تست سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) چگونه انجام می‌شود؟

آشنایی با نحوه ی کار تست سازگاری الکترومغناطیسی 

ﺳﻴﺴــﺘﻢﻫﺎی ﺍﻟﻜﺘﺮیکی ﻭ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭنیکی می‌ﺗﻮﺍﻧﻨﺪ ﺑﻄﻮﺭ ﻣﺴﺘﻘﻴﻢ ﻳﺎ ﻏﻴﺮ‌مستقیم ﺑﺮ ‌روی ﻳﻜﺪﻳﮕﺮ ﺗﺎﺛﻴﺮﺍﺕ ﻣﺘﻘﺎﺑﻞ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭ‌ﻣﻐﻨﺎطیسی داشته باشند. ﺍﻳﻦ سیستمﻫﺎ ﺩﺭ ﺻﻮﺭتی ﻛﻪ ﺑﺎ ﻭﺟﻮﺩ ﺍﻳــﻦ ﺗﺎﺛﻴﺮﺍﺕ ﻣﺘﻘﺎﺑﻞ ﺑﺘﻮﺍﻧﻨﺪ ﺩﺭ ﻛﻨﺎﺭ ﻫﻢ ﺑﻪ ﺻﻮﺭﺕ ﺭﺿﺎﻳﺖ‌بخشی ﻋﻤﻠﻜﺮﺩ ﺩﺍشته ﺑﺎﺷﻨﺪ ﺍﺯ ﻧﻈﺮ ﺍﻟﻜﺘﺮﻭﻣﻐﻨﺎطیسی ﺳــﺎﺯﮔﺎﺭ ﻧﺎﻣﻴﺪﻩ شوند. در ادامه در مورد تست سازگاری الکترومغناطیسی بیشتر صحبت می‌کنیم.

برای اطمینان از عملکرد صحیح یک دستگاه در محیط‌های مختلف، باید بعد از ساخت دستگاه بر روی آن آزمایش‌های مختلفی انجام شود، در این آزمایش‌ها معمولا شرایط محیط کار دستگاه شبیه‌سازی شده‌ است و سپس عملکرد دستگاه در این شرایط بررسی می‌شود.

 

 

چنانچه دستگاه در هنگام آزمایش و بعد از آن دچار مشکل نشود، می‌توان از عملکرد صحیح آن در محیط کار اطمینان حاصل کرد. از میان این تست‌ها، تست سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) از اهمیت زیادی برخوردار است.

معمولا دستگاه‌های الکتریکی و الکترونیکی به صورت غیر ارادی امواج رادیویی را تولید می‌کنند و هر دستگاهی می‌تواند بر عملکرد سایر دستگاه‌های الکتریکی تاثیر‌ بگذارد. هدف از آزمون سازگاری الکترومغناطیسی از بین بردن یا به حداقل رساندن تداخلات دستگاه‌ها بر‌روی هم است.

از این رو مهندسان و متخصصان الکترومغناطیس مطالعات و تحقیقات خود را بر روی سازگاری مغناطیسی در سال‌های اخیر بسیار گسترش داده‌اند.

توجه نکردن به مسائل سازگاری الکترومغناطیسی می‌تواند باعث بروز خسارت‌های جانی و مالی جبران‌ناپذیری شود. از جمله این مشکلات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

 

کشتی Sheffield بریتانیای

کشتی Sheffield بریتانیایی که یکی از بهترین و بزرگترین سامانه‌های ضد موشکی جهان را داشت در جنگ فالکلند در سال 1982با اصابت یک موشک غرق شد. دلیل این امر، میدان‌های الکترومغناطیسی تولید شده توسط جت‌های جنگنده که بر روی کشتی قرار داشتند بود که موجب عملکرد نادرست سامانه ضد موشکی شده‌اند و در نهایت باعث غرق شدن کشتی شده‌اند.

سیگنال ناخواسته ایجاد شده توسط یک فرستنده رادیویی، موجب ایجاد اختلال در عملکرد خط انتقال در کارخانه ذوب فلزات شده و باعث ریخته‌شدن هزاران تن مواد مذاب بر روی یکی از کارگران کارخانه شده‌است.

 

ترمزهای ABS

ترمزهای ABS استفاده شده در اتومبیل‌ها و هواپیما‌ها باید به شکل ایمن در حضور سایر امواج الکترومغناطیسی کار کنند. در برخی از نمونه های اولیه این ترمز ها به دلیل عدم توجه به ملاحضات سازگاری مغناطیسی، سوانح شدیدی رخ داد که منجر به مرگ راننده و سایر سر‌نشینان شده‌است.

این گونه از حوادث و فجایع ناگوار باعث شد تا مهندسان و متخصصان علم الکترومغناطیس استاندارد‌‌هایی را برای سازگاری الکترومغناطیس پیشنهاد کنند. امروزه در بیشتر کشور های دنیا، محصولات الکترونیکی تولید شده باید پیش از ورود به بازار آزمون های استاندارد سازگاری الکترومغناطیسی را با موفقیت بگذرانند.

در این مقاله مروری بر اهمیت تست سازگاری الکترومغناطیسی، محیط‌های موجود جهت این تست‌ها و تجهیزات مورد استفاده در تست سازگاری الکترومغناطیسی شده است.

اتاق‌های بازتابی (RC)

یکی از انواع محیط های موجود برای آزمون های استاندارد سازگاری الکترومغناطیسی اتاق های بازتابی (RC) می‌باشند که از جمله مزایای این اتاق‌ها می‌توان به هزینه ساخت کمتر نسبت به بقیه محیط‌ها و همچنین حجم کار بالاتر در این اتاق‌ها اشاره کرد.

 

 

این نوع از اتاق ها نخستین بار در سال 1968 توسط H. A. MENDES تولید شده‌است. اتاق های بازتابی معمولا محفظه های فلزی مستطیلی شکل هدایت کننده الکتریکی با حداقل یک همزن (تنظیم کننده) می باشند تا محدوده موج‌های الکترومغناطیسی را درون محفظه تنظیم کنند. این محفظه دارای شرایط مرزی بازتابانده می باشد و امواج رادیویی توسط دیوارها، کف و سقف منعکس می شوند و به عنوان یک اتاقک بدون انعکاس جذب نشده ‌است.

چرخش همزن باعث ایجاد میدان مغناطیسی یکنواخت در منطقه تجهیزات تحت آزمایش است. همچنین این اتاق‌ها معمولا به دلیل تلفات کم دارای ضریب کیفیت (Q) بالا می‌باشند.

به طور کلی می توان نشان داد که یک اتاق بازتابی در هنگام آزمایش تست سازگاری الکترومغناطیسی حداقل مزایای زیر را دارا ‌است:

1. عایق الکتریکی عالی از محیط خارجی
2. دسترسی قابل ملاحظه
3. محدوده فرکانس بسیار وسیع (فرکانس عملیاتی باید بیشتر از پایین ترین فرکانس قابل استفاده از محفظه باشد)
4. برای تولید میدان های با شدت بالا و کارآمد مناسب می باشد.
5. بدون نیاز به چرخش فیزیکی نمونه (به علت تصادفی بودن قطبش میدان در داخل محفظه)
6. کاهش هزینه

اما با این وجود دارای برخی از محدودیت‌هایی نیز می‌باشد، مانند تفسیر دشوار نتیجه‌گیری و از‌دست‌دادن قطبش.

 

ضرورت طراحی اتاق های تست سازگاری الکترومغناطیسی

با پیشرفت روزافزون علم و صنعت برای تست و بررسی سازگاری الکترومغناطیسی اجسام برروی هم نیاز به طراحی و ساخت اتاق های استاندارد با معیار های مشخص هستیم، به این گونه اتاق ها، اتاق های بدون پژواک گفته شده است، اتاق‌های بدون پژواک نوعی از اتاق تست سازگاری الکترومغناطیسی است که برای جذب کامل امواج بازتابی صوتی یا الکترومغناطیسی استفاده می‌شود.

همچنین این نوع از اتاق‌ها از امواج وارد شده از محیط اطرافشان ایزوله هستند، این نوع از اتاق‌ها نخستین بار توسط BERANK متخصص صوت امریکایی ساخته شده است.

اتاق‌های بدون پژواک در اندازه‌های مختلفی برای تست اجسام کوچکی مانند مایکروویو و اجسام بزرگتری مانند هواپیما ساخته می‌شوند و اندازه‌ی ابعاد هرکدام از این اتاق‌ها بستگی به ابعاد جسم تحت آزمایش و محدوده‌ی فرکانسی مورد نظر دارد.

ساختار اتاق‌های بازتابی جهت تست های سازگاری الکترومغناطیسی

تجهیزات مورد نیاز برای انجام تست های سازگاری الکترومغناطیسی در یک اتاق بازتابی عبارتند از:

1. Spectrum analyzer
2. Signal generator
3. Field probe
4. Transmitting/receiving antennas
5. Electronic amplifier
6. Power amplifier
7. Stirrers systems
8. Automation software
9.  Attenuators
10.  LISN
11. Transient voltage and current limiter
12.  Current probe
13. Bulk current injection probe
14. Rf-Field strength meter
15. DUT(control and monitoring Instrumentation for Device-under-test)
16. Spectrum analyzer

وظیفه تحلیلگر طیفی (Spectrum analyzer)

وظیفه یک تحلیلگر طیفی که در تست های سازگاری الکترومغناطیسی بکار می رود، اندازه‌ی یک سیگنال ورودی را نسبت به فرکانس در محدوده فرکانس کار دستگاه اندازه‌گیری می کند. استفاده اولیه آن برای اندازه گیری میزان قدرت طیف سیگنال های شناخته شده و نا‌شناخته است.

 

 

سیگنال ورودی که این دستگاه اندازه‌گیری می‌کند الکتریکی است. با این حال ترکیب طیفی از سیگنال‌های دیگر مانند امواج صوتی، و امواج نوری را می‌توان با استفاده از مبدل مناسب مورد بررسی قرار داد. به وسیله تجزیه و تحلیل با این دستگاه فرکانس غالب، قدرت، اعوجاج، هارمونیک، پهنای باند و دیگر اجرای طیفی سیگنال قابل مشاهده می‌شود که در شکل‌های زمانی دامنه قابل تشخیص نیست.

سیگنال ژنراتور (Signal generator)

یکی دیگر از تجهیزات مورد استفاده در تست سازگاری الکترومغناطیسی، سیگنال ژنراتور است. وظیفه سیگنال ژنراتور این است که سیگنال‌های الکترونیکی را به شکل یک موج تبدیل می‌کند. سیگنال ژنراتور‌ها توانایی تولید سیگنال‌های موج سینوسی را در محدوده فرکانس پایین تا چند گیگا هرتز را دارند.

از این دستگاه ها با توجه به استاندارد‌های موجود برای تست مصونیت و تشعشعی از سیگنال‌هایی با فرکانس 80 مگاهرتز تا چندین گیگاهرتز استفاده شده است. سیگنال ژنراتور‌ها در شکل‌های مختلفی وجود دارند که هرکدام از آنها برای ارائه یک شکل متفاوت از سیگنال استفاده شده است برخی از آن ها برای سیگنال‌های رادیویی برخی برای سیگنال‌های صوتی و برخی نیز برای تولید پالس استفاده شده‌اند.

 

 

Field Probe

یک پروب میدان که یک تجهیز در تست های سازگاری الکترومغناطیسی می باشد، مستقل از آنتن های پهن باند مورد استفاده که مرتبا جهت¬دار می¬شوند، هریک از اجزای یک میدان الکتریکی را اندازه گیری می کند. سیگنال پروب به صورت دیجیتالی از طریق لینک فیبر نوری به دستگاه اندازه گیری منتقل می شود.

Transmitting/receiving antenna

آنتن‌ها برای انتقال یا دریافت امواج الکترو مغناطیسی در محفظه استفاده شده است. مهم‌ترین ویژگی برای آنتن های انتقال و دریافت در یک اتاق بازتابی پهنای‌باند برای تست های سازگاری الکترومغناطیسی می¬باشد. منظور از پهنای باند عبارت است از دامنه فرکانس‌هایی که آنتن می تواند انرژی را به طور صحیح منتشر یا دریافت کند. خواص دیگر مانند دایرکتیویتی، گین و قطبش در اتاق‌های بازتاب به علت پدیده رزونانس اهمیت چندانی ندارد.

Used cables

انتخاب کابل‌های مناسب در تست های سازگاری الکترومغناطیسی بسیار مهم است.کابل مورد استفاده باید در تمام محدوده فرکانسی مورد نظر ما کار کند و همچنین باید دارای کمترین میزان تلفات باشد. چون طول کابل با میزان تلفات انتشاری رابطه مستقیم دارد با توجه به میزان تلفات قابل قبول برای انجام تست باید طول و اندازه کابل را انتخاب کرد.

Electronic amplifiers

این دستگاه الکترونیکی مورد استفاده در تست های سازگاری الکترومغناطیسی، برای بالا بردن دامنه سیگنال، توان، قدرت ورودی در خروجی استفاده می شود. تقویت‌کننده الکتریکی یک سیگنال را از منبع برق دریافت می‌کند و سیگنال جدید با ولتاژ بالا همراه با گرمازدایی را برای تطبیق سیگنال خروجی با سیگنال ورودی تولید می کند.

طراحان همیشه تلاش می‌کنند تا مقاومت عنصر مدار تقویت کننده را کاهش دهند. این باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش ضایعات برق می‌شود.که باعث می‌شود ترانزیستورها و لوله‌ها و سایر بخش‌های تقویت کننده خنک‌تر شوند و از این رو با اطمینان بیشتر کار خواهند کرد.

Power amplifier

برای تولید میدان توسط آنتن باید با توجه به مقادیر استاندارد تست های سازگاری الکترومغناطیسی، مقادیر خاصی را به آنتن بدهیم برای این منظور از تقویت کننده توان استفاده می‌کنیم. مقدار توان مورد نیاز، به شدت به پارامتر‌های آنتن و تلفات کابل بستگی دارد.

Stirrer system

همزن‌های بزرگ فلزی هستند که هدف اصلی آن‌ها تغییر شرایط مرزی در داخل اتاق بازتابی در تست های سازگاری الکترومغناطیسی می باشد. به وسیله طراحی این همزن‌ها می توان کمترین فرکانس کاری اتاق بازتاب را تغییر داد. در طول چرخش همزن الگوی موج ایستا دررون اتاق بازتابی تغییر خواهد کرد در نتیجه هر نقطه در محل انجام تست به اندازه ی یکسان در معرض حداکثر، حداقل و میانگین میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، در شکل4 نمونه ای از ساختار این همزن ها را نشان می دهد.

 

Automation software

نرم افزار‌های اتوماسیون برای انواع مختلف تست‌های تشعشی در ازمایشگاه های سازگاری الکترومغناطیسی در فرکانس‌های خاص، ضروری هستند. نرم افزار مورد استفاده باید قادر به تنظیم دامنه سیگنال خروجی به منظور تولید میدان با توان مورد نیاز در نقطه مورد نظر ما است. نرم افزار‌ها همچنین باید بتوانند اندازه ی میدان را در باند فرکانسی مشخص کالیبره کنند.

Attenuators

تضعیف کننده‌ها دستگاه‌های الکترونیکی هستند که بدون اینکه باعث ایجاد تغییر شکلی در سیگنال شوند قدرت آن ها را کاهش می‌دهند. همچنین از تضعیف کننده‌ها برای به حداقل رساندن توان بازتاب شده از کابل آنتن و همچنین تنظیم دامنه‌های هارمونیک‌های تولید شده در تست های سازگاری الکترومغناطیسی استفاده می شود.

LISN

شبکه تثبیت امپدانس خط دستگاهی است که در آزمایش‌های انتشار و حساسیت رادیویی و اشباع رادیویی در تست های سازگاری الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گرفته است. LISN یک فیلتر پایین‌گذر است که معمولا بین منبع تغذیه و دستگاه تحت آزمایش قرار می‌گیرد تا یک امپدانس مشخص را ایجاد کند. این دستگاه منبع تامین توان را از دستگاه تحت تست ایزوله می‌کند. توان رسیده به دستگاه تست شونده تا جای ممکن باید بدون نویز و اعوجاج باشد.

نویز‌های بیرونی باعث می‌شوند در دستگاه آنالیز‌کننده منبع نویز واقعی مشخص نباشد و یا به عبارت دیگری نتوانیم تشخیص دهیم نویز موجود در سیستم متعلق به دستگاه تست¬ شونده است یا منبع تغذیه بیرونی.LISN نویز تولیدی توسط دستگاه تست شونده را از منبع تغذیه جدا می کند و نویز منبع اصلی، دیگر تاثیری بر دستگاه تست شونده ندارد. اما نویز منبع اصلی همچنان بر دیگر قطعات خط تاثیر گذار است.

 

Transient voltage and current limiter

این وسیله در تست های سازگاری الکترومغناطیسی به این منظور طراحی شده است، که هر ولتاژ یا جریانی را که بالاتر از یک سطح ولتاژ یا جریان تعیین شده است را به جای اینکه از دستگاه عبور دهد به زمین تغییر مسیر دهد. و این همان چیزی است که باعث حفاظت از سیستم شما شده است.خاموش و روشن کردن دستگاه تست شونده می تواند ولتاژهای ناگهانی بزرگی را در LISN تولید کند.

این دستگاه همان طور که در بالا گفته شد باعث حفاظت از آن می شود. این دستگاه شامل یک محدود کننده، فیلتر بالاگذر و یک تضعیف‌کننده است. فیلتر‌بالاگذر این دستگاه باعث کاهش پهنای باند کاری شده است.

 

Current probe

برای اندازه‌گیری میزان تشعشع کابل در تست های سازگاری الکترومغناطیسی این پروب‌ها را به دستگاه spectrum analyzer متصل می کنیم. برای اندازه گیری میدان مغناطیسی راه دور می توانیم به وسیله اندازه گیری میزان جریان حالت مشترک همه ی کابل ها و به کمک ریاضیات استفاده کنیم.

Bulk current injection probe

برای انجام تست مصونیت در تست های سازگاری الکترومغناطیسی از این پروب استفاده می شود. میزان بهره قابل تحمل یک پروب در باند فرکانسی مورد نظر بیش از میزان گفته شده در استاندارد ها است.

RF-field strength meter

یکی دیگر از تجهیزات مورد استفاده در تست‎های سازگاری الکترومغناطیسی RF-field strength meter می‌باشد. اندازه‌گیری قدرت میدان در یک محیط یکنواخت بسیار ضروری است. این دستگاه میزان قدرت و همگنی را اندازه گیری می کند. اندازه و شکل این دستگاه نباید به گونه‌ایی باشد که میدان داخل محیط را تحت‌تاثیر قرار دهد.

اطلاعاتی که در داخل اتاق گرفته می‌شود باید به وسیله فیبر‌نوری به خارج از اتاق و مرکز کنترل منتقل شود. این امر باعث می‌شود سنسورها مستقیما به فیبر نوری متصل شده و دیگر دقت اندازه گیری وابسته به طول سیم ها نباشد.

DUT

به دستگاه‌های تحت آزمایش در محیط اتاق بازتابی در تست‌های سازگاری الکترومغناطیسی گفته شده است.

در ادامه مقاله تست سازگاری الکترومغناطیسی با ما همراه باشید….