V minulém článku jsme si něco řekli o tom, jak fungují lineární a spínané zdroje obecně a jaké skýtají obtíže v rámci naší amatérské praxe. Dneska se přesuneme o kousek dál k reálným měřením.
Na začátek si neodpustím trochuté nudné a ještě nudnější teorie z oblasti EMC. A bude dlouhá...
K tomu, abychom mohli uvést jakékoli elektronické zařízení na trh potřebujeme v dnešní době deklarovat, že plníme předepsané normy. Ty jsou citací v jiných nařízeních automaticky závazné a nikdo se z nich nevykroutí.
Nebudu zde popisovat systémy vydávání prohlášení o shodě ale suše konstatuji, že by takovéto měření měl mít provedeno jakýkoli výrobek a výrobce pak prohlašovat na základě skutečných měření.
EU totiž funguje na tom principu, že si posuzování shody může legálně provést i samotný výrobce. Tyto zkoušky pak stojí nemalé peníze - zkouška EMC vychází na cca 60 tisíc a zkouška LVD cca 130.
Elektromagnetická kompatibilita je velmi obecně definována jako schopnost zařízení negenerovat žádné rušení na okolní zařízení a zároveň schopnost v takovémto případném rušení spolehlivě pracovat.
Pro účely tohoto článku nás tedy bude zajímat pouze jedna část, a to emise. Tedy generování rušení samotným zařízením. Zde se zase budeme věnovat jedné části z mnoha, a tou sou vedené emise na napájecích linkách ať už vstupních či výstupních. Tedy ta část, která zejména krátkovlnné amatéry nejvíce trápí.
Posuneme se tedy trošku blíže té teoretické stránce. Abychom mohli posuzovat, jaké měření máme vůbec provádět, musíme zařízení zatřídit do určené normy. Toto zatřídění je na zodpovědnosti výrobce. EMC direktivy EU konstatují, že má být zařízení testováno na konkrétní záležitosti. Většinou však není definováno jakou konkrétní výrobkovou normu použít.
Zde si dovolím malu vsuvku - často je uváděno, že radioamatérské zařízení nemusí plnit vlastně vůbec nic a za jeho parametry je zodpovědný sám operátor. To na teoretické bázi platí.
Technicky však vzato jakékoli provozované zařízení musí splňovat dané normy a je úplně jedno, jestli si jej vyrobil sám, nebo je komerčně prodávané. Většinou je klid do doby, než se řeší nějaké rušení a problémy.
Pak nastane veselo... Komerčně dostupná radioamatérská zařízení pak mají vlastní normy, které nestanovují jenom "radioamatérské" podmínky na parazitní vyzařování a podobně, ale i prakticky shodné požadavky pro EMC jako na kterékoli jiné zařízení daného typu. Konkrétně radioamatérskými zařízeními se zavbývá cca 10 norem.
Vzhledem k tomu, že budeme posuzovat napájecí zdroje máme na první pohled na váběr z několika norem. Při rozhodování pak musíme vyřešit hned několik dilemat:
1. Do jakého prostředí bude dané zařízení určeno ?
EMC normy rozlišují minimálně dvě prostředí a to A a B. Zařízení třídy A je povětšinou bráno jako zařízení pro průmyslové určení a zařízení třídy B pak jako "domácí". Detaily neť si každý nastuduje.
Rozdíl mezi těmito třídami je pak celkem zásadní. Zařízení pro průmysl má jiné limity pro rušení - velmi zjeddnodušeně řečeno mívá prakticky 10dB k dobru. To znamená, že může rušit až 10x takovým výkonem, než zařízení třídy "obývák". Zároveň pak mívá dvojnásobné úrovně, kterými zařízení dráždíme a snažíme se ho rozhodit při zkouškách odolnosti.
U "obýváku" třídy B je to zase naopak. Může rušit v nejhorším případě "10x méně" než to průmyslové, ale má poloviční úrovně, kterými se zařízení snažíme rozhodit.
Poučka o těchto dvou limitách je pouze obecná a každá norma stanovuje svoje limity, metody měření a postupy. V praxi to tak ale dost často funguje.
2. Existuje pro zařízení specifická norma ?
Část běžně používaných zařízení má svoje specifické normy, do které jej zatřídíme. Ta většinou přesně reflektuje jeho specifické chování a požadavky. Pakliže neexistuje výrobkově specifická norma, můžeme jej zatřídit pod kmenové normy. Ty řeší prakticky to stejné, ale mnohdy s jinými / obecnějšími požadavky na limity, kontroly atd. Jednoduše je to poslední místo, pokud se naše specifické zařízení pod nic nevleze. Proto musí být psána co nejobecněji pro všechno, co propadne sítem až sem. A ne, neplatí, že neexistence výrobkové normy znamená, že nic měřit nemusíme :-)
3. Můžeme jej zatřídit pod více norem ?
Zde je situace poněkud horší. Pakliže budeme mít jako příklad náš spínaný zdroj, máme skoro vyhráno. Zdroji se zaobývají normy dost často a konkrétně. Pokud bychom ale řešili obecně "krabičku k transcievru" máme hned několik možností. Pak je na zodpovědnosti výrobce, aby jezatřídil dle svého uvážení. Hlavně nesmíme dopadnout jako některý z minulých článků, kde výrobce zařízení pro bezdrátový přenos energie určené na domácí počítačový stůl zatřídil do mormy pro indukční pece a tavbu železa, protože se nedokázal vlézt pod žádnou normální limitu. Tudy opravdu ne.
Velmi hrubě máme pro námi vybrané vedené emise několik norem. Většinou jsou krom amerických států aplikované stejně. Pouze se vytváří národní překlady a podobně, ale princip a obsah je stejný.
CISPR 11 / EN55011 Zařízení ISM: průmyslové, vědecké a medicínské zařízení.
CIRPS 14 / EN55014 Zařízení pro domácnost
CISPR 32 / EN55032 Multimediální zařízení
IEC / EN61000-6-3 Kmenová norma pro prostředí obytné, obchodní a lehkého průmyslu.
A pozor:
ČSN ETS 300 684 Rádiové zařízení a systémy - elektromagnetická kompatibilita obchodně dostupných radioamatérskách zařízení. Těchto norem je povíc. Nicméně opravdu existují.
Pod tuto normu však nebudeme tlačit náš zdroj. Te to norma převážně pro rádiové zařízení typu transcievery, zesilovače a podobný herberk.
A pak tu máme specificknou normu, na kterou nejlépe napasujeme náš zdroj:
ČSN EN IEC 61204-3 Napájecí zařízení nízkého napětí se spínacím režimem.
Nebudeme jej tedy tlačit pod nic obecného, ani kmenového. Zvolíme výrobkově specifickou normu.
Co nám říká norma 61204-3 ? Samé pěkné věci.
Norma obsahuje odkazy na dalších 100 norem a požadavků. Specifikuje nám naprosto přesně co jak a proč budeme měřít. Co si k tomu máme zajistit. Jak to nastavit, zkalibrovat a dokonce jak to poskládat "na stole"
My si pro účely našeho měření vybereme jenom velmi malou část týkající se vyzařování do vstupních a výstupních napájecích linek. Ty amatéry tíží nejvíc.
Můžeme si všimnout, že nastavení limit je pro DC stranu benevolentnější a dovoluje nám jít prakticky na úroveň průmyslových A třÍd a co nejhůř, pro opravdu průmyslové zdroje není žádná limita.
Pokud budeme mít zařízení pro domácnost či průmysl homologováno jako hotový výrobek, který by takový zdroj obsahoval, tak by bylo měřeno jako komplet a musí se vlézt do limit pro daný kompletí výrobek.
Horší situace nastane, pokud zařízení nebude deklarováno jako výrobek, ale jako rozvaděč dle norem typicky EN61439. Tyto normy umožňují použít komponenty s "vlastními papíry" a dále nic netestovat. Není to sice až tak jednoduché, jak tvrdím, nicméně výroba takových rozvaděčů kdy se nakoupí bedna všemožných komponent a za půl hodiny už visí u zákazníka je realitou. Ale zase nějaká nechtěná vstuvka...
S měřením rušení na DC straně je obecně poněkud problém. Normy s ním donedávna moc nepočítaly, v některých normách vůbec není, v jiných yto měření zmizely.
Dalo by se říct, že u AC rušení je předpoklad, že se šíří po napájecí rozvodné síti a já sám mám zkušenosti. že obyčejný malý zdroj dokáže prostřednictvím venkovního vedení po městě vytvořit rušení několik kilometrů daleko přičemž venkovní vedení funguje jako anténa.
V případě DC pak panuje myšlenka, že se jedná o kabely k místní DC síti, tedy typicky pár metrů kabelu pokud vůbec ke spotřebiči a že se tyto frekvence dál z tohoto kusu drátu nijak valně nešíří. To však není až tak pravda. Obzvláštěl, když kabel z tohoto zdroje vede do transcieveru na stole. Ten sice může mít vlastní filtraci... ale... Mimochodem všimnul jste si, že u IC7300 dostanete v balení velký krabicový filtr na DC napájecí kabel ?
V rámci samotného měření pak máme dány limity jako Kvazivrcholové = QuasiPeak = Qp a průměrné. Ani jednu z nich nesmíme překročit. Podíváme se tedy, co to vůbec znamená.
Histroricky vycházelo měření emisí z toho, jak bylo ovlivněno rozhlasové vysílání. Tedy jak moc rušivý vjem nám bylo schopné zařízení vytvářet. Doba se posunula, pásmo 150kHz - 30MHz, které se měří při vyzařovaných emisích DO VEDENÍ už není pásmem běžného rozhlasového posluchače. 89% amatérů by bez něj nepřežilo. A těch pár "anti KV" jedinců scházejíce se v temných diskuzních zákoutích okolo svého paranoidního guru jsme od čtení mých keců ušetřili :-) Toto v žádném případě neberte jako útok na VKV+ komunitu, ale drobé rýpnutí do jedné postavičky VKV ONLY světa. Zájemci si jistě dohledají například zde. Conducted emissions většinou končí na 30MHz a to je naštěstí mimo rozsah jejich kontaktních čoček laděných od 144MHz nahoru. Normy stále berou KV pásmo 150kHz až 30MHz jako základní pásmo schopné se šířit na poměrně velké vzdálenosti do AC napájecích vedení rozvodné sítě. Měření emisí pak samozřejmě pokračuje od 30,MHz až do cca 6GHz měřením speciálními anténami, jakožto rušení šířícím se přímo ze zařízení "krytem" Neměří se přímo na konkrétních vodičích a rozhraních, ale v bezodrazových komorách o délkách typicky 3m a 10m. Ty mají svoje velmi složité podmínky, kalibrace, homogenity atd. Není to jenom plechová piksla :-) Nicméně toto není předmětem této sady článků. Jenom aby bylo jasno, že 30MHz to opravdu nekončí.
Abychom byli schopni měřit a rozlišovat jednotlivé druhy rušení, musíme mít příslušné detektory. Měření pak probíhá primárně měrným přijímačem, ne spektrálním analyzérem. SA není vyloučen, ale má své specifika.
Začínáme špičkovým detektorem - PK. Ten relativně rychle proběhne celé pásmo a "bere vše" Pro finální posouzení se však nepoužívá.
Pokračujeme průměrovým detektorem AVG. Pro ten už máme nastavenu limitu a přes tu jak se říká nejede vlak.
Nakonec zde máme nejzajmavější, tzv Quasipeak detektor. Jedná se o psychoakustický detektor, který měří delší dobu a rozlišuje jak sílu tak četnost námi generovaného rušení.Je to takzvaně nasírací detektor.
Představte si, že sedíte u krátkovlnného rádia a něco vám sem tam zaprská. Aktuálně jste špiškový detektor a až tak vám to nevadí. Postě to zaprská. Jenomže pak se četnost a frekvence zvýší a v jednu konkrétní dobu se od rádia zvednete a namísto poslechu jdete buď do ledničky pro pivo, nebo bouchat sousedovi na zeď, protože zrovna teď spustil fén bez filtru, aby vám pokazil zábavu. A právě teď jste dosáhli meze pro quasipeak detektor.
Že si tuto scénu odněkud pamatujete ? Bartáčkovi vám to vysvětlí. Zítra to totiž roztočíme...
Samotné sbírání "vzorků" pro takový QP detektor by trvalo několik / +-6/ hodin. To není reálné. Tudíž se potupuje tak, že se změří avg detektorem, ten se musí vlézt pod limitu pro avg.
Změříme PK detektorem. Ten limitu sice přímo nemá, ale bude nás zajmat limita pro QP. Poté si limity zdánlivě posuneme o margin 10dB dolů a všechno, co tyto linie překročí změříme na QP.
Měření AVG a PK probíhá u většiny měřících přístrojů zároveň a pak se pouze doměřují dané kritické špičky na QP detektor.
Ten na každé takové špičce "sekundu postojí" a doměří konkrétní frevence QP detektorem "nasranosti". Ten už pak má jasně dánu svoji limitu.
Co nám říká norma "na spínané zdroje" ? Úplně vše.
Teď už víme jaké detektory použijeme, pod jaké limity se musíme vlézt a pokračujeme dál. Zajímat nás bude především:
CISPR 16-1-1, která nám řekně jaké vybavení potřebujeme.
CISPR 16-1-2, která nám definuje vazební stě - to jest zařízení, kterým budeme předmětné rušení z daného zařízení odebírat.
CISPR 16-2-1, která nám řekne, jak to máme měřit.
CISPR 16-2-1, která nám řekne, jak to máme celé poskládat pro měření.
Pro naše účely je podstatné, že potřebujeme rušení nějak odbočit ze zařízení do našeho měřícího zařízení. K tomu slouží vazební síť. Odborně nazývaná Line Impedance Stabilising Network. Ty mají několik typů:
Vazební síť má několik úkolů:
1. Oddělit rušení z napájecí rozvodné sítě. Potřebujete měřit pouze to, co generuje vaše zařízení, ne to co leze "z venku".
2. Stabilizovat, potažmo vytvořit definovanou impedanci "místní" napájecí sítě připojejné k rušícímu zařízení. Jakékoli měřené zeřízení musí vidět ze strany vazební sítě pořád stejnou /definovanou v normě/impedanci,
aby bylo možné exaktně měřit a porovnávat. Normově bývají naprosto jasně definovány taky délky kabelu, jeho uložení, atd...
3. Simulovat potřebné délky připojených kabelů. Velmi zhruba vzato se pro AC napájení používají sítě s "nominálem" 50uH jakožto simulace 50m vedení a pro DC a automotive sítě 5uH, jakožto simulace 5m kabelů.
Tot vše je pak ještě upřesňováno a rozebíráno dále. Našem eření bude provedeno s jednou AC vazební sítí 50uH pro AC napájecí linku daného zdroje a dvojicí 5uH vazebních sítí pro měření na výstupu zdroje.
Okolo měření na DC sítích a volbě správných vazebních sítí existuje spousta dohadů. Já jsem záměrně použil 5uH sítě, jelikož máme naše DC vedení mezi transcieverem a zdrojem velmi krátké. 5uH sítě se taktéž ve velkém používají v rámci měření automotive rušení na DC sítích. Normy zabývající se měřením na 5uH vazebních sítích pak umožňují více zmožných zapojení. To je dáno zejména automotive průmyslem a tím, že je někdy využíván jako zpětný vodič rám vozidla a nesedí pak teoretická definovaná impedance mezi dvěma vodiči, kdř tam ten druhý není. V rámci našeho měření tedy použijeme složitější zapojení vyžadující dvě lisny, které nejlépe simuluje relativně krátký dvojvodičový kabel k transcieveru.
4. Vyvést na definované impedanci rušení z měřeného zařízení do měrného přijímače.
5. Volitělně ochránit měrný přijímač či spektrální analyzér. LISNy v sobě často integrují předepsaný 10dB attenuátor a omezovač špiček. Zejména frekvenční měniče a jiné dokáži produkovat tak silné rušení na velmi nízkých frekvencích i pod měřeným pásmem, že není problém zlikvidovat během vteřiny frontend na měrném příjímači či SA v hodnotě milionů korun a ničeho si nevšimnout. Krom toho, že v tom momentě přístroj ohluchne a měří v lepším případě vlastní šumové pozadí. Typický měrný přijímač od Rohde do 12GHz stojí +10M korun samotný. Proto velmi opatrně na to, co k vašemu přístroji budete připojovat. Narozdíl od osciloskopu si nenechá nic líbit.
Vazební sítě jsou velmi dokonale popsány v několika normách. Mají velmi přísné limity impedancí pro každé bloky frekvencí, fázových úhlů, signálového oddělení a podobně. Rozhodně se nejedná o "sondu k osciloskopu". Oblíbená je například ENV 216. Její cena je cca 150 tisíc korun včetně kalibrace. Ta se dělá periodicky, ostatně jako cokoli včetně kusu koaxiálního kabelu či antény a stojí více, než nový transciever. Některé EMC vybavení není až tak technicky složité a nákladné, ale jeho kalibrace stojí velkou sumu peněz. Typicky měřící log-periodická anténa stojí 150 tisíc a její kalibrace 35. Veškeré vybavení a provoz laboratoří je velmi drahé a to nemluvím o nákladech na akreditace a další. Tudíž se cena za zkoušky pohybuje sice vysoko, ale adekvátně nákladům laboratoře.
Už ted víme co měřit, jak to měřit, jak to poskládat, čím to měřit a proč to měřit. To nám pro začátek stačí k tomu, abychom dali dohromady "normaovaný" setup a začali měřit.
Tento článek obsahuje velmi letmo pár laicky popsaných informací o tom, jak takové měření probíhá a k čemu je vůbec dobré. Doporučuji prostudovat zmíněné normy a ptát se.
Normy myslí na všechno, dokonce nám krom velmi technických podmínek a definicí předepisují to, jak si rozvehneme stůl
Pokračování v dalším díle...