Het EMC probleem

De grote vraag is echter: Waarom treden deze problemen op? Hoe is het mogelijk dat een GSM met een frequentie van 900 of 1800 MHz een laagfrequent schakeling, zoals bijvoorbeeld een microfoon versterker, kan storen? In deze edutorial wordt antwoord gegeven op deze vraag.

Vandaag de dag bevat nagenoeg iedere elektronische schakeling halfgeleiders. Het zijn de PN overgangen van deze halfgeleiders die de boosdoeners zijn. Zoals we zullen zien, werken deze als een prima AM-ontvanger.

Een voorbeeld

In onderstaande afbeelding van een microfoon versterker is een simpele transistor opgenomen. De transistor is ingesteld met twee weerstanden aan de ingang en twee weerstanden aan de uitgang. Aan de ingang (basis) van de transistor is een condensator opgenomen met het doel gelijkspanning te blokkeren.

De capaciteit van deze transistor is afgestemd op de werkfrequentie van de schakeling. Laten we deze op 20kHz stellen. Voor hoogfrequent velden is deze capaciteit een kortsluiting. Over de emittor weerstand is een ontkoppelcondensator aangebracht. Deze schakeling is slechts een voorbeeld. Het onderstaande geldt voor iedere schakeling, dus ook IC's, met hierin halfgeleiders.

FM detectie

We volgen nu het pad van de storing (het hoogfrequent signaal). We gaan eerst uit van een frequentie gemoduleerd (FM) signaal. Bij FM wordt het over te dragen signaal op een draaggolf gemoduleerd door de frequentie van de draaggolf te wijzigen met de frequentie van het te verzenden signaal. Dit FM signaal komt via de ingang van de schakeling binnen en passeert de condensator aan de ingang. In de transistor passeert de storing de PN overgang. Dit is een diode. Deze diode richt het hoogfrequent signaal gelijk. De condensator over de emitter weerstand vlakt het signaal af en er ontstaat een gelijkspanning die de emitter van de transistor "optilt". Dit is normaal gesproken geen probleem omdat het gewenste signaal relatief klein is en gemakkelijk in de uitstuurruimte past. Pas op het moment dat het emittor niveau zeer hoog wordt, begint het gewenste signaal te "klippen" en is er dus sprake van beïnvloeding. De velden, nodig om dit niveau te bereiken, liggen rond de 200 V/m. Een schakeling zal dus niet snel worden beïnvloed door een FM gemoduleerd (of draaggolf) signaal.

AM detectie

Nu een Amplitude gemoduleerd (AM) signaal. Bij een AM signaal wordt de te verzenden informatie op de draaggolf gemoduleerd door de amplitude van de draaggolf te wijzigen met de frequentie van het gewenste signaal. Het gewenste signaal is dus als het ware terug te zien op de draaggolf. Dit AM signaal komt nu weer via de ingangscondensator bij de transistor en wordt eveneens gelijkgericht en door de condensator over de emittor weerstand afgevlakt. Deze condensator is voor het hoogfrequent signaal (de draaggolf) echter dusdanig groot dat dit signaal naar aarde kortgesloten wordt. Het gemoduleerde signaal komt echter grotendeels over de emittor weerstand te staan. Dit variërend signaal is in tegenfase op de uitgang (collector) zichtbaar en in het geval van een microfoonversterker ook hoorbaar. We hebben, ongewild, een simpele AM-ontvanger gebouwd! De gevoeligheid van onze AM-ontvanger ligt al snel rond de 0,5 V/m. Zodra het signaal de eerste PN overgang passeert, vindt er dus AM detectie plaats. Filteren is dan niet meer mogelijk omdat het signaal in de band van het gewenste signaal ligt.

De gevolgen

Helaas zorgt deze "gevoeligheid" in dit geval voor beïnvloeding van onze schakeling, die daarmee hoogstwaarschijnlijk niet aan de essentiële eisen van de EMC-richtlijn zal voldoen.
De schakeling wordt beïnvloed en in het geval van een microfoon versterker zal een storende toon hoorbaar zijn. In geval van een laagfrequent signaal versterker, denk aan een versterker die een laagfrequent signaal van bijvoorbeeld een temperatuurversterker moet versterken, wordt de verkeerde waarde doorgegeven en naar alle waarschijnlijkheid worden hier door mens of computer verkeerde beslissingen genomen.

De uitgang

Laten we voor de volledigheid bekijken wat er gebeurt als het signaal via de uitgang de schakeling binnenkomt. Vanuit de uitgang gezien zien we in zekere mate hetzelfde probleem: de diode wordt nu vanaf de andere kant benaderd, het signaal gelijkgericht en door de parasitaire capaciteit aan de ingang vindt toch AM detectie plaats. Elektromagnetische velden discrimineren dus niet, een uitgang is voor deze velden nagenoeg hetzelfde als een ingang. Bij het voorkomen of oplossen van de EMC problemen moeten we dus wel degelijk met de uitgangen rekening houden!

Frequentieband

U zult denken "ach een simpele BC107 transistor, tot welke frequentie zou die werken?". Het werkingsgebied van een dergelijke transistor ligt inderdaad maar rond de 150 MHz. In de praktijk blijkt de diode in een simpele, lees langzame, transistor als een BC107 echter al te "werken" tot ruim 2 GHz. Het enige wat de diode in de BC107 namelijk hoeft te doen om EMC problemen te veroorzaken, is het hoogfrequent signaal gelijk te richten. Elke halfgeleider blijkt dit helaas tot ver boven zijn functionele werkfrequentie zeer goed te doen.

Alle halfgeleiders

In de praktijk bevat ieder IC halfgeleiders met een vergelijkbare schakeling, als uit voorgaand voorbeeld aan de ingang. Iedere maar dan ook iedere schakeling met halfgeleiders is dus gevoelig voor hoogfrequent AM gemoduleerde signalen.

De oplossing

Hoe we deze problemen kunnen oplossen, komt in de volgende edutorials aan bod. We zullen hier zien hoe er gefilterd kan worden en welke alternatieven er zijn.

Interessant Artikel? Lees meer edutorials van DARE!!

Terug naar de nieuwsbrief Winter 2012