Zakłócenia elektromagnetyczne. Intruzi z „obcego wymiaru”

To nic innego jak zakłócenia, ale skąd one się biorą?

Ano…z powietrza, jak zaraza. A konkretniej z omiatających nas nieustannie, w obecnych czasach, fal elektromagnetycznych. Na początek zdefiniujmy sobie, co to są

ZAKŁÓCENIA ELEKTROMAGNETYCZNE

i skąd się biorą. Zakłócenia (interferencje) elektromagnetyczne, często określane skrótem EMI, są degradacją sygnału użytecznego w części urządzenia lub systemu znajdującego się w polu oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elektromagnetyczne jest to przemieszczające się w przestrzeni z prędkością 300.000 km/s (albo, inaczej mówiąc, z prędkością światła) połączenie zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego. Długość fali takiego pola jest to fizyczna odległość jaką pokonuje fala w czasie jednego cyklu (okresu). Poniżej przykładowe częstotliwości i odpowiadające im długości fal.

Jeśli urządzenie lub system znajduje się w odległości mniejszej niż 1/6 długości fali od źródła promieniowania, mówimy, że znajduje się on w polu bliskim źródła. Większość systemów audio znajduje się w polu bliskim dla wszystkich częstotliwości poniżej 1 MHz, włączając w to 50 Hz (przydźwięk sieciowy) i jego harmoniczne. W polu bliskim zawsze któreś z pól będzie dominującym (elektryczne lub magnetyczne) i każde z nich wymaga innego rozwiązania eliminującego interferencję. Przykładowo, skrętka redukuje wpływ pola magnetycznego, podczas gdy ekranowanie wpływa na zmniejszenie wpływu pola elektrycznego.

Gdy źródło promieniuje z częstotliwością większą niż 1 MHz, pola (magnetyczne i elektryczne) przemieszczają się razem w formie fali, przenikając się nawzajem. Wiele systemów audio narażonych jest na działanie dalekich pól o częstotliwościach radiowych, stąd dawniej stosowany skrót RFI (radio-frequency interference) – interferencje częstotliwości radiowych.

Generalnie, obecnie stosowany termin EMI obejmuje również interferencje częstotliwości radiowych. Interferencje RF mogą powstawać zarówno w przypadku promieniowania zamierzonego, jak i niezamierzonego. Najbardziej znane promieniowania zamierzone to nadajniki radiowe, telewizyjne i telekomunikacyjne, radiostacje amatorskie oraz telefonia komórkowa. Promieniowanie niezamierzone pochodzi najczęściej od takich urządzeń jak spawarki elektryczne, elektryczne silniki szczotkowe, przekaźniki i przełączniki wytwarzające łuk elektryczny, który jest potencjalnym źródłem promieniowania szerokopasmowego. Mniej znane źródła interferencji to wyładowania łukowe i koronowe na izolatorach linii energetycznych (szczególnie w rejonach nadmorskich oraz o dużej wilgotności powietrza) oraz niesprawne światła i reklamy neonowe. I na koniec błyskawice, które są dobrze znanym „producentem” chwilowych zakłóceń RF w prawie wszystkim, co ma w sobie choć trochę elektroniki.

 

SŁÓW KILKA O ANTENACH

Antena przetwarza sygnał elektryczny w promieniowanie elektromagnetyczne i vice-versa. Innymi słowy dobrze odbierająca antena jest również anteną dobrze transmitującą.

Wiele urządzeń, które z założenia są nadajnikami lub odbiornikami fal elektromagnetycznych, używa wysokoefektywnych anten odpowiednio przystosowanych do celów nadawczych czy odbiorczych. Jednakże, zależnie od częstotliwości, prawie każdy przewodnik może stać się anteną – nawet jeśli jest to zwykły kabel audio, przewód RS-232 lub obwód na płytce drukowanej. Interferencje RF są często wywoływane przez kable sygnałowe, które następnie indukują napięcia zakłócające w urządzeniu audio. Kable albo ścieżki na płytkach drukowanych stają się szczególnie efektywnymi antenami, kiedy ich długości równe są połowie, ćwierci lub 1/8 długości fali, przy częstotliwości interferencji. Dlatego też jakikolwiek kabel dłuższy niż 23 m (1/8 długości fali przy częstotliwości 1.600 kHz) może mimowolnie stać się anteną radiową AM, a kabel o długości około 1 metra może być efektywną anteną VHF/FM (co wynika z długości fal tego zakresu).

Czasami mamy do czynienia z sytuacją, gdy kable zarówno emitują, jak i przewodzą zakłócenia RF. Kable spawarki elektrycznej mogą promieniować energię RF pochodzącą od łuku, jak i przenosić ją, poprzez moduł zasilania, do linii napięcia zasilającego. Następnie zakłócenie to może być przesłane nawet na znaczące odległości, aczkolwiek przy częstotliwościach powyżej kilkuset kHz zakłócenia są dość znacznie tłumione i nie przedostają się zbyt daleko od źródła zakłóceń. To tylko świadczy o tym, jak bardzo skomplikowany jest mechanizm powstawania i rozchodzenia się zakłóceń EMI.

EFEKT DZIAŁANIA

Napięcia pochodzące od interferencji RF, indukowane w kablach podłączonych do sprzętu elektronicznego, nie byłyby tak istotnym problemem, gdyby nie fakt, że wiele obecnie produkowanych urządzeń elektronicznych wytwarzanych jest niestety bez uwzględnienia tych zagrożeń. Niektóre z urządzeń audio wydają się być zaprojektowane z zupełnym lekceważeniem faktu, iż mogą być używane w środowisku pełnym różnego rodzaju fal elektromagnetycznych, od znajdującego się w okolicy nadajnika naziemnej telewizji cyfrowej poczynając, na ochroniarzu z krótkofalówką, siedzącym w pierwszym rzędzie widowni, kończąc.

Dla częstotliwości znacznie powyżej pasma akustycznego obwody elektroniczne urządzenia audio zachowują się w bardziej złożony sposób niż by to wynikało z ich schematu elektrycznego. Przewody i ścieżki na płytkach drukowanych stają się antenami i cewkami, kondensatory zachowują się jak cewki, rezystory jak kondensatory, a transformatory „udają” sprzężone kondensatory. Co gorsza, półprzewodniki (diody, tranzystory, układy scalone) mają tendencję do demodulowania zakłóceń RF, wytwarzając artefakty dźwiękowe. Efektem tego są słyszalne na tle muzyki lub głosów dźwięki lub tony proste (brzęczenie w przypadku interferencji pochodzących od nadajników TV). Sprzyjają temu takie mechanizmy (niedoskonałości) elektroniczne jak proste odfiltrowywanie, asymetryczna nieliniowość wzmacniaczy oraz asymetryczne ograniczenie narastania sygnału.

Odpowiednio wykonany projekt urządzenia uwzględnia również ochronę przed zakłóceniami RFI. Dobrze zaprojektowany sprzęt będzie w swoim projekcie uwzględniał dolnoprzepustowe filtry RF na każdym wejściu i każdym wyjściu (również zasilających i sterujących), jak również odpowiednie techniki ekranowania i uziemiania, zabezpieczające obwody aktywne przed znaczącymi napięciami pochodzenia radiowego, które mogą oddziaływać na nie. Chociaż testowanie urządzeń pod względem ich odporności na RFI jest obecnie koniecznością w Europie, jednak znak CE nie gwarantuje w 100%, że nie będziemy mieli problemów z zakłóceniami. Niestety, znaczna ilość obecnie dostępnego sprzętu wciąż charakteryzuje się kiepską odpornością. W niekorzystnych warunkach konieczne mogą okazać się dodatkowe, zewnętrzne zabiegi, mające na celu jej poprawę.

DODATKOWE ZABEZPIECZENIA

Ferrytowe rdzenie w postaci klamry, takie jak przedstawione na zdjęciu, są łatwo instalowane na zewnętrznych kablach i mogą być efektywnym rozwiązaniem ochrony przed interferencjami powyżej 20 MHz, chociaż niektóre z nich mogą być całkiem skuteczne poniżej 3 MHz. W większości przypadków działają one najlepiej, jeśli umieści się je na kablu na lub tuż obok samego urządzenia. Często można zwiększyć ich efektywność przepuszczając (zawijając) przez nie kable kilkakrotnie. Jeśli to rozwiązanie okaże się niedostateczne lub częstotliwość jest niższa, koniecznym może okazać się filtr dolnoprzepustowy na linii sygnałowej.

 

Armand Szary