اصول مهندسی سازگاری الکترومغناطیس و راهنمای اخذ گواهینامه EMC

مقدمه

امروزه استفاده گسترده از مدارهای الکترونیکی در زمینه های مختلف، موجب شده است که این مدارهای مختلف بنا به ضرورت در مجاورت هم کار کنند. در حالی که این مدارها اغلب اوقات بر یکدیگر تاثیرات منفی می گذارند. امروزه تداخل الکترومغناطیسی یا EMI ( مخفف Electromagnetic Interference ) یکی از مشکلات بزرگی است که طراحان مدار با آن روبرو هستند و به علت افزایش تعداد دستگاه های الکترونیکی مختلف روز به روز شدیدتر خواهد شد. از طرف دیگر استفاده روز افزون از مدارات مجتمع و مجتمع سازی مدارات بزرگ در فضای کوچک احتمال تداخل الکترومغناطیسی را افزایش می دهد. همچنین فرکانس کلاک سیستم های الکترونیکی در طول سال های اخیر افزایش قابل توجهی داشته است تا حدی که امروزه تجهیزات با فرکانس کلاک بالای 1 گیگاهرتز در اکثر خانه ها به وفور یافت می شود.

طراحان تجهیزات الکترونیکی جدید نیاز دارند محصولات خود را به گونه ای طراحی کنند که نه تنها در شرایط ایده آل آزمایشگاهی بلکه در دنیای واقعی و در کنار سایر تجهیزات الکترونیکی اطراف خود به خوبی کار کند و با مقررات سازگاری الکترومغناطیسی یا EMC ( مخفف Electromagnetic Compatibility ) دولتی مطابقت داشته باشد. این بدان معنی است که تجهیزات نباید تحت تاثیر منابع الکترومغناطیسی خارجی قرار گیرد و خود نیز نباید منبع ایجاد نویز الکترومغناطیسی باشد و باعث آلوده شدن محیط شود. در واقع هدف اصلی طراحان PCB محصولات الکترونیکی در حوزه های تجاری، صنعتی، پزشکی و … سازگاری الکترومغناطیسی برد طراحی شده می باشد.

نویز و تداخل الکترومغناطیسی

هر نوع سيگنال الکتريکی نامطلوب در مدار را نويز می گويند. اين تعريف در مورد اعوجاج‌های ناشی از غيرخطی بودن مدارها، بکار نمی رود. اگرچه اين اعوجاج‌ها ممکن است مطلوب نباشند ولی تا وقتی‌که با بخش‌‌‌های ديگر مدار پيوند نداشته باشند، به‌عنوان نويز در نظر گرفته نمی شوند. بنابراين حتی اگر سيگنال مطلوبی با بخش‌های ديگر، پيوند ايجاد كند، نويز به حساب خواهد آمد.

منابع نويز را به سه گروه می‌توان تقسيم‌ کرد: (1) منابع نويز ذاتی، مانند نویز گرمایی و نويز ضربه‌ای که در اثر نوسانات تصادفی در سيستم‌‌‌های فيزيکی به وجود می آيند. (2) منابع نويز‌‌ ساخت دست بشر، مانند نويز ناشی از موتورها، سوييچ‌ها، دستگاه‌های الکترونيکی ديجيتال و فرستنده‌‌های راديويی و (3) نويز‌‌های ناشی از اغتشاشات طبيعی و جوی، مانند صاعقه و تشعشعات خورشيدی.

تداخل اثر نامطلوب نويز است. اگر ولتاژ نويز باعث عملکرد نادرست مدار شود، به آن تداخل می گويند. نويز را نمی توان به‌طور کامل حذف كرد اما می‌توان مقدار آن را تا حدی که موجب تداخل نشود کاهش داد، اما تداخل قابل حذف است.

برای اطلاعات بیشتر در مورد نویز و انواع آن مقاله زیر را مطالعه نمایید.

نویز ( Noise ) چیست ؟ آشنایی با انواع نویز منابع تولید نویز و طیف فرکانسی نویز

سازگاری الکترومغناطیسی ( EMC ) چیست ؟

سازگاري الکترومغناطيس توانايی يک سيستم الکترونيکی در (1) کارکرد درست در محيط‌‌ الکترومغناطيسی مورد نظر و (2) تبديل نشدن آن به منبع (نويزی) آلوده‌کننده محيط است. محيط الکترومغناطيسی، ترکيبی از انرژي‌‌های هدايتی و تشعشعی است.

بنابراین EMC دو بخش دارد. بخش اول تاثیرپذیری سیستم نسبت به قرار گرفتن در محیط دارای امواج الکترومغناطیسی ( susceptibility ) و بخش دوم میزان انتشار انرژی الکترومغناطیسی ناشی از خود سیستم به محیط ( Emission ).

تاثیرپذیری ( Susceptibility ) الکترومغناطیسی چیست ؟

به تاثیرپذیری یک دستگاه یا مدار در برابر انرژی الکترومغناطیسی ناخواسته نظیر نویز گفته می شود. نویز به هر سیگنال ناخواسته در مدار به جز سیگنال اصلی مورد نظر گفته می شود.

مصونیت یا ایمنی ( Immunity ) الکترومغناطیسی چیست ؟

نقطه مقابل تاثیرپذیری می باشد که به معنای توانایی کارکرد صحیح و بدون مشکل برد یا دستگاه در محیط های دارای امواج الکترومغناطیسی است.

انتشار ( Emission ) الکترومغناطیسی چیست ؟

به معنای پتانسیل انتشار امواج الکترومغناطیسی در یک محصول است. هدف طراحان از کنترل انتشار، محدود کردن انرژی الکترومغناطیسی منتشر شده در محیط به اندازه ای است که سایر دستگاه ها نیز بتوانند در آن محیط کار کنند. بنابراین به منظور داشتن محیط عاری از امواج الکترومغناطیسی بایستی انتشار را کنترل نمود. انتشار امواج الکترومغناطیس به دو صورت هدایتی ( Conducted ) یا تشعشعی ( Radiated ) صورت میگیرد.

تفاوت مهم تاثیرپذیری و انتشار

تاثیرپذیری تا حدودی یک مسئله خود تنظیم ( self-regulating ) است. چرا که اگر محصولی نسبت به قرارگرفتن در محیط الکترومغناطیسی حساس باشد، کاربران از آن اگاه خواهند شد و ممکن است به شما اطلاع دهند یا خریدن محصول را متوقف کنند. اما انتشار این گونه نیست. چرا که منبع تولید انتشار خود ممکن است تحت تاثیر آن قرار نگیرد. برای تضمین اینکه EMC در طراحی همه محصولات الکترونیکی لحاظ می شود، سازمان های دولتی و نهادهای نظارتی مختلف مقررات EMC را وضع کرده اند که یک محصول قبل از عرضه به بازار باید آنها را رعایت کند. در این مقررات میزان مجاز انتشار امواج الکترومغناطیسی و در برخی موارد درجه ایمنی مورد نیاز بیان شده است.

مهندسی سازگاری الکترومغناطیس

مهندسی EMC می تواند با دو رویکرد انجام شود: رویکرد بحرانی و رویکرد سیستمی

در رویکرد بحرانی، طراح با بی توجهی کامل نسبت به موارد EMC صرفا به عملکرد صحیح مدار اهمیت می دهد. سپس بعد از رسیدن به هدف عملکردی محصول، باز طراحی بر اساس رعایت موارد EMC صورت می گیرد. همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید با پیشرفت روند توسعه یک محصول از طراحی تا ساخت و تولید، تنوع تکنیک های کاهش نویز در دست طراح به طور پیوسته کاهش و هزینه های توسعه محصول افزایش می یابد. بنابراین راه حل های اولیه برای مشکلات الکترومغناطیسی معمولا بهتر و کم هزینه تر هستند. اما در رویکرد سیستمی تمهیدات EMC در تمام طول طراحی در نظر گرفته می شود. طراح مشکلات EMC را در ابتدای فرآیند طراحی پیش بینی کرده و بقیه مشکلات را در بخش تست نمونه اولیه به طور کامل پیدا کرده و در تولید محصول نهایی رفع می کند. بنابراین EMC به بخش جدایی ناپذیر از طراحی بخش های الکتریکی، مکانیکی و در برخی موارد نرم افزار/فریمور محصول تبدیل می شود. در نتيجه EMC درون محصول طراحي می‌شود- نه اينکه به آن اضافه شود- و اين روش به‌صرفه و مطلوب‌تر است.

اگر حذف نویز و تمهیدات EMC برای یک سیستم از همان ابتدای طراحی لحاظ شود، تکنیک های کاهش EMC به مراتب ساده تری مورد نیاز است. تجربيات نشان مي‌دهند که اگر حذف نويز در اين مرحله انجام شود، طراح قادر است بيش از 90% از مشكلات نويز را قبل از مرحله آزمون دستگاه برطرف كند.

سیستمی که با بی توجهی کامل به EMC طراحی شده باشد تقریبا همواره هنگام شروع آزمایش با مشکل مواجه می شود. تجزیه و تحلیل یافتن مشکلات EMC در زمان بروز مشکل ممکن است ساده نباشد. ممکن است راه حل ها باعث تحمیل هزینه های اضافی باز طراحی، مونتاژ و آزمایش مجدد محصول شود.

عدم تاثیر اسناد مهندسی بر ملاحضات EMC

همان‌طور که خواننده خواهد يافت، بسياری از اطلاعات مهم سازگاری الکترومغناطيس به‌راحتی توسط روش‌های استاندارد اسناد مهندسی، مانند نقشه‌های شماتيک و… قابل انتقال نيستند. به‌عنوان مثال، نماد “زمين” روی يک نقشه شماتيک برای توصيف اينکه کجا و چگونه آن نقطه بايد متصل شود کافی نيست. بسياري از مشکلات EMC مربوط به پارازیت‌ها می‌شوند، که روی نقشه‌های شماتيک نشان داده نمی‌شوند. همچنين، اجزای نشان داده در نقشه‌های مهندسی به طرز قابل ملاحظه‌ای ویژگی‌های ايده‌آل دارند.

بنابراين انتقال مستندات‌ استاندارد مهندسی به‌تنهایی كارآمد نيست. طراحي خوب EMC به همکاری و بحث و گفتگو بين تيم کامل طراحی، شامل مهندس سيستم ها، مهندس برق، مهندس مکانيک، مهندسEMC، طراح نرم‌افزار / میان‌افزار و طراح برد مدار چاپی نيازمند است.

بسیاری از ابزارهای طراحی به کمک کامپیوتر ( CAD ) نظیر Altium Designer ملاحضات EMC را به طور کافی در نظر نمی گیرند. بنابراین ملاحضات EMC بایستی به صورت دستی اعمال شوند. همچنین در نظر داشته باشید که هدف نهایی ما طراحی سیستمی است که به درستی کار کند و الزامات EMC در آن رعایت شود در صورتی که هدف فرد طراح PCB میتواند صرفا جا دادن قطعات روی برد و مسیرکشی صحیح آن ها بدون در نظر گرفتن ملاحظات EMC نیز باشد.

مقررات EMC در سازمان تنظیم مقررات کشورها

سازمان های تنظیم مقررات در کشورهای مختلف پروسه های تست مخصوصی برای تضمین سازگاری الکترومغناطیسی محصولات ساخت داخل طراحی و اجرا کرده اند. از جمله مهمترین آن ها میتوان به سازمان FCC ایالات متحده آمریکا، CE اتحادیه اروپا، KC کره جنوبی و VCC ژاپن اشاره کرد. جدول زیر این سازمان ها و لوگو هر یک را نشان می دهد.

با بررسی برخی مقررات EMC و مشخصات تجاری و نظامی مهمتر می‌توان دیدگاه بيشتری نسبت به مشکل تداخل و الزامات طراحان تجهيزات، توليدکنندگان و کاربران محصولات الکترونيکی بدست آورد.

مهم‌ترین واقعيت در مورد مقررات EMC که بايد به خاطر داشت اين است که آن‌ها “اسناد زنده” و دائماً در حال تغييری هستند. بنابراين، ممکن است نسخه يك‏ سال قبل يك استاندارد يا قانون ديگر کاربردی نباشد. هنگام کار روی يک پروژه طراحی جديد، همواره از داشتن نسخه های قوانين کاربردی بروز مطمئن باشيد. اين استانداردها حتی ممکن است در طول مدت زمان طراحی محصول تغيير کنند.

مقررات EMC در آمریکا

در ايالات متحده، مقررات استفاده از سيستم‌‌‌های مخابرات سيمی و راديويی توسط کميته مخابراتی فدرال یا FCC ( مخفف Federal Communications Commission ) وضع می‌شوند که بخش‌‌‌هايی از آن مربوط به کنترل تداخل الکترومغناطیسی است. سه بخش از قوانين و مقررات FCC، داراي الزامات قابل اجرايی برای تجهيزات الکترونيکی بدون مجوز است. این الزامات شامل بخش 15 برای دستگاه های فرکانس رادیویی، بخش 18 برای تجهیزات صنعتی، علمی و پزشکی و بخش 68 برای تجهیزات متصل به شبکه تلفن می شود.

طبق تعریف، دستگاه فرکانس رادیویی ( RF ) به هر وسیله ای که در حین کار قادر به انتشار انرژی در فرکانس رادیویی باشد اطلاق می گردد. انرژی فرکانس راديويی ممکن است به‌طور عمدی يا غیرعمدی انتشار يابد. امواج RF طبق تعریف FCC به هر موج الکترومغناطیسی که دارای رنج فرکانسی 9Khz تا 3000Ghz باشد تعیین شده است.

مقررات بخش 15 دو هدف اصلی دارد: هدف اول مقرراتی برای فرستنده های کم توان و بدون مجوز ایستگاه های رادیویی و هدف دوم کنترل تداخل الکترومغناطیسی در سرويس‌هاي مخابراتی راديويی دارای مجوز که ممکن است باعث انتشار انرژی فرکانس راديويی يا نويز به‌صورت يک محصول فرعی شوند. تجهیزات الکترونیکی دیجیتال زیر مجموعه هدف دوم قرار می گیرند.

مقررات بخش 15 در شش زیر بخش زیر تنظیم شده است.

زیر بخش A – مقررات عمومی

زیر بخش B – تشعشع کننده های غیر عمدی

زیر بخش C – تشعشع کننده های عمدی

زیر بخش D – دستگاه های مخابراتی شخصی بدون مجوز

زیر بخش E – دستگاه های زیرساخت اطلاعات ملی بدون مجوز

زیر بخش F – دستگاه های فعال در باند فوق العاده وسیع

زیر بخش B شامل مقررات EMC برای دستگاه های الکترونیکی است که تشعشعات ناخواسته تولید می کنند.

در بخش 18 قوانین و مقررات FCC استانداردهای فنی و شرایط عملیاتی برای تجهیزات صنعتی، علمی و پزشکی که در باند فرکانسی ISM کار می کنند، آورده شده است. این تجهیزات از باند ISM برای ارتباط رادیویی و انتقال دیتا استفاده نمی کنند بلکه از آن برای ایجاد تغییرات فیزیکی در مواد استفاده می کنند. برای مثال تجهيزات گرما درمانی پزشکی، تجهيزات گرمايشی صنعتی، دستگاه‌های جوشRF، دستگاه‌های نوریRF، دستگاه‌هایی که جهت تغييرات فيزيکی مواد به کار می روند و ديگر دستگاه‌های غير مخابراتی، در اين گروه قرار می‌گیرند.

در بخش 68 قوانین و مقررات FCC استانداردهای خاصی برای محافظت از شبکه تلفن در برابر اتصال تجهیزات دارای ترمینال ( نظیر سیستم های سانترال ) و نحوه سیم کشی آن و همچنين براي سازگاری سمعک با تلفن برای اطمينان از دسترسی مناسب استفاده کنندگان از سمعک به شبکه تلفن فراهم می كند. خسارت‌های ديگر به شبکه‌‌های تلفن شامل آسيب‌های الکتريکی به کارکنان، خسارت به تجهيزات، اختلال در تجهيزات صدور صورت حساب‌ و تنزل خدمات به اشخاص هستند.

در دسامبر 2002، FCC گزارش و دستوری منتشر کرد که در آن به‌خصوصی سازی عمده بخش 68 بجز الزامات سازگاری سمعک پرداخت. بخش 602/68 از قوانين FCC، به‌منظور ايجاد ACTA ( مخفف Administrative Council for Terminal Attachments ) به معنای انجمن مديريتي براي ضمایم نهایی با مسئولیت تعريف و انتشار ضوابط فنی تجهيزات نهايی متصل به شبکه تلفنی عمومی آمريکا، انجمن صنعتی مخابرات (TIA) را تصويب کرد. حال اين الزامات در 968- TIA تعريف شده‌اند. به هر حال الزامات قانونی براي همه پایانه‌های تجهيزات برای تطابق با استانداردهای فنی، در حدود قوانين FCC بخش 68 است. بخش 68 ملزم می‌کند که پایانه‌های تجهيزات که به‌صورت مستقيم به شبکه تلفنی متصل شده اند، ضوابط بخش 68 و ضوابط فنی انتشار شده ACTA را در نظر بگيرند.

دو فرايند برای تولیدکنندگان پایانه‌های تجهيزات مخابراتی به شرح زير در دسترس است: (1) تولیدکنندگان ميتوانند يک اظهارنامه انطباق تهيه کنند و آن را به ACTA تحويل دهند يا (2) تولیدکنندگان می‌توانند تجهيزاتی داشته باشند که توسط يک نهاد اعتباردهی ارتباطات از راه دور (TCB) منتخب از طرف کميسيون آن را تأیید کرده باشد. TCB توسط مؤسسه استاندارد و تکنولوژي ملي (NIST) اعتبار می‌یابد.

زيربخش B از بخش 15 مقررات FCC

زيربخش B از بخش 15، پرکاربردترین قانون عمومی FCC است، زيرا اين قانون تقریباً بر تمامی سيستم‌های الكترونيك ديجيتال اعمال می‌شود. در سپتامبر 1979 کمیسیون FCC این بخش را اصلاح کرده و محدودیت هایی بر روی حداکثر انتشار تشعشعی مجاز و حداکثر انتشار هدایتی مجاز در خطوط جریان برق AC قرار داد. اين مقررات در نتيجه افزايش اعتراضات به FCC در مورد تداخل گيرنده‌‌های تلويزيونی و راديويی وضع شد، زيرا سيستم های الكترونيك ديجيتال به‌عنوان منشأ اين تداخلات شناخته شده بودند. در اين قوانين FCC اعلام كرد:

“گزارش شده است كه رايانه‌ها باعث ايجاد تداخل در تقریباً تمامی سرويس‌های راديويی، به‌ویژه سرويس‌های با فركانس كمتر از 200 مگاهرتز مانند سرويس‌های انتظامی، هواپيمايی و خبری شده اند. عوامل چندی در اين قضيه دخالت دارند: (1) تجهيزات ديجيتالی در جامعه ما فراوان شده و امروزه براي استفاده‌‌های خانگی به فروش می رسند؛ (2) فن‌آوری باعث افزايش سرعت رايانه‌ها به حدی شده است كه امروزه طراحان رايانه‌ای با مشکلات فركانس راديويی و تداخل الكترومغناطيسی (EMI) مواجه‌اند- موضوعي كه در 15 سال پيش با آن روبرو نبودند؛ (3) اقتصاد توليدی نوين، جعبه‌‌های فلزی كه پوشش خوبی در برابر انتشار تشعشعی بودند را با جعبه‌‌های پلاستيكی كه نقش حفاظتی ندارند جايگزين كرده است.”

در این قانون FCC تجهیز الکترونیک دیجیتال دارای تشعشعات غیر عمدی را به صورت هر دستگاه یا سیستم الکترونیکی دیجیتال که از پالس های زمانی بالاتر از 9000 سیکل در ثانیه تولید یا استفاده می کند، تعریف می کند. این تعریف شامل هر گونه تجهیزاتی است که به منظور انجام کارهای پردازشی، محاسباتی و عملیات هایی نظیر انتقال ، ضبط، بازیابی، مرتب سازی، از تکنیک های الکترونیک دیجیتال و یا از انرژی با فرکانس رادیویی استفاده یا آن را تولید می کند. بنابراین اگر محصولی دارای مدارهای الکترونیکی دیجیتال با فرکانس کلاک بالاتر از 9 کیلوهرتز باشد جزو این تعریف FCC قرار می گیرد و به آن یک تجهیز الکترونیک دیجیتال گفته می شود.

دستگاه های دیجیتالی که تحت این تعریف قرار می گیرند به دو دسته زیر تقسیم بندی می شوند:

کلاس A : دستگاه های دیجیتالی برای استفاده در محیط های بازرگانی، تجاری و صنعتی

کلاس B : دستگاه های دیجیتالی برای استفاده در منازل و محیط های غیر تجاری و صنعتی

به علت مجاورت بیشتر دستگاه های کلاس B با گیرنده های رادیویی و تلویزیونی محدودیت تشعشع برای آن ها به میزان 10dB محدود تر از دستگاه های کلاس A می باشد.

رعایت استانداردهای فنی مندرج در آیین نامه از وظایف سازندگان و وارد کنندگان محصولات الکترونیکی می باشد. براي اطمينان از تطابق محصول با اين استانداردها، FCC سازنده را ملزم می كند تا محصول خود را قبل از عرضه به بازار ايالات متحده مورد آزمون قرار دهد. مطابق FCC عرضه محصول شامل حمل، فروش، اجاره، پيشنهاد فروش، واردات و غيره است. از اين رو تا زمانی كه يك محصول در حال گذراندن قوانين است، از نظر قانونی نمی تواند مورد تبليغ قرار گيرد، زيرا اين كار نوعی پيشنهاد فروش به حساب می‌آید. براي تبليغ قانونی يك محصول قبل از تطابق با قوانين FCC، تبليغ بايد شامل اين جمله باشد:

” این دستگاه از مرجع قانونی استاندارد دارای مجوز نمی باشد و تا زمانی که مجوز لازم دریافت نشود فروخته یا نصب نخواهد شد”

برای رایانه های شخصی و تجهیزات جانبی آن که زیر مجموعه کلاس B قرار می گیرند، ارسال یک نمونه از محصول یا ارسال داده های آزمایش به FCC مورد نیاز نیست. بلکه سازنده می تواند بدون نیاز به تاییدیه با اعلامیه ای از منطبق بودن محصول خود از نظر فنی با قوانین استاندارد اطمینان ایجاد کند. اما برای کلیه تجهیزات دیگر کلاس A و B به غیر از رایانه های شخصی و تجهیزات جانبی آن سازنده باید با آزمایش محصول خود، تاییدیه انطباق محصول قبل از شروع بازاریابی را دریافت نماید. دریافت تاییدیه انطباق محصول با استاندارد یک پروسه خود اظهاری است که برای پذیرش آن یک نمونه تصادفی از محصول برای FCC ارسال می شود. زمان مورد نیاز برای انجام تست‌های انطباق (و بازطراحی محصول، و انجام مجدد آزمایش در صورت شکست محصول) باید در جدول زمانی توسعه محصول برنامه‌ریزی شود. اندازه‌گیری‌های EMC قبل از انطباق می‌تواند به کاهش قابل توجه این زمان کمک کند.

آزمایش باید روی نمونه ای از محصول انجام شود که نماینده محصول نهایی تولیدی باشد. بنابراین آزمایش انطباق نهایی باید یکی از آخرین موارد در جدول زمانی توسعه محصول باشد. اما این بدان معنی نیست که تمهیدات EMC تا این مرحله در نظر گرفته نشده باشد و باعث شود تا از نتایج آزمایش شگفت زده شوید. چون تغییرات در این مرحله دشوارتر، زمان بر تر و پرهزینه تر از مراحل قبلی توسعه محصول است. بنابراین مطلوب است که با اطمینان بالا نسبت به موفقیت محصول، به آزمون انطباق نهایی نزدیک شوید. و این امر جز با رعایت اصول EMC مناسب در طول طراحی و نیز آزمایش اولیه EMC بر روی مدل ها و مجموعه های اولیه پیش از آزمون انطباق نهایی محقق نمی شود.

لازم به ذکر است که حدود و روش‌های اندازه‌گیری به هم وابسته هستند. حدود استخراج‌شده بر اساس رویه‌های آزمون خاصی بوده‌اند. بنابراين، اندازه گيری های تطابق ‏بايد بر اساس روش طرح‌ریزی‌شده توسط قوانين و مقررات باشند. FCC مشخص می‌کند که براي نشان دادن انطباق با بخش 15، اندازه گيری ها روی دستگاه‌های ديجيتالی، بايد طبق رویه‌های مطرح‌شده در استاندارد اندازه گيری 1992-4/63C ANSI تحت عنوان “روش‌های اندازه‌گیری تشعشعات نويز راديويی از تجهيزات الکتريکی و الکترونيکی ولتاژ کم در محدوده 9 کیلوهرتز تا 40 گيگاهرتز” به ‌استثنای بخش5-7 ، بخش9 و بخش 14 اجرا شوند.

آزمون بايد روي يک سيستم کامل انجام شود که تمام کابل‌ها برای به ایجاد بيشينه‏‏‏‏‏ تشعشع به شکل معقولی متصل و پيکربندی شده اند. رویه‌های مجاز ویژه‌ای برای بردها و منابع تغذيه واحدهای پردازنده مرکزی (CPU) که در رايانه های شخصی استفاده و به‌صورت جداگانه فروخته می‌شود فراهم شده است.

تست های انتشار الکترومغناطیسی ( Emission )

قانون FCC بخش 15 حداکثر میزان انتشار هدایتی مجاز در خطوط برق AC را در رنج 0.150Mhz تا 30Mhz و حداکثر میزان انتشار تشعشعی در رنج فرکانسی 30Mhz تا 40Ghz محدود می کند.

انتشار تشعشعی ( Radiated emission )

برای اندازه گیری انتشار تشعشعی از یک سایت تست فضای باز OATS ( مخفف open area test site ) و یک آنتن دو قطبی یا آنتن پلاریزه شده خطی به صورت شکل زیر استفاده می شود. 4/63C ANSI اجازه استفاده از سایت آزمونی جايگزين با پوشش جاذب، به شرط رعايت الزامات تضعیف تعیین‌شده را می دهد. با اين حال، يک سایت با پوشش بدون جاذب، ممكن است براي اندازه‌گیری انتشار تشعشعی به کار نيايد. آنتن دو قطبی در محدوده 30 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز تنظیم می گردد. برای اندازه گیری بالای 1 گیگاهرتز بایستی از آنتن پلاریزه خطی بوقی شکل استفاده شود.

در جدول های زیر محدودیت های FCC برای انتشار تشعشعی مربوط به محصولات کلاس A که در فاصله 10 متری و محصولات کلاس B که در فاصله 3 متری اندازه گیری می شود، نشان داده شده است.

برای مقایسه صحیح میزان محدودیت های محصولات کلاس A و B با یکدیگر بایستی اندازه گیری در فاصله یکسانی صورت بگیرد. بنابراین اگر محدودیت های کلاس B را با برون یابی 1/d محاسبه کنیم به جدول زیر خواهیم رسید.

همانطور که مشاهده می کنید محدودیت ها برای محصولات کلاس B برای فرکانس های زیر 960 مگاهرتز در حدود 9.5 دسی بل و برای فرکانس های بالای 960 مگاهرتز به میزان 6 دسی بل، سخت گیرانه تر است. نموداری از نمودار محدودیت های انتشار تشعشعی FCC کلاس A و B در محدوده فرکانسی 30 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز در شکل زیر نشان داده شده است.

همچنین بازه اندازه گیری فرکانسی که در این آزمایش بایستی روی محصولات انجام شود بر اساس بیشترین فرکانسی است که توسط تجهیز در حال تست یا EUT ( مخفف Equipment under test ) تولید یا استفاده می شود. در جدول زیر این موضوع نشان داده شده است.

انتشار هدایتی ( Conducted emission )

تست انتشار هدایتی فقط به صورت اعمال ولتاژ در محدوده فرکانسی 150 کیلوهرتز تا 30 مگاهرتز به خط تغذیه AC ورودی انجام می پذیرد. چرا که علت اصلی تداخل الکترومغناطیسی در ارتباطات رادیویی، هنگام اعمال انرژی الکترومغناطیسی در فرکانس زیر 30 مگاهرتز به خطوط تغذیه AC و متعاقبا انتشار انرژی الکترومغناطیسی در محیط پیرامونی خطوط تغذیه AC رخ می دهد. بنابراین محدودیت های انتشار هدایتی در واقع باعث ایجاد انتشار تشعشعی می گردند. شکل زیر نحوه انجام این تست را نشان می دهد.

محدودیت های انتشار هدایتی تنظیم شده توسط FCC همان محدودیت های کمیته بین المللی ویژه تداخلات رادیویی یا CISPR ( برگرفته از عنوان فرانسوی عبارت International Special Committee on Radio Interference ) است که توسط اتحادیه اروپا استفاده می شود.

در جدول های زیر محدودیت های انتشار هدایتی برای محصولات کلاس A و B نشان داده شده است. این ولتاژ ها در مد مشترک (سيم فاز به زمین و سيم نول به زمين) در خط برق AC با استفاده از شبکه تثبیت امپدانس خط 50Ω/50µH یا LISN ( مخفف line impedance stabilization network ) اندازه گیری می شود.

با مقایسه جداول فوق مشخص می شود که محدودیت های تنظیم شده برای محصولات کلاس B در حدود 13 تا 23 دسی بل برای پیک ولتاژ و در حدود 10 تا 20 دسی بل برای ولتاژ میانگین سخت گیرانه تر از محصولات کلاس A می باشد. همچنین توجه داشته باشید که اندازه گیری پیک ولتاژ و میانگین ولتاژ هر دو مورد نیاز است. در واقع پیک ولتاژ نشانگر نویز از منابع باند باریک نظیر کلاک است در حالی که میانگین ولتاژ نشانگر منابع نویز باند پهن می باشد. شکل زیر نموداری از محدودیت های انتشار هدایتی FCC و CISPR برای محصولات کلاس A و B را نشان می دهد.

روش های مدیریتی

قوانین تنظیم شده توسط FCC تنها شامل محدودیت های فنی و شرایط آزمایشکاهی نمی شود. در بخش 2 این قوانین زیر بخش های I، J و K یک سری پروسه های اداری نیز وجود دارد که بیان می کند یک محصول بعد از انجام تست های فنی بایستی دارای برچسب سازگاری الکترومغناطیسی و اطلاعاتی در مورد میزان پتانسیل تداخل الکترومغناطیسی محصول به کاربر ارائه شود. همچنین بایستی مشخص شود که در صورت ایجاد تداخل الکترومغناطیس مضر توسط دستگاه کاربر بایستی دستگاه را متوقف کند یا خیر. به تفاوت میان مسئولیت در برابر تداخل دستگاه و این که محصول دارای استاندارد هست یا خیر توجه کنید. هر چند که مسئولیت رعایت استاندارد یک محصول توسط سازنده یا وارد کننده است اما مسئولیت ناشی از عدم استفاده از محصول در شرایط تداخل الکترومغناطیسی بر عهده کاربر می باشد.

همچنین بر طبق قوانین مسئولیت تداوم استاندارد برای کلیه تولیدات جدید یک محصول بعد از گرفتن تاییدیه برای آن محصول به عهده تولید کننده یا وارد کننده می باشد. اگر تغییری در یک محصول دارای تاییدیه انجام شود سازنده بایستی با انجام آزمایش مجدد تاثیر این تغییر را برای انطباق مجدد محصول سنجش کند. سازمان FCC در اعلامیه عمومی شماره 3281 مورخ 7 آوریل 1982 به سازندگان هشدار داده است که بسیاری از تغییرات که در نگاه اول ممکن است ناچیز به نظر برسد در واقع بسیار قابل توجه است. بنابراین تغییر در چیدمان قطعات یک PCB ، اضافه یا حذف یک قطعه یا مسیر، یا حتی تغییر در منطق ( برنامه نویسی )، میتواند ویژگی های انتشار آن محصول را تغییر دهد و بایستی مجددا مورد آزمایش قرار گیرد.

در زمان نگارش این مقاله FCC هشت زیر مجموعه زیر را از رعایت استاندارد فنی قوانین تداخل الکترومغناطیسی مستثنی کرده است:

دستگاه های دیجیتالی که منحصرا در وسایل حمل و نقل مانند اتوموبیل، هواپیما یا قایق استفاده می شوند
سیستم های کنترل صنعتی که در محیط های صنعتی، کارخانه ها و فضاهای عمومی استفاده می شوند
تجهیزاتی که در آزمون های صنعتی، تجاری یا پزشکی استفاده می شوند
دستگاه های الکترونیکی که منحصرا در وسایلی مانند مایکروویو، ماشین ظرفشویی، خشک کن لباس، تهویه مطبوع و نظیر آن استفاده می گردد
تجهیزات پزشكی خاص كه معمولاً با راهنمايی يا نظارت يك متخصص مراقبت‌های پزشكی، چه در منزل بيمار و چه مراکز مراقبتی مجاز استفاده می‌شود. توجه داشته باشيد که دستگاه‌هایی که از طریق کانال های خرده فروشی برای استفاده عموم، عرضه می شوند معافيت ندارند.
دستگاه هایی با توان مصرفی کمتر از 6 نانو وات مانند ساعت دیجیتال
کنترلرهای جوی استیک یا وسایل مشابه مانند ماوس که فاقد مدارهای دیجیتال هستند. البته وجود آی سی های مبدل آنالوگ به دیجیتال ساده در این چنین دستگاه هایی مجاز است.
دستگاه هایی که بالاترین فرکانس در آن ها از 1.705 مگاهرتز کمتر است و با برق AC کار نمی کنند یا دارای مقرراتی برای کار با برق AC هستند.

اگر چه رعایت های قوانین فنی تداخل الکترومغناطیس در دستگاه های فوق اجباری نیست اما FCC توصیه می کند قوانین بخش 15 به طور کامل رعایت شود و بدیهی است که قوانین دیگر سازگاری الکترومغناطیسی برای آن ها همچنان پا بر جا است.

از آنجایی که FCC بر بسیاری از انواع محصولات الکترونیکی، از جمله الکترونیک دیجیتال، نظارت دارد، شرکت های طراحی کننده و توسعه دهنده باید از کاملترین و جدیدترین قوانین FCC برای انواع محصولاتی که تولید می‌کنند، از ابتدای طراحی خود استفاده نمایند. مجموعه کامل قوانین FCC در عنوان ارتباطات از 5 جلد شامل 47 عنوان و 0 تا 300 بخش تشکیل شده است اما قوانین مورد نیاز برای سازگاری الکترومغناطیس در جلد اول آن می باشد که بخش های 0 تا 19 را در بر می گیرد. ویرایش جدید قوانین هر در بهار هر سال منتشر می شود و شامل کلیه تغییرات از ابتدای اکتبر سال قبل می باشد. همچنین نسخه آنلاین آن در سایت fcc.gov موجود است. هر تغییری که بخواهد به عنوان قانون در FCC ایجاد شود، قبل از اضافه و اعمال شدن در دفتر اسناد ثبتی فدرال، معمولا به مدت x روز زمان می برد.

Susceptibility (تاثیرپذیری)

در آگوست سال 1982، کنگره ایالات متحده آمریکا در لایحه شماره 3239 قانون ارتباطات سال 1934 را اصلاح کرد تا به FCC صلاحیت دهد، قانون تاثیرپذیری الکترومغناطیسی سیستم ها و وسایل الکترونیکی خانگی را وضع نماید. نمونه هایی از تجهیزات الکترونیکی خانگی عبارتند از : رادیو، تلویزیون، سیستم های امنیتی و ضد سرقت، درب باز کن های اتوماتیک، سیستم های صوتی و … اگر چه هدف این قانون اساسا تجهیزات خانگی است اما باعث جلوگیری از ثبت استاندارد تاثیرپذیری برای دیگر تجهیزات غیرخانگی نظیر تجهیزات صنعتی نمی شود. اگر صنعت در اين مورد سهل‌انگاری كند، FCC ممكن است از اختيارات قضایی خود استفاده كند.

بررسی محیط های الکترومغناطیس (Heirman 1976، Janes 1977) نشان می دهد، میدان های قوی تر از 2 ولت بر متر در حدود 1 درصد از مواقع اتفاق می افتند. از آن جایی که هیچ الزام قانونی برای تاثیرپذیری تجهیزات تجاری در ایالات متحده وجود ندارد، حداقل سطح ایمنی ( Immunity ) معقول را میتوان 2 الی 3 ولت بر متر در نظر گرفت. بنابراین محصولاتی که سطح تاثیرپذیری کمتر از 1 ولت بر متر دارند، به خوبی طراحی نشده اند و به احتمال زیاد در طول عمر مصرفشان تداخل را تجربه می کنند.

در سال 1982 دولت کانادا پژوهشی در رابطه با سازگاری الکترومغناطیسی ( EMCAB-1 ) منتشر کرد که در آن سه سطح از ایمنی برای تجهیزات الکترونیکی را به شرح زیر بیان می کرد.

سطح اول : محصولات با درجه ایمنی 1V/m که در آن ها احتمال کاهش سطح عملکرد بالا است.

سطح دوم : محصولات با درجه ایمنی 2 تا 3V/m که در آن ها احتمال کاهش عملکرد کم است.

سطح سوم : محصولات با درجه ایمنی 10V/m که در آن ها احتمال کاهش عملکرد تنها در سخت ترین شرایط ممکن وجود دارد.

در ژوئن 1990، نسخه به روز شده از 1-EMCAB توسط صنعت کانادا منتشر شد. اين نسخه به روز شده نتيجه می دهد که محصولات موجود در مناطق پرجمعيت در معرض شدت ميدان هايی هستند که در طيف 1 تا V/m 20 در بيشتر باند فرکانسی قرار دارند.

تجهیزات پزشکی

اکثر تجهیزات پزشکی ( به جز آن هایی که در بخش 18 آمده است ) از قوانین FCC معاف هستند و در عوض سازمان غذا و دارو یا FDA ( مخفف Food And Drug Administration ) قوانین این دسته از محصولات را مشخص می کند. اگرچه FDA استاندارد EMC را در سال 1979 تحت عنوان MDS-201-0004 توسعه داد اما هیچ وقت به طور رسمی اجباری نشد. اما FDA به طور فزاينده ای در مورد سازگاری الکترومغناطیسی تجهيزات پزشکی نگران است. با مراجعه به اسناد راهنمای FDA مشخص می شود، این سازمان نیازی به تطابق محصولات پزشکی با استانداردهای EMC ندارد. در عوض، آن‌ها مبتني بر سند راهنمای بازرسی هستند که تضمين ‌می کند‏‏ تجهيز پزشکی مورد نظر به طور مناسبی در برابر تداخل الکترومغناطيسی ایمن است. در این سند راهنما سازمان FDA از تولید کنندگان می خواهد اصول EMC را در طول طراحی دستگاه های جدید یا طراحی مجدد دستگاه های موجود قبلی رعایت کنند. اکنون بازرسان به تعهدی از سازندگان نياز دارند که آن‌ها ملاحظات EMC را در طول فرايند طراحی در نظر گرفته و آن وسيله به طور مناسبی در محيط الکترومغناطيسی مورد نظر کار خواهد کرد.

همچنین در سند راهنمایی با معرفی استاندارد IEC 60601-1-2 تولید کنندگان را تشویق می کند از این استاندارد جهت سازگاری الکترومغناطیس محصولات خود استفاده کنند. استاندارد IEC 60601-1-2 محدودیت هایی را در هر دو زمینه انتشار و ایمنی ( Emission و Immunity ) از جمله ایمنی گذرا ( Transient Immunity ) نظیر تخلیه الکترواستاتیک ( ESD ) فراهم می کند. در نتیجه استاندارد IEC 60601-1-2 در بیشتر مواقع به یک استاندارد غیر رسمی EMC تبدیل شده است که باید برای تجهیزات پزشکی در ایالات متحده رعایت شود.

مخابرات راه دور

تجهیزات شبکه مرکزی مخابرات راه دور در ایالات متحده آمریکا اگر در یک ساختمان اختصاصی یا اتاق بزرگ توسط شرکت تلفن نصب شده باشد از مقررات بخش 15 مستثنی می باشد. در غیر این صورت اگر در مکان های اشتراکی نظیر ساختمان های اداری و تجاری نصب شده باشد، استثنا اعمال نمی شود و قوانین بخش 15 قابل اجرا است. استاندارد Telecordia GR-1089 ( Bellcore سابق ) که معمولا برای تجهیزات شبکه های مخابراتی در ایالات متحده استفاده می شود، هم Emission و هم Susceptibility را پوشش می دهد و تا حدودی شبیه الزامات الکترومغناطیسی در اتحادیه اروپا است. این استاندارد اغلب به عنوان الزامات NEBS ( مخفف New Equipment Building Standard ) می باشد که از استاندارد اصلی AT&T Bell System گرفته شده است. از آن جایی که رعایت این استاندارد ها در قوانین الزامی نیست، میتواند در برخی مواقع اعمال نشده و چشم پوشی شود.

خودروسازی

همانطور که گفته شد بسیاری از تجهیزات الکترونیکی ساخته شده در صنعت حمل و نقل از مقررات EMC، مانند بخش 15 از قوانین FCC، در ایالات متحده مستثنی هستند. این بدان معنا نیست که سیستم های خودرویی الزامات قانونی EMC را ندارند. در بسیاری از مناطق جهان، الزامات قانونی برای Emission و Immunity خودروها وجود دارد. این الزامات بر اساس بسیاری از استاندارد های بین المللی شناخته شده نظیر CISPR، سازمان بین المللی استاندارد ( ISO ) و انجمن مهندسین خودرو ( SAE ) می باشد. هر یک از این سازمان ها چندین استاندارد EMC قابل اجرا در صنعت خودروسازی را منتشر کرده اند. هر چند که اعمال این استاندارد ها اغلب اختیاری است اما سازندگان خودرو یا به طور کامل از آن ها تبعیت می کنند و یا به عنوان مرجعی در توسعه الزامات شرکتی خود استفاده می کنند. بنابراین آن ها تقریبا تاثیر استاندارد های اجباری را دارند.

این الزامات ممکن است در سطوح کلی یا جزئی خودرو و بر اساس رضایت مشتری باشد. برای مثال استاندارد SAE J551 یک استاندارد EMC برای کل خودرو است در حالی که SAE J1113 یک استاندارد EMC در سطح جزئی تر نظیر ماژول های الکترونیکی جداگانه می باشد که در هر دو آن ها Emission و Immunity پوشش داده می شود و تا حدودی شبیه استاندارد های EMC نظامی هستند.

استانداردهای EMC در خودرو ها که Emission و Immunity را پوشش می دهند، به علت وجود سیستم های الکترونیکی مختلف در یک خودرو و نزدیک بودن آن ها به هم، جزو سخت گیرانه ترین استانداردهای EMC در جهان می باشند. سیستم هایی نظیر جرقه زنی ولتاژ بالا که در نزدیکی سیستم گیرنده رادیویی و ضبط و پخش خودرو قرار دارد، سیم کشی تجهیزات سلفی نظیر موتورها و شیرهای برقی که در نزدیکی کابل های دیتا قرار دارند، در خودروهای هیبریدی جدیدتر که دارای موتورهایی با جریان کشی بالا هستند و با سرعت سوئیچینگ بالا کار می کنند.

در صنعت خودروسازی استانداردهای Emission به طور معمول 40dB سخت گیرانه تر از قوانین FCC برای محصولات کلاس B می باشد. همچنین در آزمایش های Immunity خودرویی از میدان های با قدرت 200V/m و حتی در مواردی بالاتر استفاده می شود که در مقایسه با میدان های 3V/m یا 10V/m برای استاندارد های تجاری بسیار سخت گیرانه تر است.

در اتحادیه اروپا تجهیزات الکترونیکی در نظر گرفته شده برای استفاده در وسایل نقلیه از دستور العمل EMC شماره های (204/108/EC) مستثنی هستند اما در محدوده دستورالعمل (95/54/EC) که حاوی الزامات سازگاری الکترومغناطیس می باشد، قرار می گیرند.

الزامات سازگاری الکترومغناطیس در کانادا

تنظیم مقررات EMC در کانادا که توسط Industry Canada انجام می شود مشابه ایالات متحده آمریکا است. جدول زیر استانداردهای EMC در کانادا را برای انواع محصولات لیست کرده است. این استانداردها از طریق صفحه وب Industry Canada به نشانی ic.gc.ca قابل مشاهده است. به منظور کاهش بار مسئولیت های تولیدکنندگان مشترک ایالات متحده و کانادا، دو کشور توافق کرده اند که گزارش مربوط به آزمایش های سازگاری الکترومغناطیس را از کشور دیگر به منظور دریافت مجوز محصول بپذیرند.

الزامات سازگاری الکترومغناطیس در اتحادیه اروپا

در ماه May سال 1989، اتحادیه اروپا دستورالعملی در رابطه با سازگاری الکترومغناطیس تحت عنوان (89/336/EEC) منتشر کرد که قرار بود از 1 ژانویه 1992 لازم الاجرا شود اما کمیسیون اروپا اجرای این دستور العمل را دست کم گرفت و با 4 سال تعویق به تاریخ 1 ژانویه 1996 انتقال داد.

دستور العمل سازگاری الکترومغناطیس اروپا با مقررات FCC آمریکا از نظر الزامات Emission و Immunity متفاوت است. یکی از تفاوت ها این است که بخشنامه اروپایی کلیه تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی را پوشش می دهد و هیچ استثنایی برای آن وجود ندارد. البته تجهیزاتی که تحت پوشش دستور العمل EMC دیگری هستند، نظیر تجهیزات خودرویی و تجهیزات پزشکی از این دستور العمل مستثنی هستند. همانطور که قبلا هم اشاره شد الزامات انتشار هدایتی در اروپا با FCC کاملا یکسان است. اما الزامات انتشار تشعشعی اروپا با آمریکا دقیقا یکسان نیست. جدول زیر استاندارد انتشار تشعشعی در اروپا را نشان می دهد.

شکل فوق استاندارد انتشار تشعشعی اتحادیه اروپا ( CISPR ) و FCC را به ترتیب با نقطه چین و خط پر رنگ در محدوده فرکانسی 30 مگاهرتز تا 1000 مگاهرتز نشان می دهد که در آن محدودیت FCC در محصولات کلاس B به 10 متر تعمیم داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید محدودیت های اروپایی در محدوده فرکانسی 88 تا 230 مگاهرتز سخت گیرانه تر از FCC می باشد و در محدوده های کمتر از 88 مگاهرتز و بیشتر از 230 مگاهرتز تقریبا یکسان هستند. این در حالی است که اتحادیه اروپا محدودیت انتشار تشعشعی برای فرکانس های بالاتر از 1 گیگاهرتز ندارد اما FCC تا فرکانس 40 گیگاهرتز محدودیت وضع شده است. با ترکیب سخت گیرانه ترین حالت های دو استاندارد CISPR و FCC به جدول زیر می رسیم.

هارمونیک و فلیکر ( Flicker )

اتحادیه اروپا دو الزام اضافی برای Emission با عنوان هارمونیک و فلیکر دارد که به مسائل کیفیت تغذیه مربوط می شود. این مقررات در مورد محصولاتی که از سیستم برق AC عمومی استفاده می کنند و جریان AC ورودی کمتر از 16 آمپر در هر فاز دارند اعمال می شود.

در الزامات هارمونیک اتحادیه اروپا ( EN 61000-3-2 ) بایستی هارمونیک های جریان ورودی تغذیه که نتیجه رفتارهای غیر خطی بارهای متصل به برق نظیر منابع تغذیه سوئیچینگ، درایورهای موتور با سرعت متغیر، ترانس های مهتابی ( بالاست) می باشد، کنترل شود.

منبع اصلی هارمونیک های جریان، یکسو کننده های تمام موجی هستند که مستقیما به برق AC متصل هستند و بعد از آن ها یک فیلتر ورودی با خازن بزرگ قرار دارد. در این شرایط جریان تنها زمانی از برق شهر گرفته می شود که ولتاژ آن از ولتاژ خازن بیشتر باشد. در نتیجه تنها در قله های موج ولتاژ ورودی، جریان از خط AC گرفته می شود. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.

این شکل موج جریان دارای هارمونیک های فرد ( سه و پنج و هفت و … ) می باشد. در چنین شرایطی میزان اعوجاج هارمونیک کل یا THD ( مخفف Total Harmonic Distortion ) 70 تا 150 درصد می باشد. که برای مطابقت با مقررات اتحادیه اروپا این میزان بایستی کمتر از 25 درصد باشد.

تعداد این هارمونیک ها و دامنه آن ها بستگی به زمان صعود و فرود و دامنه شکل موج جریان ورودی دارد. اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ و درایور های موتور با سرعت متغیر نمیتوانند این هارمونیک ها را بدون وجود مدار پسیو یا اکتیو برای تصحیح ضریب توان محدود کنند. برای کاهش هارمونیک ها بایستی پالس AC جریان ورودی در بخش بزرگتری از یک دوره ولتاژی بسط داده شود.

در الزامات فلیکر اتحادیه اروپا ( EN 61000-3-3 ) جریان گذرایی که توسط محصول از خط برق AC کشیده می شود بایستی محدود باشد. هدف از این الزام جلوگیری از سوسو زدن نور لامپ هایی می باشد که از تغذیه مشترک با محصول استفاده می کنند. سوسو زدن لامپ ها برای انسان مزاحمت ایجاد می کند. شکل زیر را مشاهده نمایید.

به علت اینکه امپدانس خطوط برق AC شهری محدود هستند، تغییرات جریانی تجهیزات متصل به آن باعث ایجاد نوسانات ولتاژ می گردد. اگر تغییرات ولتاژ با اندازه کافی بزرگ باشد، تغییر محسوسی در شدت روشنایی نور لامپ ایجاد می کند. این تغییرات باعث سوسو زدن نورها می شود که آزار دهنده و مخرب است.

برای تعیین میزان محدودیت قابل اجرای فلیکر، بسیاری از افراد در معرض سوسو زدن نور قرار گرفته اند تا آستانه تحریک پذیری آن ها مشخص شود. زمانی که سرعت فلیکر کم است ( کمتر از 1 بار در دقیقه ) آستانه تحریک پذیری زمانی است که ولتاژ خط AC به میزان 3 درصد کاهش یابد. اما زمانی که سرعت فلیکر در حدود 1000 بار در دقیقه باشد یک تغییر 0.3 درصدی در ولتاژ به همان میزان 3 درصد در کمتر از یک دقیقه آستانه تحریک پذیری افراد می باشد. بیش از 1800 بار در دقیقه، دیگر سوسو زدن نور درک نمی شود.

اکثر الزامات سازگاری الکترومغناطیسی بر اساس بزرگی یک پارامتر مشخص تعیین شده است که از مقدار مشخصی نباید تجاوز کند. اما برای تست فلیکر از یک لامپ 60 وات در کنار محصول استفاده می شود و تست های متعدد و تجزیه و تحلیل آماری روی داده های اندازه گیری شده انجام می گیرد.

فلیکر برای اکثر تجهیزات نیازی به اقدام خاصی ندارد، زیرا آن ها به طور طبیعی جریان گذرای زیادی از خط AC نمی کشند. اما برای محصولاتی مانند روشن شدن ناگهانی یک بخاری برقی، درایور موتور، کمپرسور تهویه مطبوع، دستگاه کپی و … که به طور ناگهانی جریانی می کشند، میتواند مشکل ساز شود.

الزامات ایمنی الکترومغناطیسی ( Immunity )

الزامات ایمنی الکترومغناطیسی در اتحادیه اروپا، شامل ایمنی تشعشعی ( Radiated Immunity ) ، ایمنی هدایتی ( Conducted Immunity ) و ایمنی گذرا ( Transient Immunity ) می باشد. ایمنی گذرا خود شامل تخلیه الکترواستاتیک ( ESD )، حالت گذرای سریع الکتریکی ( EFT/Burst ) و امواج توان بالای ناگهانی ( Surge ) می باشد.

در آزمایشات حالت گذرای سریع الکتریکی یا EFT ( مخفف Electrical Fast Transient ) که به آن Burst نیز گفته می شود، نویز ایجاد شده توسط بارهای القایی موجود در خط AC شبیه سازی می شود. هنگامی که یک کنتاکتور در برابر یک بار القایی باز می شود، جرقه های ناگهانی و قوس های الکتریکی تشکیل می شود که باعث قطع و وصل شدن سریع کنتاکتور و ایجاد موج های ضربه ای می گردد. در آزمایشات امواج توان بالای ناگهانی ( Surge ) اثر پالس های توان بالا نظیر صاعقه شبیه سازی می شود.

علاوه بر این اتحادیه اروپا دارای الزامات تاثیرپذیری ( susceptibility ) می باشد که میزان تاثیرپذیری محصول به افت ولتاژ متناوب ( dips )، خمیدگی ( sags ) و وقفه ولتاژ ( interruption ) را پوشش می دهد.

RF Immunity

استانداردهای RF Immunity برای محدود کردن میزان تاثیرپذیری تجهیزات به امواج الکترومغناطیس در نظر گرفته شده اند. تست به صورت تزریق ولتاژ به کابل ها صورت میگیرد. تست صرفا به صورت conducted یا هدایتی انجام می شود. استانداردconducted RF Immunity نیازمند عملکرد صحیح برای تجهیزات مسکونی یا تجاری با تزریق ولتاژ RF به بزرگی 3 ولت و برای تجهیزات صنعتی با تزریق ولتاژ RF به بزرگی 10 ولت و فرکانس 150kHz تا 80MHz به کابل های توان ac است. این تست در صورتی که کابل های سیگنال و زمین و ولتاژ dc طویل تر از 3 متر باشد، بر روی آن ها نیز اعمال می شود.

ایمنی گذرا ( Transient immunity )

شامل سه تست ESD و EFT/Burst و Surge میشود. حساس ترین بخش های مدار به ولتاژهای بالای گذرا، مدارهای کنترلی مانند ریست و ترک های کنترلی است. دو پارامتر مهم در ولتاژهای گذرا rise time و سطح انرژی ولتاژ اعمالی است که ESD و EFT از نظر زمان صعود و سطح انرژی مشابه اند؛ اما Surge با این که زمان صعود کمتری دارد (در بازه ی میکرو ثانیه به جای نانو ثانیه)،از لحاظ دامنه ی انرژی سه تا چهار برابر بیشتر است.

تخلیه الکترواستاتیک ( ESD )

تست ESD به دو صورت تخلیه هدایتی و تخلیه از طریق هوا صورت میگیرد.

در تخلیه ی هدایتی ، ابتدا الکترود بدون ولتاژ به بدنه دستگاه متصل می شود، سپس تخلیه صورت می گیرد. در تخلیه از طریق هوا الکترود باردار در سرتاسر محفظه ی دستگاه حرکت میکند و تخلیه از طریق هوا صورت میگیرد. Contact discharge تست رایج و قابل تکرارتری نسبت بهair discharge است، اما تست air discharge به تخلیه ی الکترواستاتیکی واقعی شبیه تر است.

در تخلیه ی هدایتی تجهیزات باید تست ولتاژ 4kV± و در تخلیه از طریق هوا باید تست ولتاژ 8kV ± را پاس کند.

حالت گذرای سریع الکتریکی ( EFT/Burst )

شامل اعمال پالس های فرکانس بالا بر روی کابل ها می شود، مشابه با آنچه در زمان عملکرد بار های القایی مانند رله در مدار اتفاق می افتد. این تست شامل اعمال 75 پالس تکرار شونده هر 300ns برای یک بازه ی زمانی حدود 1 دقیقه است. هر پالس دارای زمان صعود 5ns و عرض پالس 50ns و فرکانس 50kHz است. در محصولات تجاری/مسکونی دامنه ی هرپالس 1kV± بر روی خطوط توان ac و 0.5kV ± بر روی خطوط سیگنال و کنترلی و dc اعمال می شود. در محصولات صنعتی دامنه ی هرپالس 2kV± بر روی خطوط توان ac و dc و 1kV± بر روی خطوط سیگنال اعمال می شود. این تست زمانی بر روی خطوط سیگنال، کنترلی و زمین اعمال میشود که طول آن از 3 متر بیشتر باشد.

امواج توان بالای ناگهانی ( Surge )

در این تست، ژنراتور یک موج ولتاژ با زمان صعود 1.25us و پهنای پالس 50us به صورت مدار باز اعمال می کند و یک موج جریان با زمان صعود 8us و پهنای پالس 50us به صورت اتصال کوتاه اعمال می کند. ولتاژ surge صرفا به خطوط ac و dc اعمال می شود و به خطوط سیگنال اعمال نمی شود. در خطوط توان ac ، سطح ولتاژ 2kV ± نسبت به زمین و1kV± نسبت به خط و در خطوط dc ، سطح ولتاژ 0.5Kv± نسبت به زمین و خط اعمال می شود. سطح ولتاژ ±0.5kV نسبت به همه زمین ها اعمال می شود. همه ی ولتاژهای موقت به جز ESD به کابل ها اعمال می شود؛ صرفا ولتاژ ESD به محفظه ی دستگاه اعمال می شود.

بخشنامه ها و استانداردها

مقررات اتحادیه اروپا متشکل از بخشنامه ها و استانداردها می باشد. بخشنامه ها کلی هستند و رعایت کردن آن ها الزامی است. استانداردها يک روش، ولی نه‌ تنها روش ممکن، براي پيروی از بخشنامه فراهم می‌کند‏‏.

بخشنامه شماره 2004/108/EC ( که جایگزین بخشنامه 89/336/EEC شد ) الزامات اساسی را برای عرضه یک محصول به بازار اتحادیه اروپا به صورت زیر تعریف می کند:

تجهيزات بايد‏ طوری ساخته شوند که در صورت ایجاد هر اختلال الکترومغناطيسی، کارکرد مطلوب تجهيزات ارتباطات مخابرات راه دور و راديويی و ديگر دستگاه¬ها مختل نشوند.
تجهیزات بایستی دارای یک سطح منطقی از ایمنی در برابر اختلالات الکترومغناطیسی خارجی باشند.

این دو مورد مبهم تنها الزامات قانونی در برابر سازگاری الکترومغناطیس هستند. بنابراین اگر محصولی با استانداردهای قابل اجرای EMC مورد آزمایش قرار گرفته و پذیرفته شود، شرایط این بخشنامه را نیز برآورده کرده و می تواند تاییدیه بگیرد.

جهت اثبات تطابق الزامات بخشنامه دو روش وجود دارد‏‏. روشي که به‌طور معمول استفاده می‌شود اعلان مطابقت است و روش ديگر استفاده از ساخت داکیومنت فنی است. فرآیند گرفتن تاییدیه انطباق محصول با استاندارد های قابل اجرا بر روی آن محصول، به روش اعلان مطابقت یک فرآیند خود اظهاری است که توسط شرکت سازنده یا وارد کننده محصول انجام می شود. به طوری که ابتدا باید استانداردهای قابل اجرا بر روی یک محصول مشخص شود، سپس محصول مطابق آن استانداردها آزمایش شود و در نهایت اعلامیه ای مبنی بر انطباق آن با استانداردها و بخشنامه EMC صادر شود. اعلامیه انطباق محصول میتواند سند تک برگی باشد که بایستی موارد زیر را در بر گیرد :

نام همه بخشنامه های قابل اجرا
استانداردهای استفاده‌شده (شامل تاريخ استاندارد)
نام محصول، مدل و شماره سریال در صورت وجود
نام و آدرس سازنده محصول
بیانیه تاریخ دار مطابقت محصول با بخشنامه ها
امضای شخص یا وکیل که به طور قانونی سازنده را متعهد کند

روش ساخت داکیومنت فنی براي اثبات مطابقت منحصر به اتحاديه اروپا است. از این رویکرد در مواردی که استاندارد مناسبی برای محصول وجود ندارد، استفاده می شود. سازنده یک داکیومنت فنی برای تشریح روش ها و آزمایش های مورد نیاز برای اطمینان از انطباق با بخشنامه تولید می کند. در واقع سازنده روش آزمایش خودش را برای مطابقت محصول با EMC توسعه می دهد. سپس سازنده تصمیم می گیرد که چگونه، کجا، چه زمانی محصول مورد آزمایش قرار گیرد. در نهایت بایستی یکی از نهادهای ذی صلاح آن را بررسی و تایید کند. کمیسیون اروپا فهرستی از این نهاد ها را در مجله رسمی اتحادیه اروپا چاپ کرده است. این رویکرد تنها در اتحادیه اروپا مورد قبول است زیرا بخشنامه الزام قانونی دارد و باید رعایت شود و نه استانداردها.

محصولاتی که دارای تاییدیه مطابقت آنها با بخشنامه EMC طبق رویه های گفته شده باشند بایستی با برچسب CE علامت گذاری شوند. علامت CE از دو حرف c و e در کنار هم تشکیل شده است که به صورت حروف کوچک و با فونت مشخص می باشد. البته چسباندن علامت CE به یک محصول نشان دهنده انطباق با تمام بخشنامه های قابل اجرای اتحادیه اروپا است نه فقط EMC. بخشنامه های قابل اجرای دیگر ممکن است، بخشنامه ایمنی، اسباب بازی ها، ماشین آلات و غیره باشد.

استانداردهای اتحادیه اروپا به دو دسته تقسیم می شوند، استانداردهای برای محصولات خاص و استانداردهای برای محصولات عمومی که استانداردهای خاص همیشه بر استانداردهای عمومی اولویت دارند. با این حال اگر هیچ استاندارد قابل اجرا برای یک محصول خاص وجود نداشته باشد، همان استانداردهای عمومی برای آن محصول قابل اجرا است. الزامات Emission و Immunity عموما توسط چندین استاندارد مختلف پوشش داده می شود. در حال حاضر بیش از 50 استاندارد مختلف مرتبط با بحث سازگاری الکترومغناطیس وجود دارد. در جدول زیر لیست برخی از استانداردهای رایج برای محصولات خاص و همچنین 4 استاندارد برای محصولات عمومی نشان داده شده است. کمیته استاندارد سازی فنی الکترونیکی اتحادیه اروپا یا CENELEC ( مخفف the European Committee for Electro-Technical Standardization ) وظیفه ارائه مشخصات فنی مطابق با بخشنامه را بر عهده دارد. اکثر استانداردهای CENELEC در زمینه Immunity برگرفته از کمیته بین المللی الکتروتکنیکی یا ITC ( مخفف International Electro-Technical Committee ) یا استانداردهای CISPR می باشد. همچنین در زمینه Emission نیز اکثر استاندارد CENELEC برگرفته از استانداردهای CISPR می باشد. استانداردهای CENELEC که با EN شروع می شود ( مخفف European Norms ) تا زمانی که در مجله رسمی اتحادیه اروپا چاپ نشوند دارای رسمیت نیستند.

وقتی استانداردهای جديد به وجود می آيند و استانداردهاي موجود اصلاح می شوند، آن چه که به‌طور متداول اتفاق می افتد، معمولاً دوره گذرای 2 سال در استاندارد تعيين می‌شود. در طول دوره گذرا، هر دو استانداردهاي قديم يا جديد می‌توانند براي اثبات قبولي بخشنامه EMC استفاده شوند.

به دلیل گستره وسيع بخشنامه EMC و تنوع محصولات پوشش داده شده، کميته اروپايی در 1997 احساس کرد که انتشار راهنمای 124 صفحه ای جهت تفسير بخشنامه EMC برای استفاده‌ سازندگان، آزمايشگاه های آزمون، و ديگر گروه‌های تأثیرپذیر به‌وسیله بخشنامه (کميته اروپايي، 1997) ضروری است. این راهنما همچنين کاربرد بخشنامه به قطعات، زيرمجموعه ها، دستگاه ها، سیستم‌ها، و تأسیسات، و نيز کاربرد بخشنامه به قطعات يدکی، دستگاه‌های تعميری و مستعمل را توضيح مي دهد.

هماهنگ سازی بین المللی

به جای داشتن بسیاری از استانداردهای ملی مختلف، یک استاندارد بین المللی هماهنگ مطلوب تر است. این موضوع به تولید کننده اجازه می دهد تا محصولی با استاندارد جهانی تولید کند. شکل زیر یک محصول تجاری معمولی و انواع مختلف الزامات سازگاری الکترومغناطیسی برای آن را نشان می دهد که ممکن است در یک بازار جهانی هماهنگ آورده شود.

مهمتر از یک استاندارد هماهنگ جهانی، یک روش تست هماهنگ جهانی است. اگر روش تست یکسان باشد میتوان یک آزمایش را یک بار انجام داده و نتایج آن را با استانداردهای مختلف مقایسه کرد. متفاوت بودن روش های آزمایش باعث می شود تا محصول برای استاندارد های مختلف مجددا آزمایش شود که کاری زمان بر و پرهزینه است.

تنها سازمانی که میتواند این هماهنگی جهانی را برای سازگاری الکترومغناطیس بوجود آورد CISPR است که به منظور تعیین روش های اندازه گیری و محدودیت گذاری تداخل الکترومغناطیس فرکانس رادیویی جهت تسهیل تجارت بین المللی در سال 1934 تشکیل شده است. CISPR هیچ اعتبار مقرراتی ندارد، اما استانداردهای آن، زمانی که توسط دولت ها تصویب شوند، به استانداردهای ملی تبدیل می شوند.

در سال 1985 سازمان CISPR مجموعه جدیدی از استانداردهای Emission برای تجهیزات فناوری اطلاعات ( کامپیوتر و الکترونیک دیجیتال ) به تصویب رساند. اتحادیه اروپا این استاندارد را به عنوان الزامات Emission نیز پذیرفته است. ایالات متحده هم به عنوان یکی از اعضای دارای رای در CISPR ، به این استاندارد جدید رای مثبت داده است که باعث بوجود آمدن فشار قابل توجهی بر روی FCC جهت پذیرش آن وارد می کند.

در سال 1996 کمیسیون FCC قوانین بخش 15 خود را اصلاح کرد تا به سازندگان اجازه دهد مشابه آن قوانین سازگاری الکترومغناطیسی که در اتحادیه اروپا استفاده می شود، استفاده کنند و همانطور که پیش تر اشاره شد در انتشار هدایتی محدودیت های CISPR توسط FCC پذیرفته و اعمال می شود.

استانداردهای نظامی

دسته مهم دیگری از استانداردهای سازگاری الکترومغناطیس، آن هایی هستند که توسط وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا صادر شده است و برای تجهیزات نظامی و هوافضا قابل اجرا هستند. در سال 1968 وزارت دفاع ایلات متحده چندین استاندارد EMC متفاوت را در دو استاندارد قابل اجرای جهانی ادغام کرد. این دو استاندارد یکی با عنوان MIL-STD-461 برای بیان محدودیت ها و الزامات استاندارد و دیگری با عنوان MIL-STD-462 برای روش های انجام آزمایش های استاندارد می باشد. این استاندارد ها سخت گیرانه تر از مقررات FCC هستند و شامل هر دو الزامات Emission و Immunity در بازه فرکانسی 30 هرتز تا 40 گیگاهرتز می شوند.

در طی این سال ها، استانداردهای فوق دست خوش بروزرسانی هایی شده اند. مثلا استاندارد MIL-STD-461A در سال 1968 اولین بار منتشر شده است و آخرین نسخه از آن MIL-STD-461E می باشد که در سال 1999 منتشر شده است. همچنین در سال 1999 نسخه های استاندارد MIL-STD-461D و MIL-STD-462D هر دو در MIL-STD-461E ادغام شده اند که این نسخه هم شامل محدودیت ها و الزامات و هم شامل پروسه تست می باشد.

بر خلاف استانداردهای تجاری که در آن باید همه الزامات استاندارد رعایت شود، استانداردهای نظامی MIL-STD الزامات قانونی نیستند بلکه الزامات قراردادی هستند و در آن ها امکان مذاکره و چشم پوشی در حد و حدود آزمون وجود دارد. همچنین اغلب روش های تست مشخص شده در استانداردهای نظامی با استانداردهای تجاری متفاوت است که این مسئله باعث می شود مقایسه محدودیت های استانداردهای نظامی با دیگر استانداردهای تجاری دشوار شود. برای آزمایش انتشار تشعشعی در استاندارد نظامی از اتاق یا محفظه محصور استفاده می شود در حالی که آزمایش انتشار تشعشعی FCC و اتحادیه اروپا در فضای باز صورت می گیرد. همچنین برای آزمایش انتشار هدایتی در استاندارد نظامی، جریان اندازه گیری می شود در حالی که استانداردهای تجاری ولتاژ را اندازه گیری می کنند. البته به علت انتقادهایی که نسبت به این متفاوت بودن آزمایش ها به ارتش شده است، ارتش در نسخه نهایی یعنی MIL-STD-461E استفاده از LISN و اندازه گیری ولتاژ را نیز قبول می کند. همچنین در MIL-STD-461E آمده است که دیوارهای محفظه مورد استفاده برای آزمایش های Emission و Immunity بایستی از مواد جاذب انرژی ساخته شده باشد تا محفظه کمترین انعکاس ممکن را داشته باشد.

در جدول زیر لیستی از الزامات Emission و Immunity برای استاندارد MIL-STD-461E آورده شده است.

هر استاندارد نظامی کاربرد خاص دارند و اغلب برای محیط های مختلف دارای محدودیت های متفاوتی هستند. برخی از این الزامات در محیط های مختلف در جدول زیر آورده شده است.

اویونیک ( الکترونیک هوانوردی )

صنعت اویونیک تجاری مجموعه ای از استانداردهای EMC خودش را دارد که به استانداردهای EMC نظامی شبيه هستند. اين استانداردها به دامنه وسيعي از هواپيماهای تجاری شامل هواپيمای هوانوردی کوچک، بالگردها و جامبو جت اعمال می‌شود. کميته فنی راديويی برای علم هوانوردی RTCA ( مخفف Radio Technical Commission for Aeronautics ) اين استانداردها را براي صنعت اویونیک توليد می‌کند. نسخه کنونی تحت عنوان E160-DO/RTCA شامل شرايط محيطی و رویه‌های آزمون برای تجهيزات هوابرد در دسامبر 2004 منتشر شد. بخش های 15 تا 23 و بخش 25 مسائل EMC را پوشش مي دهد. همانند استاندارد نظامی، E160-DO يک الزام قراردادی است نه قانونی؛ بنابراين ممکن است شرایط آن قابل مذاکره باشد.

فرايند تنظيم مقررات

ما همه احتمالاً با عبارت “ناديده گرفتن قانون دفاع ندارد” آشنا هستيم. چطور دولت ها مقررات سازگاری الکترومغناطیس تجاری شان را همگانی مي سازند؟ در بيشتر کشورها، مقررات به‌وسیله ناشران همگاني شده یا در “مجله رسمي” آن کشور ارجاع داده میشوند. در ايالات متحده، مجله رسمی دفتر ثبت فدرال و در کانادا، روزنامه کانادا و در اتحاديه اروپا، مجله رسمی اتحاديه اروپا است. همین که مقرراتی منتشر يا در مجله رسمی ارجاع داده می شود، فرض می‌شود هر فرد مرتبط با آن از وجودش آگاه خواهد شد.

منابع :

کتاب Electromagnetic Compatibility Engineering اثر Henry Ott

تکنیک های کاهش نویز ترجمه مصطفی مطاعی و همکاران