Hoofdstuk 1. Inleiding in de EMC materie.
"In de band" en "buiten de band".
Andere hoofdstukken in het EMC deel:
EMC betekent "Electro
Magnetic Compatibility", Ned: "Elektro Magnetische
Compatibliteit" oftewel de mate waarin elektrische/elektronische
apparaten elkaar niet storen. Er is wereldwijd wettelijke
regelgeving op dit gebied, in Europa vervat in een aantal normbladen in de reeks
IEC 61000 (noot). Historisch
gezien gaat die regelgeving vooral terug op de eis dat allerlei elektronische
apparatuur het burgerlijke en militare radio/TV verkeer niet mag storen. Dit is
o.m. vervat in een wat oudere Amerikaanse norm CISPR-11 (en een paar broertjes),
waar ook de huidige
Europese emissie normen van afgeleid zijn.
Een ander aspect is dat allerlei elektrische apparaten geen onveilig gedrag
mogen vertonen in de aanwezigheid van "stoorbronnen" die in de
praktijk op allerlei plaatsen kunnen voorkomen. Als je auto in de buurt van
Schiphol aangestraald wordt door een radar dan wil je niet dat de airbag afgaat,
om maar een voorbeeldje te geven.
De eis van veiligheid is een wettelijke eis die voor elke product categorie
geldt. Fabrikanten hebben de vrijheid om
andere vormen van ongewenst -maar veilig- gedrag toe te staan in gestoorde toestand.
Bijvoorbeeld, als je je mobieltje op de TV legt zou het best kunnen gebeuren dat
het beeld vervormd raakt. Dat is hinderlijk, maar ongevaarlijk. Dat
kan een commerciële afweging zijn.
Elektrische apparatuur die naar z'n aard geen storing kan veroorzaken of daarvoor gevoelig kan zijn is gevrijwaard van testen en certificeren. (bijv. gloeilampen en kooianker motoren)
Voor apparatuur die naar z'n aard hoogfrequente energie moet uitzenden (bijv. de mobiele telefoon) is er speciale regelgeving.
Voor het ontstaan van een EMC probleem zijn er 3 dingen nodig: een stoorbron, een apparaat dat gestoord zou kunnen worden en een koppelweg.
Als 1 van die drie ontbreekt is er geen EMC probleem.
Hieronder een overzicht van
de marges die in de medische normen
gehanteerd worden.
| Frequentiegebied | Maximale emissie | Miminimale immuniteit | Marge | Marge in dB | |
| Geleiding | 150 kHz - 30 MHz | 60 dB(uV) = 1 millivolt | 3 Volt | 3000 | 69 dB |
| Straling | 30 MHz - 2.5 GHz | 37 dB(uV/m) = 71 uVolt/m | 3 V/m | 42000 | 92 dB |
Fig. 1. Marges tussen de maximaal toegestane emissie en de minimaal vereiste immuniteit.
Als de apparatuur voldoet aan de wettelijk voorgschreven eisen dan is er een
enorme marge tussen wat het ene apparaat aan storing mag veroorzaken en wat een
ander apparaat aan storing moet kunnen verdragen.
Een belangrijk aspect in het EMC-vak is de frequentie of het frequentie spectrum van mogelijke storing. Voor (zeer) hoogfrequent zijn de koppelwegen altijd anders dan voor laagfrequent. Wat "hoog" en "laag" frequent is meten we af naar de golflengtes die bij die frequenties horen in relatie tot de fysieke afmetingen van het systeem dat we onderzoeken. Zo is 100 MHz (3 meter golflengte) voor een mobiele telefoon nog tamelijk laagfrequent, maar in een audio installatie met de luidsprekers op 3 meter onderlinge afstand en de versterker er precies tussenin vormen de luidspreker kabels een prachtige antenne.
Voor lage frequenties geldt dat de koppelwegen altijd via elektrische geleiders gaat, voor hoge frequenties berust de koppelweg op straling, beter gezegd: Elektro-Magnetische Velden, zoals van een radio zender, waarbij de kabels aan een apparaat als min-of-meer efficiënte antennes werken.
En ja, er is een grijs gebied waar het niet gemakkelijk vast te stellen is hoe de koppeling precies werkt.
In de EMC techniek noemen
we alles onder de 30 MHz (10 meter golflengte) doorgaans
"laagfrequent", oftewel we neman aan dat de overdracht via geleiders
gaat. Alles boven 80 MHz (ca. 3 meter golflengte) wordt beschouwd als
"hoogfrequent" en we nemen aan dat de overdracht via EM-velden gaat; door de lucht
dus, en dat ook korte kabels een tamelijk efficiente antenne kunnen vormen.
"In de band" en "buiten de band".
Bij EMC kwesties moet je altijd ook kijken naar wat je wel en niet wilt waarnemen. Een radio ontvanger moet ongevoelig zijn voor alles, behalve het station dat je wilt ontvangen; dat moet juist zo ongeschonden mogelijk doorkomen.
Voor audio apparatuur geldt
het frequentie-onderscheid tussen hoorbare en niet
hoorbare frequenties. Stoorsignalen binnen het hoorbare frequentie gebied -10 Hz
tot 20 kHz- moeten
onderdrukt worden tot het onhoorbare. Stoorsignalen met frequenties boven
het hoorbare gebied zijn in beginsel onhoorbaar. In alle audio
apparatuur zijn er echter mechanismes die zulke storing toch hoorbaar zouden kunnen
maken. Je moet je dan rekenschap geven hoe zulke storing kan doorwerken.
Het aarden van allerlei
apparatuur doen we voor de elektrische veiligheid. Als de metalen buitenkant van
een apparaat door een defect verbonden zou raken met de lichtnetspanning dan
gaat er door de aardleiding zoveel stroom lopen dat er een zekering aanspreekt;
zo'n klassieke smeltveiligheid of "stop", of in modernere woonhuizen
een maximaal-automaat of een aardlek-schakelaar.
Er bestaat een categorie
apparatuur die voor de elektrische veiligheid niet geaard hoeft te worden, en
daar ook geen voorzieningen voor heeft. Zulke spullen moeten aan zwaardere eisen
voldoen voor de isolatie tussen het lichtnet en de rest. We noemen dat
"dubbel geisoleerd" en er staat dan een merktekentje op bestaande uit
twee in elkaat getekende vierkantjes.
De meeste audio apparatuur voor huiskamergebruik voldoet aan die eisen, hoeft
dus niet geaard te worden en en heeft meestal ook geen voorzieningen voor een
aardaansluiting.
Aarden, het met Moeder Aarde verbinden, helpt vrijwel nooit bij EMC problemen. In tegendeel, juist bij audio apparatuur leidt aarden nog al eens tot extra problemen.
Om je een idee te geven hoe de grenzen liggen tussen wat een "storend" apparaat mag uitsturen en hoe "ongevoelig" een mogelijk "stoorbaar" apparaat moet zijn jat ik een paar fragmentjes uit de betreffende normen. Ik ga hier uit van de normen voor medische apparatuur, omdat ik daar beroepshalve mee bekend ben. De normen voor huishoudelijke audio en video apparatuur -bruingoed- zullen niet dramatisch afwijken; hier en daar zullen ze zelfs strenger zijn.
Noot: Er is hier
sprake van apparatuur van Groep 1 en 2, en van klasse A en B. Dat onderscheid
werkt als volgt:
Apparatuur in groep 1 gebruikt hoogfrequente energie voor de interne werking,
bijv. een clock oscillator van een microprocessor. Het is niet de bedoeling om
die HF energie buiten het apparaat te gebruiken. Bij groep 2 is dat nadrukkelijk
wel het geval, dan gaat het bijv. over een radiozender zoals een mobiele
telefoon. Onze audio apparatuur valt dus in groep 1.
Apparatuur van klasse B is bedoeld om in de woonomgeving gebruikt te worden.
Klasse A is voor industriele, medische en wetenschappelijke instituten. Onze
audio apparatuur valt dus in klasse B.
Fig 1. De
hoeveelheid storing die dit soort apparatuur in het lichtnet mag veroorzaken.
(ontleend aan CISPR11)
Dit is in het frequentiegebied van 150 kHz tot 30 MHz. In het EMC-vak gaan we er
van uit dat zulke stoorsignalen zich vooral via geleiders voortplanten.
Let wel: 60 dB(uV) komt overeen met 1 millivolt. Het onderscheid tussen Quasi-peak en Average heeft te maken met details van de meetmethode. Ik ga daar nu niet op in.
Fig. 2. De
hoeveelheid storing die een apparaat als "straling" mag uitzenden, dus
als radiogolven in het frequentiegebied van 30 MHz tot 1 GHz. (ontleend aan
CISPR11)
Je moet kijken naar de kolom "Group 1, Class B" en er wordt gemeten
met een antenne op een afstand van 10 meter.
Deze veldsterktes liggen ruim onder het nivo dat te verwachten is van niet al te dichtbije omroepzenders.
Fig. 3. Test nivo's
voor immuniteit. (Ontleend aan de generieke medische norm IEC60601-1-2, editie 2.1)
De wettelijke regels schrijven bij medische aparatuur voor dat bij er deze
test-nivo's geen onveilig gedrag mag optreden. Dat is inclusief gedrag waardoor
er een foutieve diagnose gesteld zou kunnen worden c.q. waardoor er een foutieve
behandeling zou kunnen plaatsvinden.
Voor apparatuur die bij disfunctioneren direct levensbedreigend zou kunnen worden gelden nog veel
strengere eisen.
Noot: De IEC61000-4 serie geeft voorschriften voor de meetmethodes voor emissie en immunitiet. De toegestane limieten en testnivo's zijn vervat in algemene of product-specifieke normen.