فرآیند ارزیابی سازگاری الکترومغناطیسی و شرایط لازم برای احراز سازگاری

در آموزش قبلی در رابطه با تداخل الکترومغناطیسی یا EMI (Electromagnetic Interference) مفصلا صحبت کردیم و گفتیم که تقریبا تمام محصولات، تجهیزات و ابزار الکترونیکی که به منظور استفاده‌های تجاری طراحی و تولید می‌شوند و از مبادی قانونی خرید و فروش می‌شوند، حتما باید ارزیابی‌هایی را با موفقیت پشت سر بگذارند و گواهی‌هایی دال بر اینکه مطابق با قوانین و استانداردهای الکترومغناطیسی عمل می‌کنند را دریافت کنند و البته میلیون‌ها قانون و آیین‌نامه در مناطق مختلف در این مورد تدوین شده‌‌اند که بعضا تفاوت‌هایی نیز هم با هم دارند. به هر حال چیزی که اهمیت دارد این است که هر ابزاری که قرار است در یک منطقه مورد بهره‌برداری تجاری قرار گیرد، الزاما باید استانداردهای مورد تایید در آن ناحیه را برآورده کند.

در آموزش امروز می‌خواهیم در مورد آزمون یکی از این گواهی‌های پرطرفدار که تجهیزات الکترونیکی باید از سر بگذرانند، صحبت کنیم. گواهی سازگاری الکترومغناطیسی یا  EMC Certification.

مقاله مرتبط مفید: تداخل الکترومغناطیسی EMI – انواع، استاندارد‌ها و روش‌های محافظت

مطالب متعددی را در مورد این گواهی توضیح خواهیم داد از جمله اینکه اصلا سازگاری الکترومغناطیسی چیست و چه اهمیتی دارد؟ چه محصولاتی حتما باید این ویژگی را داشته باشند؟ و همچنین قوانین مختلفی که در مورد EMC  در کشورهای مختلف وجود دارد .

EMC چیست؟

EMC مخفف عبارت Electromagnetic compliance به معنای سازگاری الکترومغناطیسی است و به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن توانایی یک دستگاه الکترونیکی برای عملکرد صحیح در یک محیط دارای امواج الکترومغناطیسی سنجیده و بررسی می‌شود.

تمام سیستم‌های الکتریکی و ابزارهای الکترونیکی، از خود سطحی از امواج الکترومغناطیسی ساطع می‌کنند که این امواج می‌توانند عملکرد سایر دستگاه‌ها و سیستم‌هایی که با آن‌ها در ارتباط هستند و یا حتی در مجاورت هم قرار دارند را مختل کند. این تداخل‌ها می‌توانند به اندازه‌ای مخرب باشند که عملکرد صحیح دستگاه را از بین برده و یا آن را از کار بیندازند و یا حتی در مواردی می‌توانند موجب آسیب رساندن به شخص استفاده کننده از دستگاه شوند. استاندارهای سازگاری الکترومغناطیسی به منظور کاهش احتمال یا جلوگیری از رخداد چنین اتفاقاتی بود که وضع شدند تا تبدیل به مبنای واحدی برای سنجش صحت عملکرد سیستم‌ها و تجهیزات الکترونیکی و ایمنی آن‌ها شوند.

نکته‌ای که بد نیست در همین ابتدا به آن اشاره کنیم این است که اغلب اوقات EMC و EMI را به جای هم به کار می‌برند و البته که بیراه نیست چون شباهت‌های زیادی میان آن‌ها وجود دارد اما تفاوت‌شان نیز واضح است و باعث می‌شود که دو مقوله‌ی کاملا جداگانه باشند. EMI محک و معیاری است برای تعیین میزان تشعشعات ساطع شده از یک ابزار الکتریکی فارغ از پیامد‌های آن‌ها، در حالیکه EMC یا سازگاری الکترومغناطیسی به توانمندی سیستم‌ها و تجهیزات الکتریکی گفته می‌شود که بتوانند حتی در صورت قرار گرفتن در محیطی که دارای تداخل الکترومغناطیسی یعنی EMI است، باز هم به همان درستی که مدنظر بود عمل کنند و دچار اختلال عملکرد نشوند.

اهمیت EMC

هرچند که جزئیات دقیق استاندارد EMC بین کشورهای مختلف و حتی بعضا مناطق مختلف ممکن است قدری متفاوت باشد، اما در سراسر جهان، کسب این گواهی یکی از شروط قانونی و اجباری برای صدور مجوز فروش هر ابزار یا وسیله‌ی الکترونیکی است.

به عنوان مثال در بازارهای اروپایی، تمام تجهیزات الکترونیکی برای آن‌که اجازه‌ی ورود به بازار پیدا کنند باید برچسب CE را از پیش دریافت کرده باشند، و این برچسب تنها در صورتی دریافت می‌شود که تولیدکننده‌ی آن محصول تمام دستورالعمل‌های ناظر به استانداردها از جمله  سازگاری الکترومغناطیسی را در حین ساخت رعایت کرده باشد. مدرکی که ثابت می‌کند این استانداردها رعایت شده‌اند گواهی انطباق یا DOC گفته می‌شود که همراه دفترچه‌ی راهنمای هر محصول منتشر می‌شود.

معمولا برای محصول جدیدی که توسط تولیدکنندگان عرضه می‌شود، توزیع کنندگان محصولات در مقیاس بزرگ و شبکه‌های پخشی که وجود دارند، DOC ارائه شده برای آن محصول را با انجام آزمایشات مرتبط تأیید می‌کنند و پس از حصول اطمینان، آن محصول را وارد بازارهای فروش جزئی می‌کنند. زیرا در صورتی که این آزمایشات را انجام ندهند، به نوعی ریسک تهیه دستگاه‌هایی را پذیرفته‌اند که ممکن است غیرقابل اطمینان باشند و این کار در صورتی که واقعا اثبات شود که آن محصول غیرقابل اطمینان بوده است، عملی کلاهبردارانه محسوب می‌شود و در مجامع بین‌المللی محکوم به پرداخت جریمه‌های قابل توجه، ضبط محصول و سرمایه و حتی مجازات حبس شود، و البته جدا از بحث اجبار و قانون، عدم احراز ویژگی سازگاری الکترومغناطیسی در یک محصول، می‌تواند منجر به پیامدهای پس از فروش بسیاری شود. بنابراین گواهی‌های EMC قابلیت اطمینان یک محصول را نه تنها از نقطه نظر مصرف‌کننده، بلکه از دیدگاه تولید‌کننده نیز افزایش می‌دهند چرا که نقایص احتمالی یک محصول را برجسته می‌کنند و به تولیدکننده این شانس را می‌دهند که پیش از عرضه‌ی محصول معیوب به بازار، تحمل خسارات ناشی از آن، به دوش‌کشیدن بار شرمساری ناشی از جمع کردن محصول از بازار و نیز تن دادن به خدمات پس‌از فروش، فرصت این را داشته باشد که محصولش را اصلاح نموده و سپس با اطمینان روانه‌ی بازار نماید.

بنابراین و در مجموع، انجام فرآیندهای ارزیابی سازگاری الکترومغناطیسی، نه تنها تضمین خواهد کرد که تولیدکننده می‌تواند محصولش را روانه‌ی بازار کند، بلکه زمینه‌ی تولید محصولاتی قابل اطمینان را فراهم می‌کند که این هم به نوبه‌ی خود موجب جلب اعتماد و اطمینان مشتری و در نتیجه فروش بهتر و بیشتر خواهد شد.

قوانین سازگاری الکترومغناطیسی و الزامات دریافت گواهی EMC

همان‌طور که گفتیم، قوانین موجود در کشورها و حتی بعضا مناطق مختلف ممکن است قدری در جزییات با هم متفاوت باشند. به عنوان مثال در ایالات متحده آمریکا، FCC (کمیسیون فدرال ارتباطات) قوانین آزمون‌های EMC را تعیین می‌کند. مثلا یکی از قوانین آن در که بخش 15ام سند مربوطه آمده است، ناظر به ماکسیمم مقدار تداخل فرکانس رادیویی بدون مجوز است که وسیله‌های مختلف می‌توانند از خود ساطع کنند. در ایالات متحده، ابزارهایی که تمام استانداردهای تعیین شده را کسب کنند، برچسب اطمینان FCC دریافت خواهند کرد.

در خارج از ایالات متحده نیز استانداردهای مختلفی از جمله IEC ،ISO ،CISPR  و … در تعیین قوانین EMC در نظر گرفته می‌شوند.

مثلا در اتحادیه‌ی اروپا که در قسمت‌های قبلی نیز اشاره کردیم، ابزارهای الکترونیکی در صورت احراز تمام استانداردهای وضع شده، برچسب CE دریافت می‌کنند و در صورت نداشتن این برچسب حق فروش قانونی ندارند.

یا مثلا در قاره‌ی آفریقا، کشورهایی مانند آفریقای جنوبی، نهادی وجود دارد به نام نهاد استانداردهای آفریقای جنوبی (SABS)، و مجوز سازگاری محصولات الکترونیکی توسط آن صادر می‌شود.

کشورهایی مانند نیجریه نیز هستند که به همان استانداردهای IEC و CISPR اکتفا می‌کنند.

از آن سو شدت مجازات‌های در نظر گرفته شده برای عدم داشتن گواهی‌های استاندارد EMC نیز در کشورهای مختلف متفاوت است. البته در برخی کشورهای در حال توسعه سازگاری الکترومغناطیسی هنوز به عنوان یک ویژگی اختیاری محسوب می‌شود اما شکی نیست که با گذر زمان و رشد بیشتر این کشورها، آثار مخرب تداخل الکترومغناطیسی مورد توجه بیشتری قرار خواهد گرفت و شاهد قانون‌گذاری‌های سفت و سخت‌تری در این زمینه خواهیم بود.

فرآیند ارزیابی سازگاری الکترومغناطیسی

در یک آزمون EMC، هر وسیله‌ی الکترونیکی را از سه بعد بررسی می‌کنند.

1. انتشار (Emission)
2. حساسیت (Susceptibility)
3. مصونیت (Immunity)

1. آزمون انتشار

انتشار یا تشعشع، به تولید ناخواسته و یا تعمدی انرژی الکترومغناطیسی توسط هر منبعی گفته می‌شود. در مورد ابزارهای الکترونیکی، تست‌های EMC به گونه‌ای طراحی می‌شوند که تشعشعات ناخواسته‌ی ابزارها و نیز تدابیری که در جهت مقابله با این تشعشعات و به منظور کاهش حداکثری و بازداشتن آن‌ها از تاثیرگذاری منفی بر سایر دستگاه‌های اطرافشان اتخاذ شده‌اند را بررسی کنند.

تست یا آزمون انتشار شامل اندازه‌گیری اندازه‌ی میدان تولیدی توسط امواج منتشر شده و همین‌طور اندازه‌ی میدان تولیدی توسط امواج هدایت شده از طریق رسانایی است. برای بررسی دومین مورد عملکرد سیم‌ها و کابل‌ها سنجیده می‌شود و برای بررسی مورد اول، تمام انتشارهای القایی یا خازنی در تمام جهات در نظر گرفته می‌شوند.

در ابزارهایی که قرار است در مجاورت ابزارهای الکترونیکی دیگر کار کنند، نظارت بر تشعشعات ساطع شده بسیار حائز اهمیت است و برای این کار از آنتن‌هایی به عنوان مبدل استفاده می‌شود. برای نظارت بر امواج هدایت شده از طریق رسانایی نیز از ابزارهایی مانند گیره جریان RF یا RF Current Clamps و یا شبکه‌های تثبیت کننده مقاومت خط (LISN) به عنوان مبدل استفاده می‌شود.

این مبدل‌ها سپس به یک رسیور مخصوص دریافت تداخل الکترومغناطیسی و یا به یک آنالیزوری که پهنای باند‌ها و آشکارسازهایی بر مبنای الزامات موجود در استانداردهای بین المللی مختلف EMC در آن گنجانده شده است، تحویل داده می‌شوند تا نتایج آزمون را تعیین کنند.

2. آزمون حساسیت

منظور از حساسیت، میزان تمایل یک دستگاه الکترونیکی (که معمولا به آن قربانی گفته می‌شود)، به فروپاشی عملکرد و مختل شدن است، زمانی که در معرض امواج تداخلی منتشر شده توسط یک دستگاه الکترونیکی دیگر قرار می‌گیرد.

آزمون حساسیت نیز مانند آزمون انتشار هم برای امواج هدایت شده از طریق رسانایی و هم برای امواج منتشر شده انجام می‌شود. برای تعیین حساسیت در برابر امواج منتشر شده، آزمون بدین صورت انجام می‌شود که یک منبع پرقدرت منتشرکننده‌ی امواج الکترومغناطیسی و نیز یک آنتن منتشر کننده‌ی امواج، امواج الکترومغناطیسی را مستقیما به سمت دستگاه تحت تست می‌تابانند و سپس عملکرد آن را بررسی می‌کنند.

در حالت حساسیت در برابر امواج هدایت شده، آزمون با استفاده از سیگنال جنراتورهای پرقدرت و یک گیره‌ی جریان (و یا انواع دیگری از مبدل‌های قابل استفاده برای تزریق تداخل به کابل‌های جریان) انجام می‌شود.

در تمام تست‌های سازگاری که انجام می‌شوند، قوانین تدوین شده در استانداردها به وضوح توضیح می‌دهند که در هر تست، شرایط محیط آزمون، ابزارهای مورد استفاده و طرز کالیبراسیون آن‌ها چگونه باید باشد. در غالب استانداردها، محیط پیشنهاد شده برای انجام آزمون‌ها سایت‌های تست فضای باز (OATS) هستند، و البته امروزه معمولا تست‌ها را در فضاهای داخلی و سرپوشیده انجام می‌دهند و در عوض از اتاقک‌های مخصوصی که به منظور همین آزمون‌ها طراحی و مناسب‌سازی شده‌اند، استفاده می‌شود. مانند دو اتاقک مخصوص reverberatio و anechoic.

توجه داشته باشید که اگر در منابع مختلف توضیحات متفاوتی در مورد این آزمون‌ها ببینید، احتمالا به این دلیل است که منابع را برای ابزارهای مختلف بازنویسی‌ کرده‌اند.

3. آزمون مصونیت

منظور از مصنویت یک ابزار الکترونیکی در برابر تداخل الکترومغناطیسی، توانایی آن تجهیزات الکترونیکی در اجرای عملکرد صحیح در حضور امواج تداخلی است.

احتمالا شما هم به همین فکر می‌کنید که تعریف مصونیت به نوعی برعکس تعریف حساسیت است. معمولا هم آن‌ها را ممکن است به جای هم استفاده کنند.

با اندازه‌گیری سطح این دو پارامتر و جمع‌بندی میان آن دو، می‌توان تعیین نمود که یک وسیله‌ی الکترونیکی در مواجهه با امواج تداخلی چه عملکردی از خود نشان می‌دهد و این عملکرد تا چه اندازه به عملکرد صحیح نزدیک یا از آن دور است.

برای موفقیت در آزمون‌های سازگاری الکترومغناطیسی چه نکاتی را رعایت کنیم؟

علی‌رغم اینکه ممکن است آزمون‌های سازگاری الکترومغناطیسی آزمون‌های ساده‌ای به نظر برسند، با موفقیت پشت سر گذاشتن آن‌ها نیازمند صرف زمان، پول و طراحی و برنامه‌ریزی است. و علت این امر تا حدودی با ماهیت کشف‌ناپذیری و غیرشهودی بودن امواج الکترومغناطیسی مرتبط است که تنها در صورت انجام تست‌ها می‌توان اطمینان حاصل کرد که آیا دستگاهی با استانداردها مطابقت دارد یا خیر، و خب طبیعتا تجهیزات مورد نیاز برای انجام آزمون‌ها نیز به هیچ عنوان تجهیزات ارزان قیمتی نیستند. قیمت بسیار بالای این تجهیزات به گونه‌ای‌ است که ایده‌ی خرید آن‌ها اصلا ایده‌ی جالب و مقرون به صرفه‌ای به نظر نمی‌رسد و ایده‌ی بهتر برون‌سپاری انجام تست‌ها به آزمایشگاه‌های تشخیص سازگاری معتبر است. (ناگفته نماند که خود همین برون‌سپاری هم چندان ارزان تمام نخواهد شد چرا که چیزی در حدود هزاران دلار به ازای هر یک روزی که تست‌ها طول بکشند باید هزینه شود.)

البته با تمام این موارد، کارخانه‌های بزرگ و غول‌های تولیدکننده‌ی تجهیزات معمولا می‌توانند از عهده‌ی این هزینه‌ها بربیایند اما مشکل اصلی زمانی رخ می‌دهد که نتایج تست‌های سازگاری برای محصولی منفی باشند. این بدترین لحظه‌ای است که مدیران پروژه‌ها و کارخانه‌ها می‌توانند تجربه کنند چرا که امکان اصلاح محصول همان‌جا در لحظه و در حین تست وجود ندارد و معنای این حرف چیزی نیست جز اینکه یک محصول که نتوانسته در آزمون‌ها موفق شود، ناگزیر باید به کارخانه و تیم طراحی بازگردانده شود تا دوباره طراحی شده و ایراد آن برطرف شود و با صرف هزینه‌ی مجدد دوباره وارد مرحله‌ی آزمون شود.

ناکارآمدی فرایندی که در بالا گفته شد، یکی از عمده‌ترین دلایل هزینه‌های بالای تحقیق و توسعه و تاخیرهای فراوان در روند تولید یک محصول است.

شرکت‌ها و تولیدکنندگان معمولا به منظور اینکه پروسه فوق قدری بهینه شده و ریسک موجود در آن کاهش یابد و محصولات با احتمال بالاتری بتوانند در همان آزمون‌های اول استانداردهای سازگاری را با موفقیت دریافت کنند، روش‌های مختلفی را به کار می‌بندند که به طور عمده می‌توان آن‌ها را به دو دسته طبقه‌بندی کرد.

1. راهکارهای به کار گرفته شده در مرحله‌ی طراحی
2. انجام پیش تست‌هایی برای سازگاری قبل از آزمون اصلی

در ادامه هر کدام از این راه‌‌کار‌ها را توضیح خواهیم داد.

1. تکنیک‌‌های طراحی به منظور بهبود سازگاری الکترومغناطیسی

هوشمندانه‌ترین روش طراحی (البته برای ابزارهایی که طراحی آن‌ها با این روش امکان‌پذیر باشد) استفاده از ماژول‌های از پیش آماده و دارای گواهی سازگاری، در قسمت‌های مختلف آن طراحی است. با اتخاذ این روش، تلاشی که در راستای سازگار شدن محصول نهایی باید انجام دهید، کاهش محسوسی پیدا می‌کند.

البته همچنان اعطای گواهی سازگاری الکترومغناطیسی به یک محصول جدید مستلزم ارزیابی موارد احتمالی زیر هم هست. ( براساس سناریویی که آن محصول قرار است مورد استفاده قرار گیرد)

1. تمام منابع داخلی و خارجی تولید امواج تداخلی و انواع سیگنال‌های موجود.
2. ماهیت عملکرد خود آن ابزار قربانی و اختلال عملکردهای احتمالی آن.
3. وجود مسیرهای کوپلینگ الکترومغناطیسی به دستگاه/ابزار مورد نظر در صورتی که دستگاه‌های دیگری نیز قرار است در مجاورت آن قرار داشته باشند.

به حداقل رساندن تداخل در مرحله‌ی طراحی شامل کاهش منابع داخلی تولید EMI از طریق توجه به ریزه‌کاری‌های طراحی الکترونیکی است. مثلا نوع سوییچ‌های مورد استفاده، و یا مثلا موارد تاثیرگذارتری مانند درگاه‌ها و اینترفیس‌های ارتباطی مورد استفاده، فرکانس کار مدار و یا حتی منابع احتمالی خارجی که تولیدکننده‌ی EMI هستند و می‌توانند بر این مدار تاثیر بگذارند.

همچنین از طریق وارسی و شناخت دقیق محلی که هر ابزار قرار است در آنجا نصب شود یا مورد استفاده قرار گیرد و در نظر گرفتن اقتضائات و ویژگی‌های آن محل، شناخت دقیق کاری که از خود این وسیله انتظار داریم انجام دهد، شناخت منابع احتمالی ساطع کننده‌ی تداخل در ضمن این عملکرد، و میزان خرابی و تاثیر سوئی که این اتفاقات می‌توانند به بار بیاورند، می‌توان طراحی‌ها را از جنبه‌ی سازگاری الکترومغناطیسی به گونه‌ای کارآمدتر انجام داد.

نکته‌ی دیگری که وجود دارد این است که وقتی یک دستگاه می‌تواند به راحتی انرژی الکترومغناطیسی را به بیرون ارسال و کوپل کند، قاعدتا می‌تواند به همان نسبت انرژی را نیز از بیرون دریافت کند. بنابراین بسیاری از موارد و نکات و جنبه‌هایی که در طراحی خوب از لحاظ سازگاری الکترومغناطیسی در نظر می‌گیریم، هم برای بهبود عملکرد ساطع کنندگان تداخل قابل استفاده است و هم برای بهبود عملکرد قربانیان تداخل. به این معنا که اگر تکنیکی بتواند میزان تشعشع را کاهش دهد، به همان نسبت می‌تواند میزان حساسیت را نیز کاهش دهد.

در آموزش قبلی برخی از روش‌های موجود برای کاهش تشعشعات را توضیح دادیم که از جمله‌ی آن‌ها اتصال به زمین یا شیلدینگ بود.

2. استفاده از پیش تست‌‌ها

یکی دیگر از راهکارهای کاهش هزینه‌های آزمون‌های ارزیابی سازگاری و کاهش احتمال عدم موفقیت در این آزمون‌ها، استفاده از روش پیش-تست‌ها و اعمال آن‌ها در حین پروسه‌ی طراحی است. این پیش-تست‌ها که متناسب با شرایطی طراحی می‌شوند که در هنگام آزمایش سازگاری اصلی وجود دارد. البته هزینه‌های انجام این پیش-تست‌ها فقط کمی از هزینه‌ای که باید بابت هر یک روز از تست سازگاری به آزمایشگاه‌های ارزیابی بپردازیم کمتر است. اما با این حال در افق نگاهی کلان‌تر، با افزایش احتمال موفقیت محصولات در آزمون‌های سازگاری اصلی در همان مرتبه‌ی اول، موجب صرفه‌جویی خواهد شد. همچنین زمان رسیدن محصول به بازار را نیز به شدت کاهش خواهد داد.

جمع‌ بندی و نتیجه گیری

دریافت گواهی‌ها و استانداردهایی نظیر استانداردهای EMC، هر قدر که برای شرکت‌ها و کارخانه‌های بزرگ ممکن است کار راحتی باشد، برای شرکت‌‌های کوچک و استارتاپ‌های نوپا، به علت کمبود منابع مالی و دقت‌های فراوانی که در حین طراحی محصولات باید لحاظ شوند، کاری بسیار پیچیده و دشوار محسوب می‌شود. در چنین شرایطی بهترین راهکار برای این شرکت‌ها و استارتاپ‌ها به منظور اینکه ریسک کمتری را متحمل شوند، تمرکز بر فرآیند طراحی و در نظر گرفتن معیارهای سازگاری الکترومغناطیسی و تداخل در حین طراحی است. و حتی اگر دانش تخصصی خود طراحان یک تیم در حوزه‌ی این استانداردها کم باشد، بشدت پیشنهاد می‌شود که از مشورت و راهنمایی متخصصان مربوطه کمک بگیرند تا طراحی درستی را انجام دهند. اتخاذ چنین روشی نه تنها به موفقیت در آزمون‌های سازگاری و دریافت گواهی‌ها کمک می‌کند، بلکه باعث می‌شود محصولی بهینه با بهترین عملکرد و قابلیت اطمینان بالا به مشتریان عرضه شود که خود در دراز مدت بهترین سرمایه‌ی یک شرکت خواهد بود.

• منبع: ترجمه از سایت circuitdigest.com

امیدواریم آموزش فرآیند ارزیابی سازگاری الکترومغناطیسی و شرایط لازم برای احراز سازگاری براتون مفید واقع شده باشه.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.