Sähkömagneettinen yhteensopivuus
Sähkömagneettisella yhteensopivuudella () tarkoitetaan elektronisen laitteen tai järjestelmän kykyä toimia luotettavasti luonnollisessa toimintaympäristössään. Laite ei saa myöskään tuottaa kohtuuttomasti sähkömagneettisia häiriöitä ympäristöönsä. Tämä koskee myös laitteen osien välistä vuorovaikutusta. Sähkömagneettiset häiriöt () ovat ei-toivottua sähkömagneettista vuorovaikutusta laitteen sisällä tai laitteiden välillä.
Esimerkkejä sähkömagneettisista yhteensopimattomuuksista:
Häiriöiden kytkeytyminen voidaan jakaa neljään päätyyppiin: Sähkömagneettisen säteilyn haitat aiheuttavat monilla teknologian aloilla ei toivottavia riskejä ja häiriöitä. Näitä häiriöitä on välttämätöntä valvoa ja vähentää, jotta haittoja esiintyisi mahdollisimman vähän.
Jotta häiriöiltä pystytään suojautumaan täytyy selvittää:
EMC-direktiivi säännöstelee laitteiden sähköistä yhteensopivuutta EU-alueella, jonka noudattamisesta lopuksi vastaa laitteen valmistaja. EU:n alueella laitteen valmistaja takaa CE-merkinnällä laitteen olevan EU:n direktiivien mukainen, johon kuuluu EMC-direktiivi.
EMC-suunnittelu on tärkeää ja pakollista, joka on otettava huomioon laitteen suunnittelun alussa. Ihanteellista olisi häiriölähteen vaimennus tai poisto ennen häiriön leviämistä . Hyvällä suunnittelulla voidaan välttyä jatkokustannuksilta. Suunnittelussa tulee huomioida:
Maa on minimi-impedanssinen piirin virtojen paluujohdin. Maadoitus aiheuttaa suuren osan galvaanisesti kytkeytyvistä häiriöistä joko suoraan, induktiivisesti, kapasitiivisesti tai RF-säteilyn kautta. Maadoitusta suunniteltaessa häiriöiden minimointi ei ole ainoa suunnittelun lähtökohta.
Yhteisimpedanssisia häiriöitä syntyy, kun kytketään useita piirejä samaan maadoitusjohtimeen. Maadoitusjohtimessa on aina mukana impedanssia, jonka takia siinä kulkeva virta aiheuttaa jännitehäviöitä, jotka esiintyvät häiriöinä muissa samaan maahan kytketyissä piireissä. Mitä korkeampitaajuuksinen häiriö on kyseessä, sitä enemmän aiheuttaa maajohtimen induktiivinen reaktanssi häviöitä johtimeen. Korkeilla taajuuksilla ja jännitepiikkien aikana tämä maadoitusjohtimen reaktanssi on merkittävämpi kuin sen resistanssi.
Maadoitusjohtimet voivat muodostaa suljettuja silmukoita, jotka ottavat vastaan häiriöitä muuttuvista magneettikentistä. Pitkät, suorat johtimet maadoituksessa toimivat antennina RF-säteilyn häiriöille. Maadoitusjohtimen lähellä kulkeva toinen johdin voi aiheuttaa siihen kapasitiivisesti johtuvia häiriöitä.
Laitteen piirilevyn suunnittelulla voidaan vaikuttaa paljon laitteen EMC -häiriöherkkyyteen. Piirilevyä suunniteltaessa EMC -häiriöitä voidaan vähentää seuraavia perusperiaatteita noudattamalla:
Yleisimpiä sähkömagneettisten häiriöiden aiheuttajia ovat digitaaliset kellosignaalit, virta- ja jännitelähteiden kytkentätaajuudet, korkeataajuiset analogiset ja digitaaliset signaalit ja verkkojännite (50 Hz taajuus). Näiden aiheuttamia häiriöitä voidaan vähentää helpoiten pitämällä kytkennän teho- ja signaalitiet mahdollisimman kaukana toisistaan piirilevyllä ja minimoimalla kytkentöjen johtimien pituudet. Kytkennän häiriöille herkimmät (erityisesti analogiset) signaali- tai korkeataajuusosat voidaan lisäksi suojata piirilevyllä erillisellä metallikotelolla, eristämällä ne piirilevyn kuparialueille tehdyillä väleillä tai sijoittamalla ne monikerrospiirilevyn eri kerroksiin.
Sähkömagneettisten häiriöiden kytkeytymistä piirilevyllä voidaan vähentää eri keinoin. Galvaanista kytkeytymistä rajoitetaan esim. katkaisemalla johtava linja optoerottimilla tai kondensaattoreilla. Kondensaattori suodattaa matalataajuisia häriöitä. Johdinpituudet ja -silmukat minimoimalla ja sijoittamalla liittimet piirilevyn samalle sivulle vähennetään kytkennässä esiintyviä antenneja, jolloin häiriöiden kytkeytyminen sähkömagneettisena säteilynä vähenee. Piirilevyillä häiriöiden kytkeytymistä millä tahansa kytkeytymistavalla voidaan vähentää samoilla tavoilla, kuin eri kytkeytymistapojen aiheuttamia häiriöitä yleisesti.
Piirilevysuunnittelussa on myös huomioitava, että mitkään komponentit eivät reaalimaailmassa ole ideaalisia; jokaisessa komponentissa on resistanssia, induktanssia ja kapasitanssia. Tämän vaikutus piirilevysuunnitteluun riippuu pitkälti suunniteltavasta laitteesta; miten herkkä se on muiden komponenttien aiheuttamille häiriöille. Lisäksi piirilevysuunnittelussa on myös huomioitava kytkennän maadoitusreittien kulku, ja mahdolliset eri maapotentiaalit ja niiden aiheuttamat häiriöt.
EMC-häiriöitä voidaan rajoittaa koteloimalla laite ja laitteen sisäisiä komponentteja. Onnistunut suojakotelointi suojaa sekä radiotaajuisilta häiriöiltä että sähkö- ja magneettikenttien kautta kytkeytyviltä häiriöiltä. Huonosti suunniteltu kotelo ottaa vastaan sekä aiheuttaa häiriöitä. Koteloinnin toimivuutta on vaikea simuloida ja lopullinen toimivuus ilmeneekin vasta testaamalla valmista tuotetta. Sähkölaitteen kotelo on usein kytketty maadoitukseen, jolloin se suojaa laitetta myös ulkopuolelta tulevilta sähköstaattisilta purkauksilta.
Koteloinnissa häiriöalttiuteen vaikuttavat:Kaapeloinnin huolellisella suunnittelulla voidaan vähentää johtimien aiheuttamia ja vastaanottamia häiriöitä. Kaapeloinnin suunnittelussa tulee ottaa huomioon ainakin seuraavat asiat:
Kapasitiivista kytkeytymistä voidaan estää koteloimalla johtimet sähköä johtavalla materiaalilla, jolloin sähkökenttä johtuu koteloon johtimien sijasta. Johtimien välistä etäisyyttä voidaan myös kasvattaa niin, että ne eivät ole enää toistensa sähkökenttien vaikutusalueella. Kapasitiiviseen kytkeytymiseen vaikuttaa myös johtimien keskinäinen asento: mitä pienempi johtimien välinen kohtisuora pinta-ala on sitä pienempi kapasitanssi niiden välille muodostuu.
Laitteen on täytettävä kansainväliset laatustandardit, jotta sen toimintavarmuus ja turvallisuus olisi taattu. Standardien mukaan laite ei saa tuottaa liikaa sähkömagneettisia häiriöitä ja toisaalta sen tulee kestää vaadittava määrä häiriöitä. Häiriöt voivat olla joko säteileviä tai johtuvia.
Laitteen sähkömagneettista yhteensopivuutta voidaan testata EMC-laboratorioissa. Testit jakaantuvat häiriönsieto- ja häiriönlähetystesteihin.
Eri häiriötyyppien sietoa testataan eri tavoilla. ESD-testauksessa voidaan käyttää kahta eri testaustapaa, purkautumista ilman tai kosketuksen välityksellä. Molemmissa tavoissa kondensaattori ladataan aluksi generaattorilla. Kosketustestauksessa generaattorin anturi erotetaan kondensaattorista tyhjiöreleellä. Tämän jälkeen anturi asetetaan haluttuun kohtaan testattavaa laitetta ja generaattori laukaistaan, jolloin kondensaattorin varaus pääsee purkautumaan anturin kautta testattavaan laitteeseen. Testattaessa purkautumista ilman välityksellä annetaan varauksen kulkeutua koko ajan anturiin, mutta anturi pidetään erillään testattavasta laitteesta. Tämän jälkeen anturi viedään haluttuun laitteen kohtaan ja sillä kosketetaan laitetta. Ennen kuin anturi koskee laitetta, varaus purkautuu ilmavälin välityksellä laitteeseen. ESD suojan testauksen standardina käytetään IEC 61000-4-2:ta.
Johtuvien RF-häiriöiden testaustavat on määritetty IEC 61000-4-6 standardissa. RF-häiriö voidaan kytkeä testissä laitteeseen kolmella eri tavalla. CDN (Coupling/Decoupling Network) on erityisesti häiriökytkeytymisen testaamiseen suunniteltu laite, jolla voidaan simuloida johtuvia RF-häiriöitä piirissä. Toinen laite johtuvien RF-häiriöiden testaamiseen on Sähkömagneettinen puristin (EM clamp). Se on kaapelin päälle kytkettävä putkimainen puristin, joka sisältää kahdenlaisia puolitettuja ferriittirenkaita ja jota voidaan käyttää mille tahansa kaapelityypille. Kolmas laite häiriönsiedon testaamiseen on indusointianturi (Current Injection Probe). Se on kaapelin päälle kytkettävä virtamuuntaja, joka kytkeytyy piiriin vain induktiivisesti, sillä se on suojattu kapasitiiviselta kytkeytymiseltä. Johtuvia RF-häiriöitä testataan 150kHz – 80MHz taajuusalueella.
IEC 61000-4-3 standardi määrittää säteilevien RF-häiriöiden siedon testaustavat. Sen mukaan antennilla on luotava 80MHz – 1000MHz taajuusalueen kattava RF-säteily ja testattava paikka on oltava suojattu säteilyn heijastumiselta. Taajuudenmuutoksen askelkoon on oltava korkeintaan 1% ja taajuutta on pidettävä vakiona niin että testattavalla laitteella on aikaa reagoida. Testattava laite on laitettava 0,8 metriä korkealle puupöydälle ja antenni sekä laite on asetettava standardissa määrätyllä tavalla toisiinsa nähden riippuen testauspaikasta. Ainakin metrin pituinen osuus laitteen johdosta on myös altistettava RF-häiriölle, mutta ferriittikuristimia voidaan käyttää kytkemään mahdollisesti pitemmästä johdosta vain tietty osa kerrallaan häiriölle alttiiksi. Testattavaa laitteistoa myös pyöritetään niin, että sen jokainen sivu on vuorollaan antennia kohti, myös pohja ja yläpuoli mikäli laitetta voidaan käyttää missä asennossa tahansa. Jokaisessa asennossa taajuusalue käydään läpi kaksi kertaa, kerran kummallakin antennin polarisaatiolla.
Laitteen lähettämiä häiriösignaaleja voidaan mitata esimerkiksi spektrianalysaattorilla tai oskilloskoopilla. Koska häiriösignaalit ovat usein suuntautuneita yhteen tai muutamaan suuntaan, joudutaan niitä mittaamaan eri puolilta ja etäisyyksiltä laitetta. Laitteen häiriönlähetysteustaukseen käytetään pääosin kahta erilaista testaustapaa.
Avoimen alueen testauspaikalla (Open Area Test site) vastaanottoantenni, jonka korkeutta ja sijaintia pystytään helposti säätämään, mittaa laitteen lähettämiä häiriösignaaleja eri korkeuksilla ja suunnilla laitetta. Häiriöitä testataan tyypillisesti kolmen, kymmenen ja kolmenkymmenen metrin etäisyydeltä laitteesta. Tämä takaa, että lähi- ja kaukokentän signaalin vahvuudet tulevat mitatuksi. Mittauksen tarkkuutta voidaan kasvattaa peittämällä testausalueen maa sähkömagneettisesti heijastavalla alustalla, kuten esimerkiksi alumiinilevyillä. Testauspaikat rakennetaan CISPR 16-1-x standardin mukaisesti.
Puolikaiuttomassa huoneessa tehtävässä mittauksessa mittaus suoritetaan pääosin samalla tapaa, kuin avoimen alueen testauspaikalla, mutta mittaus suoritetaan huoneessa jonne ei pääse taustasäteilyä.
Sähkölaitteistoja asennettaessa keskeisimpiä näkökohtia EMC:n suhteen ovat muiden muassa:
Sähköasentaja ja -suunnittelija ovat ensisijaisessa vastuussa koskien kiinteiden asennusten EMC-vaatimuksien täyttymistä. Kiinteitä asennus voidaan koota useista laitteista, johiin voi kuulua erityislaitteita sekä muita EMC-direktiivin soveltamisalan ulkopuolisia laitteita. Suojausvaatimusten ja asiakirjoja koskevien vaatimusten täyttämiseksi on suositeltavaa määritellä kaikkien näiden laitteiden EMC-ominaisuudet teknisissä asiakirjoissa. Kaksi komponenttien käyttöön ja hyviin teknisiin käytäntöihin liittyvää perusvaatimusta ovat, että komponenttien käyttötarkoitus on sen ominaisuuksien mukainen ja otetaan huomioon määrättyä kiinteää asennusta koskevat tunnustetut standradit ja menettelyohjeet.
Tällä hetkellä sähköalan työntekijöiden sähköpätevyysvaatimuksissa ei ole mainittu sähköasentajia ja -asennuksia koskevia EMC-säädöksiä.
EU:ssa elektroniikkalaitteiden sähkömagneettista yhteensopivuutta säännellään EMC-direktiivi 2004/108/EY. Ajoneuvojen EMC-vaatimuksia käsittelee direktiivi 2004/104/EC .
Teknisesti EMC-vaatimuksia ja vaatimustenmukaisuuden testausta säätelee mm. monet CISPR:n, IEC:n ja CENELEC:n standardit.
Hallituksen esityksessä HE116/2016 pyritään saamaan EMC-direktiivi sisällytettyä myös kansalliseen sähköturvallisuuslakiin.
Viestintävirasto vastaa yleisradio- ja TV-vastaanottimien vaatimustenmukaisuuden valvonnasta. Muiden tuotteiden lähettämiä sähkömagneettisia häiriöitä valvoo Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes) osana sähköturvallisuuden valvontaa. Tukes ylläpitää avointa tietokantaa myyntikieltoon asetetuista tuotteista . Maahantuoja (valmistaja) on velvoitettu poistamaan myynnistä paitsi vaaralliset tuotteet, myös tuotteet jotka eivät täytä EMC-direktiivin vaatimuksia.
Viranomaisten valvontakeinot jakautuvat aktiivisiin ja reaktiivisiin. Aktiivista valvontaa ovat kenttä- ja asiakirjavalvonta sekä valvontahankkeet. Reaktiivista valvontaa taas on reagointi tuotteeseen kohdistuviin valituksiin tai jo sattuneisiin onnettomuuksiin.
Ennen vuotta 1994 sähkölaitteet oli pakko ennakkohyväksyttää valvontaviranomaisella. Tämän jälkeen markkinoilla olevia sähkölaitteita on valvottu markkinoille laskemisen jälkeen markkinavalvontana.
EU:n alueella käytettävä CE-merkintä on tarkoitettu valmistajan tai maahantuojan vahvistukseksi tuotteen turvallisuudesta ja vaatimustenmukaisuudesta. Merkintä on kuitenkin valmistajan itse itsellensä myöntämä, mistä johtuen se ei välttämättä aina ole asianmukaisesti testattu. CE-merkintää on löytynyt myös markkinavalvonnassa vaarallisiksi todetuissa tuotteissa huomattavissa määrin.  Puolueettomia eurooppalaisia sertifiointimerkkejä ovat esimerkiksi Keymark, ENEC, sekä HAR.
Vuonna 2007 TUKESin EMC-testattujen laitteiden määrä 58 kpl, joista vaatimusten mukaisia noin 53%. Huomautus annettiin noin 8%, toimituskieltoon meni noin 13% ja myyntikieltoon noin 26%. Vaatimusten mukaisia laitteita oli siis vain hieman yli puolet. Tämä osaltaan kertoo valvonnan tarpeesta ja siitä, ettei nykyinen valvonnan taso riitä varmistamaan kaikkien laitteiden turvallisuutta.