EMC grenswaarden

Vereenvoudigde metingen voor particulieren en kleine bedrijven

De EU (Europese Unie) heeft beslist, dat voor Europa eigen EMC-normen moeten gelden. Daarom zijn de Europese normen of EN's opgezet. Voor EMC zijn dit vaak afgeleiden van de CISPR normen, een afdeling van de IEC die speciaal EMC-normen opstelt. en in veel gevallen daaraan gelijk.

Voor het opstellen van EMC-normen dienen ook TC's (Technical Committee). Het CENELEC is het instituut dat de EN's uitgeeft. Als deze goedgekeurd zijn door de EU worden ze 'geharmoniseerd' genoemd. De van toepassing zijnde geharmoniseerde EMC-normen moeten worden toegepast op producten die aan de EMC-richtlijn voeldoen. Soms bestaan normen al maar zijn ze nog niet geharmoniseerd. Ze worden dan als 'ontwerp Europese Norm' (prEN) of als voornorm (ENV) gepubliceerd. Dit is om bijvoorbeeld ontwikkelaars en fabrikanten alvast inzicht te geven in de eisen die in de toekomst gaan gelden. Ze kunnen daarmee alvast rekening houden met de te ontwikkelen producten. Verder moet men uit publicaties, bijvoorbeeld uit de EMC-Nieuwsbrief van het NNI (Nederlands Normalisatie Instituut), zich op de hoogte houden van normen die vanaf een bepaalde datum geharmoniseerd worden en waaraan vanaf dat tijdstip voldaan moet worden.

Een aantal van deze regels zijn dat al deze apparaten voorzien moeten zijn van een CE markering, waarmee de fabrikant bevestigd dat hij zich aan alle relevante voorschriften houdt. Daartoe moet hij een verklaring afgeven waarin staat welke voorschriften dat zijn, de zogenaamde Declaration of Conformity.

Naast de specificaties die betrekking hebben op elektromagnetische storingen en passieve storingsbestendigheid, zijn daar ook bijgekomen de RoHS conformiteit, dit betreft bv. loodvrij solderen, en algemene eisen met betrekking tot de in het product gebruikte stoffen (REACH, de Europese regels voor het gebruik van gevaarlijke stoffen)

Afhankelijk van de toepassing kunnen nog heel andere normen van kracht zijn.

De fabrikant moet deze CE verklaring op aanvraag kunnen tonen. Daarnaast moet er een testrapport zijn waarin met meetresultaten wordt onderbouwd hoe de fabrikant heeft gecontroleerd dat er aan de voorwaarden voldaan is.

De beginnende kleine ondernemer die hiermee voor het eerst geconfronteerd wordt, zinkt de moed mogelijk in de schoenen. Er komen ook nog allerlei kleine problemen bij. Hoe kan hij weten welke norm voor hem relevant is en waar kan hij dat allemaal nalezen.

Aan de ene kant zijn er de Europese normen, die op internet te vinden zijn. De gedetailleerde versies zijn te vinden in nationale bepalingen zoals de NEN normen in Nederland. Maar die zijn alles behalve gratis en moeten voor veel geld gekocht worden.

En dan is er nog de regelgeving met betrekking tot elektronica afval, de WEEE.

Wie apparaten op de markt brengt, moet ook zorgen voor de verwijdering ervan, zodat niet alles bij het afval beland. Vergelijkbare regels zijn er daarnaast ook nog voor batterijen en verpakkingen.

Allemaal regels die ook nog eens met enige regelmaat aangepast worden.

1.   Wel of geen CE markering

            Op producten, die aan alle daarvoor geldende richtlijnen voldoen, moet de CE-markering aangebracht worden.

Ze mogen alleen dan binnen de EER (Europese Economische Ruimte) verhandeld worden.

In de zin van de EMC-richtlijn is een installatie ook een product. Omdat CE-markering aangeeft dat aan de EMC-normen, en eventueel aan andere voor het product geldende normen, is voldaan, kan dat van voordeel zijn voor de handel buiten de EER. Elektrische producten, en dus ook elektrotechnische installaties, die niet van een CE-markering zijn voorzien, mogen binnen de EER niet in gebruik genomen of verhandeld worden.

De fabrikant die actieve componenten ontwikkeld, zoals transistoren, hoeft deze niet te voorzien van een CE markering. Een transistor is immers nog geen apparaat.

Maar de transistor die deel uit gaat maken van een kleine print voor bv. een spanningsconvertor, vormt daarmee, ofwel een onderdeel, of een compleet apparaat.

Hier ontstaat een zogenaamd grijs gebied.


Foto 1: Markeringen op een Raspberry Pi.

De Raspberry Pi (foto 1) is de naam van diverse singleboardcomputers gebaseerd op een ARM-processor die tegen een minimale prijs worden vervaardigd en verkocht. Op de achterkant hiervan vinden we een CE-markering, een FCC-markering, en o.a. de doorgestreepte vuilnisbak.


Foto 2: Markeringen op de Arduino UNO

Arduino is een opensource-computerplatform bedoeld om microcontrollers eenvoudig te maken. Op een Arduino UNO (foto 2) zien we CE en FCC markeringen staan maar geen vuilnisbak. Hij heeft dan wel weer een vermelding over de RoHS conformiteit. En veel microcontroller starterkits van grote halfgeleider fabrikanten hebben helemaal geen markering. De reden hiervan zou kunnen zijn dat men in de veronderstelling is dat die producten niet voor het grote publiek bestemd zijn, maar alleen voor andere bedrijven. Opnieuw een grijs gebied.

Stel dat een kleine ondernemer een apparaat op de markt wil brengen die hooguit enige tientallen afnemers zal hebben, een specifiek meetapparaat bv., gelden daar dan ook al deze regels voor? Het officiële antwoord hierop is “ja”. We hebben het hier over op de markt brengen van een apparaat. En of dat er nou één is of duizenden, dat maakt niet uit.

Je zou je dan kunnen afvragen wat er gebeurt als een officiële instantie erachter komt dat hij een product op de markt heb gebracht die niet aan al deze regels voldoet. De kans is dan groot dat hij een verkoop verbod opgelegd krijg en de reeds verkochte apparaten terug moet roepen.

Het apparaat zal dan alsnog voorzien moeten worden van de juiste documenten, of hij blijft er mee zitten. In het laatste geval zou hij nog kunnen overwegen zijn apparaten te verkopen aan landen buiten de EU.

De kleine ondernemer zou ook het risico kunnen nemen om kleine aantallen binnen Europa in de handel te brengen omdat de kans op ontdekking bij een geringe partij klein is.

In het kort komt het er dus neer naar dat alle apparaten, alvorens deze binnen Europa op de markt te brengen voorzien moeten zijn van een CE markering. Ook bouwkits en experimenteer systemen moeten een dergelijke CE markering hebben.

Een volgens de handleiding opgebouwd apparaat moet uiteindelijk na controle voldoen aan genoemde technische eisen.

Deze controle mag door de fabrikant zelf uitgevoerd worden en hij is dus niet per definitie aangewezen op een duur testinstituut. In veel gevallen hoeft een verklaring van conformiteit ook helemaal niet zo uitgebreid te zijn.

2.   EMC grenswaarden

De EMC grenswaarden zijn een van de belangrijkste punten bij een verklaring van conformiteit voor een elektronisch apparaat. De fabrikant moet aantonen dat zijn apparaat voldoet aan de essentiële eisen en dus geen ongewenste stoorproducten genereert en het apparaat daarmee dus voldoet aan de EMC richtlijn.

Richtlijnen

De richtlijnen geven aan welke wettelijke eisen aan producten gesteld worden; in ons geval is dit de EMC-richtlijn. In de richtlijn worden geen normen genoemd. Naast de EMC-richtlijn moeten elektrotechnische producten ook voldoen aan eventuele andere daarvoor van toepassing zijnde richtlijnen, zoals de laagspanningsrichtlijn en de machinerichtlijn, alvorens de CE-markering mag worden aangebracht.

EMC-normen

De normen zoals die voor EMC gelden in Europees verband, dus binnen de Europese Unie (EU) en de Europese Economische Ruimte (EER), worden opgesteld door CENELEC (Comité Européenne de Normalisation Electrotechnique). Bij de bespreking van de normen wordt over EMC gesproken, bij de metingen echter gaat het over emissie en immuniteit, dus interferentie. Daarom wordt daarbij over EMI gesproken.

Voor bepaalde producten of groepen van producten gelden specifieke richtlijnen; deze omvatten vaak de EMC-richtlijn of bevatten eigen eisen op EMC gebied.

Productnormen

In de EMC-normen voor producten staat welke metingen uitgevoerd moeten worden en wat de limieten zijn.

Als er geen productnorm beschikbaar is, moet aan de zogenaamde 'generieke normen' voldaan worden.

Generieke normen

Dit zijn algemene normen, die voor alle producten gelden waarvoor geen specifieke productnorm opgesteld is. In de generieke normen wordt naar de 'basisnormen' verwezen.

Basisnormen

In de basisnormen staat beschreven wat de EMC-eisen zijn en hoe de EMI-metingen uitgevoerd moeten worden. Voor elke test of groep testen van dezelfde soort is een aparte norm opgesteld. Deze normen zijn soms ook weer ingedeeld in bepaalde typen producten.

Systeemnormen

Normen op het gebied van de onderlinge verdraagzaamheid van producten, samengebouwd tot een systeem, zijn er tot dusverre nauwelijks opgesteld. Alleen in militaire sfeer zijn enkele van deze normen uitgegeven.

Als een product aan de wettelijke eisen van de van toepassing zijnde richtlijn of richtlijnen voldoet moet de CE-markering aangebracht worden. Het product mag dan verhandeld of in gebruik genomen worden.

Om de CE-markering te mogen aanbrengen kunnen de volgende stappen doorlopen worden:

• Karakterisering van het product;

• Technische omschrijving opstellen;

• Certificering.

Karakterisering van het product

Het product moet zo volledig mogelijk beschreven worden. Er moeten onder andere genoemd worden:

naam, typenummer, functie, toepassingsgebied, uiterlijk (eventueel met behulp van foto's), fabrikanten, leveranciers en importeurs van de delen waaruit het product is opgebouwd en de omgeving waarin het product gebruikt mag worden.

Verder moeten gebruiksaanwijzingen, handleidingen, installatie- en montagevoorschriften, onderhoudsvoorschriften, e.d. worden bijgevoegd.

Technische omschrijving opstellen

Het product moet in al zijn finesses technisch omschreven worden met technische tekeningen, blokdiagrammen, kabelschema's, enz.

Voor installaties moet een lijst van alle geïnstalleerde apparatuur opgesteld worden. Van alle apparaten moeten gegevens over de werking, afmetingen,

fabrikant en eventueel installatie-instructies vermeld worden. Bij zelfgemaakte apparaten moeten de technische gegevens, opstelling en manier van installatie beschreven zijn. Op delen die zelfstandig kunnen werken en onder de EMC-richtlijn vallen, moet een CE-markering aangebracht zijn.

Certificering

       ·         Zelfcertificering procedure;

       ·         De metingen in een testhuis laten uitvoeren.

Zelfcertificering

De zelfcertificering procedure mag gevolgd worden voor producten die onder de EMC-richtlijn vallen.

Dit geldt niet voor producten waarvan de EMC onder andere richtlijnen vallen.

Er moet worden aangetoond dat het product voldoet aan de van toepassing zijnde geharmoniseerde normen volgens de EMC-richtlijn.

 Dit kan gebeuren door:

o    Zelf de EMI metingen uit te voeren;

o    De metingen door een EMC-testspecialist in huis laten uitvoeren;

Als het product voldoet aan de limieten van alle van toepassing zijnde geharmoniseerde normen en er installatie-instructies zijn opgesteld, moet de CE-markering worden aangebracht.

De geharmoniseerde normen, volgens welke gemeten is, en de gebruikte limieten moeten op een zogenaamde 'Declaration of conformity' (verklaring van conformiteit), ook wel 'Manufacturer declaration' genoemd, vermeld worden. Van de metingen en

meetresultaten moet een meetrapport opgesteld worden.

Dit moet bewaard worden tot 10 jaar na installatie of verkoop van het laatste product.

Technisch constructiedossier

De gang bij de certificering moet volledig beschreven worden. Voor zover mogelijk moet het product volgens geharmoniseerde normen gemeten worden. Voor EMC-eisen, waarvoor geen van toepassing zijnde geharmoniseerde normen aanwezig zijn of gebruikt kunnen worden, moeten de gebruikte normen beschreven worden. Worden normen gedeeltelijk gebruikt, dan moeten de afwijkingen van de

normen eveneens beschreven worden. Alle meetresultaten van EMI metingen moeten bijgevoegd

worden.

Er moet aangetoond worden dat het apparaat aan de eisen voldoet of beschreven worden waarom volgens de fabrikant het product aan de EMC-eisen voldoet.

Deze gegevens moeten door een 'bevoegde instantie (competent body)' goedgekeurd worden, waarna de CE-markering aangebracht moet worden.

Als dat niet lukt, moet er een EMC-meting bij een zogenaamd 'erkend laboratorium'

uitgevoerd worden. Als bij deze meting blijkt dat het product aan de eisen van de richtlijn voldoet moet een CE-markering aangebracht worden.

3.   EMC beoordelen met eenvoudige meetmiddelen

Met al deze voorschriften is de kans groot dat de ontwikkelaar onzeker is of zijn product hier uiteindelijk aan zal voldoen. Om aan te tonen dat het apparaat wel of niet voldoet zal er dus gemeten moeten worden. Zoals al eerder opgemerkt, mag de fabrikant dit ook zelf doen. Voor veel moderne apparaten die voorzien zijn van een microcontroller is de norm EN55022 van toepassing. (Informatie Technische Installaties)

In deze norm is o.a. bepaald dat een stoorsignaal in het bereik van 30 MHz tot 300 MHz op een afstand van 3 meter de waarde van 30 dBuV/m niet mag overschrijden en dat in het bereik tussen 300 MHz en 1000 MHz de limiet 37 dBuV/m is.

Wat hierbij opvalt is dat het gebied onder de 30 MHz niet wordt bekeken.

Dit is het korte golf gebied.

Om zelf te kunnen beoordelen of het eigen product voldoet zonder veel geld kwijt te zijn aan dure meetapparatuur, afgeschermde ruimtes ed. zijn er goed bruikbare eenvoudige manieren om  de situatie goed te kunnen inschatten.

Een eenvoudige spectrum analyser tot 1000 MHz is niet zo duur en heel goed bruikbaar.

In plaats van een dure afgeschermde ruimte sluit je een kleine antenne in de vorm van een draadlus aan op je spectrumanalyser en plaats die vervolgens dicht bij het te meten apparaat (EUT)

In het spectrum zijn waarschijnlijk diverse bekende signalen te zien zoals DVBT, TDAB, FM-omroep ed.

Als de antenne nu dichter naar de EUT gebracht wordt, zijn alleen de signalen interessant die dan sterker worden. Door vervolgens te vergelijken met spanningen van bekende signalen is eenvoudig te beoordelen of de ongewenste uitstraling van de EUT boven de grenswaarde komt.

Uiteraard is de gebruikte antenne van grote invloed op het meetresultaat, maar in grote lijnen zou je kunnen zeggen dat indien een bij 100 MHz (FM-omroep) resonerende antenne een spanning  van 1uV levert in 50Ω, de elektrische veldsterkte ongeveer 4 uV/m is. En omdat de meeste FM zenders ongeveer hetzelfde niveau hebben is dit prima te gebruiken voor de eigen notitie. Deze  niveaus liggen meestal een stuk boven de EMC grenswaarden, omdat anders geen storingvrije ontvangst mogelijk zou zijn.

Een voorbeeld:

Als een FM omroepzender een signaalspanning van 1 mV geeft in een 50Ω antenne dan is dat 60 dBuV, hetgeen overeenkomt met een veldsterkte van ongeveer 70 dBuV/m.  Deze signalen kun je vervolgens gebruiken als vergelijkingsniveaus waardoor je kunt stellen dat het stoorsignaal een aantal dB zwakker moet zijn dan deze signalen. Indien het stoorsignaal op ongeveer 50 cm afstand al gering is en op 3 meter vrijwel niet meer te zien is, dan kun je er vrijwel zeker van zijn dat het stoorsignaal hiermee onder de grenswaarden blijft.

Het op de markt brengen van apparaten die uitgerust zijn met een microcontroller zijn eenvoudig te testen als het gaat om harmonischen van de klokfrequentie.

Als een microcontroller geklokt wordt met een frequentie van 16 MHz, zijn harmonischen te verwachten op veelvouden hiervan, dus 32 MHz, 48 MHz enz.

De 6e harmonische zit op 96 MHz. Deze frequentie maakt deel uit van de FM-omroep band en zou dus op een FM radio hoorbaar moeten zijn. Omdat een stoorsignaal in het frequentiegebied tussen 30 en 300 MHz een waarde van maximaal 30 dBuV/m mag hebben, zou dit goed hoorbaar op de FM ontvanger zijn en daarmee de achtergrondruis duidelijk wegdrukken. Maar de kans dat de harmonischen, laat staan de 6e nog op een ontvanger op een afstand van 3 meter hoorbaar zijn is nihil. Alleen heel dicht bij de microcontroller zal iets te horen zijn, waardoor je kunt stellen dat de harmonischen schoon zijn.

Sommige moderne ontvangers geven de antennespanning in dBuV weer, bv. DSP radio.

Een dergelijke radio geeft met een normale staafantenne meetresultaten die prima te vergelijke zijn met die van een eenvoudige spectrumanalyser.

Stel dat een plaatselijke FM omroep zender een signaalsterkte heeft van 60dBuV.

Een EUT uitgerust met een microcontroller en een klokfrequentie van 16 MHz is te ontvangen op 96 MHz (6e harmonische) op een maximale afstand van 20 cm om de achtergrondruis duidelijk te onderdrukken.

Er wordt dan door de ontvanger een antennespanning van 20 dBuV aangegeven hetgeen ongeveer overeenkomt met de grenswaarde van 30 dBuV/m. Maar dit is slechts op 20 cm afstand. Aangezien veldsterkte lineair is zal deze met de helft afnemen als de meetafstand verdubbelt wordt. Bij een afstand van 60 cm is het niveau zover gezakt dat met de ontvanger niet meer vast te stellen is of het apparaat aan of uit staat. Dit betekend dat niet pas op een afstand van 3 meter de grenswaarde bereikt is maar al bij 20 cm. Bij een dergelijk resultaat is het vrijwel uitgesloten dat een van de harmonischen de grenswaarde overschrijdt.

Het antenne effect van een geleider

Geleiders werken als antennes waarop uitgestraalde storingen kunnen inwerken. Deze geleiders kunnen ook storing uitzenden, als door de geleider een hoogfrequente stroom vloeit.

 

Het antenne-effect wordt groter als de geleiders een specifieke lengte in relatie tot de golflengte van het uitgestraalde signaal heeft.


Bij deze frequentie (100 MHz) zal een geleider met lengte L > 0.75 meter een effectieve antenne worden.

 

Een niet afgeschermde bedrading van ongeveer 30 cm op bv. een kristaloscillator van 10 MHz laat een heel ander beeld zien. Prompt worden de grenswaarden overschreden. De steile flanken zorgen voor veel harmonischen en de draad blijkt een uitstekende antenne. Om de 10 MHz zijn de harmonischen te horen , het sterkst bij de oneven. Ook 90 MHz (9e harmonische) in de FM omroepband is goed te horen.

Op een afstand van 3 meter zal de ontvanger een signaalsterkte zien van zeker 40 dBuV, veel te veel dus.

De kans is daarbij heel aannemelijk dat een van de harmonischen toevallig heel sterk wordt uitgestraald omdat die op een antenneresonantie valt. Hoe hoger de frequentie, hoe korter de antenne.

Hiermee is tevens aangetoond dat de gebruikelijke signalen op normale printen heel goed storingen kunnen veroorzaken die boven de grenswaarden liggen.

Dit lijkt vreemd, de signalen op de poortpennen zijn immers erg zwak.

Maar als dit vergeleken wordt met de WSPR mode die gebruikt wordt door legale radio zendamateurs blijkt het tegendeel waar. Het WSPR net wordt gebruikt om juist met heel weinig vermogen een heel grote afstand te overbruggen.

De zender die hiervoor wordt gebruikt is bv. een Raspberry-Pi. Met de juiste software wordt het HF signaal van 10 mW via een van de poorten en via een extern laagdoorlaadfilter direct aan de antenne gekoppeld. Op de korte golf is dit voldoende om een bereik van een paar duizend km te bereiken.