محاكاة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة في تصميم المنتجات الإلكترونية: خصائص المناعة ومتطلبات الاختبار

الملخص
في مجال تطوير المنتجات الإلكترونية سريع التطور، أصبح التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) أمرًا بالغ الأهمية. ومن الاختبارات الحاسمة لضمان قدرة الأجهزة الإلكترونية على تحمل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) التعرض للمجالات المغناطيسية ذات تردد الطاقة، والتي تتراوح عادةً بين 50 و60 هرتز. تستكشف هذه الورقة أهمية محاكاة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة في تصميم واختبار المنتجات الإلكترونية، مع التركيز على خصائص المناعة ومعايير الاختبار التي تُوجِّه تطوير المنتجات. ويُولى اهتمام خاص لـ LISUN PFM61000-8A مولد المجال المغناطيسي كأداة لمحاكاة المجالات المغناطيسية بما يتوافق مع معايير التوافق الكهرومغناطيسي الدولية. تتضمن الورقة متطلبات اختبار محددة، واعتبارات تصميمية رئيسية، وأفضل الممارسات، مدعومة ببيانات جداولية مفصلة ودراسات حالات واقعية.

1. مقدمة
مع ازدياد صغر حجم الأجهزة الإلكترونية وتكاملها، ازدادت قابليتها للتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي. تُعد المجالات المغناطيسية ذات تردد الطاقة، والتي تعمل عادةً بتردد 50 أو 60 هرتز، مصدرًا شائعًا للتداخل الكهرومغناطيسي في البيئات الصناعية والتجارية والسكنية. ولضمان عمل المنتجات الإلكترونية بكفاءة في هذه البيئات، يجب على المصنّعين تقييم مناعتهم لهذه المجالات المغناطيسية منخفضة التردد والتحقق من صحتها من خلال محاكاة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة.

يتطرق هذا البحث إلى متطلبات الاختبار الخاصة بمناعة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة، مع التركيز على خصائص المناعة اللازمة لتصميم المنتج ودور معدات الاختبار المتقدمة مثل LISUN PFM61000-8A مولد المجال المغناطيسي في محاكاة هذه الظروف.

2. خلفية وأهمية المجالات المغناطيسية لترددات الطاقة

2.1 طبيعة المجالات المغناطيسية لتردد الطاقة

المجالات المغناطيسية ذات تردد الطاقة هي مجالات مغناطيسية متناوبة منخفضة التردد، تُولّدها التيارات الكهربائية المتدفقة عبر الموصلات والمحولات وأنظمة الطاقة. في معظم المناطق، تتذبذب هذه المجالات بتردد 50 هرتز (أوروبا وآسيا) أو 60 هرتز (أمريكا الشمالية). مع أن هذه المجالات ليست خطرة على البشر عادةً، إلا أنها قد تُسبب تيارات وجهدًا كهربائيًا غير مرغوب فيهما في الدوائر الإلكترونية الحساسة، مما يُسبب أعطالًا وتلفًا للبيانات، بل وحتى تلفًا دائمًا.

توجد هذه المجالات المغناطيسية عادةً بالقرب من:

• خطوط توزيع الطاقة
• المحركات والمحولات الكهربائية
• الأجهزة الكهربائية
• الآلات الصناعية

لكي تعمل الأجهزة الإلكترونية بشكل موثوق، يجب أن تظهر قدرتها على مقاومة هذه الاضطرابات الكهرومغناطيسية.

2.2 لماذا تعد محاكاة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة أمرًا بالغ الأهمية

تردد الطاقة: تُعدّ محاكاة المجال المغناطيسي ضروريةً لمحاكاة البيئات الكهرومغناطيسية الواقعية في بيئات مُتحكم بها. من خلال محاكاة هذه المجالات المغناطيسية، يُمكن للمهندسين تقييم مدى تأثر الأجهزة بالاضطرابات الكهرومغناطيسية وإجراء التعديلات اللازمة على التصميم لتحسين مناعتها. يضمن الاختبار في ظل ظروف مُحاكاة مطابقة المنتجات لمعايير التوافق الكهرومغناطيسي الدولية، وهو أمر بالغ الأهمية لموافقة السوق وسلامة المستهلك.

3. المعايير ومنهجيات الاختبار

3.1 معايير التوافق الكهرومغناطيسي الدولية

تُنظّم عدة معايير دولية مناعة المنتجات الإلكترونية للمجالات المغناطيسية ذات ترددات الطاقة. ومن أهم هذه المعايير:

تحدد هذه المعايير قوى المجال المغناطيسي المطلوبة، وظروف الاختبار، ومعايير الأداء للأجهزة الإلكترونية المعرضة للحقول المغناطيسية ذات التردد المنخفض.

3.2 إعدادات الاختبار وظروف الاختبار

يحدد معيار IEC 61000-4-8 إعدادات اختبار المجال المغناطيسي لتردد الطاقة. يوضع الجهاز قيد الاختبار (DUT) في مجال مغناطيسي يُولّده ملف هلمهولتز أو مولد مجال مغناطيسي مشابه. تُعدّل شدة المجال المغناطيسي، التي تتراوح عادةً بين 1 أمبير/متر و100 أمبير/متر، وفقًا للبيئة المُستهدفة للجهاز.

نظرة عامة على إعداد الاختبار:

تعتمد مدة الاختبار وقوة المجال على البيئة المُستهدفة للمنتج (سكنية، صناعية، أو تجارية). تُختبر الأجهزة في جميع الاتجاهات المتعامدة الثلاثة (X، Y، وZ) لضمان اختبار شامل في مختلف الاتجاهات المكانية.

PFM61000-8A_مولد المجال المغناطيسي

4. خصائص المناعة في تصميم المنتجات الإلكترونية

4.1 اعتبارات التصميم لمناعة المجال المغناطيسي

يتضمن تصميم الأجهزة الإلكترونية ذات المناعة ضد المجالات المغناطيسية ذات التردد العالي عدة استراتيجيات، بما في ذلك:

• الحماية: استخدام الدروع المغناطيسية (مثل Mu-metal) لمنع المجالات المغناطيسية الخارجية من التأثير على الدوائر الداخلية الحساسة.
• التأريض: التأريض السليم وتوصيل الدوائر بالأرض لتوفير مسار آمن للتيارات المستحثة.
• الإشارات التفاضلية: استخدام أزواج تفاضلية لنقل الإشارة، مما يساعد على تقليل قابلية التعرض للضوضاء الشائعة الناجمة عن المجالات المغناطيسية.
• اختيار المكونات: استخدام مكونات ذات مناعة عالية ضد المجالات المغناطيسية ذات التردد المنخفض، مثل المكثفات والمحاثات المقاومة للمجال المغناطيسي.

4.2 معايير أداء الاختبار

يتم تقييم أداء الجهاز قيد الاختبار على أساس المعايير التالية أثناء التعرض للمجال المغناطيسي لتردد الطاقة:

تهدف معظم المنتجات إلى تلبية المعيار A، والذي يشير إلى أن الجهاز يمكن أن يعمل كما هو مقصود دون أي مشاكل في ظل ظروف المجال المغناطيسي التي تم اختبارها.

5. معدات محاكاة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة

5.1 LISUN PFM61000-8A مولد المجال المغناطيسي

ال LISUN PFM61000-8A مولد المجال المغناطيسي هو نظام اختبار متقدم مصمم لمحاكاة المجالات المغناطيسية لترددات القدرة لاختبار التوافق الكهرومغناطيسي. يتوافق هذا النظام مع المعيار IEC 61000-4-8، وقادر على توليد مجالات مغناطيسية تصل إلى 100 أمبير/متر، مما يجعله مناسبًا لاختبار مختلف الأجهزة الإلكترونية. يستخدم الجهاز ملف هلمهولتز أو ملف لولبي لتوليد مجال مغناطيسي متجانس في منطقة الاختبار.

الميزات الرئيسية لل PFM61000-8A:

ال PFM61000-8A تم تصميمه للاختبار المستمر والمؤقت، مع قوى مجال قابلة للتعديل وأوقات مدة لتتناسب مع مجموعة متنوعة من متطلبات اختبار المنتج.

6. دراسة حالة: اختبار مناعة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة

6.1 السيناريو: اختبار جهاز المنزل الذكي

صُمم منظم الحرارة الذكي للاستخدام المنزلي، ويجب أن يعمل بكفاءة في البيئات التي قد يتعرض فيها لحقول مغناطيسية ذات تردد طاقة، مثل قرب أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء أو لوحات الكهرباء. خضع الجهاز لمحاكاة مجال مغناطيسي ذي تردد طاقة باستخدام LISUN PFM61000-8A مولد كهرباء.

معلمات الاختبار:

نتائج الإختبار:

نجح منظم الحرارة الذكي في اجتياز اختبار المناعة بنجاح، حيث أظهر تدهورًا مؤقتًا ولكنه تعافى ذاتيًا خلال مدة الاختبار المحددة.

7. التحديات والحلول

7.1 التحديات في محاكاة المجال المغناطيسي

• إنشاء حقل موحد: قد يكون من الصعب التأكد من أن الحقل الناتج موحد عبر أجهزة DUT الكبيرة.
• متطلبات الطاقة العالية: يتطلب توليد قوى مجال أعلى في كثير من الأحيان طاقة كبيرة، مما يفرض تحديات لوجستية.
• المحاكاة الواقعية: قد يكون محاكاة الظروف البيئية بدقة مع اتجاهات المجال المختلفة أمرًا معقدًا.

7.2 الحلول وأفضل الممارسات

• استخدام تصميمات الملفات المتقدمة، مثل ملفات هلمهولتز، لتحسين تجانس المجال.
• دمج أنظمة الاختبار الآلية لتقليل الأخطاء اليدوية وتعزيز إمكانية إعادة الإنتاج.
• معايرة معدات الاختبار بانتظام لضمان الدقة والامتثال للمعايير.

8. اختتام
محاكاة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة يُعدّ عنصرًا أساسيًا في تصميم واختبار المنتجات الإلكترونية، مما يضمن مقاومتها للتداخل الكهرومغناطيسي. استخدام أدوات متقدمة مثل LISUN PFM61000-8A يتيح مولد المجال المغناطيسي للمهندسين إنشاء بيئات مُتحكم بها تُحاكي ظروف العالم الحقيقي، مما يُتيح إجراء اختبارات شاملة والتحقق من مناعة المنتج. ومع تزايد تكامل المنتجات الإلكترونية وتعقيدها، ستزداد أهمية اختبار مناعة المجال المغناطيسي، مما يضمن عمل الأجهزة بكفاءة في بيئاتها المُصممة.

مراجع حسابات
• IEC 61000-4-8: التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) - الجزء 4-8: تقنيات الاختبار والقياس - اختبار مناعة المجال المغناطيسي لتردد الطاقة.
• LISUN مجموعة. صفحة منتج مولد المجال المغناطيسي: https://www.lisungroup.com/products/emi-and-emc-test-system/magnetic-field-generator.html
• EN 61000-6-2: المعايير العامة - الحصانة للبيئات الصناعية.
• ANSI C63.4: المعيار الوطني الأمريكي لاختبار التوافق الكهرومغناطيسي للمنتجات الإلكترونية.