Характеристики помех и причины их возникновения

Введение

Надежность и достоверность работы ЭС зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭС зависят как сроки разработки, изготовления и наладки РЭС, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

Не всегда конструктор может решить задачу помехозащищенности, иногда это просто невозможно. Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в том случае, когда разработки электрических схем и конструкций элементов, и узлов неразрывно связаны. Например, узлы, собранные согласно схеме электрической принципиальной и разложенные на столе могут не работать, будучи уложенными в корпус.

При этом разработчики электрических схем должны обладать необходимым минимумом знаний по вопросам конструирования, а конструктора правильно разбираться в функциональном назначении и принципах работы тех или иных элементов и устройств.

Индуктивный характер сигнальной связи.

Рис.6. Эквивалентная схема индуктивной "короткой" связи

Индуктивный характер связи проявляется в сильноточных и низкопотенциальных цепях.

	(2)

где τ - так наз. постоянная времени цепи.

Рис.7. Временная диаграмма при индуктивном характере "короткой" линии связи

В общем случае время задержки

(3)

где U_п - пороговое напряжение элемента.

По этой формуле удобно считать время задержки для любых пороговых напряжений. Из анализа этой формулы вытекает, что снижение уровня порога срабатывания элемента приводит к увеличению быстродействия. Однако нельзя забывать об ухудшении помехоустойчивости.

Рекомендации при конструировании линии преимущественно с индуктивным характером:

- увеличивать сечение проводника;

- распределить ток по нескольким проводникам;

- использовать встречное течение тока, разбитого по нескольким проводникам;

- располагать проводник как можно дальше от массивных металлических предметов;

- уменьшать длину проводника;

- увеличивать входное сопротивление элементов на конце линии.

Распараллеливание элементов

Рис.14. Полное распараллеливание элементов

Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания возможно несколькими путями, в том числе и распараллеливанием. Этот метод заключается в установке дополнительных перемычек в шинах питания и “ корпус ”, которые уменьшают длину общих участков протекания токов элементов.

На рисунках 12,13,14 представлены три варианта соединения элементов шиной питания и “ корпус ”.

В первом варианте (12) переключение элемента, например Э₆ (изменение тока потребления схемы), приводит к возникновению паразитной наводки в остальных семи элементах по шине питания и “ корпус ”.

Во втором варианте (13) эта помеха в худшем случае воздействует только на три элемента.

В третьем варианте (14) помеха еще более уменьшается за счет введения дополнительных перемычек (распараллеливания).

Указанный метод с одной стороны уменьшает длину общих участков протекания токов, с другой - по трудоемкости и материалоемкости приближается к радиальному способу разводки.

Распределение токов

Указанный метод несколько похож на предыдущий, поскольку в обоих методах уменьшаются сопротивления цепей питания и сокращаются участки с общими токами элементов. Однако конструктивная реализация разная.

Метод распределения токов основан на использовании электропроводящего листа в качестве "земли". Использование металлического листа в качестве “земли” позволяет использовать несущие конструкции в качестве шины питания. Тем более, что ввиду достаточной толщины у таких шин питания малое омическое сопротивление и распределение токов более равномерное. Этот метод рекомендуется для элементов второго уровня конструктивной иерархии (субблоков, блоков, панелей) и заключается в установке в эти конструктивные элементы сравнительно толстого металлического листа, к которому припаивают обратные провода от всех закрепленных ячеек или модулей.

Этот прием применим в случае использования многослойных печатных плат для сверхбыстродействующих устройств. В таких платах отдельные слои изготовляют с максимально большой площадью металла и применяют их в качестве шин питания (эти слои следует размещать внутри многослойной платы). При использовании сплошных металлических слоев значительно уменьшаются собственное индуктивное сопротивление шин питания, общие участки протекания токов различных элементов и увеличивается взаимная емкость между шинами питания.

Экранирование

Экранирование направлено на обеспечение ЭМС источника и рецептора помех. Приемы экранирования рецептора зависят от их чувствительности к тем или иным полям.

1. Поле от источника с высоким волновым сопротивлением. Для них эквивалентная схема или модель может быть представлена в виде штыря (антенна-штырь). В окрестностях этого штыря формируются относительно интенсивное электрическое поле (ЭП) и слабое магнитное поле (МП).

Как известно, Z = Uп / Iп . Поскольку электрическое поле вызывает напряжение, а магнитное вызывает ток, получается, что большое ЭП и малое МП обеспечивают высокое волновое сопротивление Z (Z = Е / Н).

2. Поле от источника с малым волновым сопротивлением. Модель может быть представлена в виде токовой петли. При этом возникает интенсивное магнитное и слабое электрическое поля. Модели указанных источников помех представлены на рисунке 15.

Рассмотрим поведение указанных полей от расстояния (рисунок 16). Возможны различные расстояния от источника до рецептора помех, начиная от сотен километров (грозовой разряд, мощный передатчик) и заканчивая долями метра, если рассматривать пространство внутри аппарата.

Для первого типа источников (с высоким волновым сопротивлением) основная составляющая – электрическая – убывает пропорционально 1 / r3. Дополнительная – магнитная – пропорционально 1 / r2. Для источников второго типа (с низким волновым сопротивлением) ситуация обратная. Магнитная составляющая убывает пропорционально 1 / r3, а электрическая – пропорционально 1 / r2. В конце концов волновое сопротивление Z становится равным 377 Ом, т.е. волновому сопротивлению свободного пространства.

Отсюда выделяются две зоны действия источников и, соответственно, способы экранирования.

1. Ближняя зона. Здесь преимущественно действует механизм эмиссии с достаточно четким разделением на магнитную и электрическую составляющие.

2. Дальняя зона – зона действия плоской электромагнитной волны (Т-волны).

Таким образом, при анализе экранирования необходимо разделять задачи локализации электрического, магнитного и электромагнитного полей.

Электростатическое экранирование в ближней зоне. Электрическое и магнитное поля рассматриваем как квазистатические. Выводы, полученные для статического случая, не противоречат выводам в некотором диапазоне частот.

Рис. 18. Экранирование источника Рис. 19. Экранирование рецептора

В электрическом поле в экране индуцируются заряды. При заземлении экрана заряды стекают и нейтрализуются. При отсутствии заземления экран может быть переизлучателем поля источника (примером являются переизлучающие пассивные телевизионные антенны в городских условиях, рисунок 17).

Эффективность экранирования от расстояния до экрана поясняется рисунком 18 и 19. Экран необходимо устанавливать как можно ближе к источнику. Тогда эффективность экранирования максимальна, так как емкость С₁ получается максимальной, а сопротивление R₁ минимальным. В конструкциях ЭС эта рекомендация может быть выполнена, когда источник находится в пределах устройства. Когда же источник находится вне пределов досягаемости или невозможно экранировать источник, экранируют рецептор.

Эффективность экрана зависит в значительной мере от материала экрана, конструкции экрана и узла заземления. Основное требование к материалу экрана – максимальная проводимость. Этому требованию лучше всего удовлетворяют медь и медные сплавы, серебро и алюминий. Особых требований к толщине материала не предъявляется, однако необходимо помнить, что с увеличением толщины увеличивается проводимость экрана и, следовательно, увеличивается скорость стекания заряда. Узел заземления также должен обладать минимальным сопротивлением. При заземлении прибора приходится использовать разъемные соединения. Наилучшим решением является винтовое соединение, обеспечивающее усилие, достаточное для минимального сопротивления. Конструкция экрана не должна содержать щелей, отверстий, мест стыка и тому подобных неоднородностей, ориентировка которых препятствует протеканию тока в цепях заземления (рисунок 20, вариант исполнения 1). Если необходимо выполнить отверстия или жалюзи, например, для охлаждения или регулировки, то они должны быть расположены вдоль линий токов (рисунок 5, вариант исполнения 2).

Рис.20. Варианты исполнения отверстий в экране (корпусе): 1 - неправильно, 2 - правильно

При использовании пластмассовых корпусов приборов можно применять композиционные материалы (пластмасса с металлическим наполнителем) или наносить на поверхность слои металла (напылением, окраской, оклейкой фольгой и т.п.).

Магнитостатическое экранирование. Механизм работы магнитостатического экрана заключается в шунтировании силовых линий магнитного поля (рисунок 21 и 22).

Рис. 21. Экранирование источника Рис. 22. Экранирование рецептора

Установка экрана производится по возможности вблизи источника. Очевидно, что для обеспечения эффективной работы заземлять магнитный экран не надо. Эффективность экранирования прямо пропорциональна магнитной проницаемости μ и толщине экрана t.

Следует применять материалы, имеющие максимальную магнитную проницаемость μ. Это стали, различные пермаллои и соответствующие магнитные сплавы с высоким значением μ.

Требования к конструкции экрана такие же, как и к конструкции электростатического экрана, и неоднородности не должны препятствовать силовым линиям магнитного поля.

Электромагнитное экранирование. Рассмотрим работу экрана при падении на него плоской электромагнитной волны.

Эффективность экранирования

S = 20 lg (E₁ / E₂), дБ. (8)

Коэффициент экранирования

S = 20 lg (1 / K_экр ). (9)

где K_экр = Е₂ / Е₁;

Для расчета эффективности через параметры экрана существует формула:

S = R + P + B, дБ, (10)

где R – составляющая, определяющая отражение от границы раздела при входе волны в экран;

P – определяет эффективность экранирования за счет поглощения электромагнитной волны в толще экрана;

B – характеризует потери за счет многократных отражений в толще экрана.

Наблюдается три среды, например, воздух, металл и снова воздух. По сути, имеем структуру диэлектрик-металл-диэлектрик.

Волновое сопротивление среды

. (11)

Для металла выражение будет иметь вид:

. (12)

Для диэлектрика

. (13)

Знак ± описывает падающую и отраженную волны. В нашем случае, для воздуха:

Одна из возможных моделей для анализа экрана – это модель длинной линии. Коэффициент прохождения электромагнитной волны через экран:

K_пр = 1 – K_отр .

Суммарный коэффициент прохождения через экран

К_Σпр = K_1пр K_2пр ;

. (14)

При этом потери отражения оцениваются следующим образом:

R = 20 lg (1 / K_Σпр ). (15)

Для металлического экрана Z₁ >> Z_{2 ,} отсюда

K_Σпр = 4 Z₂ / Z₁. (16)

Потери на поглощение экраном электромагнитной энергии зависят от величины скин-слоя, который в свою очередь зависит от частоты и толщины экрана. Эффективность электромагнитного экрана сильно зависит от частоты. Наилучший эффект достигается, когда толщина экрана не менее диаметра вихревого тока, а материал обладает высокой проводимостью.

, (17)

, дБ, (18)

где δ - величина скин-слоя;

σ - проводимость;

t – толщина экрана.

Рис. 23. Зависимость суммарной потери от частоты

Величина B на практике мала в виду малой толщины экрана и составляет порядка 2…3 дБ.

Таким образом суммарные потери

S = R + P. (19)

В точке А эффективность электромагнитного экранирования минимальна.

Для электрических составляющих в целом справедливы ранее указанные правила, но добавляется эффект отражения электрического поля.

Для магнитной составляющей основной вклад вносят потери на поглощение, и с повышением частоты в большей степени проявляется эффект вытеснения магнитного поля. Это происходит за счет генерации вихревых токов в экране, поле которых и вытесняет падающую электромагнитную волну.

Рис. 24. Выполнение отверстий в электромагнитном экране

Необходимость отверстий в экране представляет собой значительную проблему, поскольку эффективность экранирования резко падает. Наиболее часто применяют специальную конструкцию отверстия, которое называют "запредельным волноводом". Подобные отверстия можно выполнить путем вытягивания металла или вставкой втулок. При этом образуется волновод с определенной частотой среза. Частота среза для волновода круглого сечения

, Гц. (20)

Эффективность такого волновода можно оценить по формуле

S_в = 32· l/d , ДБ. (21)

Итак, мы выяснили, что расчет эффективности экранирования некоторой области внутри структурного образования ЭС зависит от характера электромагнитного поля. Вблизи источника излучения (при расстояниях менее 5λ) поле не сформировано и может преобладать либо магнитная, либо электрическая составляющие поля. В этом случае расчет экранирования сводится к определению ослабления электрической, либо магнитной составляющей поля. В дальней зоне (при расстояниях более 5λ) поле сформировано, и задача экранирования решается относительно электромагнитного поля.

Список литературы

1. Нистюк А.И. Этапы разработки электронных средств и конструкторская документация : Учеб.-метод. пособие / А.И. Нистюк, С.В. Клишин.- Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2008.- 36 с.

2. Экранирование в конструкциях РЭС : Метод. указ. / Н.А. Кольтюков, О.А. Белоусов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн.ун-та, 2007. – 16 с.

3. Уилльямс Т. ЭМС для систем и установок / Т. Уилльямс, К. Армстронг ; пер. с англ. – М. : Издательский Дом "Технологии", 2004. – 508 с.

4. Кечиев Л.Н. Электромагнитная совместимость и информационная безопасность в системах телекоммуникаций / Л.Н.Кечиев, П.В. Степанов. – М. : Издательский Дом "Технологии", 2005. – 320 с.

5. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А.М. Медведев. – М. : Техносфера, 2005. – 304 с.

Введение

Надежность и достоверность работы ЭС зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭС зависят как сроки разработки, изготовления и наладки РЭС, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

Не всегда конструктор может решить задачу помехозащищенности, иногда это просто невозможно. Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в том случае, когда разработки электрических схем и конструкций элементов, и узлов неразрывно связаны. Например, узлы, собранные согласно схеме электрической принципиальной и разложенные на столе могут не работать, будучи уложенными в корпус.

При этом разработчики электрических схем должны обладать необходимым минимумом знаний по вопросам конструирования, а конструктора правильно разбираться в функциональном назначении и принципах работы тех или иных элементов и устройств.

Характеристики помех и причины их возникновения

ЭМС – это способность аппаратуры функционировать согласно требованиям ТУ одновременно с другими устройствами в реальной электромагнитной обстановке и не создавать при этом недопустимых помех другим потенциальным рецепторам.

Рецептор – электронное средство, которое находится под воздействием электромагнитных помех. Особой чувствительностью обладают входные цепи усилительных устройств, маломощные элементы и узлы на их основе. Рецептором может выступать практически любой элемент конструкции, начиная от корпуса изделия и заканчивая выводами микросхемы, которые обладают минимальным антенным эффектом.

Рис. 1. Воздействие источника помех на рецептор посредством электромагнитных волн

Помехой является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению информации во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи.

Источники помех более разнообразны, поскольку они бывают естественного и искусственного происхождения, внешними и внутренними.

Основными источниками естественного происхождения являются атмосферные шумы, грозовые разряды, землетрясения.

Источниками электромагнитных помех искусственного происхождения являются мощные передатчики – радио-, TV-, локационные, навигационные и т.п. станции, рентгеновские установки, линии электропередач. Вышеперечисленные источники являются внешними.

Внутри устройства источниками помех, как правило, являются элементы с выраженной индуктивностью, сильнотоковые цепи и цепи с высоким напряжением. Это такие изделия как трансформаторы, дроссели, генераторы, усилители, узлы и блоки, работающие на высоких частотах или в ключевом режиме.

Так как информационные сигналы в ЭС имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Хотя возможно модулирование сигнала акустическими шумами или вибрацией при наличии подвижных элементов конструкции. Борьба с помехами приобретает все большую актуальность по следующим причинам:

1. С целью снижения энергопотребления у информационных сигналов уменьшают энергетический уровень (что приводит к малым напряжениям и токам, снижению перепада напряжений в цифровых устройствах).

2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за увеличения плотности их размещения.

3. Возрастание уровня помех из-за усложнения системы (числа элементов, числа и длины связей).

4. Возрастание уровня и разнообразия помех из-за увеличения числа источников помех (применение ЭС во всех сферах человеческой деятельности).

5. Увеличение энергетического уровня помех, в частности из-за увеличения общей мощности устройств (возрастание энерговооруженности).

Помехи могут быть классифицированы по характеру проявления, по виду связи и пути распространения (Рис. 2).

Помехи по характеру проявления		Помехи по виду связи		Помехи по пути распространения
Сигнал не отличается от помехи. Система не срабатывает		Электромагнитная связь		Линии связи
Помеха принимается системой как полезный сигнал. Ложное срабатывание		Индуктивная связь		Эфир (эмиссия помехи)
Электропитание нестабильно. Элементы не могут обеспечить требуемые уровени сигнала. Сбой системы.		Емкостная связь		Цепи электропитания
Нарушение синхронизации. Сбой системы.		Гальваническая связь		Цепи заземлений
Рис.2. Классификация помех	Цепи синхронизации

Степень влияния каждого из перечисленных факторов на искажение сигналов зависит от совокупности характеристик линий связи, используемой элементной базы и сигналов.

Рассмотрим модель линии связи, в которой отображены электрические параметры, влияющие на уровень помех (рисунок 4).

К этим параметрам относятся

L i - индуктивность линии, Гн;

C i- емкость линии, Ф;

R i - сопротивление линии,

M i j - взаимная индуктивность соседних линий, Гн;

C i j - взаимная емкость соседних линий, Ф;

G i j - проводимость изоляции между соседними линиями, См.

Допустим , что омическое сопротивление линии связи мало, проводимость изоляции между линиями связи также очень мала (10^-10 - 10^-6 См/ м). На рисунке 4 эти элементы зачеркнуты.

Электрические связи принято делить по критерию отношения длительности фронта передаваемого импульса к времени распространения сигнала по линии. На рисунке 5 представлено соотношение длительности переднего фронта импульса и времени прохождения сигнала по линии.

Отсюда линии связи можно разделить на:

1. Электрически «короткие» (t₂>>t₁).

2. Электрически «длинные» (t₂<<t₃).

Электрически «короткой» называют линию связи, время распространения сигнала в которой много меньше длительности переднего (заднего) фронта передаваемого по линии импульса.

То есть сигнал на входе линии и на ее выходе изменяется практически одновременно. Модель такой линии можно описать сосредоточенными сопротивлениями, емкостью и индуктивностью.

Электрически «длинная» линия связи характеризуется временем распространения сигнала, много большим длительности фронта импульса.

В такой линии сигнал, отраженный от конца линии, приходит к ее началу после окончания фронта импульса. При расчете такие линии следует рассматривать как линии с распределенными параметрами.

В пределах ячеек и модулей связи, как правило, электрически «короткие». Соединения блоков, стоек, шкафов в основном относятся к электрически «длинным».

Ниже приводится анализ искажений, вносимых тем или иным параметром линий связи в процессы передачи импульсов.

3. Помехи при соединении элементов схемы "короткими" связями

Поскольку по линиям протекают токи, а проводники находятся под разными потенциалами, то каждая линия обладает паразитной индуктивностью и емкостью, паразитную связь между двумя линиями можно рассматривать как связь через взаимную емкость и взаимоиндуктивность.

Ранее давалось определение "короткой" линии, из которого вытекает, что в этой модели могут быть использованы элементы с сосредоточенными параметрами. В зависимости от геометрических размеров линий, диэлектрических свойств изоляционных материалов, тот или иной параметр линии оказывает большее воздействие на процессы передачи сигнала, чем все остальные. Исходя из предположения преобладания того или иного параметра, рассмотрим влияние каждого из них в отдельности на передачу сигналов.