mĂsurĂri În cÂmp apropiat cu probe activecompatibilitate electromagnetică.aplicaţii 118 În...

MĂSURĂRI ÎN CÂMP APROPIAT CU PROBE ACTIVE

Utilizarea probelor (sondelor) active pentru măsurări în zona de câmp apropiat electric şi magnetic asigură, prin comparaţie cu cele pasive, creşterea nivelului semnalului de măsură de la ieşirea sondei şi îmbunătăţirea considerabilă a raportului semnal / zgomot.

Spre deosebire de sondele pasive care se pot conecta doar la instrumente de măsură sensibile, cum ar fi un analizor de spectru, sondele active pot fi puse în conjucţie şi cu dispozitive mai puţin sensibile, cum fi un osciloscop obişnuit, acest lucru fiind posibil datorită circuitului electronic de preamplificare încorporat.

În esenţă, probele active sunt mai sensibile decât cele pasive, pentru aceleaşi dimensiuni geometrice ale dipolului electric sau magnetic utilizat drept senzor de câmp.

Sondele active pot fi echipate cu funcţii acustice şi / sau vizuale de alarmare, menite să atenţioneze operatorul atunci când nivelul semnalului de măsură a depăşit un anumit prag.

Principalul dezavantaj al sondelor active îl reprezintă limitările impuse de perturbarea zonei de câmp apropiat generată de funcţionarea circuitului de preamplificare.

7.1. Kit-ul de probe ScanEM Probes – Credence Technologies

7.1.1. Generalităţi

Acest kit include 2 probe, una de câmp electric şi una de câmp magnetic, (57 grame fiecare), alimentate de la două baterii de tip AAA, (R3), uşor de mânuit în spaţii înguste sau greu accesibile. Probele pot localiza chiar şi surse de emisie de dimensiuni foarte reduse, coborând până la nivelul unui pin al unui conector sau al unui circuit integrat, [1].

Principiul de bază al probelor active constă în prelucrarea electronică a semnalului furnizat de o probă pasivă de câmp electric (antena monopol), respectiv de câmp magnetic (antenă buclă).

Compatibilitate Electromagnetică. Aplicaţii

117

Fig. 7.1. Proba activă de câmp apropiat; elemente componente

În fig. 7.1 sunt prezentate elementele componente ale unei probe de câmp apropiat:

1. antena propriu-zisă; 2. buton de reglaj al nivelului câmpului de fond; 3. comutator On / Off pentru indicaţie sonoră; 4. sistem de LED-uri pentru indicarea intensităţii relative a câmpului; 5. conector SMB ce primite conectarea probei la alte echipamente de

măsură; 6. comutator On / Off, pentru punere în funcţiune

În cazul setului discutat, cele două probe sunt de bandă largă. Astfel,

proba de câmp electric are un răspuns constant în frecvenţă în domeniul 2 MHz - 2 GHz, iar cea de câmp magnetic, în domeniul 1 MHz - 1 GHz.

Datorită multitudinii de factori de influenţă, valorile absolute ale măsurărilor în câmp apropiat sunt afectate de erori importante. Valorile relative au o mai mare semnificaţie, datorită faptului că integrează multe surse de erori quasi-sistematice din ambientul măsurării, oferind informaţii utile privind localizarea fizică a sursei perturbatoare.

Pentru a oferi un răspuns în timp real, atât proba de câmp electric cât şi cea de câmp magnetic sunt prevăzute cu 5 LED - uri, rezoluţia fiind de aproximativ 1 dB/LED. Pe lângă indicaţia vizuală oferită de sistemul de LED-uri, cele două probe sunt prevăzute cu un etaj audio, care furnizează un semnal sonor a cărui intensitate este proporţională cu câmpul detectat, [2].

Urechea umană este foarte sensibilă la variaţiile nivelului sonor, cea mai mică schimbare a intensităţii câmpului fiind sesizată prin ascultare. Sunetul poate fi dezactivat cu un comutator uşor accesibil.

1

2 3 4

5

6


118

În prima etapă, selectorul de nivel este reglat astfel încât doar LED - ul verde să fie aprins atunci când proba înregistrează valori ale câmpului de fond, nefiind emis nici un semnal sonor. („squelch mode”).

Fig. 7.2. Răspunsul sistemului cu LED pentru anumite valori tipice ale câmpului, [2]

În cazul în care intensitatea câmpului în orice punct este mai mică decât nivelul de fond, proba nu va emite nici un semnal sonor iar LED-urile nu vor fi active. Proba va reacţiona doar atunci când detectează câmpuri mai puternice decât nivelul de fond prestabilit, îmbinând semnalizarea optică, tip „minibargraph” cu cea sonoră.

Probele pot fi conectate prin intermediul unui cablu de radiofrecvenţă la diferite echipamente de măsură, cum ar fi analizorul de spectru, osciloscopul, frecvenţmetrul sau multimetrul.

Tensiunea de ieşire a probei de câmp apropiat are componentă continuă, peste care se suprapune semnalul de radiofrecvenţă. Pentru limitarea nivelului semnalului continuu la valori (nedistructive) de maxim 2,5 mV, este necesară înserierea unei rezistenţe de ordinul zecilor de kΩ. Această rezistenţă îşi dovedeşte utilitatea atunci când proba este conectată la intrarea unui analizor de spectru sau osciloscop, a căror impedanţă de intrare este de 50 Ω.


119

7.1.2. Conectarea probelor ScanEM la un analizor de spectru

Probele active sunt superioare celor pasive din punct de vedere al sensibilităţii. Acestea oferă un răspuns relativ constant în întreg domeniul de frecvenţă specificat. Aceste probe au încorporate amplificatoare al căror câştig este de aproximativ 20 dB, eliminând astfel nevoia de a utiliza un amplificator extern.

În fig. 7.3 se prezintă o comparaţie între o probă activă de câmp electric şi una pasivă echivalentă din perspectiva răspunsului în frecvenţă. Se observă că probele pasive nu au un răspuns constant pentru frecvenţe mai mici de 200 MHz, acolo unde sunt situate, în mare parte, frecvenţele de lucru fundamentale ale echipamentelor de test, [1].

Fig. 7.3. Răspuns în frecvenţă: proba activă de câmp electric, respectiv proba pasivă

În fig. 7.4 se realizează o comparaţie între proba activă de câmp

magnetic şi una pasivă echivalentă. Trebuie evitată, pe cât posibil, intrarea în saturaţie a amplificatorului electronic, ce produce distorsiuni ale semnalului prelucrat. De exemplu, proba de câmp electric începe să se satureze la intensităţi ale câmpului de aproximativ 4 V/m, [1].


120

Fig. 7.4. Răspuns în frecvenţă: proba activă de câmp magnetic, respectiv proba pasivă

Cu ajutorul analizorului de spectru se pot vizualiza componentele spectrale ale semnalului provenit de la EST. Mai întâi trebuie să se realizeze o evaluare a câmpului electric şi magnetic de fond, aşa cum se prezintă în fig. 7.5. Pentru determinări spectrale s-a utilizat analizorul Hameg HM 5014-2.

(a)


121

(b)

Fig. 7.5.. Componentele spectrale ale: (a) câmpului electric de fond; (b) câmpului magnetic de fond

(a)


122

(b)

Fig. 7.6. Componentele spectrale măsurate în apropierea EST: (a) câmp electric; (b) câmp magnetic

Pentru a evidenţia emisiile generate de EST, se vor compara valorile

câmpului electric şi magnetic de fond, cu echipamentul scos din funcţiune (fig. 7.5), cu cele măsurate în apropierea EST, atunci când acesta este pus în funcţiune (fig.7.6).

7.1.3. Conectarea probelor de câmp apropiat la un osciloscop

Conectate la un osciloscop, probele de câmp devin nişte sonde non-contact de bandă largă extrem de utile. În felul acesta este rezolvat principalul inconvenient al utilizării sondelor clasice de osciloscop: încărcarea circuitului supus măsurării. Pentru aceste determinări am utilizat un osciloscop Tektronix TDS 2002B.

Un parametru esenţial al acestor probe îl reprezintă lăţimea de bandă. Costul realizării unor probe de înaltă frecvenţă este ridicat. Ţinând cont de frecvenţa de lucru tot mai mare, instrumentele cu lăţime de bandă îngustă pot pierde cu uşurinţă fenomenele tranzitorii de ordinul nanosecundelor. Lăţimea de bandă a probelor de câmp electric şi magnetic ScanEM este de cel puţin 2 GHz. În plus, aceste probe sunt amplificatoare, putându-se detecta chiar şi semnale foarte slabe, [2].


123

(a)

( b)

Fig. 7.7. Răspunsul probelor ScanEM:

(a) proba de câmp electric privită ca o sondă de tensiune fără contact direct. (b) proba de câmp magnetic privită ca o sondă de curent fără contact direct.


124

7.2 Determinări experimentale

7.2.1 Suprimarea componentelor de înaltă frecvenţă ale unui semnal

O bobină cu miez de ferită prezintă o impedanţă ridicată pentru componentele de înaltă frecvenţă ale semnalelor, acţionând ca un filtru trece- jos. Componentele (armonicile) superioare sunt puternic atenuate la trecerea prin bobina ce are impedanţa direct proporţională cu frecvenţa.

Experimentul a fost realizat cu un dispozitiv de test, proiectat astfel încât să genereze emisii de nivel ridicat. Semnalele acestui dispozitiv sunt generate de un oscilator cu frecvenţa de 40 MHz [3].

Elementele componente ale dispozitivului de test sunt prezentate în fig. 7.8:

1. conector cu 9 pini; 2. trasee de circuit imprimat; 3. plan de masă; 4. traseu ascuns; 5. ferită; 6. buton On / Off.

Fig. 7.8. Dispozitivul de test. Elemente componente

1 2 3

5

6

4


125

Pasul 1. Pentru început, se va pune vârful probei pe traseul care duce spre ferită, aşa cum este prezentat în fig. 7.9, şi se va regla sistemul de LED-uri astfel încât semnalul să fie la nivelul LED-ului verde. Acest semnal este numit „semnalul după ferită”.

Fig. 7.9. Măsurarea semnalului „după ferită”: configuraţie de test, formă de undă

Pasul 2. Se va deplasa vârful probei de-a lungul traseului situat de partea cealaltă a feritei fără a stabili un alt nivel de referinţă, aşa cum este prezentat în fig. 7.10. În acest caz, nu va mai fi nici un LED aprins, iar semnalul va fi numit „semnalul înainte de ferită”.

Fig. 7.10. Măsurarea semnalului „înainte de ferită”: configuraţie de test, formă de undă

Se observă modificarea nivelului sonor, respectiv luminos (provenit de la sistemul de LED-uri) în timpul deplasării probei de-a lungul traseului.


126

(a)

(b)

Fig. 7.11: Spectrul de frecvenţă al semnalului

a) neatenuat; b) atenuat de ferită

În cazul în care este utilizat un analizor de spectru, se observă că atenuarea introdusă de ferită este de aproximativ 10 dB, aşa cum este prezentat în fig. 7.11.


127

7.2.2. Identificarea surselor de câmp electric şi magnetic

Câmpul electric este generat de prezenţa unei tensiuni, iar cel magnetic este produs de un curent. În absenţa curentului nu putem vorbi de câmp magnetic.

Pasul 1. Identificarea surselor de câmp electric Vârful probei de câmp electric se poziţionează în partea de sus a

conectorului cu 9 pini, emisiile generate de acesta având un nivel destul de ridicat, în acest caz 6,08 V tensiune vârf-la-vârf, aşa cum este prezentat în fig. 7.12.

Fig.7.12. Identificarea surselor de câmp electric: configuraţie de test, formă de undă

Pasul 2. Indentificarea surselor de câmp magnetic Se repetă acelaşi test şi cu proba de câmp magnetic, observându-se

un nivel foarte scăzut al câmpului magnetic, sau, după caz, chiar absenţa acestuia, fig. 7.13.

Fig. 7.13. Identificarea surselor de câmp magnetic: configuraţie de test, formă de undă


128

Este recomandat să se utilizeze ambele probe pentru a identifica toate sursele de emisie. Utilizând un analizor de spectru, se poate vizualiza pe ecranul acestuia amplitudinea semnalului detectat de proba de câmp, aşa cum este prezentat în fig. 7.14.

(a)

(b)

Fig.7.15: Identificarea componentelor spectrale:

(a) ale câmpului electric; (b) ale câmpului magnetic


129

7.2.3. Localizarea traseului parcurs de un curent de înaltă frecvenţă

De regulă, indicaţia maximă a probelor tip buclă se obţine prin plasarea de-a lungul traseelor de cablaj sau a firelor care sunt suspectate de emisii magnetice în exces, în aşa fel încât proba să conţină în planul ei porţiunea de fir sau de traseu de cablaj observat.

Liniile de câmp magnetic sunt situate într-un plan perpendicular pe traseul curentului generator.

Fig.7.16. Localizarea traseului parcurs de un curent de înaltă frecvenţă

Proba de câmp magnetic se poziţionează de-a lungul traseelor dispozitivului de test, aşa cum este prezentat în fig. 7.16.

Traseul parcurs de un curent de înaltă frecvenţă va fi localizat pe baza celui mai intens semnal sonor al probei şi al celui mai luminos semnal al sistemului de LED-uri.

Proba de câmp magnetic se roteşte în jurul axei proprii, demonstrându-se astfel carateristicile direcţionale ale acesteia.

Utilizând un analizor de spectru, se poate observa nivelul semnalului pentru diferite orientări ale probei de câmp magnetic, fig.7.17.


130

(a)

(b)

Fig 7.17. Spectrul câmpului magnetic: (a) proba poziţionată de-a lungul traseelor

(b) proba poziţionată perpendicular pe direcţia traseelor


131

7.2.4. Verificarea eficacităţii de ecranare

Ecranele electromagnetice acţionează bidirecţional, atenuând trecerea undelor electromagnetice şi reducând emisiile.

În cadrul acestui experiment vom folosi o foiţă de cupru pe care o vom aşeza deasupra dispozitivului de test [3].

Fig. 7.18: Forma de undă a semnalului în absenţa plăcuţei de cupru

În acest caz, se observă emisiile de nivel mic provenite de la dispozitivul de test.

(a)


132

(b)

Fig. 7.19. Spectrul de frecvenţă: (a) al semnalului neecranat; (b) al semnalului ecranat

Testul se va repeta şi în absenţa foiţei de cupru, obţinându-se un

semnal de amplitudine mai mare, aşa cum este prezentat în fig. 7.18. Utilizând un analizor de spectru, vom putea cuantifica atenuarea

introdusă de ecranul electromagnetic, fig. 7.19. De exemplu, în acest caz, atenuarea introdusă de ecranul de cupru

pentru componenta de 40 MHz este de aproximativ 20 dB.

7.2.5. Localizarea curentului în planul de masă

Dispozitivul de test are un plan de masă foarte mic, suficient însă pentru a studia problema localizării curenţilor în planul de masă.

Fig. 7. 20. Localizarea curentului în planul de masă


133

(a)

(b)

Fig. 7.21. Spectrul câmpului magnetic obţinut prin rotirea probei în jurul axei proprii


134

Direcţia curentului din planul de masă este stabilită pe baza celui mai intens semnal sonor al probei şi al celui mai luminos semnal al sistemului de LED-uri.

Prin planul de masă se stabilesc curenţi de înaltă frecvenţă care generează câmpuri magnetice. Minimizarea lungimii unor asemenea căi de curent conduce la reducerea emisiilor.

Utilizând un analizor de spectru, se poate observa modificarea nivelului semnalului în timp ce proba de câmp magnetic este rotită în jurul axei proprii, fig. 7.21. Valoarea maximă este înregistrată atunci când traseul de curent este situat in planul determinat de bucla probei.

7.2.6. Localizarea traseelor ascunse şi determinarea direcţiei acestora

Un traseu situat pe partea inferioară a unui cablaj imprimat generează acelaşi nivel de emisii electromagnetice ca şi atunci când acesta ar fi situat pe partea superioară (textolitul nu are proprietăţi de ecranare).

Pasul 1. Iniţial, se reglează semnalul luminos al sistemului de LED-uri astfel încât acesta să fie la nivelul LED-ului verde, proba ţinându-se departe de dispozitivul de test. Apoi, proba de câmp se apropie de dispozitiv pentru a detecta traseele ascunse.

Pasul 2. Se va roti proba de câmp magnetic în jurul axei proprii, aşa cum este prezentat în fig. 7.22. Tivitura care se observă la vârful probei indică orientarea senzorului acesteia (planul care conţine bucla).

Fig. 7. 22. Localizarea traseelor ascunse şi determinarea direcţiei acestora

Direcţia curentului care parcurge un traseu ascuns este stabilită pe baza celui mai intens semnal sonor emis, respectiv al celui mai luminos semnal al sistemului de LED-uri. Emisiile generate de un traseu ascuns pot crea probleme de conformitate.


135

Fig. 7.23. Spectrul de frecvenţe al semnalului vizualizat în figura precedentă

Utilizând un analizor de spectru, se poate localiza traseul ascuns, respectiv determina direcţia acestuia pe baza citirii de pe ecranul analizorului a celui mai puternic semnal, fig. 7.23.

7.2.7. Vizualizarea formelor de undă a semnalelor utilizând osciloscopul

Circuitele digitale de mare viteză sunt, în esenţă, circuite de radiofrecvenţă. O probă pasivă cu contact direct încarcă traseele unui astfel de circuit şi poate distorsiona semnalul de măsurat, în timp ce o probă activă nu distorsionează semnalul.

Pasul 1. Se conectează proba de câmp electric la un osciloscop şi se setează butonul de reglaj pe poziţia zero, intrarea osciloscopului să fie setată pe curent alternativ. Se aşează vârful probei pe traseul de dinaintea feritei, iar semnalul obţinut se poate vizualiza pe ecranul osciloscopului, fig.7.24.

Pasul 2. Se conectează o probă pasivă pe traseul de dinaintea feritei şi se observă forma de undă a semnalului, fig. 7.25. Conectarea la masă a probei se face utilizând partea metalică a butonului On / Off a dispozitivului de test.

O probă convenţională, cu contact, încărcă circuitul şi poate afecta comportamentul acestuia. Situaţiile în care probele de tip contact, conectate la un osciloscop, afectează funcţionarea unui circuit sunt frecvent întâlnite.


136

Fig. 7 24. Forma de undă a semnalului obţinut cu proba activă de câmp apropiat (culoare albastră) şi cu proba „de tip contact” (culoare galbenă)

În cazul în care sunt neglijaţi, curenţii de înaltă frecvenţă pot cauza

emisii poluante de un nivel ridicat, care pot afecta chiar şi ireversibil funcţionarea unui circuit, dispozitiv sau montaj din vecinătate!

7.3. Lucrări de efectuat în laborator

1. Utilizând analizorul Hameg HM 5014-2, se va măsura atenunarea, exprimată în dB, introdusă de ferita dispozitivului de test, conform paragrafului 7.2.1.

2. Utilizând sondele active în conjucţie cu un osciloscop, se vor determina emisiile de câmp electric şi magnetic, aşa cum este descris în paragraful 7.2.2. Pentru fiecare caz se va preciza valoarea vârf la vârf a tensiunii.

3. Utilizând sonda activă de câmp magnetic şi urmând metodologia de lucru descrisă la punctul 7.2.3, să se localizeze traseul parcurs de un curent de înaltă frecvenţă a dispozitivului de test. Ulterior, să se pună sonda activă în conjucţie cu un analizor de spectru, pentru a vizualiza componentele spectrale ale câmpului magnetic generat de traseul pus în discuţie anterior.


137

4. Ţinând cont de modul de lucru descris la punctul 7.2.4 şi utilizând sonda de câmp magnetic în conjucţie cu un analizor de spectru, să se măsoare eficacitatea de ecranare introdusă de foiţa subţire de cupru.

5. Urmând modul de lucru descris la punctul 7.2.5 şi ţinând cont de intensitatea semnalui sonor şi a celui luminos, stabiliţi direcţia curenţilor din planul de masă al dispozitivului de test.

Bibliografie

1. Kraz V., Near-Field Methods of Locating EMI Sources, Compliance Engineering Magazine, Iunie 1995.

2. ***Credence Technologies, 3M™ ScanEM-C ElectroMagnetic Near-Field Probe Kit Model CTK015, Datasheet.

3. ***Credence Technologies, EMC Training Kit, User’s Guide.

mĂsurĂri În cÂmp apropiat cu probe activecompatibilitate electromagnetică.aplicaţii 118 În...

Documents