Elektromagnetické a rádiofrekvenčné rušenie a spôsoby ich redukcie

Elektromagnetické a rádiofrekvenčné rušenie a spôsoby ich redukcie
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  301 zobrazení
2
 0
Rádioamatérov almanach

Elektromagnetické rušenie (EMI) sa zvyčajne vzťahuje na akýkoľvek elektromagneticky generovaný zdroj rušeni, ktorý môže rušiť vašu elektroniku. V rámci širokej škály možných typov EMI sa rádiofrekvenčné rušenie (RFI) zvyčajne vzťahuje na podskupinu, ale tieto dva pojmy sa používajú zameniteľne. Bez ohľadu na to, ktorý z týchto pojmov radšej používate, EMI a RFI sú v zapojení a na doske plošných spojov nežiaduce. V skutočnosti existuje mnoho štátnych nariadení, ktoré stanovujú normy pre EMI a RFI vyžarované z elektroniky tak, aby nedochádzalo k rušeniu iných zariadení.

Pre návrhárov dosiek plošných spojov je prevencia vzniku a príjmu EMI a RFI dôležitým bodom, ktorý sa týka takmer každého aspektu fyzického rozloženia a návrhu obvodu. Našťastie, niektoré zo základných princípov návrhu, ktoré pomáhajú zabezpečiť integritu signálu, sú zamerané aj na produkciu a príjem EMI / RFI. Niektoré ďalšie konštrukčné úvahy týkajúce sa nízkofrekvenčného EMI sú špecializovanejšie a realizujú sa vo výrobkoch, ako sú napájacie systémy alebo audio systémy.

Čo je EMI a RFI

EMI a RFI sú dva pojmy označujúce rovnaký súbor javov, hoci RFI možno považovať za jednoduchú podmnožinu širšej oblasti EMI. Tieto dva pojmy sa často používajú zameniteľne, a to z dobrého dôvodu.

Rádiofrekvenčné rušenie (RFI) sa zvyčajne používa na označenie elektromagnetických polí na rádiových frekvenciách, niekedy so zameraním na vyššie frekvencie, ktoré by sa používali v rádiových zariadeniach pri frekvenciách 100 MHz a vyššie. RFI sa tak vo všeobecnosti vzťahuje na vyžarované emisie, preto sa v skratke RFI používa slovo "rádiové". Elektromagnetické polia, ktoré sú vyžarované z nejakého zdroja, môžu následne vytvárať rušenie v poškodenej doske plošných spojov, ktorý by sa meral ako vedený prúd v obvode alebo prepojení.

Elektromagnetické rušenie (EMI) je skôr všeobecný pojem, ktorý sa môže vzťahovať na vedené prúdy alebo vyžarované elektromagnetické polia zo zariadenia. Z hľadiska frekvencie by sa pojem "EMI" mohol vzťahovať aj na rušenie kdekoľvek vo frekvenčnej oblasti vrátane frekvencií, ktoré sa zvyčajne spájajú s RFI. Hoci je pravda, že vyžarované EMI (t. j. RFI) sa zvyčajne spája s vyššími frekvenciami, vyžarované alebo vedené EMI by mohlo byť produkované alebo prijímané zariadením pri akejkoľvek frekvencii.

Zdroje EMI a RFI rušenia

EMI, ktoré sa vyskytuje v systéme obvodov, môže mať svoj pôvod vo vnútri zariadenia, napríklad v dôsledku presluchu alebo parazitnej väzby, alebo môže pochádzať z externého zdroja. Predpisy EMC (Elektrotro magnegnetická kompaktibilita) boli vytvorené s cieľom zamerať sa na oba aspekty EMI (príjem a citlivosť) v zariadení, aby zariadenie fungovalo správne v prítomnosti akéhokoľvek iného zariadenia. EMC však nehovorí nič o EMI, ktoré sa vyskytuje vo vnútri zariadenia a prípadne ruší, alebo inak nežiadúco ovplyňuje jeho prevádzku.

EMI a RFI sa vo všeobecnosti vzťahujú na dva typy rušivej elektromagnetickej energie s krátkym dosahom, ktoré sa vyskytujú na akejkoľvek frekvencii. Medzi nevyhnutné prvky EMI patria:

  • Zdrojový obvod alebo prvok, ktorý vedie alebo vyžaruje elektromagnetickú energiu.
  • Prijímací obvod alebo prvok, ktorý je silne citlivý na elektromagnetickú energiu.

Hoci RFI je podmnožinou elektrického rušenia produkovaného akýmkoľvek zdrojom EMI, často sa vzťahuje skôr na vyžarovanie  prijímané z úzkopásmového zdroja RF než zo širokopásmového zdroja. Niektoré zdroje uvádzajú, že RFI sa pohybuje v rozsahu od niekoľkých kHz až do maximálne 30 MHz, ale v skutočnosti siaha kamkoľvek až po veľmi vysoké frekvencie používané napríklad v rôznych bezdrôtových produktoch. Napokon, hoci sa RFI zvyčajne vzťahuje na vyžarované emisie, pri rádiových frekvenciách sa môžu vyskytovať aj vedené šumové prúdy, čo je bežné v energetických systémoch.

Vedené a vyžarované EMI

Namiesto delenia rušenia na EMI a RFI konštruktéri systémov delia rušenie na vyžarované a vedené EMI. Toto zoskupenie sa zameriava na mechanizmus, ktorým sa EMI vytvára alebo prijíma, a nie na frekvenčný rozsah, ako je to v prípade RFI. Vo vnútri zariadenia zohrávajú parazity dôležitú úlohu pri vzniku, príjme a prenose EMI v rámci fyzického usporiadania zariadenia a v jeho okolí, a to v prípade vedeného aj vyžarovaného EMI.

Malé spínané napájacie zdroje môžu byť silnými zdrojmi vedeného a vyžarovaného EMI

Vedené EMI existuje ako nežiaduce vysokofrekvenčné eušenie, ktorý vzniká v zariadení a môže sa prenášať buď kapacitnou väzbou, alebo elektromagnetickým poľom. Naproti tomu vyžarované EMI je vyžarované z nejakého zdroja, ktorý funguje ako anténa, a neskôr ho prijíma nejaký iný prvok v usporiadaní dosky plošného spoj alebo v inom systéme. Vyžarované EMI môže indukovať prúd, ktorý sa potom meria ako vedené EMI. Naopak, vedené prúdy môžu v niektorých prípadoch silne vyžarovať, čo by sa potom pri skúške emisií meralo ako silné žiarenie.

Potlačenie EMI začína v rozložení PCB

Zdá sa, že vývojári zaoberajúci sa návrhom dosiek plošných spojov vedú nekonečný boj proti elektromagnetickému rušeniu. Každý systém alebo obvod môže generovať EMI a môže mať rôznu úroveň produkcie a citlivosti na EMI. V rámci rozmiestnenia jednotlivých komponentov na doske pločných spojov preto existuje niekoľko základných bodov návrhu, ktoré treba zvážiť a dodržiavať ich pri vytváraní fyzického návrhu, jeho umiestnení do krytu a navrhovaní stratégie regulácie napájania.

Tu je niekoľko oblastí na vysokej úrovni v systéme, kde možno riešiť problémy s EMI a RFI.

Uzemnenie a stohovanie dosiek plošných spojov

Väčšina problémov s EMI je spojená s uzemnením a zlé uzemnenie často začína v sústave plošných spojov. Niečo tak jednoduché, ako je zahrnutie uzemňovacej svorky - teda zavedenie jediného uzemňovacieho potenciálu v celom systéme, zabraňuje problémom, ako je cirkulácia rušenia so spoločným režimom a príjem EMI a presluchy. Jedným z bežných zdrojov RFI je prítomnosť viacerých uzemňovacích potenciálov, čo potom umožňuje prechodu rušeni v celom návrhu, a to aj cez kryt. Potláčanie EMI a RFI by sa malo začať stratégiou správneho návrhu uzemnenia a vytvorením sústavy plošných spojov, ktorá pomáha k vytvoreniu efektívneho a najmä funkčného uzemnenia.

Parazitná kapacita

Rušenie vznikajúce v usporiadaní dosky plošného spoja sa prijíma a prenáša prostredníctvom indukčnej, kapacitnej alebo priamo vedenej väzby. Minimalizáciou indukčnosti ciest, použitím súvislej základnej roviny bez štrbín a vyplnením otvorených plôch na signálovej rovine zemou môžu vývojári konštrukcií efektívne znížiť pravdepodobnosť, že obvod bude prenášať EMI. Ďalšia možnosť zahŕňa rozdelenie potenciálnych zdrojov EMI na jednom konci dosky a potenciálnych receptorov na druhom konci dosky. Parazitná kapacita je náročnejšia a je dominantným mechanizmom väzby rušenia najmä pri vysokých frekvenciách. Prekonanie parazitnej kapacity preto často spočíva v umiestnení rezonančných štruktúr, ktoré potlačia šírenie elektromagnetických vĺn okolo usporiadania dosky plošných spojov.

Rušenie v napájacích systémoch

EMI sa môže šíriť do systému ako vedený prúd cez jeho napájacie pripojenie na vstupe striedavého prúdu. Pri premene výkonu spínané napájacie obvody generujú vyžarované a vedené rušenie prostredníctvom spínania, čím vznikajú veľké vyžarovacie a prúdové špičky. Rušenie v napájacích systémoch je problém týkajúci sa parazitov a možno ho riešiť vhodným uzemnením a filtrovaním.

Základné kroky na kontrolu rušenia začínajú minimalizáciou EMI na zdroji, znížením účinnosti spojovacieho média a znížením citlivosti na EMI na všetkých receptoroch. Umiestnenie filtračných obvodov na vstupoch a výstupoch je štandardnou metódou na zníženie vedeného rušenia, ktoré prichádza do systému alebo sa posiela na výstup pre iné komponenty. Okrem návrhu účinnej zostavy s čistým potenciálom zeme je filtrácia jedným z najjednoduchších spôsobov zníženia EMI, najmä rušením so spoločným režimom vo vysokovýkonných systémoch.

Tienenie krytom

Ak je zvyšok dosky plošného spoja navrhnutý správne, tak dodatočné tienenie pravdepodobne nebude potrebné. Avšak v  prípadoch aj keď je všetko urobené správne a rušenie je napriek tomu stále príliš silné, možno na zníženie vyžarovaného rušenia použiť kovové tienenie na cielené komponenty. Kovové tieniace kryty, alebo krabičky a iné opatrenia môžu pomôcť významne znížiť vyžarované emisie tým, že absorbujú elektromagnetické vlny vyžarované z usporiadania komponentov na doske plošného spoja.

Bežné materiály tienenia EMI / RFI

  • Hliník
  • Berýliová meď
  • Mosadz
  • Meď
  • Oceľ valcovaná za studena
  • Inconel X750
  • Nikel
  • Striebro
  • Fosforový bronz
  • Nerezová oceľ

Tienenie krytom sa zvyčajne sa vykonáva pridaním nastriekaného, prilepeného alebo vytvarovaného kovu, ktorý pomáha absorbovať rušenie. Kov je spojený sdoskou plošného spoja, kde sa všetky prebytočné vstupujúce alebo vystupujúce elektronické signály stiahnu na zem, aby sa zabránilo poškodeniu citlivých vnútorných komponentov. Nižšie sa budeme venovať bežným typom tienenia elektronických komponentov.

1. Kovové krabičky

Jednou z najčastejšie používaných metód tienenia sú tvarované kovové krabičky alebo kryty, ktoré sa pridávajú nad citlivé komponenty na doske plošných spojov. Každá krabička obsahuje v spodnej časti malé úchytné body, ktoré prechádzajú cez dosku a pripájajú sa k uzemňovacej vrstve. Vzhľadom na vynikajúcu vodivosť a jednoduchosť pridania kovových krabičiek priamo vo výrobe je to účinná možnosť na zakrytie všetkých miest, ktoré mohli byť prehliadnuté a vyžarovať rušenie.

2. Aluminizovaný mylar

Aluminizovaný Mylar, ktorý je zvyčajne jednou z najlacnejších možností, pozostáva z tenkej Mylarovej fólie, ktrorá je potiahnutá hliníkom. Tieniaca fólia je vyrezaná a prilepená na vnútornú stranu krytu pomocou lepidla. Mylar je pripojený k uzemneniu šasi, aby účinne absorboval a rozptýlil elektronické rušenie.

3. Sietotlač vodivého atramentu

Pre širokú škálu substrátov je obľúbenou možnosťou použitie sieťotlače vodivého atramentu. Atrament je vytlačený po obvode krytu tak, aby absorboval prebytočné rušenie. Atrament sa potom pripojí k uzemneniu šasi, kde sa všetky absorbované EMI, RFI alebo ESD signály stiahnu na zem. Na substráty, kde môže byť sieťotlač náročná, sa atrament môže nanášať aj striekaním alebo tampónovou tlačou.

4. Vákuové usadzovanie

Alternatívou k predformovanému aluminizovanému mylaru alebo sieťotlačovým farbám je vákuové nanášanie, ktoré sa môže použiť na pokrytie vnútornej strany krytu, čím sa na substráte vytvorí tenká vrstva kovu. Táto vrstva vysoko vodivého kovu blokuje EMI, ESD a RFI signály a odvádza ich na zem. Táto metóda tienenia sa zvyčajne používa pri plastových krytoch alebo krytoch nepravidelného tvaru, kde nemusí byť ideálne tlačiť vodivý atrament.

5. Fólie a sieťky ITO

Fólie a sieťky z oxidu india a cínu (ITO) sa často používajú na zabezpečenie tienenia displejov. Fólie ITO aplikované priamo na sklo alebo plast sú takmer priehľadné. Vysoká úroveň priehľadnosti a vodivosti umožňuje displejom a dotykovým obrazovkám zachovať funkčnosť a zároveň zmierniť vonkajšie a vnútorné elektrické rušenie.

Problémy, ktoré môže spôsobiť netienená elektronika

Výkon elektroniky môže ovplyvniť mnoho typov rušenia. Patria medzi ne odrazy od zeme, presluchy a rušenie pri napájaní. Najväčšie obavy však vyvoláva elektromagnetické rušenie. Elektromagnetické rušenie môže mať ničivý vplyv na normálnu prevádzku elektronických zariadení a jeho následky môžu byť nákladné aj nebezpečné. Jedným z príkladov je oblasť medicíny, kde môže mať nesprávna funkcia elektronických zariadení (napr. monitorov, defibrilátorov a ventilátorov) vážne následky.

Tu sú uvedené niektoré z problémov, ktoré sa môžu vyskytnúť v elektronických zariadeniach, ak sa EMI riadne nekontroluje:

  • Narušenie komunikácie.
  • Rušenie bezdrôtových zariadení.
  • Skreslenie, alebo znehodnotenie údajov zo snímačov.
  • Poruchy elektronických komponentov.
  • Chyby alebo zlyhania softvéru.

Nebezpečenstvo EMI je dvojaké: elektronika sa môže stať obeťou prichádzajúceho EMI alebo doska plošných spojov môže generovať odchádzajúce EMI, ktoré poškodí inú elektroniku. Existujú rôzne normy, ktoré upravujú, čo je a čo nie je prijateľné pri emisiách EMI, aby sa obmedzili potenciálne problémy. Napríklad norma IEC 60601 stanovuje normy pre zdravotnícke zariadenia, zatiaľ čo normy CISPR 12 a CISPR 25 sa týkajú rušenia z vonkajších a vnútorných zdrojov vo vozidlách.

Záver

Ako vidíme vyššie, existuje mnoho možných stratégií na zníženie produkcie a príjmu EMI na rôznych frekvenciách. Najúčinnejšie stratégie na zníženie EMI v sebe zahŕňajú kreatívne usporiadanie komponentov na doske plošného spoja podľa doporučených návrhových pravidiel a smerovanie a správnu stratégiu uzemnenia na potlačenie produkcie rušenia. Vďaka vzájomnej povahe väčšiny obvodov a systémov pomáha potlačenie produkcie EMI znížiť aj príjem EMI. Zamerajte sa preto  aj vy pri návrhu na tieto body a pravdepodobne budete vo svojom návrhárskom úsilí úspešní.

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
Webwiki Button