Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов

• Название: Е. М. Виноградов
• Анкор: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 3.78 Mb.
• Имя файла: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Тип: Анализ; #2074
• страница: 6 из 35

4. Технические методы подавления и защиты от помех

1. Экранирование

Экранирование является средством защиты от помех излучения. Оно может быть использовано для снижения уровня помех, поступающих в окружающее пространство от источников помех, или для повышения помехоустойчивости к помехам излучения рецепторов электромагнитных колебаний.

Принцип действия экрана состоит в том, что он нарушает однородность пространства и создает скачок волнового сопротивления на пути распространения электромагнитной волны. Это приводит к отражению и/или поглощению энергии электромагнитной волны.

Электромагнитная волна является композицией двух составляющих – электрического поля Е и магнитного поля Н, векторы которых сдвинуты по фазе во времени и в пространстве на 90.

Функциональные узлы и элементы радиоэлектронных средств, в которых имеются большие токи и малые напряжения, создают в ближней зоне электромагнитные поля, в которых преобладает магнитная составляющая. Функциональные узлы и элементы радиоэлектронных средств, в которых имеются большие напряжения и малые токи, создают в ближней зоне электромагнитные поля с преобладанием электрической составляющей. В дальней зоне преобладание какой-либо составляющей отсутствует и каждая составляющая переносит всю энергию электромагнитной волны.

В ближней зоне волновое сопротивление воздуха электрическому полю обычно большое, особенно на низких частотах, – оно обратно пропорционально расстоянию от источника поля и частоте. Характеристическое сопротивление воздуха магнитному полю в ближней зоне обычно мало – оно прямо пропорционально расстоянию от источника и частоте. В дальней зоне, где электромагнитная волна считается плоской, волновое сопротивление воздуха постоянно и составляет примерно 377 Ом.

Металлические экраны обладают высокой проводимостью и имеют низкое волновое сопротивление. Когда электромагнитная волна падает на экран, то часть электромагнитной волны отражается от границы воздух/металл, где имеет место скачок волнового сопротивления, но часть проникает в материал экрана и распространяется по нему до следующей границы металл/воздух. Здесь также имеет место скачок волнового сопротивления, и часть энергии электромагнитной волны отражается внутрь стенки экрана, а часть проходит наружу за стенку экрана. Электромагнитная волна в материале экрана испытывает многократные отражения от границ металл/воздух, частично переходя эту границу наружу и частично отражаясь внутрь экрана, и достаточно быстро затухает.

П
роцесс прохождения электромагнитной волной металлического экрана изображен на рис. 4.1. При попадании электромагнитной волны на поверхность экрана она вызывает на ней поверхностные токи, а при попадании вглубь материала экрана – вихревые токи. Так как экран обладает конечной проводимостью (имеет ненулевое активное сопротивление), то образующиеся токи теряют энергию на активном сопротивлении экрана, которая выделяется в форме тепла. Это явление известно как скин-эффект. Для характеристики этого эффекта используют такой параметр, как толщина скин-слоя. Для плоской синусоидальной волны амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей в металле убывают по экспоненциальному закону. Учитывая этот факт, за толщину скин-слоя принимают толщину металла, при прохождении которой поле убывает в е раз или примерно на
9 дБ. Толщина скин-слоя зависит от проводимости металла, его магнитной проницаемости и частоты поля. Таким образом, в экране наряду с отражением электромагнитной волны происходит ее поглощение.

Величина отраженного поля зависит от отношения волновых сопротивлений воздуха и материала экрана электромагнитному полю. Поскольку в области ближнего поля волновое сопротивление воздуха электрическому полю большое, а волновое сопротивление экрана низкое, то поле легко отражается очень тонкими металлическими экранами на самых высоких частотах, которые требуется экранировать. Иная ситуация имеет место для магнитного поля в ближней зоне. Так как волновое сопротивление магнитному полю в ближней зоне небольшое, то магнитные поля не испытывают большого отражения. Их экранирование больше зависит от поглощения волны в экране. Потери поглощения прямо пропорциональны толщине экрана и частоте электромагнитного поля. Они наивысшие на высоких частотах и быстро убывают с понижением частоты. Трудность экранирования магнитных полей на низких частотах связана с тем, что на этих частотах малы как потери отражения, так и потери поглощения. Чтобы получить хорошую эффективность экранирования, нужна соответствующая толщина металла.

В дальней зоне хорошая эффективность экранирования зависит как от проводимости экрана, так и от его толщины.

Эффективность экранирования определяется ослаблением электрической или магнитной составляющей поля или ослаблением потока мощности поля. Числовое значение эффективности экранирования выражают в децибелах и получают как отношение напряженностей соответствующих полей или плотностей потока мощности в какой-либо точке пространства при отсутствии и при наличии экрана, т. е. K_Е = 20 lg (Е/Е_э), K_Н = 20 lg (Н/Н_э),
K_П = 10 lg (Е Н/Е_э Н_э) = (K_Е + K_Н)/2, где K_Е, K_Н, K_П – коэффициенты экранирования по электрическому полю, магнитному полю и потоку мощности соответственно, дБ; Е, Н – напряженности электрического и магнитного полей в отсутствие экрана; Е_э, Н_э – напряженности электрического и магнитного полей в той же точке пространства при наличии экрана.

Основными параметрами материала экрана являются его проводимость, магнитная проницаемость и толщина. Медь и алюминий имеют высокую проводимость. Она, например, в пять раз выше проводимости стали. Поэтому эти материалы очень хороши для экранирования электрических полей. Однако их относительная магнитная проницаемость равна 1, т. е. такая же, как у воздуха. Это не магнитные материалы и не подходят для экранирования магнитных полей на низких частотах, так как потребуется экран большой толщины. Типовые марки мягкой стали имеют на низких частотах относительную магнитную проницаемость около 300, которая убывает до 1, когда частота становиться больше 100 кГц. Высокая магнитная проницаемость снижает глубину скин-слоя на низких частотах, что позволяет на этих частотах сделать экран разумной толщины. Например, на частоте 50 Гц в меди толщина скин-слоя составляет 9.4 мм, а в стали 0.74 мм.

Экранирование в широком диапазоне частот может быть выполнено с использованием многослойных экранов. Например, экран из мягкой стали с напыленным на него чистым цинком слоем в 10 или более микрон может быть использован во многих приложениях. Чистый цинк имеет толщину скин-слоя близкую к алюминию.

На частотах выше 10 МГц теоретически легко получить эффективность экранирования более 100 дБ, используя достаточно тонкие экраны. Однако, на практике эффективность экранирования реальных экранов сильно снижается из-за просачивания полей через даже очень маленькие апертуры (щели) в швах, соединениях, дверях экранированных помещений, крышках и т. п., а также в местах проводки кабелей в экран. Контроль апертур и мест прокладки кабелей – ключ к достижению хороших значений эффективности экранирования. На частотах выше 100 кГц это более важно, чем даже тип или толщина материала, из которого сделан экран. Для повышения эффективности экранирования реальных экранов следует, где это возможно, необходимые или неизбежные апертуры делать как можно меньшего размера. Неизбежные длинные апертуры (крышки, двери и т. п.) следует снабжать проводящими прокладками или другими средствами поддержания непрерывности экрана.

При проектировании и выборе материала для корпуса экрана полезно руководствоваться следующими соображениями:

 эффективность экранирования определяется материалом на относительно низких частотах. На высоких частотах эффективность экранирования определяют апертуры экрана: наличие щелей, отверстий входа/выхода в корпусе экрана, пузыри, раковины в материале экрана и т. п.;

 корпуса, содержащие излучатели, должны обладать максимальными потерями поглощения излучаемых полей;

 корпуса, содержащие рецепторы, должны обладать максимальными потерями отражения падающих полей;

 все соединения в корпусе экрана следует рассматривать как нарушение его непрерывности и принимать меры для специальной обработки швов (стыков), чтобы сохранить целостность экранирования.

Различают три уровня экранирования: уровень компонента, уровень подсистемы и уровень системы в целом.

Если помеху создают только некоторые компоненты системы, то наиболее эффективным подходом является экранирование только тех компонентов или областей, которые создают помеху.

При экранировании подсистем и системы в целом могут быть использованы различные материалы – от проводящей окраски или электролитической металлизации контактных поверхностей до металлов. Общей проблемой экранирования на уровне корпуса являются большие отверстия для устройств индикации. Один из вариантов экранирования таких устройств состоит в использовании экранированного окна, выполненного в виде двух полосок из стекла или пластика, между которыми находится тонкая металлическая сетка. Другие решения включают отливку экрана непосредственно внутри листа из стеклопластика или использование стеклопластика с прозрачным проводящим покрытием.

Поскольку наводки между кабелями и проводами являются одним из путей, по которым помехи влияют на качество работы технических средств, то экранирование проводов и кабелей служит способом снижения помех и улучшения ЭМС технических средств. Имеет значение и то, как производится прокладка проводов и кабелей. В частности, рекомендуется:

 использовать провода с экранированием комбинированным экраном;

 соединять экраны проводов и кабелей с корпусом. Кабель, входящий в корпус заземляется на корпус блока снаружи блока, выходящий – изнутри;

 для снижения уровней помех, обусловленных магнитной связью, использовать скрученные пары проводов. Скручивание уменьшает площадь контура, пронизываемого внешним магнитным полем, и, следовательно, уровень наведенных помех. Скручивание приводит также к тому, что магнитные поля, создаваемые токами, текущими по паре проводов, гасят друг друга (токи текут в противоположные стороны). В результате снижается уровень помех, наведенный от этой пары в другие провода;

 разносить в разные жгуты (или кабелепроводы) провода (кабели) источников постоянного и переменного токов, кабели аналоговых сигналов малых уровней, кабели цифровых и высокочастотных сигналов, кабели сверхчувствительных цепей и кабели, подходящие к пиротехническим цепям.

Правильное использование экранирования на этапах разработки, изготовления и размещения РЭС на объектах позволяет существенно улучшить характеристики ЭМС радиоаппаратуры и возможности совместной работы в условиях непреднамеренных помех.

2. Фильтрация

Фильтры используют для борьбы с кондуктивными помехами. Фильтрация помех в каскадах радиоэлектронной аппаратуры препятствует передаче помех в другие узлы и устройства по проводам, соединяющим эти устройства. Фильтры применяют также для подавления симметричных и несимметричных помех в проводах и кабелях между платами и блоками радиоэлектронных и других технических средств и в кабелях между техническими средствами. Наряду с другими методами борьбы с помехами, назначение фильтров состоит в том, чтобы защитить полезные процессы, происходящие в технических средствах. В частности, высококачественные приборы должны быть спроектированы так, чтобы иметь требуемую помехоустойчивость и выдерживать определенные уровни и виды электромагнитных помех, включая помехи на радиочастотах.

По аналогии с экраном, создающим для экранируемого поля скачок волнового сопротивления в пространстве распространения, фильтр работает, создавая скачок сопротивления для помехи, распространяющейся по проводу. Чем больше скачок на какой-либо частоте, тем больше ослабление этой частоты. Основной характеристикой фильтра, определяющей его фильтрующие свойства, является его частотная характеристика, описывающая зависимость ослабления от частоты.

Фильтры применяют, как для локализации помех в местах их возникновения, так и для подавления помех в проводах и кабелях на путях их распространения для повышения помехоустойчивости устройств, обрабатывающих полезные сигналы. Для фильтрации помех могут быть использованы фильтры, состоящие из одного элемента: резистора (с сопротивлением R), конденсатора (емкостью С) или катушки индуктивности (с индуктивностью L),  или более сложные фильтры, образованные из комбинаций перечисленных элементов. К ним относятся RC и LC фильтры, Т и П-образные фильтры, составленные из элементов Lи C (рис. 4.2), и другие более сложные конструкции.

В цифровых устройствах, реализуемых на печатных платах, на образование электромагнитной помехи от токов переходных процессов на уровне кристалла влияют частота тактовых импульсов, их форма, скважность и технология изготовления интегральной схемы (кристалла). Переходный процесс в цифровых устройствах характеризуется выбросами токов и напряжений, в том числе и в шинах питания. Время нарастания и спада фронтов импульсов и продолжительность переходного процесса зависят от широкополосности используемых логических элементов, которая во многом определяется технологией их изготовления. Для подавления электромагнитных помех стремятся использовать по возможности более простые фильтры, если они обеспечивают требуемое значение подавления помехи. Обычный подход к снижению переходных токов в цифровых устройствах состоит в том, что для интегральной схемы используется развязывающая емкость, подключаемая между шиной, подводящей питание к схеме, и землей.

Ч
асто один конденсатор не может дать желаемой рабочей характеристики в нужной полосе частот. Значительного улучшения характеристики подавления помех можно достичь, используя совместно с конденсатором индуктивность. Удобным способом получения нужного значения индуктивности является применение ферритового сердечника. Существуют разнообразные формы ферритов, использование которых определяется требуемой рабочей характеристикой. К типовым конструкциям принадлежат ферритовые шайбы, монтируемые на поверхности проводов, шайбы для печатных плат, которые могут быть использованы также для фильтрации вход/выход, и некоторые другие.

Использование феррита для каждой микросхемы нерационально, поскольку ферриты могут пропускать больший ток, чем потребляет одна микросхема. Более рациональным представляется подход, при котором плата разбивается на зоны. Один феррит может обеспечить фильтрацию питания нескольких микросхем в одной зоне. Разбиение на зоны дает возможность сделать фильтрацию более эффективной: у каждой микросхемы могут быть использованы более маленькие развязывающие емкости, а на входе питания в зону феррит может соединяться с большей емкостью.

Нет ни одного феррита, который подошел бы к любой ситуации. Выбор зависит от требований зоны, включая ширину полосы частот, которая определяется значениями основной и дополнительных емкостей и значением индуктивности. В настоящее время используются несколько вариантов ферритов, некоторые из которых представлены на рис. 4.3 [74]:

а) ферритовая шайба с одним отверстием, надеваемая на провод. Это самая простая структура, подобная резистору. Имеет небольшие габариты. Отличается значительной широкополосностью и малой паразитной емкостью;

б) ферритовые шайбы с большим числом отверстий. Эти шайбы обладают большей гибкостью, чем шайбы с одним отверстием. Они позволяют строить как многовитковые индуктивности, так и несколько индуктивностей на одном сердечнике;

в) ферриты, устанавливаемые на поверхности с J-образными выводами кристаллодержателя. Имеют малые габариты. Подходят для линий питания постоянным током и линий передачи с низкой скоростью.

Д
ля поддержания электрической непрерывности между компонентами, такими , например, как кабель питания и устройство, на которое это питание поступает, используют соединители. Существует большое число фильтров, которые могут применяться для подавления помех в соединителях, не нарушая электрической непрерывности соединения для полезного сигнала. Хорошим способом защитить прибор или схему от проникновения помех по проводам питания и входа/выхода является использование специальных разъемов с встроенными радиочастотными фильтрами. Простая катушка индуктивности (дроссель) может работать как фильтр, подавляя в проводнике нежелательные токи на радиочастотах. При подаче питания сквозь стенку экрана на экранированные схемы часто используют проходные конденсаторы. Для подавления помех, создаваемых в монтажных соединениях промышленного оборудования средствами телекоммуникаций в широкой полосе частот, используют целостные сборки элементов ввода/вывода с встроенными керамическими фильтрами с распределенными параметрами.

Разнообразные фильтры используются для подавления симметричных и несимметричных помех в сетях питания. В качестве наиболее простых фильтров здесь также применяют индуктивности или емкости. Достаточно грубыми, но полезными правилами по выбору фильтров для подавления симметричных и несимметричных помех могут служить следующие рекомендации [75]:

 если источник помехи имеет высокое полное сопротивление, а помеха является симметричной, ее можно ослабить, используя шунтирующий конденсатор между прямым и обратным проводом;

 если источник помехи имеет низкое полное сопротивление, а помеха является симметричной, то для ее ослабления следует использовать индуктивность, включенную в провод последовательно. Для сохранения симметрии защищаемой линии и для получения хорошей рабочей характеристики по высокой частоте индуктивности следует включать в прямой и обратный провод;

 если источник помехи имеет высокое полное сопротивление, а помеха является несимметричной, то для каждого провода в линии следует использовать идентичные шунтирующие емкости, подключенные между проводом и землей;

 если источник помехи имеет низкое полное сопротивление, а помеха является несимметричной, для подавления помехи следует использовать индуктивности в каждом проводе.

Правила достаточно грубые, поскольку не определяют понятий «высокое» и «низкое» сопротивление.

Хотя простые элементы, индуктивность и емкость, могут в ряде случаев дать хорошие результаты по подавлению помех, чаще используют более сложные фильтры, составленные из индуктивностей и емкостей. Они могут иметь различное схемное решение. На рис. 4.4 представлен вариант использования LC фильтров для подавления как симметричной, так и несимметричной помехи. Здесь фильтр LC₁L обеспечивает ослабление симметричной помехи, а фильтры LC₂ ослабляют несимметричную помеху.

Экранирование и фильтрация – взаимно дополняющие методы борьбы с помехами. Снижение эффективности экранирования увеличивает токи помех, наведенные на элементы и кабели радиотехнических и электронных устройств. Снижение эффективности фильтрации увеличивает токи помех на элементах схем и в кабелях, соединяющих блоки и устройства, что, в свою очередь, приводит к росту уровней излученных помех. Совместное использование экранирования и фильтрации позволяет успешно подавлять как помехи излучения, так и кондуктивные помехи.

3. Заземление

Заземление выполняет важную функцию в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, на промышленных предприятиях. Системы заземления несут обратные токи сигналов и питания, образуют опорные уровни для аналоговых и цифровых цепей, снимают заряды с оборудования, защищают людей и оборудование от аварий и молний.

Строго говоря, «заземление» означает электрическое соединение с массой Земли (планеты). В жилых домах, на промышленных предприятиях заземление осуществляют, соединяя систему общего заземления этих объектов с электродами заземления. Система общего заземления объединяет все защитные проводники, специальные шины заземления и металлоконструкции на объекте. Электроды заземления представляют собой металлические стержни или систему стержней и соединяющих их проводов, вбитых или зарытых в землю. Сопротивление соединения «электрод заземления – земля» на частоте сигнала определяет качество заземления, которое тем лучше, чем больше поверхность электрода заземления, контактирующая с землей, глубина, на которую погружен электрод, и чем выше проводимость почвы. Для некоторых типов передающих антенных систем в диапазонах ОНЧ, НЧ, СЧ и нижней части диапазона ВЧ эффективность работы зависит от качества заземления.

В радиотехнических и радиоэлектронных устройствах под системой заземления понимают электрическую цепь, несущую обратные токи, потенциал которой является уровнем отсчета для напряжений в других точках радиоэлектронных схем. Стационарное электрическое и радиоэлектронное оборудование обычно имеет постоянное соединение этой электрической цепи с системой общего заземления объекта, на котором оно установлено. Портативное (переносное) оборудование может заземляться посредством соединения клемм заземления, выводимых на переднюю или заднюю панель оборудования, с шинами заземления, входящими в систему заземления в местах эксплуатации переносного оборудования, или посредством специальных контактов в соединительных разъемах или штепсельной вилке.

Нерационально построенная система заземления в аппаратуре может явиться источником дополнительных помех и, наоборот, правильно организованная система заземления наряду с экранированием и фильтрацией является эффективным средством ослабления помех.

Идеальная система заземления должна представлять эквипотенциальную поверхность с нулевым сопротивлением. Она поддерживает постоянный потенциал земли независимо от значения тока, протекающего в землю или в обратном направлении. Реальные земли, используемые в радиоаппаратуре, обладают конечным комплексным сопротивлением, а две физически раздельные точки редко имеют один и тот же потенциал.

Поскольку земля в схемотехнике исполняет роль обратного провода и имеет конечное сопротивление, то при заземлении разных схем в разных точках земли, обратные токи этих схем могут создавать помехи друг другу за счет общего сопротивления земли, что иллюстрирует рис. 4.5 [76]. Наличие точек заземления с разным потенциалом приводит к образованию контуров заземления. Токи, протекающие по контурам в заземлении, создают дополнительные помехи работающим сигнальным цепям, особенно цепям с малым уровнем полезного сигнала.

В целом в аппаратуре можно выделить как минимум три раздельных цепи заземления:

1. 
   заземление для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;
   
2. 
   заземление для силовых цепей с высокими уровнями потребляемой мощности (источники питания, выходные усилители мощности в радиоаппаратуре, двигатели и т. п.);
   
3. 
   заземление для несущих конструкций: шасси, панелей, кожухов, крышек корпусов и т. п.
   

Заземление в аппаратуре осуществляют одним из следующих способов (рис. 4.6):

 одноточечное последовательное заземление;

 одноточечное параллельное заземление;

 многоточечное заземление.

О
дноточечное последовательное заземление соответствует ситуации, когда электрические цепи последовательно соединяются с общей шиной «земля». В этом случае обратные токи цепей протекают через общие сопротивления, связывая эти цепи. Чем дальше от опорной точки удалена точка соединения с шиной заземления, тем выше потенциал этой точки. Потенциал точки заземления цепи 1 определяется не только ее обратным током через сопротивление Z₁, но также обратными токами цепей 2 и 3 через это сопротивление. Хотя эта схема создает наибольший уровень помех, она находит применение в маломощной аппаратуре. Ее не рекомендуется применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности. При наличии достаточно мощных функциональных узлов и использовании последовательной схемы заземления, наиболее мощный узел следует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.

Одноточечная параллельная система заземления конструктивно громоздка из-за значительного количества используемых проводных соединений. Она имеет преимущество перед последовательной схемой заземления на низких частотах, где влиянием реактивной составляющей сопротивлений можно пренебречь. Однако на высоких частотах ее применение вызывает определенные трудности, так как индуктивности заземляющих проводников увеличивают сопротивление земли, а между проводниками возникают емкостные и индуктивные связи. Для обеспечения малого сопротивления заземляющих проводов их длина должна быть как можно короче. При выборе между конфигурациями одноточечного заземления следует сначала определить помехозащищенность цепи через общее сопротивление. На практике в большинстве систем используют комбинацию обеих топологий заземления.

Многоточечную схему заземления используют на высоких частотах, подключая цепи к земле в точках, расположенных как можно ближе к опорной земле. При этом в качестве опорной земли используют заземляющую поверхность с малым сопротивлением: металлическое шасси, слой металла на печатной плате и т. п.

Если в системе имеется много путей для обратного тока или много соединений с заземлением, то в заземлении возникают контуры тока. Разности потенциалов в точках заземления можно моделировать источниками напряжений. Ток, протекающий в нагрузке такого источника, которая содержит элементы заземленных устройств, может создавать в них помехи, которые могут нарушать нормальную работу устройств, особенно устройств, работающих со слабыми сигналами: искажать полезные сигналы, вызывать ложные срабатывания в цифровых схемах, приводить к самовозбуждению усилительных устройств и т. п.

Для устранения контуров в заземлении стремятся использовать заземление в одной точке. Все металлические шасси обычно соединяют друг с другом и далее присоединяют в одной точке к электрической распределительной системе заземления. Рекомендация о том, чтобы проводить заземление в одной точке относится и к экранам кабелей, по крайней мере, на частотах до порядка 1 МГц. На более высоких частотах паразитные емкости создают скрытые пути для токов экранов, которые образуют контура в заземлении. При разводке кабелей цифровых схем, длина которых превышает 1/20 длину волны наивысшей частоты или нужной гармоники, экран кабеля часто заземляют на обоих концах, а иногда даже в нескольких точках между концами в зависимости от длины кабеля и присутствующих частот.

Устранение помех, связанных с контурами заземления, можно выполнить, разорвав контур, посредством изоляции цепей, входящих в этот контур.

Быстрое развитие радиоэлектроники создает окружение с растущим электромагнитным загрязнением. Правильное и рациональное использование методов экранирования, фильтрации и заземления обеспечивает устойчивую работу как каждого отдельного РЭС, так и совместную работу многих РЭС на промышленных предприятиях, стационарных и подвижных объектах, таких, как приемо-передающие центры или самолеты, корабли и т. д.