Geleid of gestraald?

Immuniteit wordt wel onderverdeeld in geleide en gestraalde immuniteit. Deze onderverdeling is echter kunstmatig. In de praktijk hebben we alleen te maken met elektromagnetische velden die het apparaat door de lucht bereiken. Waarom spreken we dan toch van geleide immuniteit (Conducted Immunity)? Dit heeft een praktische reden. Voor lage frequenties wordt de golflengte namelijk relatief lang. We kunnen dit begrijpen als we de eenvoudige formule tussen golflengte en frequentie bekijken. Die luidt:

λ = ν / f

Hierbij is λ (lambda of labda) de golflengte, ν de voortplantingssnelheid van de golf door het medium en f de frequentie. Voor elektromagnetische straling is ν gelijk aan c (de lichtsnelheid), zodat de formule wordt:

λ = c / f

Een voorbeeld maakt het nog duidelijker, we ronden hiervoor de lichtsnelheid c af op 300.000.000 m/s. In werkelijkheid ligt deze iets lager. We komen dan voor een frequentie in de FM-band van 100 MHz uit op:

λ = 300.000.000 (m/s) / 100.000.000 (1/s)

Ofwel een golflengte van 3 meter. Voor een frequentie van 27 MHz bedraagt de golflengte dus circa 11 meter. Een effectieve antenne heeft een lengte van ¼ lambda ofwel voor 100 MHz een kwart van 3 meter is 75 cm. Deze lengte zien we in de praktijk terug bij de lengte van een conventionele autoradioantenne. Bij 27 MHz is de lengte van een effectieve antenne echter al toegenomen tot 2,75 meter. Voor het uitvoeren van EMC immuniteitstesten houdt dit in de toegepaste zendantenne dus 2,75 meter lang moet zijn. Dit is niet echt praktisch. Aan de andere kant kunnen we ook het te testen apparaat (Equipment Under Test (EUT) beschouwen. Om door elektromagnetische straling beïnvloed te kunnen worden moet er in het apparaat dus een effectieve antenne aanwezig zijn. Bij relatief kleine apparaten zal dit zelden het geval zijn. De enige effectieve antennes, dit houdt in voldoende lange antennes, zullen de op het apparaat aangesloten kabel of kabels zijn.

Hoe zal het relatief laagfrequente elektromagnetische veld tot beïnvloeding van het apparaat kunnen leiden? Dit kan doordat het veld een stoorstroom in de kabel induceert en deze stoorstroom zal in het apparaat tot AM-detectie kunnen leiden (zie de edutorial: De oorzaak van EMC problemen). Men heeft er nu voor gekozen om deze stoorstroom direct in de kabel te injecteren met behulp van een clamp of CDN (Coupling/Decoupling Network). Vandaar dat er gesproken wordt over geleide immuniteit.

Normen

Normen vallen uiteen in basisnormen die de meetmethode beschrijven. Voor geleide immuniteit is dit de NEN/EN/IEC 61000-4-6 en voor gestraalde immuniteit de NEN/EN/IEC 61000-4-3. De generieke en productnormen verwijzen naar deze basisnormen als het gaat om het uitvoeren van de testen. De generieke en productnormen geven de waarden en stellen de limieten waaraan een apparaat moet voldoen. Voor immuniteit is de generieke norm voor huishoudelijke omgevingen de NEN/EN/IEC 61000-6-1, voor (zwaar) industriële omgevingen is de generieke immuniteitsnorm de NEN/EN/IEC 61000-6-2. Enkele bekende productnormen zijn die voor Audio/Video (EN55020 -> EN55035), ITE apparatuur (EN55024) en voor laboratorium apparatuur (EN61326-1). Daarnaast geven deze productnormen ook aan hoe beïnvloeding moet worden vastgesteld.

Meetopstellingen

De basisnormen schrijven de meetmethoden voor. Zo wordt gestraalde immuniteit meestal uitgevoerd in een anechoische ruimte. Voor immuniteit is het doel van een dergelijke ruimte enerzijds de opgewekte elektromagnetische straling binnen te houden en anderzijds ervoor te zorgen dat de straling niet vanaf de wanden terugkaatst en zo tot ongewenste resonantiepieken leidt. De opstelling zoals hiernaast is weergegeven, bestaat uit een hoogfrequent signaalversterker die het stoorsignaal van een bepaalde frequentie opwekt. Dit signaal gaat via een coaxiale kabel naar een hoogfrequent breedband vermogensversterker die het signaal tot het gewenste niveau versterkt. De output van de versterker gaat normalerwijs via een zogenaamde directional coupler naar een breedband antenne. Het doel van de directional coupler is, het voorwaards vermogen en het gereflecteerd vermogen te splitsen zodat dit met twee RF vermogensmeters gemeten kan worden. Een breedband antenne zoals een logaritmisch periodische (LogPer) antenne wordt toegepast zodat er tijdens de metingen niet steeds antennes gewisseld hoeven te worden. Ofschoon dit de meettijd aanzienlijk bekort, kleeft er ook een nadeel aan dergelijke antennes. De versterking of gain van dergelijke antennes is laag. Zijn echt hoge veldsterkten nodig, worden vaak hoornantennes gebruikt. Die hebben weliswaar een beperkte bandbreedte (vaak 1 octaaf) maar een veel hogere gain. Hierdoor kan met eenzelfde versterker een hoger veld worden bereikt.

De basisnorm schrijft voor dat er ter plaatse van het EUT een homogeen elektromagnetisch veld wordt opgewekt. Dit kan worden vastgesteld met een zogenaamde 16-puntskalibratie. De grootte van het vlak van vier bij vier punten wordt bepaald door de afstand van de antenne tot de EUT en de grootte van de EUT. De EUT moet namelijk wel in zijn geheel belicht worden. Een homogeen vlak van 1,5 m bij 1,5 is zeer gebruikelijk. De afstand tussen de antenne en de EUT kan variëren van 1 meter bij automotive componenten tot 10 meter voor grote objecten zoals voertuigen.

Bij geleide immuniteit wordt de antenne als het ware vervangen door een clamp of CDN. De opstelling met signaalgenerator, versterker en directional coupler met vermogensmeters is gelijk aan de opstelling voor gestraalde immuniteit. Voor de test is er, bij lage test niveau's, geen noodzaak om deze in een afgeschermde ruimte uit te voeren. Testen met hogere stromen, zoals deze bij automotive testen voorkomen, worden om gezondheidsreden in een Kooi van Faraday uitgevoerd.

Frequentiebanden

Voor huishoudelijke en industriële omgevingen worden de geleide immuniteitsmetingen uitgevoerd in de band van 150kHz tot 80 MHz. De gestraalde immuniteit loopt van 80 MHz tot 2,7 GHz. Deze bovengrens zal op korte termijn worden opgetrokken naar 6 GHz.

In de automotive industrie loopt de band voor bulk current injection van 1 MHz tot 400 MHz en de gestraalde immuniteit van 80 MHz tot 18 GHz.

Niveaus

Zoals gesteld, bepalen de productnormen of productgroepnormen de niveaus. Voor gestraalde immuniteit worden deze niveaus in V/m gegeven. De normen geven hiervoor waarden variërend van 3 V/m voor huishoudelijke omgevingen, 10 V/m voor industriële omgevingen tot ~30 V/m voor voertuigen (E-markering). Bepaalde fabrikanten, met name in de automotive industrie, stellen echter veel hogere eisen. Zo komen eisen van 100 V/m tot zelfs 600 V/m regelmatig voor. De gebruikte eenheid bij geleide immuniteit is Vrms. Hier wordt voor huishoudelijk 3 Vrms en voor industrieel 10 Vrms gehanteerd. In de automotive industrie wordt vaak de gehele kabelboom tegelijk getest. Men spreekt dan van bulk current injection. De gebruikte eenheid is hier mA en eisen lopen van 60mA voor de wettelijke eisen tot wel 300mA als fabrikanteis.

Nieuw Concept

DARE!! Instruments heeft recent een geheel nieuw en revolutionair concept gelanceerd waarbij voor de frequentieband van 1 GHz tot 6 GHz in een systeem drie versterkers ieder met hun eigen directional coupler, vermogensmeters en antenne tot een geheel zijn geïntegreerd. Het voordeel van deze innovatie is dat een bepaald elektromagnetisch veld veel efficiënter en dus ook substantieel goedkoper kan worden opgewekt. Met dit nieuwe concept zullen ook de aanzienlijke verliezen in coaxiale kabels en connectoren tot het verleden behoren. Later zullen wij u verder over deze innovatie en de techniek hierachter informeren.