Een effectief ontwerp en methodes om de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van een led display te verbeteren

Mensen maken zich steeds meer zorgen om hun gezondheid  en de veiligheid. Bij professionele indoor led displaytoepassingen betekent dit dat er hoge eisen worden gesteld aan de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van een led display. Een goed EMC-ontwerp en certificering worden steeds belangrijker voor een led display. Voor de industrie is dit iets dat zonder aarzeling moet worden opgepakt.
Zoals bekend, is een led (light emitting diode) een laagspanning halfgeleider dat wordt gebruikt als lichtbron. Bij toepassingen buitenshuis met voorheen de A-DC displays vond conversie en transmissie ver van het publiek plaats. Led’s met hun hoge dichtheid worden echter geleidelijk aan ook meer binnen toegepast, zodat we acht moeten slaan op het proces van elektromagnetische straling in een beperkte ruimte.
Om de EMC van een led display verder te bestuderen hebben we een P2.5 display module van een fabrikant van led displays genomen voor testen, analyse en om een het meest effectieve EMC-ontwerp van een led-display en methodes om de EMC te verbeteren te vinden.
Aan de hand van standaarden van de IEC (International Electrotechnical Commission) en CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques - International Special Committee on Radio Interference) zijn de elektromagnetische interferentie (EMI) en de elektromagnetische gevoeligheid (EMS) van de module onderzocht. Het betrof de volgende testen:


         Teststandaard                                                                                                                                                   Testresultaat heeft betrekking op:
1    EN55022: 2010 + AC: 2011 / CISPR22 (2008-09), EN61000-6-3: 2007 / A1: 2011 / AC: 2012           geleide interferentie
2    EN55022: 2010 + AC: 2011 / CISPR22 (2008-09), EN61000-6-3: 2007 / A1: 2011 / AC: 2012           emissie-interferentie
3    EN61000-3-2: 2006 / A2: 2009                                                                                                                          harmonische interferentie
4    EN61000-3-3: 2013                                                                                                                                              spanningswisselingen, flikkerende interferentie
5    EN 61000-4-2: 2009                                                                                                                                             bescherming tegen elektrostatische ontlading
6    EN 61000-4-3: 2006 + A2: 2010                                                                                                                         bescherming tegen RF elektromagnetisch veld
7    EN 61000-4-4: 2004 + A1: 2010                                                                                                                         kortstondige puls bescherming
8    EN 61000-4-5: 2006                                                                                                                                              overspanningsbescherming
9    EN 61000-4-6: 2009                                                                                                                                              bescherming tegen geleide interferentie
10    EN 61000-4-8: 2010                                                                                                                                            stroomfrequentie magnetisch veld bescherming

Daar het led display zelf een geavanceerde wisselstroomvoeding gebruikt, met kortstondige spanningsonderdrukking, met zijn eigen specificaties van onder meer de bedrading, kunnen uit de tests aanvullende gegevens worden verkregen van de punten die moeten worden opgelost voor de EMC-certificering van led displayproducten.
Uit de meetgegevens kwam naar voren dat de wisselstroom van de voeding, controlekaart en interne signaaloverdracht van de het led-display verschillende mate van elektromagnetische straling hebben.
Bij een led display wordt door aanpassing van de parameters van de pulsstroom door de led hoge grijswaarden bereikt en de verversingssnelheid aangepast. Hoe hoger de verversingssnelheid van een display, hoe hoger ook de signaalfrequentie van de systeemkaart. Hoe sterker ook de stralingsinterferentie als onvermijdelijk gevolg van hoogkwalitatieve displaytoepassingen. Maar ook is het display de belangrijkste bron van elektromagnetische storingen.
De diverse kabels, voor signaalinput en -output, in- en uitgaande voedingskabels en de controlekaart genereren elektromagnetische straling. Dit soort straling, die ook naar buiten kan treden, wordt vaak al makkelijk over het hoofd gezien, maar vormt een belangrijk deel van de stralingsemissie van het systeem. De volgende maatregelen, die ook zijn getest, kunnen worden genomen.


1. Afscherming

Door testen is duidelijk geworden dat de focus voor correcte gericht moet zijn op de plattekabelverbinding tussen de module en de adapterplaat van het systeem. Door eerst de magnetische ring te vergroten werd op de piek een zekere remming waargenomen, maar het effect was niet duidelijk.
 EMC tabel led scherm

EMC tabel led display


 
2. Filter

Uit testen met de VH2 voeding van de module met uitbreiding van het aantal 3300 µF elektrolytische condensatoren werd een duidelijk afname van de straling waargenomen, met name in de range van 30MHz tot 1000MHz. Hoe groter de capaciteit hoe beter de onderdrukking van pieken en hoe vlakker de curve. Natuurlijk moet de keuze voor een bepaalde capaciteit wel overeenstemmen met de eisen van het systeem.

3. Afscherming van de schakelingen

Als de transferplaat van de oorspronkelijke tweelaags printplaat wordt uitgebreid naar vierlaags, d.w.z. een laag boven en onder, kan dit de straling van de circuitschakeling afschermen.
Wanneer ook nog de tweelaags plaat waarop de leds zijn gerangschikt wordt toegevoegd, waardoor de vierlaags printplaat uitgebreid wordt naar zes lagen, dan kan straling nog beter worden voorkomen. Als randen van de platen ook nog zijn bedekt met koperfolie en de metalen doos dusdanig is dichtgeschroefd dat een goede afscherming wordt gerealiseerd, dan kan het signaal goed worden afgeschermd.
 
4. Vermindering van de voedingsspanning

Door geleiding en straling zijn veranderingen in de spanning (dV/dt) en stroomsterkte (dI/dt) proportioneel, dus hoe hoger de spanning, geleiding en straling, hoe hoger de waarde. Een test met een spanning van 4,6 V, en vervolgens een aanpassing naar 4,2 V laat in de pieken een zekere verbetering zien.


 
5. Optimalisering van het product

Wat betreft de straling en de diafragmagrootte: als de afstand tot de opening groter is dan de diameter van de opening, dan kan de afscherming aanzienlijk verbeteren. Dus door de afstand van de achterkant aan te passen kan de afscherming verbeterd worden.


6. Betere technologie

De oorspronkelijke afscherming aan de achterkant bestond uit plastic delen. Door een verbeterde coating en het gebruik van geleidende zilver-koperen verf en schroeven en doos, werd de gemeten sproeiweerstand niet groter dan 20 Ohm. Dit leverde ook een betere bescherming tegen straling op.


7. Multiplier

Het GCLCK-signaal van het led-display heeft invloed op de verversingssnelheid van het display. De waarde van dit signaal kan aangepast worden om dit te verlagen. Echter uit experimenten bleek dat het multipliereffect klein was en geen wenselijke verbetering opleverde.


Tot slot

Door de hierboven genoemde cyclus van herhaald testen, verbetering, opnieuw testen, kwam de testverzameling uiteindelijk door de stralingstest. De inspanningen om een en ander te verbereren waren erg succesvol en leverde ook een referentiemethode op voor aanpassing van de EMC van andere led-displays.
Door de lengte van de platte kabel te verbeteren, de spanning van de voeding te verhogen, de geschikte omvang van de elektrolytische condensatoren, vermindering van de voedingsspanning voor het product zelf, betere afscherming van de printplaten, optimaliseren van het product en toepassing van betere technologieën en andere middelen kunnen veel EMC-problemen worden vermeden en de werklast om verbeteringen aan te brengen worden verminderd en het productontwerp worden verbeterd.