Sieć sztuczna to jedno z podstawowych urządzeń wykorzystywanych podczas pomiarów emisji przewodzonej EMC. Ale po co właściwie ją stosujemy, jak działa i dlaczego jej konstrukcja ma tak duże znaczenie? Zaglądamy do środka urządzenia TekBox i wyjaśniamy, co kryje się za pomiarami zaburzeń przewodzonych.
Na pierwszy rzut oka nie wygląda szczególnie imponująco.
Metalowa obudowa, gniazda zasilania, złącze pomiarowe BNC, czasami kilka przełączników.
W środku? Cewki, kondensatory, rezystory i trochę przewodów.
Można by pomyśleć: ot, kolejny filtr sieciowy.
Tyle że sieć sztuczna AMN/LISN nie jest zwykłym filtrem przeciwzakłóceniowym. To element toru pomiarowego, którego zadaniem jest stworzenie odpowiednich, powtarzalnych warunków do pomiaru zaburzeń elektromagnetycznych.
A to zasadnicza różnica.
W materiale wideo zaglądamy pod obudowę sieci sztucznej TekBox. Przyjrzymy się jej konstrukcji, a poniżej wyjaśnię, dlaczego zastosowano takie elementy i jak ich właściwości wpływają na wyniki pomiarów EMC.
FILM YOUTUBE — „Sieć sztuczna AMN/LISN – TekBox bez obudowy”.
1. AMN czy LISN — właściwie jak to nazywać?
Zacznijmy od dwóch skrótów, które często występują zamiennie.
AMN (Artificial Mains Network) — sieć sztuczna zasilania sieciowego.
LISN (Line Impedance Stabilization Network) — sieć stabilizująca impedancję linii.
W praktyce, szczególnie w odniesieniu do pomiarów emisji przewodzonej na przewodach zasilających, często spotkamy obie nazwy.
Termin AMN występuje w normach serii CISPR 16, natomiast LISN jest bardzo rozpowszechniony w dokumentacji aparatury i w języku inżynierskim.
Warto jednak pamiętać, że istnieje kilka rodzajów sieci sztucznych przeznaczonych do różnych zastosowań — dla zasilania AC, DC, instalacji samochodowych czy innych systemów. Nie wszystkie mają taką samą impedancję i charakterystykę.
W tym artykule skupimy się przede wszystkim na sieci używanej do pomiarów zaburzeń przewodzonych urządzeń zasilanych z sieci elektrycznej.
2. Dlaczego w ogóle potrzebujemy sieci sztucznej?
Wyobraźmy sobie, że mamy zasilacz impulsowy, sterownik silnika albo urządzenie elektroniczne z przetwornicą.
Chcemy sprawdzić, jakie zaburzenia wysokiej częstotliwości urządzenie wprowadza do przewodów zasilających.
Podłączamy analizator widma i wykonujemy pomiar.
Tylko do czego właściwie podłączamy analizator? I jaką impedancję widzi badane urządzenie?
To istotne, ponieważ rzeczywista sieć zasilająca nie ma jednej, stałej impedancji we wszystkich instalacjach i częstotliwościach.
Jej właściwości zależą między innymi od okablowania, transformatora, pozostałych odbiorników i samej instalacji.
Gdybyśmy mierzyli urządzenie bez kontrolowania tych warunków, wyniki mogłyby znacząco różnić się pomiędzy stanowiskami.
Dlatego potrzebujemy LISN.
Sieć sztuczna pełni trzy podstawowe funkcje:
1. Zapewnia określoną impedancję dla zaburzeń wysokiej częstotliwości.
Badane urządzenie pracuje w warunkach zdefiniowanych przez charakterystykę sieci sztucznej, zamiast zależeć wyłącznie od przypadkowych parametrów instalacji.
2. Ogranicza wpływ zaburzeń pochodzących od strony zasilania.
Dzięki odpowiedniej konstrukcji sygnały zakłócające z sieci zasilającej są tłumione w drodze do toru pomiarowego.
3. Udostępnia sygnał zaburzeń do pomiaru.
Przez odpowiedni tor sprzęgający umożliwia doprowadzenie napięcia zaburzeń do odbiornika EMI lub analizatora widma.
To właśnie dzięki temu możemy wykonywać pomiary w bardziej kontrolowanych i powtarzalnych warunkach.
3. Dlaczego 50 Ω i 50 µH?
W dokumentacjach sieci sztucznych często pojawiają się wartości:
50 Ω / 50 µH
Nie są przypadkowe.
W typowej sieci V-AMN przeznaczonej do pomiarów zaburzeń przewodzonych w zakresie 150 kHz–30 MHz stosuje się charakterystykę impedancji wynikającą z wymagań CISPR 16-1-2.
Skąd 50 µH?
Indukcyjność stanowi ważny element separujący badaną stronę zasilania od zewnętrznej instalacji w zakresie wysokich częstotliwości.
Jej reaktancja indukcyjna wynosi:
XL = 2πfL
Dla indukcyjności 50 µH otrzymujemy w przybliżeniu:
- przy 150 kHz: 47 Ω,
- przy 1 MHz: 314 Ω,
- przy 10 MHz: 3142 Ω.
Widać więc, że wraz ze wzrostem częstotliwości reaktancja idealnej cewki rośnie.
Oczywiście rzeczywista cewka ma rezystancję, pojemności pasożytnicze i rezonanse, dlatego nie zachowuje się idealnie w całym zakresie częstotliwości.
A dlaczego 50 Ω?
Impedancja 50 Ω jest powszechnie stosowana w technice pomiarowej RF (Radio Frequency — częstotliwości radiowe).
Odbiorniki pomiarowe EMI, analizatory widma i wiele elementów torów koncentrycznych wykorzystują właśnie tę impedancję nominalną.
Jednak oznaczenie 50 Ω / 50 µH nie oznacza, że badane urządzenie widzi dokładnie 50 Ω przy każdej częstotliwości.
Norma określa charakterystykę impedancji w funkcji częstotliwości, wraz z dopuszczalnymi tolerancjami.
I to właśnie cała charakterystyka impedancyjna, a nie jedynie nominalne wartości elementów, decyduje o przydatności sieci do określonych pomiarów.
4. Co znajdziemy wewnątrz LISN TekBox?
Zajrzyjmy do typowych elementów konstrukcji.
Duże cewki — nie bez powodu zajmują tyle miejsca
Jednym z najbardziej charakterystycznych elementów sieci sztucznej są cewki.
Muszą przenosić prąd zasilający badane urządzenie, a jednocześnie zachowywać odpowiednie parametry w zakresie częstotliwości pomiarowych.
To nie zawsze jest proste.
Znaczenie mają indukcyjność, rezystancja uzwojenia, pojemności pasożytnicze, temperatura pracy, a także sposób rozmieszczenia cewek względem innych elementów.
W niektórych konstrukcjach stosowane są cewki powietrzne, pozwalające uniknąć problemów związanych z nasyceniem rdzenia magnetycznego.
Takie rozwiązanie wykorzystuje między innymi model TekBox TBL5016-2.
Kondensatory — sprzężenie i separacja dla wysokich częstotliwości
Kondensatory w sieci sztucznej pełnią różne funkcje, zależnie od miejsca w układzie.
Mogą uczestniczyć w sprzęganiu sygnału zaburzeń do wyjścia pomiarowego oraz w ograniczaniu wpływu zakłóceń pochodzących od strony zasilania.
Ich wartości, charakterystyki i rozmieszczenie są częścią określonej konstrukcji pomiarowej.
Trzeba również pamiętać o bezpieczeństwie.
Kondensatory połączone z przewodami sieciowymi i przewodem ochronnym mogą powodować istotne prądy upływu. To jeden z powodów, dla których użytkowanie sieci sztucznej wymaga odpowiednich środków ochronnych.
Rezystory — również mają swoją rolę
Rezystory mogą odpowiadać między innymi za określone warunki impedancyjne, tłumienie, rozładowanie pojemności lub pracę dodatkowych obwodów.
Nie są to więc elementy dobrane przypadkowo.
Obudowa i ekranowanie
Obudowa nie służy wyłącznie do ochrony mechanicznej.
Jej konstrukcja i połączenie z płaszczyzną odniesienia mogą wpływać na właściwości elektromagnetyczne całego stanowiska.
W wysokich częstotliwościach znaczenie mają nawet geometria połączeń, długości przewodów i pasożytnicze sprzężenia pomiędzy elementami.
Dlatego LISN nie jest zwykłym zbiorem cewek i kondensatorów.
Jest kompletnym urządzeniem pomiarowym, którego parametry powinny być odpowiednio zweryfikowane.
5. Dlaczego konstrukcja i layout wewnętrzny mają znaczenie?
To szczególnie ciekawy aspekt dla projektantów elektroniki.
Możemy zaprojektować schemat z prawidłowymi wartościami elementów, a mimo to otrzymać urządzenie o nieodpowiedniej charakterystyce wysokoczęstotliwościowej.
Dlaczego?
Ponieważ rzeczywiste elementy mają parametry pasożytnicze.
Pomiędzy uzwojeniami cewek występują pojemności. Przewody mają indukcyjność. Elementy mogą sprzęgać się ze sobą magnetycznie lub pojemnościowo.
Przy odpowiednio wysokich częstotliwościach te pozornie drugorzędne właściwości zaczynają wpływać na wynik.
Dlatego podczas projektowania LISN trzeba uwzględnić nie tylko schemat elektryczny, lecz także rozmieszczenie elementów i geometrię połączeń.
To dobra lekcja również dla projektantów filtrów EMI i PCB.
Poprawny schemat to dopiero początek. Rzeczywisty układ musi jeszcze zachowywać się zgodnie z oczekiwaniami.
6. Co właściwie mierzymy za pomocą LISN?
Podczas typowych pomiarów emisji przewodzonej mierzymy napięcie zaburzeń na określonych zaciskach sieci sztucznej, w odniesieniu do zdefiniowanej konfiguracji pomiarowej.
W przypadku jednofazowego urządzenia zasilanego z sieci AC pomiar może obejmować osobno przewód fazowy L (Line) i neutralny N (Neutral).
Sygnał trafia do odbiornika EMI lub analizatora widma, gdzie obserwujemy jego poziom w funkcji częstotliwości.
Wyniki napięcia zaburzeń podajemy zwykle w dBµV, czyli decybelach względem 1 mikrowolta.
Przykładowo:
- 20 dBµV odpowiada 10 µV,
- 40 dBµV odpowiada 100 µV,
- 60 dBµV odpowiada 1000 µV, czyli 1 mV.
Ale uwaga: sama wartość na analizatorze widma nie musi być jeszcze wynikiem gotowym do porównania z limitem normatywnym.
Trzeba uwzględnić charakterystykę toru pomiarowego, ustawienia aparatury, zastosowane detektory oraz właściwą metodę badania.
W pomiarach EMC stosuje się między innymi detektory wartości szczytowej (Peak), quasi-szczytowej (Quasi-Peak) i średniej (Average), zależnie od wymaganej procedury.
Właśnie dlatego poprawnie wykonany pomiar to coś więcej niż podłączenie przewodu BNC.
7. Pięć rzeczy, o których warto pamiętać podczas pomiarów LISN
1. Dopasowanie 50 Ω
Wyjścia pomiarowe muszą być odpowiednio zakończone, zgodnie z dokumentacją urządzenia i procedurą pomiarową.
Niewłaściwe zakończenie może zmienić warunki impedancyjne i wynik.
2. Płaszczyzna odniesienia i połączenie z PE
Sposób zamontowania sieci sztucznej oraz połączenie z przewodem ochronnym PE (Protective Earth) i płaszczyzną odniesienia mają znaczenie zarówno pomiarowe, jak i bezpieczeństwa.
Nie należy traktować uziemienia jako opcjonalnego dodatku.
3. Konfiguracja okablowania
Długość, ułożenie i sposób prowadzenia kabli wpływają na wyniki.
Dlatego w pomiarach EMC konfiguracja stanowiska jest elementem metody badawczej.
4. Ochrona wejścia analizatora
Na wyjściu sieci sztucznej mogą pojawić się sygnały niebezpieczne dla wejścia pomiarowego.
Należy stosować właściwe zabezpieczenia, na przykład ograniczniki impulsów lub tłumiki, jeśli wymaga tego konfiguracja, i uwzględniać ich wpływ na tor pomiarowy.
Nie wolno zakładać, że każdy analizator widma można bezpośrednio podłączyć do dowolnego wyjścia LISN.
5. Zakres częstotliwości i właściwa norma
Nie wszystkie sieci sztuczne są przeznaczone do tego samego zakresu częstotliwości.
Popularnym zakresem pomiarów emisji przewodzonej jest 150 kHz–30 MHz, ale istnieją również wymagania i konstrukcje obejmujące inne częstotliwości.
Dobór sieci musi wynikać z właściwej normy, typu zasilania i badanego urządzenia.
Uwaga dotycząca bezpieczeństwa
Sieci sztuczne do pomiarów urządzeń zasilanych z sieci elektrycznej mogą charakteryzować się znacznymi prądami upływu do przewodu ochronnego.
Nie należy samodzielnie otwierać, przebudowywać ani zasilać rozebranej sieci sztucznej.
Oględziny wnętrza urządzenia powinny być wykonywane po bezpiecznym odłączeniu zasilania, przez kompetentne osoby i zgodnie z instrukcją producenta.
Nagranie pokazujące konstrukcję urządzenia nie jest instrukcją wykonywania przeróbek sprzętu sieciowego.
8. Czy LISN ma sens w małym laboratorium pre-compliance?
Zdecydowanie warto ją rozważyć, jeżeli projektujemy urządzenia elektroniczne i chcemy wykonywać wstępne pomiary emisji przewodzonej.
Nie zawsze trzeba od razu inwestować w pełne wyposażenie akredytowanego laboratorium.
Odpowiednio dobrana sieć sztuczna, analizator widma, właściwe zabezpieczenia i poprawnie przygotowane stanowisko mogą pozwolić na wykonywanie wielu użytecznych pomiarów porównawczych i diagnostycznych.
Przykładowo możemy:
- porównać emisję dwóch wersji zasilacza,
- sprawdzić wpływ zmiany filtra EMI,
- ocenić wpływ zmian w layout PCB,
- obserwować harmoniczne związane z przetwornicą impulsową,
- sprawdzić, czy zastosowana poprawka ogranicza zaburzenia na przewodach zasilania.
Trzeba jednak wyraźnie oddzielić diagnostykę i pomiary wstępne od pełnych badań zgodności.
Nie zawsze uproszczone stanowisko będzie zapewniało warunki umożliwiające wiarygodne porównanie wyników z limitami normatywnymi.
Mimo to może być bardzo wartościowym narzędziem pracy działu R&D.
9. LISN — kilka elementów, ale sporo fizyki
Wróćmy do początku.
Zaglądamy do wnętrza sieci sztucznej i widzimy cewki, kondensatory, rezystory oraz połączenia.
Niby nic niezwykłego.
Ale za tym prostym schematem stoi całkiem sporo inżynierii: impedancje, sprzężenia, częstotliwości rezonansowe, ekranowanie, bezpieczeństwo elektryczne i powtarzalność pomiarów.
To również dobre przypomnienie, że w kompatybilności elektromagnetycznej nie wystarczy wiedzieć, jaki przyrząd podłączyć.
Warto rozumieć, jakie warunki pomiarowe tworzymy, co naprawdę mierzymy i w jaki sposób sama aparatura wpływa na wynik.
Bo jeśli nie rozumiemy naszego stanowiska pomiarowego, trudno nam później właściwie interpretować zachowanie badanego urządzenia.
I właśnie dlatego czasami warto zajrzeć pod obudowę. Oczywiście przy odłączonym zasilaniu.
NORMY (STANDARDS)
W serii PN-EN 55016 (CISPR 16) są dwie najważniejsze normy dotyczące sieci sztucznej AMN/LISN i pomiarów zaburzeń przewodzonych.
| Norma | Co opisuje? |
|---|---|
| PN-EN 55016-1-2 (CISPR 16-1-2) | Aparaturę pomiarową, w tym sieci sztuczne AMN/LISN, wymagane charakterystyki impedancyjne, układy sprzęgające i metody ich weryfikacji. |
| PN-EN 55016-2-1 (CISPR 16-2-1) | Metody pomiarów zaburzeń przewodzonych — konfigurację stanowiska, podłączenie urządzenia, prowadzenie pomiarów i opracowanie wyników. |
sklep.pkn.pl
1. PN-EN 55016-1-2 — budowa i wymagania dla LISN
Pełny tytuł obejmuje układy sprzęgające dla pomiarów zaburzeń przewodzonych.
To właśnie tutaj szukamy informacji o:
- sieciach sztucznych AMN, w tym V-AMN 50 Ω / 50 µH,
- charakterystyce impedancji w funkcji częstotliwości i tolerancjach,
- separacji strony zasilania i toru pomiarowego,
- wymaganiach dotyczących weryfikacji parametrów sieci sztucznej.
Dla artykułu o rozebranym urządzeniu TekBox to najważniejsza norma.
2. PN-EN 55016-2-1 — jak wykonywać pomiary?
Norma opisuje metody pomiarów zaburzeń przewodzonych, szczególnie w zakresie 9 kHz–30 MHz, zależnie od zastosowania.
Znajdziemy tutaj zagadnienia dotyczące konfiguracji badanego urządzenia (EUT — Equipment Under Test), stanowiska pomiarowego, okablowania i wykonywania pomiarów.
To odpowiednie źródło do części artykułu o tym, jak prawidłowo używać LISN.
3. Jeszcze jedna przydatna norma
PN-EN 55016-1-1 (CISPR 16-1-1) — opisuje wymagania dla odbiorników pomiarowych EMI, w tym charakterystyki detektorów, pasma pomiarowe i inne parametry aparatury.
Tomasz Utkowski
EMC for Business
Projektowanie elektroniki, pomiary EMC, diagnostyka zaburzeń elektromagnetycznych i praktyczne szkolenia dla zespołów R&D.
Materiały powiązane:
- Diagnostyka i rozwiązywanie problemów EMC — od zakłócenia do skutecznej poprawki.
- Przegląd projektu pod kątem EMC — 13 kroków.
- Szkolenia EMC Pre-Compliance & Troubleshooting.
