Газизов - ЭСиУРС. Т. Р. Газизов Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Рекомендовано умо по образованию в области сервиса и туризма в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведени
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
1.1.3. Примеры электромагнитных помех Известно много примеров электромагнитных помех, простирающихся от безобидных до катастрофических. Не будем говорить о грустном, а приведем лишь некоторые простые примеры. Наверное, самым известным примером является появление линий на экране телевизора при включении миксера, пылесоса или другой бытовой техники с электродвигателем постоянного тока. Эта проблема возникает из-за искрения щёток двигателя. При замыкании и размыкании контактов щёток ток в обмотках двигателя прерывается, создавая на контактах высокое напряжение (Ldi/dt), приводящее к пробою промежутка между контактами. В результате имеет место весьма богатое по составу спектра искрение. Помеха создаётся из-за непосредственного излучения этого сигнала к антенне телевизора и из-за прохождения этого сигнала по проводам сетевого питания прибора, излучение которых влияет на антенну. Изготовитель офисного оборудования поместил опытный образец своего нового копировального аппарата в своём главном здании. Служащий заметил, что, когда кто-либо делает копии, настенные электронные часы иногда сбрасываются или показывают нечто странное. Оказалось, что проблема возникает из-за тиристоров в источнике питания копира. Они открывались и запирались для получения из переменного напряжения регулируемого постоянного. Из-за резкого прерывания тока получался сигнал с богатым спектром, который через кабель сетевого питания копи- ра проникал вовсю сеть питания, к которой были подключены и часы. А поскольку эти офисные часы сбрасывались и синхронизировались посредством модулированного сигнала, налагаемого на сетевое питание, то помеха от тиристоров воспринималась часами как управляющий сигнал. А вот пример помех из работы ТУСУРа. В х гг. в корпусе ФЭТ проверялась работа новой системы обработки данных из очень слабых сигналов. Контроль сигналов осциллографом сбивался с временными интервалами в доли секунды, и причина этого была непонятна. Присутствовавший специалист обратил внимание, что значения временных интервалов напоминают азбуку Морзе. Тогда руководитель проекта сразу вспомнило коротковолновиках-любителях в студенческом общежитии на Южной. Телефонный звонок к ним прояснил то, что они в данный момент находились в эфире и работали телеграфным ключом. Когда их попросили приостановить работу, помехи прекратились. Похоже, в аппаратуру проникали сигналы, наведённые коротковолновой антенной в сети питания 220 В. 1.2. Аспекты и разделы ЭМС У ЭМС есть три аспекта генерация, передача и прим электромагнитной энергии (рис. 1.2). Источник (называемый также эмиттером) создаёт эмиссию, а канал передачи (или воздействия) передаёт энергию эмиссии к рецептору (приёмнику), где она обрабатывается, приводя к желательному или нежелательному поведению. Помеха возникает, если принятая энергия приводит к нежелательному поведению приёмника. Таким образом, непреднамеренная передача или приём электромагнитной энергии необязательно вредны помеху создаёт нежелательное поведение примни- ка. Поэтому, будет ли помеха, сильно зависит от обработки принятой энергии в приёмнике. Источник (эмиттер) Канал передачи воздействия) Рецептор (приёмник) Рис. 1.2. Базовое разложение задачи ЭМС Аспекты ЭМС предполагают три способа предотвращения помехи 1. Подавление эмиссии в источнике. 2. Ослабление эффективности канала передачи. 3. Снижение восприимчивости приёмника к эмиссии. Если снижать воздействие по рис. 1.2 слева направо, то успеха обычно добиться легче и с меньшими дополнительными затратами. С передачей энергии связаны четыре основных задачи ЭМС: излучаемые эмиссии восприимчивость к излучениям кондуктивные эмиссии восприимчивость к кондуктивным эмиссиям (рис. 1.3). В принципе, сквозь призму этих четырёх основных задач ЭМС можно рассматривать любую конкретную задачу ЭМС. Однако исторически выделяются некоторые специфические задачи ЭМС, например электростатический разряд (ЭСР), электромагнитный импульс (ЭМИ), молния, побочные электромагнитные излучения и наводки (ПЭМИН) (рис. 1.4). Примечательны различные рубрикации разделов или тем ЭМС, которые группируются по техническим комитетами постоянно дополняются. Так, разделы Международного симпозиума по ЭМС 2004 г, проводимого ЭМС обществом IEEE, были такими ТК-1 Менеджмент в ЭМС 1. Менеджмент в ЭМС 2. Аккредитация персонала в ЭМС 3. Аккредитация лабораторий 4. Образование по ЭМС ТК-2 Измерения в ЭМС 5. Установки и оборудование для испытаний 6. Методы измерений 7. Эмиссии и защищённость 8. Стандарты и нормы ТК-3 Электромагнитная обстановка 9. Сигналы электромагнитной обстановки 10. Атмосферные помехи 11. Искусственные помехи ТК-4 Электромагнитные помехи 12. Экранирование, прокладки, фильтрация 13. Кабели и соединители 14. Взаимовлияние 15. Анализ ЭМС систем 16. Заземление 17. Автомобильная ЭМС 18. Вопросы, связанные с печатными платами ТК-5 Силовая электроника 19. Электростатический разряд 20. Молния 21. Переходные процессы ТК-6 Управление спектром 22. Эффективность спектра 23. Мониторинг спектра 24. Управление спектром ТК-7 Несинусоидальные поля 25. Сверхширокополосная ЭМС 26. Импульсные радары 27. Радары без несущей 28. Моделирование во временной области ТК-8 Электромагнитная безопасность изделий 29. ЭМС и функциональная безопасность 15 30. Биологические эффекты 31. Опасности излучений 32. Экологическая безопасность ТК-9 Вычислительная электродинамика 33. Компьютерное моделирование 34. Достоверность моделей ТК-10 Целостность сигналов 35. Монтаж 36. Целостность сигналов 37. Определение параметров моделей 38. Моделирование приборов Международный Цюрихский симпозиум по ЭМС 2005 г. предложил следующие разделы ТК-1 Менеджмент в ЭМС (включая спецификации и стандарты. Аккредитация, сертификация, законодательство, взаимное признание. ТК-2 Методы измерений в ЭМС I (Теория. Датчики, инструментарий, процедуры испытаний и т.п. ТК-3 Методы измерений в ЭМС II (Практика. Испытания на эмиссии и защищённость, испытания на соответствие, испытательные сооружения (полигоны, безэховые, ТЕМ- и компактные камеры, воспроизводимость измерений и т.п. ТК-4 Электромагнитная обстановка I (Стационарная. Электромагнитные обстановки установившегося состояния, управление спектром в ЭМС, сигналы электромагнитной обстановки, атмосферные и искусственные помехи и т.д. ТК-5 Электромагнитная обстановка II (Переходная. Переходные сигналы, сверхширокополосная ЭМС, импульсные радары, ядерный электромагнитный импульс, электростатический разряд. ТК-6 ЭМС на уровне систем I (Моделирование. Большие и сложные системы, линии передачи и электромагнитные взаимовлияния и т.п. ТК-7 ЭМС на уровне систем II (Эффекты. Промышленные системы, системы транспортирования, сети и т.д. ТК-8 ЭМС на уровне чипа и корпуса. Компьютерное моделирование в ЭМС, ЭМС межсоединений и корпусов, ЭМС печатных плати т.п. ТК-9 Молния. Модели удара молнии, электромагнитный импульс молнии, влияние на линии передачи, защита и т.п. ТК-10 Инновации в ЭМС. Компьютерные технологии в обучении ЭМС, нейронные сети, визуализация, новые темы и т.п. 16 ТК-11 ЭМС систем питания. Анализ источников и распространения воздействий в сетях питания, эффективность защитных приборов, проблемы заземления и т.п. ТК-12 Защита в ЭМС. Теория экранирования, прокладки, фильтры, заземление и т.п. ТК-13 ЭМС в связи. Сверхширокополосные системы и обстановка, помехи в диапазоне, создание шума, носимая связь и т.п. ТК-14 Автомобильная ЭМС. Внутрисистемная ЭМС (проектирование транспорта и подсистем, автомобильная связь, электромобили, стандарты, сертификация и т.п. ТК-15 Вычислительная электродинамика. Численные методы во временной и частотной областях, моделирование и его достоверность, методы редукции порядка моделей, электромагнитная оптимизация и т.п. ТК-16 Биомедицинская ЭМС. Электромагнитные эффекты в биологических системах, носимые приборы мониторинга и т.п. Компонент источник эмиссий излучаемых) Компонент, потенциально восприимчивый к эмиссиям излучаемым) Компонент источник эмиссий (кондуктивных) Компонент, потенциально восприимчивый к эмиссиям (кондуктивным) а б в г Рис. 1.3. Четыре основных задачи ЭМС: излучаемые эмиссии (а восприимчивость к излучениям (б кондуктивные эмиссии (в восприимчивость к кондуктивным эмиссиям (га Ядерная детонация б 50 000 A в г Рис. 1.4. Специфические задачи ЭМС: ЭСР (а ЭМИ (б молния (в ПЭМИН (г) 18 1.3. Стандартизация в области ЭМС 1.3.1. Международные организации В настоящее время в основном две организации занимаются вопросами стандартизации в области ЭМС: на мировом уровне – это Международная электротехническая комиссия (МЭК), называемая в оригинале по- английски International Electrotechnical commission (IEC); на европейском уровне – это Европейский комитет по электротехническим стандартам, называемый в оригинале по-французски Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique (CENELEC). Организация их работы показана на рис. 1.5. IEC ACEC TC77 CISPR Промышленные CENELEC TC 210 SC210A Промышленные Национальные ITU-T Институт стандартов Англии, VDE (Германия) Координация с -UNIPEDE, OIML, В мире В странах ЕС Рис. 1.5. Организация международной деятельности в области стандартов по ЭМС IEC и CENELEC имеют технические комитеты (TC77 и SC210A соответственно, которые занимаются вопросами ЭМС. Весть ещё две структуры, эквивалента которым нет в CENELEC: Консультативный совет по ЭМС (Advisory Committee on EMC (ACEC)), координирующий занимающиеся ЭМС комитеты IEC между собой и с внешними организациями, и Специальный международный комитет по радиопомехам (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques (CISPR)), устанавливающий безопасные для радиосвязи уровни помех. Промышленные комитеты занимаются специальными стандартами для конкретных изделий и отвечают зато, чтобы в них были разделы по ЭМС. Весьма примечательно, что из 200 комитетов и секций IEC около 60 занимаются проблемами ЭМС. CENELEC принимает стандарты, разработанные IEC, как согласованные европейские стандарты. Если CENELEC нужен стандарт, то он обращается в IEC. Если IEC не может взяться за этот стандарт из-за ж- стких временных ограничений, то CENELEC разрабатывает его самостоятельно. В рамках IEC работа по ЭМС-стандартам распределена так подкомитет TC77A – излучение и восприимчивость для частот менее 9 кГц подкомитет TC77B – излучение и восприимчивость для частот 9 – 150 кГц CISPR: излучение для частот более 150 кГц. IEC разрабатывает три типа стандартов базовые, специальные, промышленные. Базовые стандарты по ЭМС (Basic EMC Publications) указывают общие правила, которые позволяют обеспечить ЭМС. Они применимы ко всем типам товаров, разрабатываются комитетом TC77 и служат справочной информацией для промышленных комитетов. Специальные стандарты по ЭМС (Generic EMC standards) используются для аппаратов, работающих в специальных условиях, которые не предусмотрены Промышленными стандартами по ЭМС. Они определяют минимальное число требований и тестовых процедур (не включая детальную информацию о методике измерений и испытаний, применимых для всех аппаратов или систем, работающих в тех же условиях. Промышленные (серийные) стандарты по ЭМС (Product (Family) EMC Standards) основаны на базовых и согласованы со специальными стандартами, но разрабатываются для групп (серий) родственных товаров, систем или устройств, обладающих специфическими качествами. Эти стандарты определяют специальные требования и тесты для данной серии определяющие типы помехи испытаний испытательные уровни критичные характеристики. Каждый стандарт IEC имеет уникальный номер из трёх разделённых дефисами чисел, первое из которых 61000. Второе число определяет, что рассматривается в стандарте 1 – терминология, определения и общие положения (базовые принципы описание и классификация электромагнитных явлений и окружающей электромагнитной обстановки 3 – определение уровней совместимости и общие требования к ограничению излучения 4 – помехозащищённость оборудования, методы измерений и испытаний руководство по установке и методы уменьшения помех 6 – специальный стандарт. Отдельно необходимо сказать о Директиве по ЭМС. 3 мая 1989 г. Совет Европы принял директиву 89/336/EEC: О координации законодательной деятельности в странах-членах Экономического сообщества. В ней требуется, чтобы любой аппарат, поступающий на рынок в странах Общего рынка, должен быть сделан так, чтобы – электромагнитные помехи, которые он создаёт, не превышали уровня помех, обеспечивающего нормальную работу других аппаратов – аппарат имел достаточный для его нормальной работы уровень собственной защищённости от электромагнитных помех – каждый аппарат, используемый как элемент системы, сам по себе удовлетворял соответствующим требованиям по ЭМС и тестам – производитель системы указал условия сборки, обеспечивающие правильную работу всей системы в целом. Директива вступила в силу 1 января 1996 г. и стимулировала работу по стандартизации в области ЭМС. Все товары, удовлетворяющие совокупности требований Европейского сообщества, в которую входит и Директива по ЭМС, помечаются знаком соответствия С. 1.3.2. Требования по ЭМС Все требования по ЭМС изделий электроники можно разделить на две группы требования, устанавливаемые государственными учреждениями, и требования, налагаемые производителем изделий. Первые являются законными и не могут пренебрегаться. Они устанавливаются для контроля помех, создаваемых изделием. Однако удовлетворение этим требованиям не гарантирует, что изделие не создаст помеху, а лишь позволяет государству контролировать степень электромагнитного загрязнения, создаваемого этим изделием. Для маркетинга (рекламы и продажи) изделия в стране, изделие должно соответствовать этим требованиям. И если изделие не может продаваться из-за своей неспособности соответствовать этим государственным требованиям по ЭМС, то тот факт, что оно может выполнять свои функции, создающие значительные возможности по продажам, не имеет никого значения. С другой стороны, требования, которые налагает на свои изделия производитель, нацелены на удовлетворение потребностей пользователя, обеспечивая его надёжным и качественным изделием. Например, если новый компьютер окажется очень восприимчивым к электростатическому разряду, то производитель получит плохую репутацию и спад продаж этого и других изделий. Таким образом, для успеха изделия на рынке важно соответствие требованиям обоих видов. 1.3.3. Стандарты на излучаемые и кондуктивные эмиссии Рынок изделий электроники охватывает сегодня весь мир. Поэтому для производителей важны требования по ЭМС всех стран. В этой связи, все требования подразделяются на две группы, которые можно условно назвать внутренними и внешними. Например, в США – это требования, налагаемые на изделия, продаваемые в США, и – вне США. Кроме того, требования каждой страны подразделяются на требования для коммерческого и военного использования. Отметим, что эти требования содержат массу технических нюансов и деталей и постоянно меняются. В этом разделе приводится их краткий и общий обзор на примере США. В США контролем помех занимается Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission (FCC)). Ограничения FCC на излучаемые и кондуктивные эмиссии цифровых устройств Класса A (промышленная среда) и Класса B (бытовая среда) показаны в табл. 1.1, а для большей ясности – графиками на рис. 1.6. К сожалению, разные расстояния измерений излучаемых эмиссий затрудняют сравнение, но из близости цифр для Классов Аи можно заключить сколько излучает промышленная аппаратура нам, бытовая аппаратура должна излучать всего нам. Другой подход, приведение данных Класса А для 10 мкм, сводящееся к прибавлению 10 дБ, показывает, что ограничения Класса B примерно на 10 дБ жестче, чем Класса А (рис. 1.7). Что касается кондук- тивных эмиссий (квазипиковый детектор, то для Класса B они жёстче враз (табл. 1.1). Переходя к ограничениям, налагаемым на изделия для продажи в других странах, прежде всего, отметим, что они могут различаться от страны к стране. В прошлом каждая страна имела свои уникальные требования по ЭМС. Например, изделия для продажи в Германии требуют соответствия стандартам VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker). Однако есть тенденция к принятию единого стандарта для международных требований, и первый для этого кандидат – это стандарт 22, разработанный CISPR в 1985 г. Многие страны Европы и остального мира приняли его или некий его вариант в качестве своего национального, ион может стать мировым. По стандарту CISPR 22 излучаемые эмиссии (табл. 1.2) измеряются на расстояниях 10 им, а кондуктивные – с помощью квазипи- кового детектора или детектора среднего значения (в скобках. Таблица Ограничения FCC на излучаемые и кондуктивные эмиссии Класс A Класс B Излучаемые эмиссии (10 м) Излучаемые эмиссии (3 м) МГц мкВ/м дБмкВ/м МГц мкВ/м дБмкВ/м 30–88 90 39 30–88 100 40 88–216 150 43,5 88–216 150 43,5 216–960 210 46 216–960 200 46 >960 300 49,5 >960 500 54 Кондуктивные эмиссии Кондуктивные эмиссии МГц мкВ дБмкВ МГц мкВ дБмкВ 0,45–1,705 1000 60 0,45–30 250 48 1,705–30 3000 69,5 Расстояние измерениям мкВ/м 49,5 дБмкВ/м 210 мкВ/м 46 дБмкВ/м 150 мкВ/м 43,5 дБмкВ/м 90 мкВ/м 39 дБмкВ/м Напряжённость электрического поля Частота, МГц а 30 88 216 960 500 мкВ/м 54 дБмкВ/м 200 мкВ/м 46 дБмкВ/м 150 мкВ/м 43,5 дБмкВ/м 100 мкВ/м 40 дБмкВ/м Расстояние измерения 3 м Напряжённость электрического поля Частота, МГц б Рис. 1.6. Ограничения FCC на излучения цифровых устройств Класса A (а, Класса В (б) 23 30 88 216 960 49,5 дБмкВ/м 54 дБмкВ/м 56,5 дБмкВ/м 60 дБмкВ/м 40 дБмкВ/м 43,5 дБмкВ/м 46 дБмкВ/м 54 дБмкВ/м Класс A Класс Расстояние измерениям Напряжённость электрического поля Частота, МГц Рис. 1.7. Сравнение ограничений FCC на излучения цифровых устройств Класса А (приведённых км) и Класса B Таблица Ограничения CISPR 22 на излучаемые и кондуктивные эмиссии Класс A Класс B Излучаемые эмиссии (30 м) Излучаемые эмиссии (10 м) МГц мкВ/м дБмкВ/м МГц мкВ/м дБмкВ/м 30–230 31,6 30 30–230 31,6 30 230–1000 70,8 37 230–1000 70,8 37 Кондуктивные эмиссии Кондуктивные эмиссии МГц мкВ дБмкВ МГц мкВ дБмкВ 0,15 1995(631) 66(56) 0,15–0,5 8912,5(1995) 79(66) 0,5 631(199,5) 56(46) 0,5–5 631(199,5) 56(46) 0,5–30 4467(1000) 73(60) 5–30 1000(316) 60(50) Большая часть изделий государственных и коммерческих предприятий производится для военных применений. Поскольку помеха может повлиять на выполнение боевой задачи, то очевидно, что контроль эмиссий от изделия, а также его восприимчивости к эмиссиям гораздо критичнее для военных применений, чем для коммерческих. Поэтому военные стандарты, как правило, гораздо сложнее и жёстче гражданских. Требования по ЭМС к изделиям для военных США содержатся в военном стандарте MIL-STD-461. Различным требованиям этого документа к различному оборудованию присвоены определённые буквенные обозначения. Примеры его требований показаны на рис. 1.8 и 1.9. |