استاندارد CISPR در سازگاری الکترومغناطیسی

تاریخچه، تکامل مفهومی و جایگاه ساختاری :CISPR 
کمیته بین‌المللی ویژه اختلالات رادیویی که به طور گسترده با نام مخفف فرانسوی آن یعنی CISPR شناخته می‌شود، در سال 1934 با هدف ایجاد هماهنگی و یکنواختی در روش‌های اندازه‌گیری و تعیین حدود مجاز برای کنترل تداخلات الکترومغناطیسی در تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی پایه‌گذاری شد. این نهاد در ابتدا به عنوان یک کمیته مشترک بین کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) و اتحادیه بین‌المللی رادیوتلفنی (UIR) شکل گرفت تا از تداخلات ناشی از گسترش روزافزون تجهیزات الکتریکی بر روی گیرنده‌های رادیویی جلوگیری کند. با توسعه فناوری‌های نوین و به ویژه اهمیت یافتن تلویزیون، نام این کمیته در سال 1953 بازنگری شد و به کنترل اختلالات رادیوالکتریک تغییر یافت. در سال 1950، این نهاد رسماً ساختار خود را به عنوان یکی از کمیته‌های ویژه تحت نظارت IEC تثبیت نمود.
تکامل تاریخی این استاندارد نشان‌دهنده تغییر پارادایم از اندازه‌گیری‌های تخمینی فرکانس پایین به سمت سنجش‌های دقیق در فرکانس‌های مایکروویو و بالاتر است. در اولین نشست‌های پس از جنگ جهانی دوم در سال 1946، پیشنهاد استفاده از شبکه فرضی 150 اهمی (V-network) برای اندازه‌گیری ولتاژ رادیوفرکانسی در ترمینال‌های تغذیه تجهیزات مطرح شد که مبنای شبکه‌های تثبیت امپدانس خط امروزی قرار گرفت. در طول دهه‌های بعد، تمرکز اصلی این کمیته بر بهبود بازتولیدپذیری آزمون‌ها از طریق اعتبارسنجی سایت‌های تست، تحلیل آماری عدم قطعیت اندازه‌گیری و مدل‌سازی حدود انتشار نویز معطوف گردید. امروزه وظیفه اصلی این استاندارد، حفاظت از طیف رادیویی در محدوده 9 کیلوهرتز تا 400 گیگاهرتز در برابر اختلالات ناشی از تجهیزات صنعتی، تجاری، خودرویی و خانگی است.

ساختار تشکیلاتی و زیرکمیته‌های فنی :CISPR 
ساختار داخلی این کمیته برای مدیریت جنبه‌های متنوع تداخلات الکترومغناطیسی به زیرکمیته‌های فنی متعددی تقسیم شده است. این زیرکمیته‌ها به طور مداوم وظیفه نگهداری، ویرایش و توسعه استانداردهای تخصصی را بر عهده دارند. در جدول زیر، ساختار عملیاتی این زیرکمیته‌ها و وظایف تعریف‌شده برای هر یک تشریح شده است.

دسته‌بندی و تشریح فنی انواع استانداردهای :CISPR 

استانداردهای این کمیته به سه گروه اصلی استانداردهای پایه، استانداردهای عمومی و استانداردهای محصول (یا خانواده محصول) تقسیم می‌شوند⁵. در ادامه، جزئیات فنی و کاربردی هر یک از این استانداردها با تکیه بر سازوکارهای فیزیکی و الزامات عملیاتی تشریح می‌شود.

• استانداردهای پایه: سری CISPR 16 و تجهیزات اندازه‌گیری
  سری استاندارد CISPR 16 به عنوان مرجع اصلی برای تعریف ابزارهای اندازه‌گیری، روش‌های تست و محاسبات آماری شناخته می‌شود و هیچ حد مجاز انتشاری برای محصولات تعیین نمی‌کند. این استاندارد پایه، دقت و تکرارپذیری آزمون‌ها را در آزمایشگاه‌های همکار تضمین می‌نماید.
  بخش نخست این استاندارد (CISPR 16-1) به مشخصات تجهیزات از جمله گیرنده‌های اندازه‌گیری و شبکه‌های جفت‌کننده اختصاص دارد. در آزمون‌های انتشار هدایتی، از شبکه تثبیت امپدانس خط (LISN) یا شبکه مصنوعی برق شهر (AMN) برای فراهم کردن یک امپدانس رادیوفرکانسی مشخص (معمولاً 50 اهم موازی با 50 میکروهانری) در ترمینال‌های تجهیز تحت تست استفاده می‌شود تا اثر امپدانس متغیر شبکه برق شهری خنثی گردد.  انواع مختلف این شبکه‌ها شامل شبکه نوع V برای ولتاژهای نامتقارن، شبکه نوع T یا ISN برای خطوط انتقال داده متقارن و شبکه دلتا برای اندازه‌گیری ولتاژهای تفاضلی است.
  در سنجش سیگنال‌های تداخلی، آشکارسازهای کوازی‌پیک (شبه‌پیک)، متوسط و پیک نقش ویژه‌ای دارند. آشکارساز کوازی‌پیک رفتار آزاردهنده نویز بر روی گوش انسان را شبیه‌سازی می‌کند؛ این آشکارساز با استفاده از ثابت‌های زمانی شارژ و دشارژ مشخص، سیگنال‌های با نرخ تکرار بالاتر را وزن بیشتری می‌دهد. مشخصات فنی آشکارساز کوازی‌پیک برای باندهای مختلف فرکانسی در جدول زیر خلاصه شده است.

  

  علاوه بر گیرنده‌های سوئیپ‌کننده سنتی، استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری مبتنی بر تبدیل سریع فوریه زمان‌بندی‌شده (FFT-based) به سرعت در حال افزایش است. این تجهیزات با نمونه‌برداری بلادرنگ در پهنای باندهای وسیع، سرعت آزمون را به شدت افزایش داده و امکان ثبت پدیده‌های گذرا را با دقت بالایی فراهم می‌کنند.

• استانداردهای محصول و خانواده محصول
  استانداردهای محصول به طور خاص حدود انتشار و مصونیت را برای صنایع گوناگون مشخص می‌کنند. در ادامه، مهم‌ترین نمونه‌های این گروه تحلیل می‌شوند.

  • استاندارد :CISPR 11 تجهیزات صنعتی، علمی و پزشکی  (ISM)
    این استاندارد حدود تداخلات الکترومغناطیسی هدایتی و تشعشعی را برای تجهیزات تولیدکننده انرژی رادیوفرکانسی صنعتی، علمی و پزشکی تعیین می‌کند. تجهیزات تحت پوشش این استاندارد به دو گروه و دو کلاس تقسیم می‌شوند:

    • گروه ۱ : تجهیزاتی را در بر می‌گیرد که در آن‌ها انرژی رادیوفرکانسی جفت‌شده به صورت هدایتی صرفاً برای عملکرد داخلی خود تجهیز تولید و استفاده می‌شود. از نمونه‌های این گروه می‌توان به تجهیزات آزمایشگاهی، منابع تغذیه سوئیچینگ عمومی و مبدل‌های نیمه‌هادی اشاره کرد.

    • گروه ۲ : شامل تجهیزاتی است که به طور عمدی انرژی رادیوفرکانسی را به صورت تشعشع الکترومغناطیسی، القایی یا خازنی برای پردازش مواد، درمان پزشکی یا بازرسی فنی تولید می‌کنند. کوره مایکروویو و دستگاه‌های جوش قوس الکتریکی نمونه‌های بارز این گروه هستند.
      در صنایع خودرویی، سه استاندارد مجزا وظیفه تنظیم ایمنی الکترومغناطیسی را بر عهده دارند که تفاوت‌های بنیادین آن‌ها در جدول زیر ارائه شده است:
      تجهیزات هر دو گروه مجدداً به کلاس) A محیط‌های صنعتی غیر مسکونی) و کلاس) B محیط‌های خانگی و مسکونی متصل به شبکه عمومی برق ولتاژ پایین) تقسیم می‌شوند. به دلیل نزدیکی گیرنده‌ها در محیط‌های خانگی، حدود انتشار کلاس B تا 10 دسی‌بل سخت‌گیرانه‌تر از کلاس A است. شایان ذکر است که در بازنگری‌های اخیر، تجهیزات پخت القایی  (Induction Cooking) از شمول استاندارد CISPR 11 خارج شده و به استاندارد پویای CISPR 14-1 منتقل شده‌اند.

  • استانداردهای خودرویی: قابلیتهای حفاظتی CISPR 12، CISPR 25 و  CISPR 36
    در صنایع خودرویی، سه استاندارد مجزا وظیفه تنظیم ایمنی الکترومغناطیسی را بر عهده دارند که تفاوت‌های بنیادین آن‌ها در جدول زیر ارائه شده است:

    

    تجربه‌های مهندسی در تحلیل خودروهای برقی نشان می‌دهد که اینورترهای ولتاژ بالا و مبدل‌های DC/DC به عنوان منابع اصلی تولید نویز فرکانس پایین شناخته می‌شوند. از این رو، رعایت دقیق حدود انتشار CISPR 25 در سطح قطعه به منظور جلوگیری از تداخل با باس‌های داده حساس مانند CAN الزامی است. همچنین پیاده‌سازی متدولوژی چندکاناله در استاندارد CISPR 36، زمان آزمون طولانی میدان‌های مغناطیسی خودرویی را از چند ساعت به چند ثانیه کاهش داده است.

  • تجهیزات مالتی‌مدیا: یکپارچه‌سازی در قالب استانداردهای CISPR 32 و  CISPR 35
    توسعه سریع سیستم‌های دیجیتال سبب همگرایی عملکردهای پردازش داده و ارتباطات صوتی/تصویری در یک دستگاه واحد گردید. این همگرایی تکنولوژیک، ناکارآمدی استانداردهای تفکیک‌شده قدیمی مانند ) CISPR 22 برای تجهیزات فناوری اطلاعات ) و ) CISPR 13 برای گیرنده‌های پخش صوتی و تصویری ) را عیان ساخت؛ چرا که یک لپ‌تاپ مجهز به درگاه HDMI به طور هم‌زمان در شمول هر دو استاندارد قرار می‌گرفت و تولیدکنندگان ناگزیر به پرداخت هزینه‌های مضاعف آزمون بودند.
    در پاسخ به این چالش، استانداردهای جدید به صورت فناوری‌محور توسعه یافتند:

    • CISPR 32  ( حدود انتشار ): این استاندارد که از سال 2017 در اتحادیه اروپا اجباری شد، جایگزین استانداردهای قدیمی انتشار گردید و تجهیزات چندرسانه‌ای را تحت کلاس‌های عملکردی ) A محیط‌های تجاری/صنعتی ) و ) B محیط‌های مسکونی ) آزمایش می‌کند. آزمون‌های انتشار تشعشعی تحت این استاندارد تا فرکانس ۶ گیگی هرتز انجام می‌شوند.

    • CISPR 35  ( حدود مصونیت ): این استاندارد جایگزین استانداردهای مصونیت قدیمی نظیر CISPR 24 و CISPR 20 شد. رویکرد اصلی در CISPR 35، تمرکز بر روی ارزیابی انطباق عملکردی (Function-based) محصول است؛ بدین معنا که عملکرد قطعات مختلف دستگاه تحت آزمون (مانند درگاه‌های ارتباطی xDSL، خروجی‌های آنالوگ ویدئو یا قابلیت‌های چاپی) در مواجهه با نویزهای تزریقی سنجیده می‌شود. در این استاندارد، فرکانس‌های آزمون نقطه‌ای بالا (1800، 2600، 3500 و 5000 مگاهرتز) برای شبیه‌سازی دقیق نویز ناشی از تلفن‌های همراه مدرن اضافه شده است.

  • سایر استانداردهای محصول و گزارش‌های فنی مهم
    کمیته CISPR علاوه بر استانداردهای ذکر شده، کدهای فنی دیگری را برای هدایت صنایع مختلف توسعه داده است. جزئیات این استانداردها به شرح زیر است:

    • CISPR 14-1  ( انتشار ) و CISPR 14-2 ( مصونیت ): الزامات سازگاری الکترومغناطیسی را برای لوازم خانگی، ابزارهای برقی، اسباب‌بازی‌های الکترونیکی و دستگاه‌های مشابه تعیین می‌کنند.
    • CISPR 15 : روش‌های اندازه‌گیری و حدود انتشار اختلالات رادیویی تجهیزات روشنایی الکتریکی را تعریف می‌کند و محدوده فرکانسی 9 کیلوهرتز تا 300 مگاهرتز را پوشش می‌دهد.
    • CISPR 17 : روش‌های آزمون پیشرفته برای اندازه‌گیری مشخصات سرکوب‌کنندگی فیلترهای غیرفعال رادیویی و اجزای تضعیف‌کننده نویز را توصیف می‌کند.
    • سری CISPR 18 ( بخش‌های ۱ تا 3 ) : پدیده‌های تداخل رادیویی ناشی از خطوط انتقال هوایی فشار قوی و تجهیزات ولتاژ بالا را بررسی کرده و کدهای عملیاتی برای به حداقل رساندن نویز الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد.
    • CISPR 31 : پایگاه داده جامعی از مشخصات خدمات رادیویی در سراسر جهان است که به عنوان مرجع برای تعیین حدود حفاظتی استفاده می‌شود.
    • گزارش‌های فنی (مانند CISPR/TR 28 و CISPR/TR 30): راهنماهای کاربردی برای اندازه‌گیری انتشار لامپ‌های تخلیه الکتریکی و راهبری سطوح انتشار در باندهای فرکانسی تعیین‌شده توسط اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU) ارائه می‌دهند.

انطباق فرکانسی و هماهنگ‌سازی مقرراتی بین‌المللی
یکی از جنبه‌های کلیدی در طراحی بردهای الکترونیکی، حصول اطمینان از پاس شدن استانداردهای انتشار تشعشعی و هدایتی در بازارهای جهانی هدف است. به طور کلی، فرکانس‌ها و ساختارهای نظارتی بین مراجع مختلف در سراسر جهان تا حد زیادی هماهنگ شده‌اند، اگرچه تفاوت‌های فنی کوچکی همچنان وجود دارد. جدول زیر فرکانس‌های کاری و انطباق مراجع مختلف بین‌المللی را نشان می‌دهد:

تحلیل محاسبات انتشار رادیویی نشان می‌دهد که فواصل تست در آزمایشگاه‌های مختلف تجاری ممکن است متفاوت باشد (فاصله معمول 3 متر در اتاق‌های آنکوئیک در مقابل فاصله مرجع 10 متر در سایت‌های فضای باز( برای تطبیق نتایج اندازه‌گیری‌شده در فواصل مختلف، از فرمول‌های اصلاح فاصله استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در فرکانس‌های بالای 30 مگاهرتز، رابطه کاهش قدرت میدان با فاصله به صورت خطی و لگاریتمی به شکل زیر بیان می‌شود:

که در آن L_d1 حد یا مقدار اندازه‌گیری‌شده در فاصله d₁ و L_d2 مقدار اصلاح‌شده در فاصله جدید d₂ است. برای فواصل کمتر از 30 مگاهرتز، به دلیل اثرات میدان نزدیک مغناطیسی، اصلاح فرکانسی نرخ کاهش شدیدتری را نشان می‌دهد که عموماً با ضریب چهل دسی‌بل بر دهه ( 40Log₁₀(d₁/d₂) ) تقریب زده می‌شود.

متدولوژی تحلیل آماری و ارزیابی انطباق تولید انبوه

یک جزء حیاتی و نادیده گرفته شده در طراحی صنعتی، انطباق نمونه‌های تولید انبوه با قوانین بین‌المللی است. انطباق یک نمونه مهندسی تکی در آزمایشگاه گواهی‌دهنده لزوماً به معنای انطباق کل خط تولید نیست. استاندارد CISPR بر اساس تصمیمات تاریخی اتخاذ شده در سن‌پترزبورگ (لنینگراد سابق در سال 1970)، متدولوژی ارزیابی آماری تحت عنوان قانون 80/80 را ارائه داده است.
بر اساس این قاعده آماری، فرآیند ارزیابی خط تولید بر پایه فرضیه زیر انجام می‌شود:

در این فرمول ، Y میزان انتشار الکترومغناطیسی دستگاه و L حد مجاز استاندارد است. به عبارت ساده‌تر، تولیدکننده باید با سطح اطمینان آماری 80 درصد تضمین کند که حداقل 80 درصد از محصولات خروجی از خط تولید، انتشاری پایین‌تر از حد استاندارد خواهند داشت. برای پیاده‌سازی این رویکرد، در فرآیند ارزیابی نمونه‌برداری‌های آماری ترجیحاً با حداقل حجم نمونه 5 تایی (و در شرایط خاص حداقل 3 یا ۴ نمونه) انجام می‌شود تا توزیع احتمال انتشار کل خط تولید استخراج گردد. این سازوکار آماری، طراحان صنعتی را ملزم می‌کند که در مراحل اولیه تحقیق و توسعه، حاشیه ایمنی مناسبی (معمولاً بین ۶ تا 10 دسی‌بل پایین‌تر از حد مجاز استاندارد) برای محصول در نظر بگیرند تا نوسانات مقادیر فیزیکی قطعات بکار رفته در فیلترهای EMI منجر به مردود شدن انطباق کل خط تولید نگردد.