которая является механизмом, посредством которого излучаемые помехи достигают жертвы.
Уменьшение помех и, следовательно, электромагнитная совместимость могут быть достигнуты путем решения любой или всех этих проблем, т. е. подавления источников помех, подавления путей связи и/или укрепления потенциальных жертв. На практике многие из используемых инженерных методов, таких как заземление и экранирование, применимы ко всем трем проблемам.
Самой ранней проблемой ЭМС был удар молнии ( электромагнитный импульс молнии , или LEMP) по кораблям и зданиям. Громоотводы или молниеотводы начали появляться в середине 18 века. С появлением широко распространенной генерации электроэнергии и линий электропередач с конца 19 века также возникли проблемы с коротким замыканием оборудования, влияющим на электроснабжение, а также с опасностью локального возгорания и поражения электрическим током при ударе молнии в линию электропередач. Электростанции были снабжены выходными автоматическими выключателями . Здания и приборы вскоре были снабжены входными предохранителями , а позднее в 20 веке вошли в употребление миниатюрные автоматические выключатели (MCB).
Можно сказать, что радиопомехи и их устранение возникли с первым экспериментом Маркони с искровым разрядником в конце 1800-х годов. [3] По мере развития радиосвязи в первой половине 20-го века начали возникать помехи между транслируемыми радиосигналами, и была создана международная нормативная база для обеспечения связи без помех.
Коммутационные устройства стали обычным явлением в середине 20-го века, как правило, в бензиновых автомобилях и мотоциклах, но также и в бытовых приборах, таких как термостаты и холодильники. Это вызывало кратковременные помехи в домашнем радио и (после Второй мировой войны) телевизионном приеме, и со временем были приняты законы, требующие подавления таких источников помех.
Проблемы ESD впервые возникли из-за случайных электрических искровых разрядов в опасных средах, таких как угольные шахты и при заправке самолетов или автомобилей. Необходимо было разработать безопасные методы работы.
После Второй мировой войны военные стали все больше беспокоиться о влиянии ядерного электромагнитного импульса (ЯЭМИ), ударов молний и даже мощных радиолокационных лучей на транспортные средства и мобильное оборудование всех видов, и особенно на электрические системы самолетов.
Когда высокие уровни радиочастотного излучения от других источников стали потенциальной проблемой (например, с появлением микроволновых печей ), определенные диапазоны частот были выделены для промышленного, научного и медицинского (ISM) использования, что позволило ограничить уровни излучения только стандартами тепловой безопасности. Позднее Международный союз электросвязи принял Рекомендацию, устанавливающую пределы излучения от устройств ISM для защиты радиосвязи. Разнообразие проблем, таких как боковые и гармонические излучения, широкополосные источники и постоянно растущая популярность электрических коммутационных устройств и их жертв, привело к устойчивой разработке стандартов и законов.
С конца 1970-х годов популярность современных цифровых схем стремительно росла. По мере развития технологий, с постоянно растущими скоростями переключения (увеличивающимися выбросами) и более низкими напряжениями в цепях (увеличивающимися восприимчивостью), ЭМС все больше становилась источником беспокойства. Многие другие страны осознали ЭМС как растущую проблему и выпустили директивы для производителей цифрового электронного оборудования, в которых излагались основные требования производителей до того, как их оборудование могло быть продано или выставлено на продажу. Были созданы организации в отдельных странах, по всей Европе и по всему миру для поддержания этих директив и связанных с ними стандартов. В 1979 году американская Федеральная комиссия по связи опубликовала постановление, которое требовало, чтобы электромагнитные излучения всех «цифровых устройств» были ниже определенных пределов. [3] Эта нормативная среда привела к резкому росту в отрасли ЭМС, поставляющей специальные устройства и оборудование, программное обеспечение для анализа и проектирования, а также услуги по тестированию и сертификации. Низковольтные цифровые схемы, особенно КМОП-транзисторы, стали более восприимчивы к повреждениям от электростатического разряда по мере их миниатюризации, и, несмотря на разработку методов защиты кристаллов, пришлось разработать новый режим регулирования электростатического разряда.
С 1980-х годов взрывной рост мобильных коммуникаций и каналов вещательных СМИ оказал огромное давление на доступное воздушное пространство. Регулирующие органы начали сжимать распределение полос все ближе и ближе друг к другу, полагаясь на все более сложные методы контроля ЭМС, особенно в области цифровой связи, чтобы удерживать помехи между каналами на приемлемом уровне. Цифровые системы по своей природе менее восприимчивы, чем аналоговые системы, а также предлагают гораздо более простые способы (например, программное обеспечение) для реализации высокотехнологичных мер защиты и исправления ошибок .
В 1985 году США выпустили диапазоны ISM для маломощной мобильной цифровой связи, что привело к развитию Wi-Fi и дистанционно управляемых ключей от дверей автомобиля. Этот подход основан на прерывистом характере помех ISM и использовании сложных методов исправления ошибок для обеспечения приема без потерь в тихие промежутки между любыми всплесками помех.
«Электромагнитные помехи» (ЭМП) определяются как « ухудшение производительности оборудования или канала передачи или системы, вызванное электромагнитными помехами » ( IEV 161-01-06), в то время как «электромагнитные помехи» определяются как « электромагнитное явление, которое может ухудшить производительность устройства, оборудования или системы или оказать неблагоприятное воздействие на живую или инертную материю (IEV 161-01-05). Термины «электромагнитные помехи» и «электромагнитные помехи» обозначают соответственно причину и следствие, [1]
Электромагнитная совместимость (ЭМС) является характеристикой или свойством оборудования и определяется как « способность оборудования или системы удовлетворительно функционировать в своей электромагнитной среде, не внося недопустимых электромагнитных помех чему-либо в этой среде » (IEV 161-01-07). [1]
ЭМС обеспечивает правильную работу в одной и той же электромагнитной среде различных единиц оборудования, которые используют или реагируют на электромагнитные явления, а также избегание любых помех. Другими словами, ЭМС — это контроль ЭМП, чтобы предотвратить нежелательные эффекты.
Помимо понимания самих явлений, ЭМС также рассматривает контрмеры, такие как режимы контроля, проектирование и измерения, которые следует принимать для предотвращения возникновения каких-либо неблагоприятных последствий от выбросов.
ЭМС часто понимается как контроль электромагнитных помех (ЭМП). Электромагнитные помехи делятся на несколько категорий в зависимости от источника и характеристик сигнала.
Источник помех, часто называемых в данном контексте «шумом», может быть искусственным или естественным.
Непрерывные или непрерывные волновые помехи (CW) охватывают заданный диапазон частот. Этот тип естественным образом делится на подкатегории в соответствии с диапазоном частот, и в целом иногда называется «DC to daylight». Одна из распространенных классификаций — узкополосные и широкополосные, в соответствии с расширением диапазона частот.
Электромагнитный импульс (ЭМИ), иногда называемый переходным возмущением, представляет собой кратковременный импульс энергии. Эта энергия обычно широкополосная по своей природе, хотя она часто возбуждает относительно узкополосный затухающий синусоидальный ответ у жертвы. Импульсные сигналы в целом делятся на изолированные и повторяющиеся события.
Когда источник испускает помехи, он следует по пути к жертве, известному как путь связи. Существует четыре основных механизма связи: кондуктивный , емкостный , магнитный или индуктивный и излучательный . Любой путь связи можно разбить на один или несколько из этих механизмов связи, работающих вместе.
Кондуктивная связь возникает, когда путь связи между источником и жертвой образуется посредством прямого электрического контакта с проводящим телом.
Емкостная связь возникает, когда между двумя соседними проводниками существует переменное электрическое поле , вызывающее изменение напряжения на принимающем проводнике.
Индуктивная связь или магнитная связь возникает, когда между двумя параллельными проводниками существует переменное магнитное поле , вызывающее изменение напряжения вдоль принимающего проводника.
Радиационная связь или электромагнитная связь происходит, когда источник и жертва находятся на большом расстоянии друг от друга. Источник и жертва действуют как радиоантенны: источник испускает или излучает электромагнитную волну , которая распространяется в пространстве между ними и улавливается или принимается жертвой.
Разрушительное воздействие электромагнитных помех создает неприемлемые риски во многих областях техники, и необходимо контролировать такие помехи и снижать риски до приемлемого уровня.
Контроль электромагнитных помех (ЭМП) и обеспечение ЭМС включают в себя ряд взаимосвязанных дисциплин:
Риск, создаваемый угрозой, обычно носит статистический характер, поэтому большая часть работы по характеристике угроз и установлению стандартов основана на снижении вероятности возникновения разрушительных ЭМП до приемлемого уровня, а не на их гарантированном устранении.
Для сложного или нового оборудования может потребоваться разработка специального плана контроля ЭМС, обобщающего применение вышеизложенного и указывающего необходимые дополнительные документы.
Характеристика проблемы требует понимания:
Разрыв пути связи одинаково эффективен как в начале, так и в конце пути, поэтому многие аспекты хорошей практики проектирования ЭМС применяются в равной степени к потенциальным источникам и потенциальным жертвам. Проект, который легко связывает энергию с внешним миром, будет так же легко связывать энергию и будет восприимчивым. Одно улучшение часто снижает как выбросы, так и восприимчивость. Заземление и экранирование направлены на снижение выбросов или отвод ЭМИ от жертвы путем предоставления альтернативного пути с низким импедансом. Методы включают в себя:
Другие общие меры включают в себя:
Дополнительные меры по сокращению выбросов включают:
Дополнительные меры по снижению восприимчивости включают:
Тестирование необходимо для подтверждения того, что конкретное устройство соответствует требуемым стандартам. Оно в целом делится на тестирование выбросов и тестирование восприимчивости. Испытательные площадки на открытом воздухе, или OATS, [4] являются контрольными площадками в большинстве стандартов. Они особенно полезны для тестирования выбросов крупных систем оборудования. Однако радиочастотное тестирование физического прототипа чаще всего проводится в помещении, в специализированной испытательной камере ЭМС. Типы камер включают безэховую , реверберационную и гигагерцовую поперечную электромагнитную ячейку (ячейку GTEM). Иногда для тестирования виртуальных моделей используются вычислительные электромагнитные симуляции. Как и при всех испытаниях на соответствие, важно, чтобы испытательное оборудование, включая испытательную камеру или площадку и любое используемое программное обеспечение, были надлежащим образом откалиброваны и обслуживались. Как правило, для данного запуска испытаний для определенной части оборудования потребуется план испытаний ЭМС и последующий отчет об испытаниях . Полная программа испытаний может потребовать создания нескольких таких документов.
Излучения обычно измеряются для напряженности излучаемого поля и, где это уместно, для кондуктивных излучений вдоль кабелей и проводов. Индуктивные (магнитные) и емкостные (электрические) напряженности поля являются эффектами ближнего поля и важны только в том случае, если тестируемое устройство (DUT) предназначено для расположения вблизи другого электрооборудования. Для кондуктивных излучений типичные преобразователи включают LISN ( сеть стабилизации импеданса линии) или AMN (сеть искусственной сети) и токовый зажим RF . Для измерения излучаемых излучений в качестве преобразователей используются антенны. Типичные указанные антенны включают дипольные , биконические , логопериодические , двухгребневые направляющие и конические логоспиральные конструкции. Излучаемые излучения должны измеряться во всех направлениях вокруг DUT. Для испытаний на соответствие требованиям ЭМС используются специализированные приемники испытаний ЭМИ или анализаторы ЭМИ. Они включают полосы пропускания и детекторы, указанные международными стандартами ЭМС. Приемник ЭМИ может быть основан на спектральном анализаторе для измерения уровней излучения DUT в широком диапазоне частот (частотная область) или на настраиваемом узкополосном устройстве, которое пропускается через желаемый диапазон частот. Приемники ЭМИ вместе с указанными преобразователями часто могут использоваться как для кондуктивных, так и для излучаемых излучений. Фильтры предварительной селекции также могут использоваться для уменьшения влияния сильных внеполосных сигналов на входной каскад приемника. Некоторые импульсные излучения более полезно характеризовать с помощью осциллографа для захвата формы импульсного сигнала во временной области.
Испытание восприимчивости к излучаемому полю обычно включает в себя мощный источник РЧ или ЭМ энергии и излучающую антенну для направления энергии на потенциальную жертву или тестируемое устройство (DUT). Испытание восприимчивости к проводимому напряжению и току обычно включает в себя мощный генератор сигналов и токовый зажим или другой тип трансформатора для подачи тестового сигнала. Переходные или ЭМИ сигналы используются для проверки устойчивости DUT к помехам в линии электропередачи, включая скачки напряжения, удары молнии и шумы переключения. [5] В автомобилях аналогичные испытания проводятся на аккумуляторных и сигнальных линиях. [6] [7] Переходный импульс может быть сгенерирован в цифровом виде и передан через широкополосный импульсный усилитель или непосредственно подан на преобразователь от специализированного импульсного генератора. Испытание электростатического разряда обычно выполняется с помощью пьезоэлектрического искрового генератора, называемого « ESD-пистолетом ». Импульсы с более высокой энергией, такие как моделирование молнии или ядерного ЭМИ, могут потребовать большого токового зажима или большой антенны, которая полностью окружает DUT. Некоторые антенны настолько велики, что их приходится размещать на открытом воздухе, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы не создать опасность электромагнитного излучения для окружающей среды.
Несколько организаций, как национальных, так и международных, работают над продвижением международного сотрудничества в области стандартизации ( гармонизации ), включая публикацию различных стандартов ЭМС. Где это возможно, стандарт, разработанный одной организацией, может быть принят с небольшими изменениями или без них другими. Это помогает, например, гармонизировать национальные стандарты по всей Европе.
Международные организации по стандартизации включают в себя:
Среди основных национальных организаций:
Соответствие национальным или международным стандартам обычно устанавливается законами, принятыми отдельными странами. Разные страны могут требовать соответствия разным стандартам.
В европейском законодательстве директива ЕС 2014/30/EU (ранее 2004/108/EC) по ЭМС определяет правила размещения на рынке/ввода в эксплуатацию электрического/электронного оборудования в пределах Европейского Союза . Директива применяется к широкому спектру оборудования, включая электрические и электронные приборы, системы и установки. Производителям электрических и электронных устройств рекомендуется проводить испытания ЭМС в целях соблюдения обязательной маркировки CE . Дополнительные сведения приведены в списке директив по ЭМС . Соответствие применимым гармонизированным стандартам, ссылка на которые указана в OJEU в соответствии с Директивой по ЭМС, дает презумпцию соответствия соответствующим основным требованиям Директивы по ЭМС.
В 2019 году США приняли программу по защите критической инфраструктуры от электромагнитного импульса, вызванного как геомагнитной бурей , так и высотным ядерным оружием. [8]
В этой статье использованы материалы из Указа президента о координации национальной устойчивости к электромагнитным импульсам, находящиеся в открытом доступе. Правительство Соединенных Штатов .