Het versneld evalueren van magnetische velden (30 – 100 kHz)

Door Niek Moonen, Universiteit Twente

De hedendaagse vermogenselektronica is ingericht op een efficiënte energieconversie, waarin elektrische voortstuwing wellicht het beste voorbeeld is. Hoe efficiënter de omzetting, hoe verder de auto kan rijden. Zoals velen zullen weten, genereert het niet lineaire gedrag van de halfgeleiders vele harmonischen, wat in het geval van aandrijvingen een grote stroombelasting met zich meebrengt.
Vanuit de natuurkunde weten we ook dat stromen magnetische velden induceren. Gelijkstroom heeft een constant magnetisch veld, dat te bepalen is via de wet van Biot-Savart. Wisselstroom geeft een wisselend magnetisch veld, dat, zoals de wetten van Lenz en Faraday laten zien, een effect heeft op omliggende lussen door het induceren van stromen. Mocht het veld te sterk zijn, dan kan het leiden tot storingen in omliggende componenten, circuits of systemen. De traditionele methode voor het beschermen van circuits door middel van een metalen afscherming is helaas niet toepasbaar op magnetische velden, alleen op elektrische. Het is dus van belang het probleem bij de bron aan te pakken en tijdig metingen uit te voeren ter evaluatie.

Klassiek

Een van de standaarden die hier rekening mee houdt is de MIL-STD 461, RE101. Hierin staat gespecifieerd dat men de magnetische veldemissie moet meten in 3 aparte ‘banden’. De standaard is destijds ontworpen met het oog op de klassieke EMI testreceiver (Super-heterodyne, Figuur 1) zoals ook vele andere standaarden.

Figuur 1: Versimpeld blokken diagram van een klassieke EMI meetontvanger. 1 Ingangsfilter, 2 Mixer, 3 Lokale oscillator, 4 Aanpasbaar banddoorlaat filter, 5 Omtrek detectie, 6 Verschillende EMI detectoren Bron: [1]

Tabel 1 geeft weer welke frequentiebanden dit zijn, welke bandbreedte het filter moet hebben, en met welke stapgrootte men door de frequentieband moet stappen. Als je de simpele rekensom doet, kom je al snel tot de conclusie dat 1 enkele meting al gauw 7 minuten duurt. Dit is aangenomen dat de meettijd (i.e. ‘dwell-time’) zoals gespecificeerd voldoende is, wat sterk afhankelijk is van de te meten storing. Nadeel is dan ook dat het tijd-variante gedrag van de storing vaak onbekend is. Daarnaast was het vergroten van de bandbreedte en stapgrootte per frequentie bereik dat geëvalueerd word dan ook noodzakelijk, aangezien de meting anders zelfs uren ging duren.

Tabel 1: Test parameters voor sinusoïde signaalvormen. Bron [2]

De evaluatie van een veld is over het algemeen afhankelijk van de richting waarin gemeten wordt. Hiervoor is in de standaard opgenomen dat men een groter systeem vanuit verscheidende posities moet evalueren. Zoals weergegeven is voor een ‘19 inch rack’ in Figuur 2, kan dit leiden tot een groot aantal te meten posities. De combinatie met een trage meettechniek verleidt mensen dan snel om concessies te doen gebaseerd op aannames.

In andere testen wordt ook nog de polarisatie gemeten, door de lusantenne (loop antenna) te draaien ten opzichte van zijn zwaarte-/middelpunt. Al met al leidt dit tot zeer langdurige metingen, wat zich uiteindelijk altijd vertaalt in hoge kosten.

Figuur 2: Schematische weergave van een kabinet dat op meerdere posities gemeten moet worden Bron [2]

 

Vernieuwing

Door de ontwikkeling van nieuwe snellere test-ontvangers, zogenoemde ‘Fast Fourier Transform based receivers’, is het mogelijk de testen vlot uit te voeren aangezien zij (in essentie) alle verschillende frequentiestappen tegelijk meten. Met andere woorden, de testtijd is gereduceerd tot enkele seconden. Een groot nadeel is echter dat deze ontvangers niet te betalen zijn: enkele tienduizenden euro’s. Een vereenvoudigd schematisch blokschema van de werking is te zien in Figuur 3:

Figuur 3: Versimpelde weergave van werking FFT-Receiver

In de bronnen [2] en [3] wordt beschreven hoe ook een goedkope digitale oscilloscoop te gebruiken is voor eenzelfde soort handeling, aangezien deze identiek is aan de eerste twee blokken uit Figuur 3. De zogenaamde ‘pre-selector’ is in dit geval de ‘probe’ waarmee gemeten word. Over het algemeen zijn dit voltage- en stroomprobes, of elektrische of magnetische veldantennes. Uiteraard is het in dit geval een magnetische lusantenne gespecificeerd in de MIL-STD 461. Wij gebruiken hiervoor de Solar 7334-1. In publicatie [2] is terug te vinden hoe deze gekalibreerd kan worden en hoe de RE101 test met een goedkope oscilloscoop vergelijkbaar is met een klassieke test ontvanger. In Figuur 4 wordt de USB oscilloscoop vergeleken met de klassieke ontvanger voor een sinusvormig signaal dat langzaam in frequentie toeneemt. Zoals je kunt zien, wijken ze relatief weinig af. De resultaten van een tweede set aan testen zijn te zien in Figuur 5, waarin het gemeten signaal een blokvorm is van verschilende grondfrequenties. Ook hier liggen de resultaten van de meetontvanger en osciloscoop dicht bij elkaar.

Figuur 4: De resultaten voor het fluiten door het spectrum met een continue sinusvormig signaal, ter vergelijking van de klassieke test ontvanger (ESS) en de PicoScope digitale USB oscilloscoop. Bron [2]

Figuur 5: Wederom een vergelijking van de klassieke en digitale oscilloscoop. Maar nu met 3 verschillende gepulste blokgolven. Met respectievelijk een 50 Hz, 1.5 kHz en 15 kHz grond frequentie en 50% duty-cyclus in het groen, blauw en oranje weergegeven. Bron: [2]

De signaalverwerking

Voor het gebruiken van de oscilloscoop als testontvanger, moet men aan de CISPR 16-1-1 standaard voldoen. Hierin staat bijvoorbeeld gespecificeerd wat voor een ‘time-window’ men moet toepassen om de gewenste onderdrukking te krijgen van de frequentiebanden die naast de te observeren centrale frequentie liggen. Uiteindelijk komt het neer op stukjes van het gemeten tijdssignaal met een overlap te verwerken en weer te geven in het frequentiedomein. Normaliter gebruikt men hiervoor de ‘Short-Time Fast Fourier Transform’. Als resultaat volgt een weergave in een spectrogram zoals dat te zien is in Figuur 6. Tijd en frequentie zijn tegen elkaar afgezet, met de kleurweergave de amplitude van het voltage.

Het komt er dus op neer, dat het oorspronkelijke tijdsignaal gedecompenseerd is in verschillende frequenties, maar nu is de tijdvariantie per frequentie zichtbaar. Door nu de rij te selecteren van de frequentie(band) waarin men geïnteresseerd is, ziet men het resultaat zoals een klassieke meetontvanger het zou zien die afgesteld zou zijn voor die frequentieband.

Figuur 6: Spectrogram van een bloksignaal van 25 kHz met 50% duty cyclus. Bron: [4]

Conclusie

Het is aan de 21 kandidaten van Scent* en Etopia* om nieuwe toepassingen te vinden en bewijzen dat het ook daadwerkelijk werkt. Maar nog belangrijker, waarom het werkt. Deze blog kan gezien worden als een introductie op datgene wat nog komen gaat. De stappen die zij maken kunnen op de voet worden gevolgd via de websites scent-itn.org en etopia-itn.org , het youtube kanaal en het twitter account: @H2020Scent

*Deze projecten hebben funding gekregen van het EU Horizon 2020 programma onder de Marie Sklodowksa Curie Grant Agreement nummer 812391 en 812753

Bronnen

[1] T. Karaca, B. Deutschmann, and G. Winkler, "EMI-receiver simulation model with quasi-peak detector," in IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2015, vol. 2015-Septm, pp. 891-896.

[2] I. Setiawan, N. Moonen, F. Buesink, and F. Leferink, "Efficient Magnetic Field Measurements," in Electromagnetic Compatibility (EMC EUROPE), 2017 International Symposium on, 2017, pp. 8-11.

[3] I. Setiawan, R. Vogt-ardatjew, and F. Leferink, "Using Low Cost Base-band Digitizer for Fast Magnetic Emission Test," in Joint IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2018, pp. 788-792.

[4] T. Hartman, N. Moonen, and F. Leferink, "Direct Sampling in Multi-channel Synchronous TDEMI Measurements," in 2018 IEEE 4th Global Electromagnetic Compatibility Conference (GEMCCON), 2019, pp. 1-5.