1. Obiectivul final al proiectului

Obiectivul final al proiectului de faţă îl reprezintă dezvoltarea instituţională si acreditarea RENAR a unui Laborator pentru încercări de imunitate la descărcări electrostatice, in corelaţie cu scopul programului CEEX, modul IV, dezvoltarea capacităţii în domeniul evaluării şi certificării conformităţii, pentru a asigura implementarea legislaţiei specifice a Uniunii Europene, transpusă în legislaţia naţională.

2. Obiectivul fazei I

Obiectivul fazei I a proiectului îl reprezintă definitivarea cercetărilor cu privire la realizarea Laboratorului pentru încercări de imunitate la descărcări electrostatice.

3. Studiu general asupra problematicii descărcărilor electrostatice

            Un prim pas în vederea atingerii obiectivului fazei curente, care este una de natură preparatorie, a constat în realizarea de către colectivul de cercetare a unui studiu teoretic cu privire la problematica generală a  descărcărilor electrostatice (DES).

4. Cercetări asupra dinamicii standardizării în domeniul DES

În ultimii 15 ani, problematica descărcărilor electrostatice (DES) s-a caracterizat printr-o creştere semnificativă a importanţei ce i se acordă, dar pe deplin justificată. Cercetările în domeniu estimează că peste 25% din defectele care survin la nivelul componentelor electronice se datorează descărcărilor de sarcini electrostatice (figura 1). Creşterea densităţii de integrare, în paralel cu mărirea frecvenţei de lucru a circuitelor, a condus la o creştere a susceptibilităţii la efectele descărcărilor de sarcină. De exemplu, o simplă ridicare a unui operator de pe un scaun cu o anumită tapiţerie, într-un mediu uscat, poate produce o sarcină care să determine o diferenţă de potenţial de până la 20 kV. Dacă luăm în considerare faptul că joncţiunile p-n ale unui circuit integrat obişnuit se pot străpunge (doar parţial reversibil sau chiar ireversibil) la aplicarea unui nivel de energie de ordinul 10^-7 Joule, concluzionăm că problema DES este de maximă importanţă, acoperind un segment distinct din zona Compatibilităţii Electromagnetice, mai ales datorită valorilor mari ale dI/dt din timpul amorsării descărcării propriu-zise. O dovadă a importanţei problemei şi a dificultăţilor întâmpinate o reprezintă şi dinamica standardizării în domeniu, fiind în permanenţă propuse noi ediţii sau noi amendamente, (unele acceptate, altele deocamdată respinse), în condiţiile în care persistă diferenţe între standardele europene (EN) şi cele americane (ANSI) în domeniul DES.

Figura 1. Exemple de efecte ale DES asupra stratului de siliciu al circuitelor integrate.

Pornind de standardul elaborat de Comitetul Electrotehnic Internaţional, IEC 61000-4-2, Comisia Europeană pentru Standardizare Electrotehnică (CENELEC) a adoptat  EN 61000-4-2 drept referinţă în testele de imunitate la DES începând din anul 1995. În anul 1998 s-a impus deja elaborarea unei prime completări a standardului, sub forma unui amendament A1 (cu referire la testarea echipamentelor fără conexiune la pământ, la selectarea punctelor unde se aplică impulsul de test şi la descărcările aplicate planului de cuplaj orizontal).

În România, membrii Comitetului Tehnic 30 Compatibilitate Electromagnetică (preşedinte, prof. univ. Sorin Coatu) au elaborat Standardul SR EN 61000-4-2, plus amendamentul A1, care, prin aprobarea de către Directorul General al ASRO la 26 noiembrie 1998, a devenit standard român, identic cu standardul European EN 61000-4-2.

Dar domeniul DES este dinamic şi sensibil în acelaşi timp, astfel încât s-a impus elaborarea de către IEC în aprilie 2001, a ediţiei 1.2 a standardului EN 61000-4-2. Aceasta consolidează amendamentul 1 şi propune acceptarea unui al doilea amendament, elaborat în anul 2000, cu precizări asupra informaţiilor ce trebuie incluse în raportul de test şi asupra clasificării acestora. In Aprilie 2003, IEC a elaborat ediţia a 2-a standardului IEC 61000-4-2, care viza în plus o reducere a influenţei produse de diferite simulatoare DES asupra rezultatului testării. Problema a suscitat discuţii aprinse în comunitatea DES (vechile simulatoare nu mai corespundeau). Totuşi, în ciuda respingerii în Octombrie 2003 a Ediţiei 2, adoptarea unei ediţii îmbunătăţite de către membrii comitetelor naţionale ale IEC se impune şi din punctul de vedere al armonizării cu standardul american în domeniu, ANSI C63.16. De asemenea, ediţia a doua a întregii Directive EMC 2004/108/EC, va înlocui vechea directivă 89/336/EEC începând cu 20 Iulie 2007. 

5. Cercetări asupra realizării testelor de imunitate la DES în conformitate cu SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2

            Principalele dificultăţi cu care se confruntă laboratoarele de teste şi încercări le reprezintă simularea formei de undă DES cu un anumit generator de descărcări electrostatice, definirea şi verificarea acesteia, precum şi realizarea unei configuraţii de test (amplasament de încercare) care să poată fi utilizată la compararea rezultatelor obţinute pentru diverse echipamente supuse testării (EUT – equipment under test).

Figura 2 prezintă configuraţia de test tipică pentru încercările realizate în laborator, echipament aşezat pe masă, conform standardelor SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2. În acest caz, pe planul de masă de referinţă este aşezată o masă de lemn, înaltă de 0,8 m. Un plan de cuplaj orizontal (PCH) de 1,6 m x 0,8 m şi un plan de cuplaj vertical (PCV) de 0,5 m x 0,5 m sunt amplasate pe masă. Dispozitivul testat (EUT) şi cablurile trebuie izolate faţă de planul de cuplaj printr-un suport izolant cu grosimea de 0,5 mm.

Figura 2. Configuraţie de test pentru echipamente aşezate pe masă,
încercări în laborator

Un exemplu tipic de amplasament de încercare pentru echipamente aşezate pe podea, încercări de laborator, este prezentat în figura 3. În acest caz, EUT şi cablurile trebuie izolate de planul de masă de referinţă printr-un suport izolant de grosime 0,1 mm. Un plan de cuplaj vertical de 0,5 m x 0,5 m trebuie utilizat pentru aplicarea descărcării indirecte.

Pentru obţinerea unor rezultate reproductibile, este util ca amplasamentul de încercare să fie realizat încă o dată. De asemenea, o importanţă deosebită prezintă cablul de întoarcere a curentului de descărcare al generatorului DES. Acesta trebuie să fie perfect întins, nicidecum ondulat sau contorsionat, pentru a asigura forma de undă corectă a curentului injectat.

Figura 3. Exemplu de amplasament de încercare pentru echipamente

aşezate pe podea, încercări în laborator

            Figura 4 reprezintă forma de undă tipică a impulsului de curent de ieşire al generatorului DES, aşa cum se specifică în Figura 3 a standardului IEC 61000-4-2 Ed. 1.2. Aceasta formă de undă este verificată doar pentru descărcările prin contact, nu şi pentru cele prin aer. Problema a fost discutată în Ediţia a 2-a, dar, aşa cum s-a subliniat anterior, aceasta a fost respinsă. Propunerea de proiect ANSI C63.16 vizează şi caracteristicile impulsului de descărcare prin aer.

Figura 4.  Formă de undă tipică a impulsului de curent de ieşire al generatorului DES

            În scopul comparării rezultatelor încercărilor efectuate cu diferite generatoare DES, parametrii formei de undă care trebuie verificaţi sunt: primul vârf al curentului de descărcare, timpul de creştere (de la 10 % la 90 % din valoarea primului vârf), valoarea curentului la 30 ns şi valoarea curentului la 60 ns. Aceste valori, specificate  în SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2, sunt date în tabelul următor:

Tabelul 1. Parametrii formei de undă curentului pentru descărcarea prin contact

Figura 5. Exemplu de sistem pentru verificarea performanţelor
 generatorului DES (SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2)

            Standardul SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2 furnizează şi un exemplu de sistem (montaj, instalaţie) pentru verificarea performanţelor generatorului DES (figura 5). Pentru verificare, capul electrodului de descărcare al generatorului DES trebuie pus în contact direct cu traductorul de curent, iar generatorul trebuie să funcţioneze, evident, în modul de descărcare prin contact. Conform aceluiaşi standard, aparatura de măsurare trebuie să prezinte o lăţime de bandă de 1 GHz, pentru a măsura corect atât timpul de creştere cât şi amplitudinea primului vârf al curentului.

            O implementare practică  a exemplului de mai sus este prezentată în figura 6. Sistemul este utilizat de firma Schaffner EMC, unul dintre cei mai importanţi producători de echipamente EMC la nivel mondial, în laboratoarele sale din Elveţia.

Figura 6. Sistem pentru măsurarea curentului de descărcare, Schaffner EMC Inc.
 

6. Abordare asupra verificării formei de undă a curentului de descărcare

            Anterior au fost prezentate condiţiile obligatorii pe care trebuie să le îndeplinească forma de undă a curentului de descărcare în vederea realizării unor încercări de imunitate la DES cât mai precise.

În standardul iniţial, motivul principal de utilizare a cuştii Faraday se datora faptului că osciloscoapele analogice erau, în general, susceptibile la perturbaţiile importante produse de generatoarele DES. Astăzi, chiar dacă osciloscoapele moderne, digitale, prezintă  o imunitate mult mai mare la perturbaţii, iar cuşca Faraday nu ar mai reprezenta o condiţie esenţială pentru realizarea testelor DES, utilizarea ei nu afectează cu nimic sistemul, ci, dimpotrivă, garantează faptul că acesta nu va fi afectat.

Figura 7 prezintă schema bloc a sistemului pentru verificarea formei de undă DES care va fi implementat în cadrul laboratorului. SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2 recomandă utilizarea unui osciloscop cu lăţimea de bandă de 1 GHz şi a unei ţinte cu o lăţime de bandă mai mare de 1 GHz, detaliile constructive ale  acesteia fiind date în anexa B, informativă, a standardului amintit.

Pentru măsurarea mai precisă a timpului de creştere, se va achiziţiona un osciloscop Tektronix DPO7254, cu 4 canale, care prezintă o lăţime de bandă de 2,5 GHz şi o frecvenţă de eşantionare de 40 GSa/s.

Figura 7. Schema bloc a sistemului pentru verificarea formei de undă DES

            Generatorul este de tip ESD 30C/P30C, realizat de firma EM Test, care permite realizarea de descărcări prin aer şi prin contact, la nivele de tensiune cuprinse între 500 V şi 25 kV, cu rezoluţia de 100 V, în conformitate cu SR EN 61000-4-2 / IEC 61000-4-2. Acesta prevede nivele de încercare maxime de 8 kV pentru descărcarea prin contact, respectiv 15 kV pentru descărcarea prin aer.

            Traductorul de curent este de tip CTR-2, realizat de aceeaşi firmă, care prezintă pierderi prin inserţie de ±0,3 dB până la frecvenţa de 1 GHz şi de ±1 dB până la frecvenţa de 4 GHz. Conform recomandărilor producătorului, montarea ţintei se va realiza într-o placă metalică de cel puţin 1,2 m x 1,2 m.

            Întrucât conectorul de ieşire al ţintei CTR-2 este de tip SMA, pentru conectarea la osciloscop se poate utiliza un atenuator 2 W / 20 dB şi un cablu coaxial cu lungimea de 1m, ambele de producţie Huber & Suhner, care prezintă conectori de acelaşi tip.

            O soluţie alternativă constă în utilizarea unui simulator DES de tip ESS 2000, programabil GPIB, şi a unei ţinte de calibrare model 06-00001A, producţie Noise Laboratory, care oferă performanţe similare.

7. Lista sintetică a echipamentelor care vor fi achiziţionate pentru dotarea laboratorului

            Infrastructura existentă in catedra noastră, concentrată în laboratorul existent de CEM şi DES, asigură o parte importantă din resursele necesare realizării proiectului - laborator de sine stătător (sală), la care se adaugă altă aparatură electronică specifică, achiziţionată de la firme specializate sau realizată prin autodotare.

Achiziţiile de echipamente prevăzute în etapa a II-a vizează extinderea lăţimii de bandă a lanţului de măsură la peste 2 GHz  (timpul de creştere al impulsului de descărcare este de 0,7 ns), alături de înlocuirea unor echipamentelor realizate prin autodotare, care nu garantează respectarea condiţiilor din SR EN 61000-4-2.

Principalele echipamente propuse spre achiziţionare, însoţite de caracteristicile de bază ale acestora, sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2. Lista echipamentelor propuse spre achiziţionare

8. Diseminarea rezultatelor obţinute în faza I a proiectului LIDES

Faza I a proiectului „Laborator pentru încercări de imunitate la descărcări electrostatice – LIDES” este una preparatorie, în urma acesteia definitivându-se lista echipamentelor, a documentaţiei şi literaturii de specialitate necesare, precum şi fluxul tehnologic în laboratorul de încercări, rezultând astfel metodologia de încercare ce va fi aplicată.

            Principalele rezultate obţinute, având caracter de noutate, au fost publicate integral sau parţial în următoarele lucrări ştiinţifice:

1. Al. Sălceanu, V.David şi M.Creţu, Upon the influence of ESD gun on the repetability of immunity tests, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1081-1084, ISSN 1223-8139;
2. Al. Sălceanu, E. Luncă, Oana Neacşu, Meeting the recent requests originated bz incoming edition of EN 61000-4-2, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1075-1080, ISSN 1223-8139;
3. Al. Sălceanu, M. Păuleţ şi E. Luncă, Statistical methotd in establishing the ESD manufacturing margin, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1085-1088, ISSN 1223-8139;
4. E. Luncă, Al. Sălceanu, V. David şi M. Creţu, RF Digital Power Meter, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1031-1036, ISSN 1223-8139;
5. E. Luncă, C. Donciu, Al. Sălceanu şi V. David, Testing and monitoring systems based on virtual instrumentation, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1037-1042, ISSN 1223-8139;
6. Oana Neacşu, M. Creţu şi Al. Sălceanu, General aspects on electromagnetic pollution of the enviroment, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 852-857, ISSN 1223-8139;
7. M.V. Păuleţ, M. Creţu şi Al. Sălceanu, Application for measurements distribution, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1053-1058, ISSN 1223-8139;
8. M.V. Păuleţ,  M. Creţu şi V. David, Data acquisition system, Buletinul Institutului Politehnic Iaşi, Tomul LII (LVI), Fasc. 5, 2006, pag. 1059-1064, ISSN 1223-8139.