讲述几种抗扰度试验的目的和方法讲解.
摘要:详细地介绍了几种抗扰度试验的目的、方法、严酷度等级及要求。
关键词:标准抗扰度试验
我国电磁兼容认证工作已经起动,*批实施电磁兼容的产品类别及所含内容也已基本确定,它们是声音和电视广播接收机及有关设备,信息技术设备,家用和类似用途电动、电热器具,电动工具及类似电器、电源、照明电器、车辆机动船和火花点火发动机的驱动装置、金融及贸易结算电子设备、安防电子产品、声音和电视信号的电缆分配系统设备与部件,低压电器。尽管产品不同,引用的产品族测试标准也不同,但其中抗扰度的试验内容基本相同,它们是静电放电、射频辐射电磁场、脉冲群、浪涌、射频场引起的传导干扰和电压跌落等6项。为了帮助读者对这些标准的理解,作者试图从试验目的、仪器特性要求、基本配置情况、标准试验方法和对标准的评述等方面入手,用比较简洁的文字介绍这些试验,以加深对标准的理解。
1IEC61000-4-2(GB/T17626.2)静电放电抗干扰试验
1.1静电放电的起因
静电放电的起因有多种,但IEC61000-4-2(GB/T17626.2)主要描述在低湿度情况下,通过摩擦等因素,使人体积累了静电。当带有静电的人与设备接触时,就可能产生静电放电。
1.2试验目的
试验单个设备或系统的抗静电干扰的能力。它模拟:
(1)操作人员或物体在接触设备时的放电。
(2)人或物体对邻近物体的放电。
静电放电可能产生的如下后果:
(1)直接通过能量交换引起半导体器件的损坏。
(2)放电所引起的电场与磁场变化,造成设备的误动作。
1.3静电放电的模拟
图1和图2分别给出了静电放电发生器的基本线路和放电电流的波形。
图1静电放电发生器
图2静电放电的电流波形
图1中高压真空继电器是目前*的能够产生重复与高速的放电波形的器件(放电开关)。图2是标准放电电流波形,图中Im表示电流峰值,上升时间tr=(0.7～1)ns。放电线路中的储能电容CS代表人体电容,现*150pF比较合适。放电电阻Rd为330Ω,用以代表手握钥匙或其他金属工具的人体电阻。现已证明,用这种放电状态来体现人体放电的模型是足够严酷的。
图3信号发生器的输出电压波形
(a)未调制的射频信号UPP=2.8VUrms=1.0V
(b)调制的射频信号UPP=5.18VUrms=1.12V
1.4放电方式
直接放电(直接对设备的放电):接触放电为形式;只有在不能用接触放电的地方(如表面涂有绝缘层,计算机键盘缝隙等情况)才改用气隙放电。
1.5试验方法
有型式试验(在实验室进行)及安装现场试验两种,标准规定以前者为主。
试验中一般以1次/秒的速率进行放电,以便让设备对试验未来得及响应。另外正式试验前要用20次/秒的放电速率,对被试设备表面很快扫视一遍,目的是找出设备对静电放电敏感的部位。
试验电压要由低到高逐渐增加到规定值。
1.6试验的严酷度等级
该试验的严酷度等级见表1。
表1严酷度等级
等级
接触放电(kV)
气隙放电(kV)
1级2级3级4级
2468
24815
等级的选择取决于环境等因素,但对具体的产品来说,往往已在相应的产品或产品族标准中加以规定。
1.7对试验的评述
标准中接触放电之所以可以用比较低的试验电压来进行试验,是因为接触放电有着极其陡峭的上升时间,其谐波成分更丰富,对设备的考核也更严格。
2IEC61000-4-3(GB/T17626.3)射频辐射电磁场的抗扰度试验该文章讲述了造成射频辐射的起因.
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2.1造成射频辐射的起因
射频辐射电磁场对设备的干扰往往是由设备操作、维修和安全检查人员在使用时所产生的,其他如无线电台、电视发射台、移动无线电发射机和各种工业电磁辐射源(以上属有意发射),以及电焊机、晶闸管整流器、荧光灯工作时产生的寄生辐射(以上属无意发射),也都会产生射频辐射干扰。
2.2试验目的
建立一个共同的标准来评价电气和电子设备的抗射频辐射电磁场干扰的能力。
2.3试验的严酷度等级
该试验的严酷度等级见表2。
表2严酷度等级
等级
试验场强/V·m-1
123X
1310待定
其中:1级为低辐射环境,如离电台、电视台1km以上,附近只有小功率在使用。2级为中等辐射环境,如在不近于1m处使用小功率,为典型的商业环境。3级为较严酷的辐射环境,如在1m左右的地方使用,或附近有大功率发射机在工作,为典型的工业环境。
工作时所产生场强的经验公式:
式中:P为的功率,W;d为至设备的距离,m。
上述公式反映了在离设备很近的地方使用功率较大的,会给设备造成很强的射频辐射电磁场的干扰。
2.4模拟试验
随着技术的发展,电磁环境也随着恶化,测试频率已由早期的(27～500)MHz,扩展到(80～1000)MHz。其中高频段的扩展是与的普遍使用有关,它的工作频率现已扩展到900MHz(甚至更高);对80MHz的选择则与对测试场地的要求、对射频功率放大器的功率要求和对天线的选用要求有关。至于80MHz以下部分,将由IEC61000-4-6标准加以补充。
试验时要用1kHz正弦波进行幅度调制,调制深度为80%,参见图3(在早期的试验标准中不需要调制)。将来有可能再增加一项键控调频(欧共体标准已采用),调制频率为200Hz,占空比为1∶1。
2.5基本试验仪器
(1)信号发生器(主要指标是带宽、有调幅功能、能自动或手动扫描、扫描点上的留驻时间可设定、信号的幅度能自动控制等)。
(2)功率放大器(要求在3m法或10m法的情况下,达到标准规定的场强。对于小产品,也可以采用1m法进行试验,但当1m法和3m法的试验结果有争执时,以3m法为准)。
(3)天线(在不同的频段下使用双锥和对数周期天线。国外已有在全频段内使用的复合天线)。
(4)场强测试探头。
(5)场强测试与记录设备。
当在基本仪器的基础上再增加一些诸如功率计、计算机(包括的控制软件)、场强探头的自动行走机构等,可构成一个完整的自动测试系统。
2.6试验的场地
采用电波暗室(主要考虑场地均匀性问题。如果在这个电波暗室中还要考虑产品本身在工作中产生的电磁波干扰测试时,则这个电波暗室还涉及到与开阔场的比对问题)。
为了保证试验结果的可比性和重复性,要对试验场地的均匀性进行校验。
2.7试验方法
试验在电波暗室中进行,试验时人员不能进入,用工业电视监视试品的工作情况(或从试品引出可以说明试品工作状态的信号至测定室,由专门仪器予以判定)。暗室内有天线(包括天线的升降塔)、转台、试品及工业电视摄象机。
工作人员、测定试品性能的仪器、信号发生器、功率计和计算机等设备在测定室里。高频功率放大器则放在功放室里。
试验中,对试品的布线非常讲究,应记录在案,以便必要时重现试验结果。
2.8场强、试验距离与功率放大器之间的关系(仅供参考)。
场强、试验距离与功率放大器的关系见表3。
表3场强、试验距离与功率放大器关系
功率放大器
场强与试验距离
25W
用1m法可产生3V/m的场强,当频率高于200MHz时,用1m法可产生10V/m的场强
100W
用3m法可产生80%调制深度的3V/m场强用1m法时可产生10V/m的场强
200和500W
用3m法可在1.5m×1.5m虚拟平面上产生10V/m场强,当距离缩减时,可产生30V/m的场强
3IEC61000-4-4(GB/T17626.4)电快速瞬变脉冲群的抗扰度试验该文章讲述了电快速瞬变脉冲群的起因及后果.
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3.1电快速瞬变脉冲群的起因及后果
电路中,机械开关对电感性负载的切换,通常会对同一电路的其他电气和电子设备产生干扰。这类干扰的特点是:脉冲成群出现、脉冲的重复频率较高、脉冲波形的上升时间短暂、单个脉冲的能量较低。实践中,因电快速瞬变脉冲群造成设备故障的机率较少,但使设备产生误动作的情况经常可见,除非有合适的对策,否则较难通过。
3.2试验目的
进行电快速瞬变脉冲群试验的目的是要对电气和电子设备建立一个评价抗击电快速瞬变脉冲群的共同依据。
图4快速瞬变脉冲群发生器
注:U—高压电源RS—波形形成电阻RC—充电电阻
Rm—阻抗匹配电阻CC—贮能电容Cd—隔直电容
图5电快速瞬变脉冲群
(a)接50Ω负载时单个脉冲波形
(b)单脉冲重复周期
(c)脉冲群周期
3.3电快速瞬变脉冲群的模拟
图4给出了电快速瞬变脉冲群的发生器基本线路。脉冲群的波形则参见图5所示。
对电快速瞬变脉冲群的基本要求是:
脉冲的上升时间(指10%～90%):5ns±30%;
脉冲持续时间(上升沿的50%至下降沿的50%):50ns±30%;
脉冲重复频率:5kHz或2.5kHz;
脉冲群的持续时间:15ms;
脉冲群的重复周期:300ms;
发生器的开路输出电压(峰值):(0.25～4)kV;
发生器的动态输出阻抗:50Ω±20%;
输出脉冲的极性:正/负;
与电源的关系:异步。
3.4试验配置
有两种类型的试验:实验室内的型式试验和设备安装完毕后的现场试验。标准规定*种试验是优先采用的试验;对于第二种试验,只有制造商和用户达成一致意见时,方才采用。
电快速瞬变脉冲群试验的实验室配置与静电放电试验相类似,地面上有参考接地板,接地板的材料与静电放电的要求相同;但对台式设备,在台面上不要铺设金属板。
3.5试验方法
(1)对电源线的试验(包括交流和直流),通过耦合与去耦网络,用共模方式,在每个电源端子与zui近的保护接地点之间,或与参考接地板之间加试验电压。
(2)对控制线、信号线及通信设备,用共模方式,通过电容耦合夹子来施加试验电压。
(3)对于设备的保护接地端子,试验电压加在端子与参考接地之间。
试验每次至少要进行1min,而且正/负极性都属必须。
3.6试验的严酷度等级
该试验的严酷度等级见表4。
表4严酷度等级
等级
电源线上(kV)
信号线上(5kHz)(kV)
1234X
0.5(5kHz)1(5kHz)2(5kHz)4(2.5kHz)
0.250.512待定
表内:电压指脉冲群发生器信号贮能电容上的电压;频率指脉冲群内脉冲的重复频率。
严酷度等级的大体分类是:
1级保护良好环境下的设备(如计算机机房);
2级通常有保护环境下的设备(如工厂中的计算机机房和控制室);
3级无保护环境下的设备(如公用电网、工厂、变电站);
4级有严重干扰环境下的设备(如采用气体绝缘的开关或真空开关的变电站)。该文章讲述了试验的评述和标准的今后发展趋势.
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3.7试验的评述和标准的今后发展趋势
试验的机理是利用脉冲群对线路分布电容能量的积累效应,当能量积累到一定程度就可能引起线路(乃至设备)工作出错。通常可以用试验中的线路一旦出错,就会连续不断地出错,即使把脉冲电压稍稍降低,出错情况依然不断的现象来加以解释。
今后发展趋势是脉冲的重复频率提高,但脉冲群的长度缩短,使每群脉冲个数基本保持不变。
4IEC61000-4-5(GB/T17626.5)浪涌的抗扰度试验
4.1浪涌的起因
(1)雷击(主要模拟间接雷):例如,雷电击中户外线路,有大量电流流入外部线路或接地电阻,因而产生的干扰电压;又如,间接雷击(如云层间或云层内的雷击)在线路上感应出的电压或电流;再如,雷电击中了邻近物体,在其周围建立了电磁场,当户外线路穿过电磁场时,在线路上感应出了电压和电流;还如,雷电击中了附近的地面,地电流通过公共接地系统时所引入的干扰。
(2)切换瞬变:例如,主电源系统切换时(例如补偿电容组的切换)产生的干扰;又如,同一电网中,在靠近设备附近有一些较大型的开关在跳动时所形成的干扰;再如,切换有谐振线路的晶闸管设备;还如,各种系统性的故障,例如设备接地网络或接地系统间产生的短路或飞弧故障。
4.2试验的目的
通过模拟试验的方法来建立一个评价电气和电子设备抗浪涌干扰能力的共同标准。
4.3浪涌的模拟
按照IEC61000-4-5(GB/T17626.5)标准的要求,要能分别模拟在电源线上和通信线路上的浪涌试验。由于线路的阻抗不一样,浪涌在这两种线路上的波形也不一样,要分别模拟。
图6综合波发生器简图
注:U—高压电源RS—脉冲持续期形成电阻RC—充电电阻
Rm—阻抗匹配电阻CC—储能电容Lr—上升时间形成电感
图7综合试验波
(a)1.2/50μs开路电压波形(按IEC60?1波形规定)
波前时间:T1=1.67×T=1.2μs±30%
半峰值时间:T2=50μs±20%(b)8/20μs短路电流波形(按IEC60?1波形规定)
波前时间:T1=1.25×T=8μs±30%
半峰值时间:T2=20μs±20%
(1)主要用于电源线路试验的1.2/50μs(电压波)和8/20μs(电流波)的综合波发生器
图6是综合波发生器的简图。发生器的波形则见图7所示。
对试验发生器的基本性能要求是:
开路电压波:1.2/50μs;
短路电流波:8/20μs。
开路输出电压(峰值):0.5kV～4kV
短路输出电流(峰值):0.25kA～2kA
发生器内阻:2Ω(可附加电阻10或40Ω,以便形成12或42Ω的发生器内阻)
浪涌输出极性:正/负
浪涌移相范围:0°～360°
zui大重复率:至少每分钟1次
(2)用于通信线路试验的10/700μs浪涌电压发生器
发生器的基本线路见图8所示。相应的电压浪涌
图8CCITT电压浪涌发生器
U—高压电源Rm—阻抗匹配电阻(Rm1=150Ω;Rm2=25Ω)RC—充电电阻CC—储能电容(20μF)
CS—上升时间形成电容0.2μF)
RS—脉冲持续期形成电阻(50Ω)
S1—当使用外部匹配电阻时,此开关应闭合
波形见图9所示。
图9CCITT电压浪涌波形
波前时间:T1=1.67×T=10μs±30%
半峰值时间:T2=700μs±20%
发生器的基本性能要求是:
开路峰值输出电压(峰值):0.5kV～4kV
动态内阻:40Ω
输出极性:正/负该文章讲述了试验中要注意的几点.
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4.4试验方法
由于浪涌试验的电压和电流波形相对较缓,因此对试验室的配置比较简单。对于电源线上的试验,都是通过耦合/去耦网络来完成的。图10给出了单相电路的试验线路。对于通信线路上的试验,则和被试电路有关,不一一列出。
试验中要注意以下几点:
●试验前务必按照制造商的要求加接保护措施。
●试验速率每分种1次,不宜太快,以便给保护器件有一个性能恢复的过程。事实上,自然界的雷击现象和开关站大型开关的切换也不可能有非常高的重复率现象存在。
●试验,一般正/负极性各做5次。
●试验电压要由低到高逐渐升高,避免试品由于伏安非线性特性出现的假象。另外,要注意试验电压不要超出产品标准的要求,以免带来不必要的损坏。
4.5试验的严酷度等级
各等级电源线路的试验电压值见表5。
表5严酷度等级
等级
线—线(kV)
线—地(kV)
1234X
—0.51.02.0
0.51.02.04.0待定
试验的严酷度等级取决于环境及安装条件,下面是一般的分级情况:
1级较好的保护环境,浪涌电压不超过500V,如工厂或电站中的控制室;
2级保护环境比1级稍差,浪涌电压不超过1kV,如无强干扰的工厂;
3级一般性的电磁干扰环境,无特殊安装要求,浪涌不超过2kV,如普通安装的电缆网络,工业性的工作场所和变电所等;
4级受严重干扰的环境,浪涌电压可以达到4kV,如民用架空线,未加保护的高压变电所等;
X级为特殊等级,应根据用户的特殊要求,由制造商和用户协商后确定。
4.6标准的评述
现在有不少标准都提到要用1.2/50μs的雷击波做试验的情况,但是标准不同,做试验的目的也不同,例如高压试验(IECpub5260270)也提到了雷击试验,但用于做脉冲耐压试验,所以用到的发生器是高电压和高阻抗的。亦即,发生器的电压较高,但能量并不算大。反之,对IEC61000-4-5(GB/T17626.5)标准来说,强调的是做在线设备的抗浪涌性能试验,由于线路的阻抗比较低,因此发生器的输出阻抗也要求低,这样看来,适用于做这个标准的发生器,除了要有足够高的输出电压外,还要求发生器有输出阻抗低和输出能量大的特点。也就是说,这是两种截然不同的试验,不能混为一谈。
5IEC61000-4-6(GB/T17626.6)由射频场感应所引起的传导干扰
5.1传导干扰的起因
在通常情况下,被干扰设备的尺寸要比干扰频率的波长短得多,而设备的引线(包括电源线、通信线和接口电缆等)的长度则可能与干扰频率的几个波长相当,这样,这些引线就可以通过传导方式(zui终以射频电压和电流所形成的近场电磁干扰在设备内部)对设备产生干扰。
5.2试验目的
通过本标准所规定的试验,评价电气和电子设备对由射频场感应所引起的传导干扰的抗扰度。
注:对没有传导电缆(如电源线、信号线或地线)的设备,不需要进行此项试验。
5.3模拟试验
模拟试验的频率范围为150kHz～80MHz。当试品尺寸较小时,可将上限频率扩展到230MHz。
此外,为提高试验的难度,试验中要用1kHz的正弦波进行幅度调制,调幅深度为80%。
5.4试验的严酷度等级
升等级的试验电压见表6。
表6严酷度等级
等级
试验电压/V
123X
1310待定
严酷度等级的分类情况与IEC61000-4-3(GB/T17626.3)相同。
5.5基本试验仪器
传导干扰的试验仪器的组成框图如图11所示。
(1)射频信号发生器(带宽150kHz～230MHz,有调幅功能,能自动或手动扫描,扫描点上的留驻时间可设定,信号的幅度可自动控制)。
(2)功率放大器(取决于试验方法及试验的严酷度等级)。
图10单相系统的试验线路
(a)用于线与线之间的耦合,发生器输出浮置
(b)用于线与线之间的耦合,发生器输出接地
图11传导干扰的试验仪器
G1:RF发生器T1:可调衰减器PA:宽带功率放大器
T2:固定衰减器(6dB)LPF/HPF:低通滤波器或高通滤波器
S1:RF开关
(3)低通和高通滤波器(用于避免信号谐波对试品产生干扰)。
(4)固定衰减器(衰减量固定为6dB。用以减少功放至耦合网络间的不匹配程度,安装时尽量靠近耦合网络)。
上述仪器如配上电子毫伏计、计算机等可组成自动测试系统。该文章讲述了实验干扰的起因分析.
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5.6试验方法
试验一般可在屏蔽室内进行。
干扰的注入方式有:耦合/去耦网络(在作电源线试验时常用,当信号线数目较少时也常采用);电流钳和电磁耦合钳(特别适合于对多芯电缆的试验。其中电磁耦合钳在1.5MHz以上频率时对试验结果有良好的再现性;当频率高于10MHz时,电磁耦合钳比常规的电流钳有较好的方向性,并且在辅助设备信号参考点与参考接地板之间不再要求有专门的阻抗,因此使用更方便)。
5.710V等级时,注入方式与功率放大器之间的关系(仅供参考)
10V等级时,注入方式与功率放大器的关系见表7。
表710V等级时,注入方式与功率放大器的关系
注入方式
功率方大器的输出功率(W)
耦合/去耦网络电流夹电磁耦合夹
717628
6IEC61000-4-11(GB/T17626.11)电压跌落、短时中断和电压渐变的抗扰度试验
6.1干扰的起因
电压瞬时跌落、短时中断是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现大的变化所引起的。在某些情况下会出现两次或更多次连续的跌落或中断。电压变化是由连接到电网的负荷连续变化引起的。
这些现象本质上是随机的,其特征表现为偏离额定电压并持续一段时间。电压瞬时跌落和短时中断不总是突发的,因为与供电网络相连的旋转电机和保护元件有一定的反作用时间。如果大的电源网络断开(一个工厂的局部或一个地区中的较大范围),电压将由于有很多旋转电机连接到电网上使之逐步降低。因为这些旋转电机短期内将作为发电机运行,并向电网输送电力,这就产生了电压渐变。
作为大多数数据处理设备,一般都有内置的断电检测装置,以便在电源电压恢复以后,设备按正确方式起动。但有些断电检测装置对于电源电压的逐渐降低却不能快速作出反应,结果导致加在集成电路上的直流电压,在断电检测装置触发以前已降低到zui低运行电压水平之下,由此造成了数据的丢失或改变。这样,当电源电压恢复的时候,这个数据处理设备就不能正确再起动。
6.2试验目的
IEC61000-4-11标准规定了不同类型的试验来模拟电压的突变效应,以便建立一种评价电气和电子设备在经受这种变化时的抗扰性通用准则。其中对电压渐变作为一种型式试验,根据产品或有关标准的规定,用在特殊的和认为合理的情况下。
6.33个专门的术语
(1)电压瞬时跌落指在电气系统的某一点,电压突变下降,在经历了半个周期到几秒钟的短暂持续期后,又恢复正常。
(2)短时中断指供电电压消失一段时间,一般不超过1min。短时中断可认为是*的幅值瞬时跌落。
(3)电压渐变指供电电压逐渐变得高于或低于额定电压,变化的持续时间相对周期来说,可长可短。
6.4试验的电压等级
试验的电压等级分为两种(见图12和表8,表9)
表8电压跌落和短时中断的试验等级
试验等级
电压跌落和短时中断(%)
持续时间(周期)
0%UT40%UT70%UT
1006030
0.5,1,5,10,25,50X
表9电压渐变的试验等级
试验等级
下降时间
保持时间
上升时间
40%UT0%UT
2s±20%2s±20%
1s±20%1s±20%
2s±20%2s±20%
6.5试验仪器
主要指标包括:
输出电压:精度±5%;
输出电流能力:100%UT时≤16A,其他输出电压
图12 电压渐变试验例
图13用电子开关控制两个独立调压器的结构方式图
14用波形发生器和功率放大器构成试验发生器的形式
时能维持恒功率,如70%UT时≤23A;40%UT时≤40A;
峰值起动电流能力:不超过500A(220V电压时):250A(100V～120V电压时);
突变电压的上升或下降时间:1μs～5μs(接100Ω负载);
相位:0°～360°(准确度为±10°);
输出阻抗呈电阻性,并应尽可能小。
实现上述功能的试验仪器有两种基本格式,分别见图13和图14所示。
图13是一种价格相对比较便宜的试验发生器形式,当两个开关同时分断时,便中断输出电压(中断时间可事前设定);当两个开关交替闭合时,便可模拟电压的跌落或升高。发生器的开关可以由晶闸管或双向晶闸管构成,控制线路通常做成在电压过零处接通和电流过零处断开,所以这种线路只能模拟电压切换的初始角度为0°和180°的情况,即使如此,由于仪器价格较低,也能满足一般电气与电子产品对电网干扰的抗扰度试验需要,仍然获得了广泛的应用。
图14的这种发生器结构比较复杂,造价也贵,但波形失真小,电压切换的相位角度可以任意设定,也比较容易实现电压渐变的试验要求。
6.6试验方法
根据选定的试验等级及持续时间进行试验。试验一般做3次,每次间隔时间为10s。
试验在典型的工作状态下进行。
如果要规定电压在特定角度上进行切换,应优先选择45°,90°,135°,180°,225°,270°和315°。一般选0°或180°。
对于三相系统,一般是一相一相地进行试验。特殊情况下,要对三相同时做试验,这时要求有3套试验仪器同步进行试验。
