Лекции - Защита электронных устройств от воздействия электромагнитных помех

Подождите немного. Документ загружается.

Чтобы определить эти случаи, анализируют выражение , т.е. i(t)

представляют в виде дроби. Затем приравнивают знаменатель F

(p)=p·F3(p) и

равные нулю корни определяют, приравнивая F

(p) к нулю;

Тогда

, (16)

где n – число корней, не равных нулю;

– не равные нулю корни;

– производная F

Проиллюстрируем всё сказанное для эквивалентной схемы с индуктивной

связью.

У нас

F2(P)=P[(R2+R1)+L*P], F2(P)=0, P=0. (17)

Есть один, равный нулю, тогда для нахождения корней приравняем нулю F

(P)

отсюда

Обозначим как , т.е. =

тогда

(18)

Подставим (18) в (16), тогда получим

(19)

Имеем : F

(0)=U

; F

(0)=R

; F

)=U

; F’

(P)=L, и эти выражения подставим в

оригинал формулы разложения

(20)

Для напряжения U

(t) получим :

(21)

Это выражение совпадает с выражением уравнения (13). Проанализируем их.

Рис. 4. Напряжение на входе источника и на выходе приемника.

При подаче на вход схемы ступеньки напряжения U

вых.

элемент Э

срабатывает,

когда на его входе U

вх2

достигает порога срабатывания И

, т.е. с некоторой

задержкой  =

(Рис. 4). Величина 

=0,7*L/R

вх2

определяется путем

несложных расчетов.

Для уменьшения задержки необходимо уменьшить индуктивность линии и

увеличивать входное сопротивление элементов. Индуктивность линии связи

зависит от типа используемых проводников, их сечения и длины.

В современной радиоаппаратуре III и IV поколений используется элементы со

временем переключения (задержки) в доли наносекунд. Желательно, чтобы эта

задержка составляла малую, в худшем случае соизмеримую часть от времени

переключения элементов.

J1.5. Емкостной характер сигнальной связи.

Эквивалентная схема для расчёта реакции сигнальной связи, имеющей

емкостной характер представлена на рис. 5

Рис. 5. Эквивалентная схема с емкостной связью.

Расчет схемы осуществляется аналогично расчету эквивалентной схемы с

индуктивной связью, который рассмотрен в предыдущем разделе. При этом



=R1·C.

Паразитная связь осуществляется через электрическое поле, а в линиях связи с

индуктивностью – через магнитное поле.

1.6. Паразитные емкостная и индуктивная связи между сигнальными

проводниками.

С уменьшением геометрических размеров элементов и повышением плотности

их размещения между сигнальными проводниками возникают одновременно

емкостная и индуктивные связи. При переключении элементов по сигнальным

цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, которые вследствие

наличия паразитных связей наводят на соседних сигнальных проводниках

помехи. Последние при определенных условиях могут вызвать ложное

срабатывание элементов схем.

Рассмотрим 2 цепи, выполненные по печатной технологии имеющие участок l,

на котором они располагаются параллельно друг другу на расстоянии d (рис.

5.6а из Преснухина стр. 255.).

На этом участке между ними имеется взаимная емкость C

взаимоиндуктивность M

. эквивалентная схема для расчета наводимой помехи

представлена на рис. (5.6б) из Преснухина стр. 255.

Величины C

1,2

и M

1,2

подсчитываются по формулам:

1,2

=0,12



-12



l/lg[2



d/(a+b)] (22)

1,2



[2,3



lg[2



b/(d+b)]+(d+b)/l+1]



-8

. (23)

Чтобы обеспечить устойчивую работу элементов, необходимо уменьшать длину

цепей связей, амплитуду токов, увеличивать порог срабатывания элементов,

величину фронта передаваемых импульсов, расстояния между проводниками

связей.

Определение паразитных наводок по этим формулам очень ориентировочно.

Истинную емкость и взаимоиндукцию можно определить только измерением на

макете.

1.7. Паразитная связь через общее сопротивление.

В этом случае источник и приемник наводки включены на общее

сопротивление, которым может быть внутреннее сопротивление и

соединительные провода источников питания и др. (рис. 7.)

Рис. 7. Схема паразитной связи через общее сопротивление.

Zобщ. зависит от  подводимого напряжения источника питания. Для

постоянного тока – это в основном сопротивление дросселей фильтра, и диодов

источника питания. Для звуковых частот – активное сопротивление

соединительных проводов и емкостное сопротивление конденсатора фильтра

питания. На высоких частотах Zобщ. в основном зависит от индуктивного

сопротивления соединительных проводов и конденсаторов фильтра питания.

К этому же виду паразитной связи относится связь через общие лепестки

присоединения к корпусу и т.д.

1.8. Паразитная связь через электромагнитное поле излучения.

Эта связь наблюдается при значительных расстояниях между источником и

приемником напряжения, на которых непосредственные емкостная и

индуктивная паразитные связи практически отсутствуют. К таким расстояниям

можно отнести расстояния, превышающие пять длин волн, из-за чего эта

паразитная связь воздействует как правило на радиоприемники через антенный

ввод.

Внутри одного устройства паразитная связь через электромагнитное поле

излучения может возникать только на очень коротких волнах, длинна которых

меньше габаритных размеров прибора. К нежелательным наводкам может

приводить электромагнитное поле излучения соседних радиостанций, грозовых

разрядов и промышленных помех.

В справочнике конструктора РЭС под ред. Варламова 1980г. стр. 385 есть

таблицы с параметрами плоских медных проводников, нанесенных на

одностороннюю стеклотекстолитовую тч. плату на 2-х стороннюю стеклотекст.

п-пл., с параметрами медного прямого провода различных сечений.

Используя эти данные всегда можно знать величину индуктивно емкостных

наводок и проанализировать, будут ли они сказываться на работе схемы.

1.9. Емкостная и индуктивная паразитные связи по посторонним проводам.

Эти виды связи могут получиться и при отсутствии непосредственной связи

источника и приемника наводки.

2. ЭКРАНИРОВАНИЕ.

Подавление наводок практически сводится к устранению или ослаблению

паразитных связей между источником и приемником наводок путем

экранирования и развязывания цепей.

Экранирование – локализация электромагнитной энергии в определенном

пространстве за счет ограничения распространения ее всеми возможными

способами.

Между 2-мя электрическими цепями, находящимися на некотором расстоянии

друг от друга могут возникнуть следующие виды связей:

 через электрическое поле,

 через магнитное поле,

 через электромагнитное поле,

 через провода, соединяющие эти цепи.

Полное экранирование может быть получено только под подавлением всех 4-х

видов электромагнитных связей. Однако, требования к эффективности

экранирования в ряде случаев могут быть снижены. Тогда задачей экрана может

быть ослабление того или иного вида связи.

Напряженность электрического и магнитного полей в свободном пространстве

обратно пропорционально квадрату расстояния от элемента, возбуждающего

поля. Напряженность электромагнитного поля обратно пропорционально

первой степени расстояния. Напряжение на конце проводной или волновой

линии с расстоянием падает медленно. Следовательно, при малых расстояниях

действую все четыре вида связей. По мере увеличения расстояния сначала

исчезает связь через электрическое и магнитное поля, затем перестает влиять

электромагнитное поле и на очень большом расстоянии влияет только связь по

проводам и волноводам.

В зависимости от назначения различают экраны с внутренним возбуждением

электромагнитного поля, в которых обычно помещается источник помех, и

экраны внешнего электромагнитного поля, во внутренней полости которых

помещаются чувствительные к этим полям устройства. В первом случае экран

предназначен для локализации поля в некотором объеме, во втором – для

защиты от воздействия внешних полей.

Экран, защищая цепи, детали, колебательные контуры от воздействия внешних

полей, оказывает существенной влияние на параметры экранируемых

элементов. Из-за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана

происходят изменения их первичных параметров, в результате чего, например,

изменяются магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек,

увеличивается емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет

к изменению частоты. Относительные изменения параметров, экранируемых

элементов можно учесть с помощью коэффициентов.

, (24)

где (1) A

эij

– значение i-го параметра j-го экранируемого элемента при наличии

экрана, A

0ij

– без экрана.

Задаваясь допустимыми пределами изменений параметров и зная размеры

экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана,

материала, из которого он должен быть изготовлен, и условия размещения

элементов внутри него.

2.1. Электростатическое экранирование.

Если в электрическое поле внести проводник, то в результате поляризации

электроны в нем начнут перемещаться в сторону положительно заряженной

пластины и на части проводника, обращенной к этой пластине, возникает

отрицательный потенциал, а противоположная часть поверхности проводника

окажется заряженной положительно. Положительная и отрицательная части

проводника создают свое собственное вторичное поле, которое равно внешнему

и имеет направление противоположное ему, следовательно, внешнее поле,

создаваемое проводником, компенсируют друг друга во всех токах внутри тела

проводника. Этим и объясняется распределение зарядов только на поверхности

проводника. Внутри проводника поле отсутствует. Так упрощенно выглядит

один из примеров явления электростатической индукции. Этим явлением

пользуется для осуществления электростатического экранирования (рис. 9).

Рис. 9. Наложение электрического поля проводника

В самом деле, поскольку всюду внутри металлического тела поле равно нулю,

то достаточно поместить в его внутренней полости устройство, подверженное

влиянию электростатического поля и тем самым исключить влияние поля на это

устройство. В этом случае эффективность экранирования оказывается

независимой ни от формы экрана, ни от толщины его стенок, ни от металла, из

которого он изготовлен.

Поместим заряд +q в центре сферической металлической оболочки (рис. 10).

Рис. 10. Заряд в центре металлической оболочки.

На внутренней поверхности оболочки возникают заряды –q, а на внешней - +q,

и экран оказывается не эффективным. Однако, если теперь подключить

металлическую оболочку к земле (к корпусу) (рис. 11), то это приведет к тому,

что заряды, находящиеся на внешней поверхности оболочки, стекут на корпус,

т.к. он обладает очень большой емкостью, вне оболочки поле окажется равным

нулю.

Рис. 11. Заземленная металлическая оболочка.

Таким образом электростатическое экранирование по существу сводится к

замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана

отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление

электростатического экрана, как видно, является необходимым элементом,

вытекающим из сущности, электростатического экранирования. Без заземления

электростатический экран почти полностью теряет свою эффективность.

Обращает на себя внимание то, что при наличии зарядов как на внутренней, так

и внешней поверхностях экрана поле внутри экрана определяется только

внутренними зарядами и совершенно не зависит от внешних. Однако обратное

утверждение было бы не правильным, ибо находящиеся внутри экрана заряды

создают поле и вне экрана. Физически это влияние обусловлено появлением

индуцированных зарядов, на внешней поверхности, влияние которых может

быть нейтрализовано отводом их в землю. Следовательно, с помощью

заземления электростатического экрана можно добиться взаимного

экранирования как внутреннего пространства экрана от внешнего поля, так и

внешнего пространства от внутреннего поля.

Если металлический экран полностью компенсирует влияние

электростатического поля, то использование диэлектрических экранов может

ослабить поле в ε

раз, где ε

– относительная диэлектрическая проницаемость

материала, т.к. из поля свободных зарядов вычитается поле поляризационно-

связных зарядов.

Поместим в поле 2-х параллельных металлических пластин диэлектрик. Под

лиянием сил электростатического поля диэлектрик поляризуется: нейтральные в

электрическом отношении молекулы диэлектрика превращаются в

электрические диполи, а диполи, уже имеющиеся в диэлектрике,

поворачиваются осями в направлении действия сил поля, образуя на боковых

поверхностях электрические заряды. При этом на одной стороне диэлектрика

образуется поверхностный отрицательный заряд, а на второй – положительный.

Эти связанные электрические заряды диэлектрика создают в нем собственное

поле, направленное на встречу внешнему, что приводит к уменьшению

результирующего электростатического поля в диэлектрике. Чем больше

диэлектрическая проницаемость, тем больше его величина связанных

электрических зарядов и тем слабее в нем результирующее электростатическое

поле. Следовательно, устройство, подверженное влиянию электростатического

поля, целесообразно размещать в самом диэлектрике, например в спирте

=26), трансформаторном масле (E

=22), дисцилированной воде (E

=81), а

при использовании твердых диэлектриков, этот диэлектрик должен плотно

прилегать к устройству.

Теперь представим себе, что источник ЭДС является переменным, заряды на

теле A (рис. 12) будут изменяться, а следовательно, будут изменяться и заряды,

распределенные на внутренней поверхности экрана, которые в каждый момент

времени будут стремиться иметь такую полярность, чтобы компенсировать поле

тела A.

Рис. 12. Тело А с переменными зарядами внутри

внутри металлического экрана.

В результате этих изменений по экрану потечет переменный ток. Компенсация

поля в данном случае с помощью заземления не может быть полной, т.к. в

результате появления тока в стенках экрана на них падает напряжение. Поэтому

эффективность экранирования электрического поля в данном случае

оказывается зависимой как от толщины стенок, так и от проводимости

материала экрана. С увеличением толщены, и проводимости материала экрана

остаточное поле за пределами экрана уменьшится, т.к. уменьшится падение

напряжения на его стенках и одновременно возрастет эффективность

экранирования.

Экранирование электрических переменных полей по существу является задачей

устранения паразитных емкостных связей.

На рис. 13 показано влияние положительного заряда элемента А на элемент Б

вследствие наличия взаимной емкости связи САБ.

Рис. 13. Схема влияния тела А на тело Б.

Поставим между телами А и Б металлический экран В радиуса r (рис. 14). Экран

В будет “перехватывать” часть электрических силовых линий, защищая тем

самым тело Б от электрического поля тела А. В этом случае имеем своего рода

емкостной делитель. Эффектность экранирования плоского экрана радиуса r

можно оценить по формуле

, (25)

где а – расстояние между телами А и Б, а1 – расстояние от тела А до экрана В, а2

– расстояние от экрана В до тела Б.

Эффективность экранирования в данном случае определяется главным образом

возможностями проникновения поля помех за экран в результате дифракции

рассеяния. Эти явления будут наиболее ощутимы, если a

. Для повышения

эффективности экранирования необходимо выполнить одно из условий a

или a

, выбор которого определяется назначением экрана и тем, что

экранируется объект или источник помех.