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今天我们讲第29讲

设备电磁抗扰度的测试

这一讲也是本门课程的最后一讲

我们来看看

设备应该抵抗哪些电磁骚扰呢

另外它的骚扰信号是如何施加的

这个图给出了

抗扰度测试的原理图

首先设备与信号线和电源线相连

保持它的正常工作

另外我们都有骚扰信号发生器

产生骚扰信号

用功率放大器把它放大

对于传导骚扰

我们将它注入在电源线或者信号线上来进入设备

而对于电磁辐射的抗扰度测试

我们把骚扰源连接到天线上

通过天线产生的空间辐射作用在被测物体上

另外我们用监视探头来监视电源线

和信号电缆

另外还要采用天线和探头

来监测空间场的变化

还要采用观测器来观测

EUT在抗扰度测试时的一些现象

看看是不是发生了放电是不是起火了

然后根据测试结果来判定它的抗扰度特性

抗扰度测试分为三大类

一类是辐射抗扰度

第二类辐射引起的传导抗扰度

第三类是传导抗扰度

包括了静电放电 电快速瞬态脉冲群

浪涌电压 工频磁场

电压跌落 暂降和变化等

辐射抗扰度和射频传导抗扰度测试

一般要在电波暗室或者开阔场进行测量

它的主要的设备包括信号发生器

功率放大器

各种不同频段的接收天线 电场探头

双向功率的耦合器 功率测量探头

耦合去耦网络等

传导抗扰度测量

被测物体对耦合到其输入电源线

互连线及机壳上的骚扰信号的承受能力

骚扰信号包括

连续波骚扰和脉冲类骚扰

在50kHz以下

是考核来自电源高次谐波的传导敏感度

在10kHz到400MHz

考核电缆束对电磁场感应电流的传导敏感度

一般传导抗扰度可在屏蔽室中进行测量

这个表给出了传导抗扰度测试的

测试对象 对应的频段

骚扰信号的类型以及注入的方式

电磁骚扰注入测试设备有几种方式

第一种是变压器注入法

是将50kHz以下的电源线的

连续波注入到被测设备

第二种是电流探头法

频率在25Hz到10kHz

第三种是电源阻抗稳定网络法

频率在10kHz到30MHz

第四种是功率吸收钳法

在30M到1GHz

这个图给出了耦合去耦网络测试的示意图

传导骚扰的第一项内容是电压暂降

短时中断和电压变化抗扰度测试

它的目的是检测设备在电磁暂降

短时中断及电压变化时性能的变化

电压暂降和短时中断

可能造成的影响包括如下四个方面

第一个是跳闸

第二个是电压调整器误动作

第三是逆变器的转换失败

第四类是计算机内存的信息的丢失

电压暂降和短时中断的试验

分为三个等级

另外这个表给出了

短时供电电压变化测试的时间设定

第二个内容是衰减振荡波的抗扰度的测试

这个实验是特别针对高压母线开关操作的情况

衰减振荡波代表了在高压和中压变电站中

电源电缆 控制电缆以及信号电缆中出现的

重复的阻尼振荡波

振荡波及阻尼振荡波试验等级分为四类

这个表给出了相应的共模电压和差模电压值

可以采用耦合去耦网络来施加衰减振荡波

这个图给出的是单向注入的抗扰度试验

这是共模抗扰度的实验

共模抗扰度是将所有的端子连接起来

在地和端子之间注入骚扰源

差模抗扰度实验是在两个端子之间施加骚扰源

第三类是静电放电抗扰度测试

它是模拟操作人员和物体

在接触设备时的放电

及物体对邻近物体的放电

以考察被试设备

抗静电放电的能力

测试时

一个放在接地参考面上高度0.8米的木桌子

上面会放置面积1.6米乘0.8米的水平耦合板

用厚度为0.5毫米的绝缘衬垫

将被试设备和电缆与耦合板隔离

两个耦合板间

只用两个带470千欧电阻的电缆来连接

落地式设备与电缆

应采用厚度0.1米的绝缘座与参考地隔离

这是一个标准的静电放电的波形

这是我们试验时由电枪产生的静电波形

静电放电试验分为接触放电和空气放电两种

接触放电是将静电枪直接作用在被测设备上面

空气放电是指拿静电枪对放电板进行放电

由放电板产生的场再作用在被测设备上面

而对于大型的设备必须放在地上来进行测试

静电放电抗扰度测试标准分为五类

第五类为X级

也就是任意级

用户根据自己的需求来进行定义

要施加多高的电压

第四个试验是电快速脉冲群抗扰度试验

感性负载断开时

由于开关触点间隙绝缘击穿或触点

弹跳等原因

会在断开处产生暂态骚扰

这种暂态骚扰以脉冲的形式出现

而脉冲会以相应的时间间隔多次重复

这里给出了快速脉冲的波形

它的单个脉冲上升时间是5个ns

脉冲持续的时间是50ns

脉冲群持续的时间是15毫秒

脉冲群的周期是300ms

电快速脉冲群

它的能量虽然很小

但它的频谱很宽

使设备产生误动作

仍然会对电子电器设备的可靠性产生影响

另外脉冲群干扰

之所以会造成设备的误动作

是因为脉冲群对线路中

半导体器件结电容的充电

当结电容上的能量积累到一定的程度

便会引起线路的误动作

快速脉冲群测试也是分为五级

它的第五级也是X级

也是由用户来进行定义的

其中第四级对应的是严酷的工业环境

包括了电站500kV以上的开关设备等

第5个实验是浪涌抗扰度试验

它评估设备对大能量的浪涌骚扰的抗扰度

例如电力系统的操作瞬态 雷电冲击等

浪涌采用耦合去耦网络加到电源线和信号线上面

浪涌波形由混合波发生器产生

混合波它的短路电流

是8/20微秒的标准电流波

它的开路波形

是1.2/50的标准电压波形

这个图给出了浪涌抗扰度测试的接线图

浪涌抗扰度也是分为五级

第五级也是一个X级为待定级

由用户来定义

其中第四级是严重骚扰的环境

如民用架空线

未加保护的高压变电站等

第六个试验是

工频磁场和脉冲磁场的抗扰度测试

工频磁场抗扰度试验

对没有显示器的设备尤为重要

它是评价处于工频磁场中的家用 商业

和工业用电气和电子设备的性能

脉冲磁场抗扰度试验

是测量设备在脉冲磁场作用下的可靠性

脉冲磁场一般由雷击建筑物

和电力系统暂态电流所引起

试验也是分为六个试验等级

下面一类试验是

脉冲场感应引起的传感骚扰抗扰度测试

脉冲信号设备上感应的传导抗扰度

考核被测设备

对各种脉冲信号敏感的传导敏感度

或者电缆束对感应电流的传导敏感度

一般是在150kHz到80MHz的范围

另外也可以扩充到230MHz

这种试验分为四个等级

其中第四级为X级

这个图给出了

射频场感应引起的传导实验的设备布置图

射频信号通过功率注入钳加到设备上面

对于大电流的设备

它相应的CDN价格很高

所以一般只能采用钳注入法来进行测试

第三大类试验是电磁辐射抗扰度测试

它的目标是考核电子设备

对辐射电磁场的承受能力

观察其是否会出现性能降低

或者出现故障

测试时我们要建立一个确定的电磁环境

能够准确定量地代表

被试设备实际工作中的电磁环境

电磁辐射抗扰度测试

对测试的场地要求较高

一般在半电波暗室

TEM室或GTEM室

这些带有屏蔽的环境中进行

它的设备包括

各种信号发射设备

各种天线

以及场强监测设备等

施加的场包括磁场 电场和瞬变电磁场

施加的干扰信号包括

连续波 加调制的连续波以及脉冲波

因此

电磁辐射抗扰度测试

需要多台信号发生器

才能覆盖它的整个测试的范围

这个图给出了辐射抗扰度的原理图

左边是信号发生器及功率放大器等

产生了额定功率之后

施加到天线上面

由天线产生电磁场

作用在右边的被测物体上

然后我们监视被测物体的运行状态

干扰电磁场

一般是正对着设备最敏感的部位

来进行照射

低频天线尺寸远远小于工作波长

辐射效率低

测试时

发射天线应该靠近被测设备

电场发射天线距被测物体一米

磁场发射天线距被测物体表面5个厘米

在4000赫兹到200兆赫兹的范围

需要1000瓦的功率才能满足要求

天线法进行辐射抗扰度测试分为三个等级

对应的试验场强为1 3 10V/m

另外对一些小的设备

也可以采用TEM小时来进行辐射抗扰度测试

测试时被测物体的尺寸

不能超过芯板和底板之间距离的1/3

对于稍大的一些物体

我们可以采用GTEM室来进行

辐射抗扰度测试

最后一个问题

我们如何评价电磁兼容抗扰度测试结果呢

抗扰度指标的主观性是长期以来

困扰EMC测试界的一大难题

一般抗扰度测试结果可以分为三类

设备按照预期的方式持续运行

不允许出现任何性能的降低和功能的丧失

这一指标主要适用于持续出现的电磁现象

如射频干扰

第二类测试完成后

设备将按照预期的方式持续运行

不允许有任何性能的降低或功能的丧失

在测试期间允许有性能的降低

但不允许有实际的工作状态

或者存储数据的变化

这一指标适用于瞬态骚扰

第三类在功能丧失可以自动恢复

或者可以通过操作恢复正常的条件下

暂时性的功能丧失是可以接受的

该指标适用于电源中断测试

最后我们来讨论一个问题

如何用一个小的功率产生大的功率

刚才前面我们介绍电磁兼容测试时

我们需要放大器

放大器的价格是很高的

要产生高的功率

就需要更大功率的放大器

另外一个问题是

实际设备承受的电磁辐射是如何的

目前的抗扰度试验会有什么问题

在1986年有学者提出了一个混响室的概念

混响室实际上就是一个屏蔽室

电磁波在屏蔽中会沿着墙壁进行折反射

然后在室内布置了一个所谓的搅模器

搅模器实际上就是一些叶片

它在不停地转动

这样的话电磁波照在叶片上面就形成了反射

这样通过叶片的转动

就可以把电磁场的传播的路径把它打乱

这样的话

就在整个混响室内部

产生了一个统计的均匀区

大概是离屏蔽室

一米距离之内的这个范围

都是均匀的

因此我们就由一个低源

产生了一个强的电磁环境

那我们再来考虑刚才提到的问题

设备正常工作时

受到的电磁干扰是来自不同方向的

而我们在电磁抗扰度测试时

是按一个一个方向来进行测试的

显然与实际的情况是不太相符的

也就是说比实际的情况要弱

如果我们用混响室来进行电磁兼容测试

那就可以同时从四面八方施加骚扰源

来考核它的耐受程度

利用混响室进行电磁辐射有关的测试

已经发展了近30年

目前正逐渐被商业应用厂商

和国际标准组织接受

它的建造周期短 投资小 测试方法很简单

得到了业界的广泛的关注

在IC61000-4-21标准中

规定了混响室的测试方法

包括混响室的标准

混响室的发射测试

辐射抗干扰度测试和屏蔽效能测试

这个图给出了10V/m的条件下

被试物体接收的最大的功率

可以看出

采用混响室进行辐射抗扰度的测量结果

与电波暗室结果是一致的

它们之间的差值大概在±5个分贝之内

但我们发现对于辐射发射

二者会相差很大

但是有一个有趣的现象

如果我们采用最大的辐射功率来衡量

就发现混响室与电波暗室的测量结果

又非常接近

到目前为止

采用混响室进行辐射发射测试

的标准还在讨论之中

这是一个广泛值得研究的课题

各位同学到这里

电磁兼容课程的讲授就全部完成

最后我以美国总统布什在2001年

耶鲁大学毕业典礼上的演讲片段送给大家

我们做好了应对任何不可预见事件的准备

这样的事情可能发生也可能不发生

我也希望各位同学通过本课程的学习

具备了电磁兼容设计的思想

掌握了电磁兼容设计的技术

在未来的工作 研究以及产品开发中

能够学有所长 学有所用

祝各位同学前程似锦