Механизмы появления помех

3.1. Возможные виды связи

Существенным при рассмотрении технико-экономических проблем электромагнитной совместимости является значение механизмов связи К между источником помех Q и чувствительным к помехам элементом прибора S, обусловленных этими механизмами воздействий и соответствующих основных правил, по которым можно эффективно противостоять этим воздействиям уже на стадии проектирования, создания устройств. Рисунок 3.1 дает представление о принципиально возможных видах связи между двумя контурами с током (1 и 2) или о путях проникновения помехи Z от источника Q к элементу S по проводам или через поле. В первом случае говорят о гальванической связи; а во втором, в зависимости от условий, о внутренней или внешней емкостной связи (если преобладает электрическое поле), зависящей от частоты и расстояния между источником и чувствительным элементом, или же об индуктивной связи (если преобладает магнитное поле). Используется также понятие электромагнитной связи. В этом случае между напряженностями электрического и магнитного полей существует строгое соотношение:

E/H = 377 Ом.

а) Гальваническая связь:

– сумма падения напряжения на этих элементах (напряжение помехи).

б) Емкостная связь (электрическое поле):

С ₁₂ – паразитная емкость, ее можно минимизировать, но совсем избавиться от нее нельзя.

– напряжение помехи.

а) б) в) г)

Рис. 3.1. а) гальваническая связь (полное сопротивление связи);

б) емкостная связь (поле Е); в) индуктивная связь (поле Н);
г) электромагнитная связь (поле Е, Н).

в) Индуктивная связь (магнитное поле):

,

где М₁₂ – коэффициент взаимоиндукции.

г) Электромагнитная связь:

,

где – эффективная длина антенны.

Электромагнитная связь доминирует в дальнем поле, которое характеризуется величиной x > λ /2π, где x – расстояние между контурами;
λ – длина волны излучаемой помехи.

где f – частота.

Второй, третий и четвертый виды связи, являются связями через поле, т.е. x < λ /π.

3.2. Гальваническое влияние

3.2.1. Гальваническое влияние через цепи питания и сигнальные контуры

Реальное значение помех U_st распределяется в диапазоне от мВ до В, например для рис. 3.2. Напряжение между точками 1 и 2 при длине провода
l = 10 см, погонные индуктивности провода 0, 5 мкГн/м, сопротивление R = 1 Ом, токи di = 1 А и Δ t = 100 нс, получаем:

Таким образом есть два пути уменьшения помехи:

1. Активное сопротивление проводника:

R = l/ γ A, где l – длина проводника, γ – электрическая удельная проводимость материала, А – поперечное сечение проводника.

Для уменьшения помехи проводник должен быть предельно коротким, а его поперечное сечение должно быть большим. При больших скоростях изменения тока начинает проявляться поверхностный скин–эффект и его необходимо учитывать.

2. Для уменьшения L и U_st можно сокращать длину проводов, расстояние между ними, а для проводников прямоугольной формы увеличивать отношение сторон прямоугольника (проводник квадратного сечения имеет большую индуктивность, чем прямоугольник прямоугольного сечения при одних и тех же площадях).

Для снижения гальванического влияния необходимо:

- выполнение геометрических рекомендаций о параметрах соединения проводов;

- устранение совместных проводящих соединений между различными контурами, чтобы ток мощного контура не протекал по слаботочному контуру – это реализуется отказом от общих обратных проводников в цепях передачи сигналов от использования корпусов и проводов заземления в качестве проводов сигнальных цепей.

3.2.2. Гальваническое влияние по контурам заземления

Два прибора G₁ и G₂ пространственно разделены друг от друга. Контур полезного сигнала заземлен в двух точках у корпусов приборов. По условиям техники безопасности корпуса приборов должны быть заземлены, а общие шины сигнального контура соединяются с корпусом прибора (рис. 3.2.).

Между точками 1 и 2 может возникнуть разность потенциалов из–за тока в контуре заземления (однофазное короткое замыкание, удар молнии). Эта разность потенциалов U₁₂ вызывает ток помехи I_st, который обуславливает величину помехи U_st.

Рис. 3.2. Гальваническое влияние через разомкнутую петлю заземлений:

а – схема устройства; б – схема, поясняющая формирование напряжений помехи U_st

Для снижения этого вида помех необходимо:

1. Уменьшать сопротивление между точками 1 и 2 путем выполнения пола в виде проводящей поверхности или соединением приборов массивными с большим сечением проводниками;

2. Вторым путем уменьшения влияния помехи является уменьшение тока I_st путем разделения контуров заземления. При этом общий провод прибора G₁ не соединяют с корпусом прибора, а вместо этого соединения появляется емкостная связь (паразитная) z_c. Эта емкость вызывает уменьшение тока помехи I_st.

3. Применение разделительного трансформатора в сигнальном контуре. Эффективно лишь для сигналов с низкой и средней частотой. (Рис. 3.3.)

4. Применение нейтрализующего трансформатора, при этом обмотки намотаны согласно, магнитные потоки от полезного сигнала компенсируются, а от токов помех суммируются. Защитный эффект пропорционален частоте помехи. (Рис. 3.4.)

5. Применение ферритовых колец. Сигнальный контур проходит внутри ферритового кольца. При этом магнитные поля от сигнала компенсируются, а помехи усиливаются. (Рис. 3.5.)

Рис. 3.3. Разделительный трансформатор

Рис. 3.4. Нейтрализующий трансформатор

Рис. 3.5. Ферритовые кольца

6. Применение оптической развязки в виде оптотронной пары. Пригодна лишь для бинарных (цифровых) сигналов, проходная емкость менее 1 пФ, электрическая прочность от 0, 5 до 10 кВ. (Рис. 3.6.)

Рис. 3.6. Оптическая развязка

7. Симметричная передача (рис. 3.7.). Входы и выходы приборов выполняют симметрично, среднюю точку входа и выхода заземляют. При полной симметрии U_st = 0; .

Рис. 3.7. Симметричная передача