Классификация источников помех
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра ЭС
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ : «Классификация источников помех»
Группа : ТВН-1-10
Преподаватель: Муратаева Г.А.
Казань 2012г.
1. Классификация электромагнитных помех
В качестве электромагнитной помехи (ЭМП) может фигурировать практически любое электромагнитное явление в широком диапазоне частот. Прежде чем переходить к рассмотрению влияния ЭМП на электронную аппаратуру, попытаемся ввести некоторую классификацию ЭМП.
В зависимости от источника ЭМП можно разделить на естественные и искусственные. Наиболее распространенной естественной ЭМП является электромагнитный импульс при ударе молнии. Искусственные помехи можно разделить на создаваемые функциональными источниками и создаваемые нефункциональными источниками. Функциональным источник помехи будем называть в случае, если для него самого создаваемая ЭМП является полезным сигналом. К таким источникам относятся, прежде всего, передающие устройства радиосвязи, а также аппаратура, использующая цепи питания для передачи информации. Нефункциональными будем называть источники, которые создают ЭМП в качестве побочного эффекта в процессе работы. К ним можно отнести любые проводные коммуникации, создающие электромагнитные поля, коммутационные устройства, импульсные блоки питания аппаратуры и т.п. Электростатический разряд с тела человека также может рассматриваться как создаваемый нефункциональным источником ЭМП. Принципиальное различие между функциональными и нефункциональными источниками состоит в том, что для вторых уровень ЭМП часто можно снизить путем пересмотра конструкции источника, в то время как для функциональных ЭМП такой путь обычно исключается.
В зависимости от
среды распространения ЭМП
Деление помех на индуктивные и кондуктивные является, строго говоря, условным. В реальности протекает единый электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среду. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так, переменное электромагнитное поле способно создавать наводки в кабелях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. С другой стороны, токи в кабелях и цепях заземления сами создают электромагнитные поля, т.е. индуктивные помехи.
Условность деления помех на индуктивные и кондуктивные наглядно проявляется, например, в ходе анализа пути проникновения высокочастотных помех внутрь электронной аппаратуры. Часто выясняется, что реальный путь проникновения помехи представляет собой комбинацию металлических проводников и «дорожек» на платах аппаратуры («кондуктивные» участки) и паразитных емкостных и индуктивных связей («индуктивные» участки). В результате помеха достигает высокочувствительных цифровых контуров аппаратуры, минуя защитные элементы типа фильтров и варисторов, установленные в расчете на чисто кондуктивный характер помехи.
Деление помех на индуктивные и кондуктивные можно считать относительно строгим лишь в низкочастотной (до десятков кГц) области, когда емкостные и индуктивные связи обычно малы. Однако и здесь есть исключения - например, строгий анализ растекания тока через сложный заземлитель в землю требует учета как гальванической, так и электромагнитной составляющей единого процесса.
Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи «провод - земля» (синонимы - несимметричные, общего вида, Common Mode) и «провод-провод» (симметричные, дифференциального вида, Differential Mode). В первом случае («провод-земля») напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей. Во втором - между различными проводниками одной цепи (см. рис. 1). Обычно самыми опасными для аппаратуры являются помехи «провод-провод», поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал (рис. 1 б)). Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех «провод-провод» и «провод-земля». Нужно учитывать, что несимметрия внешних цепей передачи сигналов и входных цепей аппаратуры может вызывать преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод». Это легко понять, рассматривая упрощенную схему на рис. 2: несимметрия внешних цепей (Zl1≠Zl2) и входных цепей аппаратуры-приемника (Zi1≠Zi2) приводит к появлению помехи «провод-провод» величиной Ul = (Zi1/ Zl1 - Zi2/Zl2)Uc. В данном примере упрощение заключалось в том, что внутреннее сопротивление приемника в режиме «провод-провод» принято равным бесконечности (т.е., в качестве измерителя полезного сигнала включен идеальный вольтметр).
Рисунок 1. Схема приложения помехи «провод-земля» (а) и «провод-провод» (б).
Рисунок 2. Преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод».
Применение внешних цепей с высокой степенью симметрии (т.е. с Zl1 ≈Zl2, например, типа «витая пара»), позволяет обеспечить низкий уровень преобразования помех «провод-земля» в помехи «провод-провод», но лишь при условии высокой симметрии входных цепей аппаратуры (Zi1 ≈ Zi2).
Следующие два способа
классификации помех
Широкополосные помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала. Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. Типичными широкополосными помехами являются:
· шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания;
· молниевые импульсы;
· импульсы, создаваемые при коммутационных операциях;
· ЭСР.
Другой спектральной характеристикой является область частот, в которой лежит основная часть спектра помехи. Условно принято делить все помехи на низкочастотные и высокочастотные. К первым обычно относят помехи в диапазоне 0 - 9 кГц. В большинстве случаев они создаются силовыми электроустановками и линиями. Высокочастотные узкополосные помехи (с частотой выше 9 кГц) обычно создаются различными системами связи. Высокочастотными являются все распространенные типы импульсных помех. Иногда также вводят понятия радиочастотной помехи (диапазон - от 150 кГц до 1,2 ГГц) и СВЧ-помехи (порядка нескольких ГГц).
Приведенная классификация не претендует ни на строгость, ни на полноту. Тем не менее, она позволяет ввести понятия, которые понадобятся нам в дальнейшем. Эта же классификация широко используется инженерами, работающими в области ЭМС.
2. Влияние
ЭМП на аппаратуру связи
Влияние ЭМП на аппаратуру
бывает разнообразным - от непредсказуемых
временных ухудшений
Прежде, чем переходить к описанию физических механизмов влияния ЭМП на аппаратуру, рассмотрим формальную классификацию воздействия ЭМП по признаку степени серьезности последствий. В действующих стандартах для этого используются так называемые критерии качества функционирования аппаратуры под действием ЭМП (см., например, [5]). Они используются для формализации описания поведения аппаратуры под действием той или иной помехи. Рассмотрим эти критерии.
Критерий А - воздействие ЭМП никак не отражается на функциональных характеристиках аппаратуры, работа которой до, во время и после воздействия помехи происходит в полном соответствии с техническими условиями или стандартами. Обычно выполнение критерия А требуется для аппаратуры, используемой для выполнения функций высокой важности в реальном масштабе времени. В первую очередь это аппаратуры защиты и противоаварийной автоматики.
Критерий В - допускается временное ухудшение функциональных характеристик аппаратуры в момент воздействия помехи. После прекращения воздействия ЭМП функционирование полностью восстанавливается без вмешательства обслуживающего персонала. Этот критерий обычно используется для аппаратуры, выполняющей задачи высокой важности, однако не в реальном масштабе времени. Достаточно «скользким» моментом при определении соответствия аппаратуры критерию В является допустимое время восстановления функциональных характеристик после воздействия помехи. Это актуально, например, когда речь идет о цифровой аппаратуре, воздействие ЭМП на которую приводит к перезагрузке.
Критерий С - аналогичен В, но, в отличие от него, допускает вмешательство персонала для восстановления работоспособности аппаратуры (например, перезагрузки «зависшей» цифровой системы, повторного набора номера и т.п.). Обычно используется для аппаратуры, не предназначенной для выполнения ответственных задач.
Критерий D - физическое повреждение аппаратуры под действием помехи. По понятным причинам, этот критерий не может использоваться для формулировки требований к устойчивости аппаратуры.
Несмотря на высокий
уровень формализации, применение этих
критериев часто требует
Перейдем теперь к рассмотрению физических механизмов влияния ЭМП на аппаратуру.
Условно, можно выделить следующие основные сценарии воздействия ЭМП на аппаратуру:
1) Искажение сигналов
во внешних информационных
- действие индуктивных ЭМП, наводящих кондуктивные помехи в информационных цепях;
- наличие гальванической
связи между подверженной
Помехи, появившись в проводных коммуникациях, достигают входов аппаратуры. Далее механизм воздействия помех зависит от их частот.
Рисунок 3. Возникновение помех в линии связи: а) - ЭДС помехи Eп создается под действием внешнего электромагнитного поля (индуктивный механизм), б) - напряжение Uп создается при протекании тока помехи Iп через общее для устройств 2,3 сопротивление заземления Z (кондуктивный механизм).
Особенно опасны составляющие спектра помехи, лежащие в той же полосе частот, что и рабочие сигналы. Обычно такие составляющие беспрепятственно минуют входные фильтры и далее обрабатываются так же, как если бы они были полезными сигналами. В результате повышается число ошибок в канале передачи информации. В отдельных случаях может происходить даже физическое повреждение элементов сигнального тракта.
Сравнительно низкочастотные
(до 10 - 20 МГц) составляющие помехи, лежащие
вне рабочей полосы частот канала
связи, обычно воздействуют на ближайшие
к входам схемные элементы. В грамотно
спроектированной аппаратуре ими обычно
оказываются фильтры и
Высокочастотные составляющие
спектра помехи вне рабочей полосы
частот, отличаются тем, что благодаря
наличию паразитных индуктивных
и емкостных связей оказываются
способными «обходить» защитные элементы
и проникать глубоко внутрь аппаратуры.
Особенно опасно их воздействие на
элементы внутренних цифровых схем аппаратуры.
Поскольку обмен данными по внутренним
системным шинам часто
2) Искажение сигналов
в антенных цепях. Относится
к радиоаппаратуре. Механизм
3) Попадание помех
на входы питания аппаратуры.
Существует множество
Среди низкочастотных помех наибольшую опасность представляют перенапряжения при авариях электропитания (особенно - аварийные потенциалы на элементах заземляющего устройства, которые вследствие возникающей разности потенциалов между заземлением аппаратуры и нейтрали питающего ее трансформатора оказываются приложенными к входам питания). К временной потере работоспособности аппаратуры также приводят полные отключения питания на длительное время. Отказы хорошо спроектированной аппаратуры по причине появления других низкочастотных (до нескольких сотен герц) помех в цепях питания случаются относительно редко. Такая устойчивость объясняется тем, что современные блоки питания аппаратуры обычно представляют собой систему автоматического регулирования (САР), способную поддерживать заданное значение напряжения на выходе даже в случае значительного отклонения формы кривой напряжения на входе от номинальной.
При сдвиге спектра
частот помехи в высокочастотную
область ее опасность (при той
же энергии) обычно возрастает. Для
частот до нескольких десятков мегагерц
это объясняется двумя
Во-первых, импульсные
помехи даже сравнительно небольшой
энергии могут иметь
где u=u(t) - напряжение, - сопротивление, Т - длительность импульса. Таким образом, при меньшей длительности импульс той же энергии может иметь большую амплитуду. Большие значения пикового напряжения импульса могут приводить к пробою элементов блока питания, не рассчитанных на слишком высокое напряжение. Возникающая при пробое дуга может сохраняться и после окончания импульса, поддерживаемая за счет обычного напряжения питания. В этом случае импульс играет роль лидера.
Второй фактор, обуславливающий
повышение опасности помех в
цепях питания с ростом их частоты
- динамические характеристики самого
блока питания. Выше уже отмечалось,
что современные блоки питания
имеют структуру САР, причем с
нелинейными элементами. Обычно такая
система проектируется в
С дальнейшим ростом частоты помехи (от десятков мегагерц до гигагерц) большое значение начинают играть паразитные емкостные и индуктивные связи. В результате (как и в случае информационных цепей) составляющие помехи могут, в обход установленных защитных элементов, проникнуть вглубь аппаратуры и нарушить работу ее цифровых узлов.
4) Протекание токов
помех по металлическим
Отрицательный эффект протекания таких токов может быть обусловлен индуктивным или кондуктивным механизмом. При индуктивном механизме протекание тока создает магнитное поле, которое, в свою очередь, способно индуцировать ЭДС помехи в близкорасположенных контурах аппаратуры. Во втором случае существенно то, что при протекании токов помех различные точки заземленных металлических частей приобретают различные потенциалы. Поскольку при проектировании аппаратуры все такие точки обычно рассматриваются как эквипотенциальные («масса»), это может привести к искажению сигналов. Пример того, как протекание тока помехи по экрану коаксиального кабеля способно исказить передаваемый сигнал, приведен на рис. 4. Здесь Zж и Zэ - полные сопротивления жилы и экрана кабеля соответственно, Uс -неискаженное напряжение сигнала на входе в кабель, Iп -ток помехи. Легко понять, что реальный сигнал, измеренный на входе аппаратуры, будет уже равен Uс + Iп Zэ.
Рисунок 4. Искажение сигнала в несимметричной цепи под действием тока в экране кабеля.
Полные сопротивления
металлических частей шасси аппаратуры
и экранов кабелей носят
5) Непосредственное воздействие внешних полей на внутренние цепи аппаратуры. Такая ситуация обычно имеет место при отсутствии у аппаратуры экранирующего корпуса, либо когда экранирующие свойства такого корпуса недостаточны. При этом по закону электромагнитной индукции во внутренних контурах аппаратуры наводится ЭДС помехи. Если эта ЭДС помехи достаточно велика (например, выше порога, отделяющего уровень «ноль» от уровня «единица» в цифровых системах), возможно нарушение функционирования аппаратуры. Поскольку коэффициенты индуктивной связи пропорциональны частоте, особенно высокую опасность представляют высокочастотные поля. Принято считать, что относительно низкочастотные поля (не более 80 МГц) воздействуют, в основном, не на саму аппаратуру, а на ее проводные коммуникации (сценарии 1, 3 из данного списка). Лишь на более высоких частотах влияние поля непосредственно на внутренние контуры аппаратуры может оказаться существенным.
Отдельно стоит сказать о действии магнитных полей на устройства, содержащие электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Конструкция таких устройств предусматривает очень точное нацеливание пучка электронов на соответствующую точку люминофора. Как известно, воздействие электрического или магнитного поля приводит к искажению траектории электронов. В результате искажается и изображение на экране, так как электронный пучок попадает в другие точки люминофора. В первую очередь, это сопровождается искажением цвета. Благодаря остаточной намагниченности отдельных элементов устройства, искажения изображения сохраняются некоторое время и после снятия внешнего магнитного поля.
3.Основные
источники ЭМП
В этом разделе мы рассмотрим основные источники ЭМП, способные представлять угрозу для электронной аппаратуры. Некоторые из них характерны лишь для объектов с высокой энерговооруженностью (энергетика, транспорт, тяжелая промышленность и т.п.). Другие могут обнаружиться практически в любом месте, включая офисы, машинные залы ЭВМ и жилые помещения.
3.1 Аварийные
потенциалы на элементах
Прежде всего, нам понадобится рассмотреть само понятие заземления и функции, которые оно выполняет.
Заземление –
преднамеренное электрическое соединение
элементов схем, корпусов аппаратуры,
экранов кабелей и других проводящих
элементов с точкой, потенциал
которой принимается в качестве
опорного (нулевого). Обычно в качестве
такой точки принимается
Заземление обеспечивает
выполнение двух основных задач. Во-первых,
оно служит для обеспечения
В случае короткого замыкания фазы на землю по цепям заземления могут протекать очень большие токи. Поскольку элементы системы заземления обладают некоторым сопротивлением (активным и реактивным) то, по закону Ома, на них могут создаваться значительные потенциалы, представляющие опасность для человека. Но и в этом случае заземление все же выполняет свою защитную функцию: протекание большого тока «нулевой последовательности» заставляет сработать систему защиты (в простейшем случае - обычный предохранитель). Существуют жесткие ограничения на время срабатывания защитных устройств (обычно – доли секунды).
Второй задачей заземления является задание единого опорного потенциала для всех элементов электрического или электронного оборудования.
В качестве примера
можно рассмотреть два
Рисунок 5. Выравнивание
потенциалов при
Иногда заземление
используют для организации цепи
возврата тока к источнику. Некоторые
силовые и информационные цепи строятся
по так называемой несимметричной схеме,
когда от источника к приемнику
идет лишь один провод, а обратным проводом
является земля. При этом достигается
некоторая экономия, однако такой
подход часто снижает
Базовым элементом системы заземления стационарного объекта является заземлитель (рис. 6). Заземлителем называется проводник (электрод), непосредственно соединенный с физической землей, или совокупность таких проводников, связанных металлическими связями. Широко распространены заземлители типа сетки, представляющие собой заглубленную в землю горизонтальную конструкцию из пересекающихся металлических электродов. Сложные заземлители иногда называют контурами заземления.
Заземлитель может быть как искусственным (специально созданным с целью заземления), так и естественным, т.е. не предназначенным специально для организации заземления. В качестве естественных заземлителей могут выступать трубопроводы, железобетонные и металлические элементы фундаментов зданий, металлическая броня кабелей и т.п.
К заземлителю присоединяется заземляющий проводник, который связывает с ним все конструкции, электрические и электронные устройства и т.п., подлежащие заземлению. Таких проводников может быть много, они образуют сеть, по сложности сравнимую с сетью питания.
Рисунок 6. Основные элементы заземляющего устройства: 1 - заземлитель, 2 - заземляющий проводник
Иногда вместо заземления используют зануление. Обычно это делается, когда объект не обладает собственным заземлителем. Тогда в качестве заземлителя используют заземлитель ближайшей трансформаторной подстанции, на который (согласно ПУЭ) заземляется «ноль» (в трехфазной сети – нейтраль) питания. Такая организация заземления является неудовлетворительной. Действительно, в этом случае постоянно происходит протекание тока питания через цепи заземления, что приводит к появлению помех. Кроме того, большая длина заземляющего проводника приводит к росту его полного сопротивления.
Совокупность заземлителя и заземляющего проводника называется заземляющим устройством. Включая в рассмотрение также все элементы аппаратуры, металлоконструкции и т.п., непосредственно связанные с заземляющим устройством, можно говорить о системе заземления.
При протекании тока через заземляющий проводник в заземлитель и далее через землю к другому полюсу источника, физический ввод в заземлитель приобретает некоторый потенциал относительно удаленной земли (т.н. зоны нулевого потенциала). Отношение этого потенциала к величине тока называется сопротивлением растеканию заземлителя (рис. 7). Расстояние до удаленных точек ввода тока и измерения потенциала (точки 1, 2 на рисунке) должно быть много больше линейных размеров заземлителя. Соответствующий метод измерения сопротивления растеканию носит название «метод амперметра - вольтметра».

- Классификация источников трудового права
- Классификация источников экологического права
- Классификация источников экологического права и их хар-ка
- Классификация источников энергии
- Классификация и структура иностранных инвестиций
- Классификация и структура машин. Основные требования предъявляемые к машинам и механизмам ПОП. Классификация оборудования ПОП
- Классификация и структура финансово-правовых норм
- Классификация и состав основных средств в бюджетных учреждениях
- Классификация и состав сточных вод
- Классификация и способы очистки воды
- Классификация исторических типов общества
- Классификация исторической динамики культуры
- Классификация источников загрязнения окружающей среды
- Классификация источников образования хозяйственных средств