1. Общие вопросы электромагнитной совместимости. Основные понятия и определения

1.1. Понятие электромагнитной совместимости

Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимают [1] способ­ность приборов, устройств, технических систем, биологических объектов нормально функционировать в условиях воздействия на них электрических, магнитных и электромагнитных полей, су­ществующих в окружающей обстановке и не создавать недопус­тимые помехи другим объектам. Под электромагнитной совместимостью также понимают [2] нормальное функционирование передатчиков и приемников электромагнитной энергии.

Понятия «передатчик» и «приемник» в электроэнергетике имеют более ши­рокий смысл, чем, например, в средствах связи. Причем, к передат­чикам электромагнитной энергии наряду с телевизионными и ра­диовещательными устройствами относятся также электрические цепи и системы, которые непреднамеренно излучают в окружаю­щую среду влияющую электромагнитную энергию (так называе­мые источники помех), например, линии электропередачи, энергетические и электротехнические устройства, атмос­ферные разряды и т. д. Приемниками электромагнитной энергии наряду с радио– и телевизионными приемниками являются систе­мы автоматизации, измери­тельные, управляющие приборы и регуляторы, устройства обра­ботки информации, автомобильная микроэлектроника, биологические организмы и т.д. Тем самым современное понятие ЭМС выходит далеко за рам­ки классической защиты от радиопомех, однако по-прежнему включает их, являясь понятием более широким.

Электромагнитная совместимость ни в коем случае не являет­ся сама собой разумеющейся, так как окружающая среда характе­ризуется растущим электромагнитным загрязнением, и ее охрана требует все больших усилий. Поэтому взаимным интересам всех пользователей электромагнитного спектра служат широкие зна­ния о воздействии электромагнитных полей и волн на электро­магнитные системы и биологические организмы.

Электрические устройства могут одновременно действовать как приемники, так и как передатчики. При этом можно упомянуть промежуточную частоту супергетеродинных приемни­ков, частоту строчной развертки телевизионных приемников и компьютерных мониторов; электронные устройства управления и измерения; силовые кабели и линии связи и т.д. Поэтому говорят также об электромагнитной совместимости отдельных приборов и устройств. С этих позиций электрическое или электронное устройство считается совместимым, если оно в качестве передатчика является источником помех не выше допустимых, а в качестве приемника обладает достаточной помехоустойчивостью к посторонним или внутренним электромагнитных помехам.

1.2. Электромагнитные влияния, помехоустойчивость, помехоподавление

Проблема электромагнитной совместимости возникает, как правило, прежде всего у прием­ников, если нарушается безупречный прием полезного сигнала, то есть, при случайно поступившей в приемник электромагнитной энергии кратковременно нарушаются его функциональные свойства или становится невозможным нормальное функ­ционирование системы автоматизации и других устройств. Тогда говорят о наличии электромагнитного влияния, которое определяет воздействие электрических, магнитных и электромагнитных полей на электрические цепи, приборы, системы или живые суще­ства.

Электромагнитные влияния могут появляться в виде обрати­мых или необратимых нарушений. Примерами обратимых нару­шений являются эпизодический появляющийся шум при теле­фонных разговорах, треск при включениях и отключениях быто­вых электроприборов и др. На практике обратимые электромагнитные влияния разделяют по их силе: на вли­яния, которые вызывают допустимые нарушения функций; и на вли­яния, которые ведут к недопустимым побочным воздействиям либо к чрезмерной перегрузке. Примерами необратимых нарушений слу­жат разрушение электронных компонентов на платах разрядами статического электричества или пробой изоляции при грозовых перенапряжениях, непреднамеренное срабатывание электричес­ки управляемых компонентов в системах автоматики и телемеханики, компьютерных устройствах и линиях связи и т.д.

Чтобы наглядно выразить возмущающий эффект от электромагнитных влияний (помех), для передат­чиков и приемников помех приняты обобщаю­щие понятия – «источник помех» (передатчик) и «поглотитель помех» (приемник). В ряде случает «поглотители помех» характеризуются как «чувствительные элементы".

Между источниками и поглотителями помех существует определенный «механизм связи". Для независимых источников и поглотителей помех (независимые системы) , как показано на рис.1.1, характерными являются внешние электромагнитные влияния, а модель внешнего электромагнитного влияния, в общем виде, определяется механизмом связи, представленного для удаленных независимых источников и поглотителей помех, как правило, в виде волнового сопротивления электромагнитного излучения.

Р и с. 1.1. Модель электромагнитного влияния между независимыми «источником помех» и «поглотите­лем помех"

Е сли передатчик и при­емник являются частями одной и той же системы, как показано на рис.1.2, то они могут быть связаны межсистемными (рис.1.2,а) или внутрисистемными (рис.1.2,б) электромагнитными влияниями, которые называют также внутренними влияниями.

Блок I системы Блок II системы Система

а б

Р и с.1.2. Модели внутренних электромагнитных влияний:

а – межсистемное влияние; б – внутрисистемное влияние

Типичными примерами внутренних электромагнитных влияний являются пара­зитные обратные связи в многокаскадных усилителях; изменения сигналов в соседних проводниках электронных узлов; изменения тока в проводах системы электроснабжения и вызванные ими индуктив­ные падения напряжения; напряжения, индуктируемые при от­ключении катушек реле и контакторов; паразитные явле­ния в комплексных системах с несколькими передатчиками и приемниками.

При этом, в каналах передачи помех при внутренних влияниях механизмы связи проявляются, как правило, в виде: гальванической связи, если, например, два контура с током имеют общее электрическое сопротивление; емкостной связи, если два контура имеют проводники, находящиеся под разными потенциалами; магнитной связи, если переменное магнитное поле проводника с током индуцирует в контуре, подверженном помехе, напряжение, накладывающееся на полезный сигнал, а для высокочастотных помех, также в виде волнового сопротивления электромагнитного излучения.

Структурно механизм связи электромагнитных влияний показан на рис. 1.3.

Р и с.1.3. Механизмы связи электромагнитных влияний

В электронных и электрических системах большое значение с позиции электромагнитного влияния имеют также противофазные и синфазные помехи. Противофазные помехи в каналах передачи возникают между прямыми и обратными проводами электрических контуров или между зажимами подверженных помехам систем. Синфазные помехи в каналах передачи возникают при наличии источников мешающих напряжений, которые появляются между отдельными сигнальными проводниками и массой (землей) корпуса устройства или электроустановки, обладающей нулевым потенциалом.

Между передатчиком помехи и приемником энергия помехи может переноситься посредством связи через поле или излуче­ния. Так, электромагнитное влияние может возникнуть в токо­вом контуре, но затем распространиться в виде электромагнит­ного поля или излучения и, наконец, появиться в проводах других контуров как помеха. Например, это может иметь место при искрении щеток коллекторного двигателя, длинные подво­дящие провода которого действуют как антенны.

Если длина волны велика по отношению к размерам источ­ника помехи, электромагнитные влияния распространяются преимущественно за счет токов или посредством электрического или магнитного поля. Если порядки длин волн и размеров сравнимы, проявляется излучение. Граница между механизмами влияния подвижна, однако для многих имеющих место на прак­тике случаев она имеет место при длинах проводов порядка 10 м и, соответственно, при частоте 30 МГц. То есть, в электроэнергетической и радио­частотной областях от 1 Гц до 30 МГц электромагнитные поля (помехи) связаны с токам, а в УКВ-области и выше электромагнитных помехи связаны с излучением.

Ниже кратко представлены различные механизмы связи.

Гальваническая связь. Гальваническая или металлическая связь появляется тогда, когда два электрических контура имеют общее сопротивление Z (рис. 1.4).

Р и с. 1.4. Гальваническая связь двух контуров через общее полное сопротивление

Ток в контуре 1 (источник помехи) создаёт на общем сопротивлении Z падение напряжения, которое накладывается на полезный сигнал. Эта простая эквивалентная схема может быть использована для решения таких проблем совместимости, как падения напряжения, связанные с токами, текущими по металлическим оболочкам кабелей, помехи через сеть питания и т.д.

Емкостная связь. Емкостная связь возникает между двумя контурами, проводники которых находятся под разными потенциалами (рис. 1.5).

а б

Р и с. 1.5. Пример электрической связи контуров 1 и 2 через квазистатическое электрическое поле или паразитные ёмкости:

а – полевая модель; б – цепная модель

Пусть мешающий контур 1 представляет собой сеть 220 В, а подверженный помехе контур 2 – измерительную установку, в которой напряжение в несколько милливольт должно измеряться осциллографом. Между проводом, находящимся под потенциалом 220 В, и измерительными проводами, находящимися почти под потенциалом земли, существует электрическое поле (рис. 1.5, а), влияние которого может быть отражено в эквивалентной схеме введением паразитных емкостей С_пар1 и С_пар2 (рис. 1.5,б). Напряжение сети U₁ вызывает токи смещения через ёмкости утечек, которые через общий массовый провод возвращаются к нулевому проводу сети. Ток через ёмкость С_пар1 создаёт на внутренних сопротивлениях передатчика и приёмника в контуре 2 Z_п и Z_пр падение напряжения, которое накладывается на полезный сигнал как помеха.

Магнитная связь. Магнитная или индуктивная связь возникает между двумя или несколькими контурами с токами (рис. 1.6). Ток I вызывает переменное магнитное поле, которое индуктирует в контуре 2, подверженном помехе, напряжение, накладывающееся на полезный сигнал. Воздействие магнитного поля контура 1 на контур 2 в эквивалентной схеме соответствует взаимной индуктивности М или индуктируемой ЭДС.

а б

Р и с. 1.6. Пример магнитной связи контуров 1 и 2 с токами:

а – полевая модель; б – цепная модель

Представленные на рис. 1.5 и 1.6 механизмы влияния чётко отражают взаимную независимость квазистатических электрических или магнитных полей. С одной стороны влияние через электрическое поле не связано с присутствием магнитного поля, с другой стороны, без взаимодействия с электрическим влиянием может существовать магнитное влияние любой интенсивности.

Связь через электромагнитное излучение. Под связью через электромагнитное излучение следует понимать случай, когда подверженная помехе приёмная система находится в дальней зоне поля, производимого источником помех излучения (рис. 1.7).

Следовательно, электрическое и магнитное поля воздействуют одновременно и связаны через волновое сопротивление вакуума:

(Ом). (1.1)

Р и с. 1.7. Связь через излучение

Подверженная помехе система не должна непременно иметь штыревую антенну. С таким же успехом электромагнитное вли­яние может воздействовать и через рамочную антенну или пря­мо на электронную схему, не обладающую запроектированными свойствами антенны.

Важными в практике обеспечения ЭМС электрических и электронных устройств являются синфазные и противофазные помехи.

Синфазные напряжения помех (несимметричные, продольные) возникают между каждым проводом и землёй (U_c1, U_c2 на рис. 1.8) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли. Они вызываются главным образом уравнительными токами в контурах заземления, а также магнитными полями.

Противофазные напряжения помех (симметричные, поперечные) возникают между проводами двухпроводной линии (U_d на рис. 1.8).

Помехи большой амплитуды приводят к устранению, искажению или подмене полезных сигналов и, как следствие, к неправильной работе или повреждению устройств автоматики. Противофазные помехи возникают через гальванические или полевые связи, или преобразуются из синфазных помех в системах, несимметричных относительно земли.

На практике в большинстве случаев действуют много видов помех и одновременно по нескольким каналам связи, что существенно затрудняет достоверное описание помех.

Р и с. 1.8. Помехи при передаче сигналов:

C_З – паразитные ёмкости относительно заземлённого корпуса; Q₁ – источник противофазных помех; Q₂ – источник синфазных помех; Z_q, Z_s – полные сопротивления источника и приёмника помех; i_C1, i_C2 и U_c1, U_c2 –токи и напряжения синфазных помех; i_d и U_d –ток и напряжение противофазных помех

Условия, когда передатчики и приемники характеризуются как электромагнитно совместимые, существенно зависят от вида передатчика или приемника. Например, радио– и телевизионные передатчики, которые вместе с полезным сигналом отдают паразитную электромагнитную энергию в окружающую среду, считаются совместимыми, если значения напряженности производимого ими поля на опреде­ленном расстоянии не превосходят установленных предельных значений, т. е. если возможно безупречное функци­онирование находящегося на этом расстоянии приемника при приеме полезного сигнала в соот­ветствии с его паспортными данными. Приемники считаются совместимыми, если они в состоянии принимать при электромагнитном загрязнении свой полезный сигнал с удовлетворительным уровнем помех, а сами не излучают недопустимых помех.

Чем лучше понятен физический смысл различных механизмов связи, тем скорее могут быть найдены ее пути, вычислена сте­пень затухания вдоль них и тем дешевле обойдутся эффективные средства обеспечения помехоустойчивости.

Помехоустойчивость – свойство чувствительного элемента нормально работать при воздействии помехи.

Чувствительный к помехам элемент это электрическое устрой­ство (элемент, группа элементов, прибор, часть устройства), функционирование которого может быть нарушено воздейст­вием помехи.

Количественно помехоустойчивость рассматриваемого объекта задается в ви­де допустимого воздействия в форме амплитуды импульса на­пряжения, напряженности поля, граничной энергии, стандар­тизированного испытательного воздействия и т.д. Если при воздействии, превышающем предел помехоустойчивости, не происходит разрушения объекта, то наблюдается обратимое нарушение функционирования. После исчезновения помехи или после повторного включения рассматриваемое устройство может работать нормально, ему не требуется ремонт или замена группы элементов.

Критерии нормального функционирования, лежащие в осно­ве объективного определения помехоустойчивости, зависят от назначения объекта, и поэтому они всегда специфичны для разных объектов.

Типичные для проявления нарушений функционирования является случайная картина их появлений: моментов наступ­ления, продолжительности, формы проявления, степени по­вторяемости и интенсивности. Как и помехи, они точно не оп­ределены и непредсказуемы. Это объясняется, с одной сторо­ны, разнообразием механизмов появления помех, с другой сто­роны – статистическим характером помехоустойчивости боль­шинства средств автоматизации. Например, поступающие из се­ти помехи (перенапряжения, провалы напряжения) имеют аб­солютно случайный характер, так как зависят от коммутаций, аварий, разрядов атмосферного электричества. При отключении индуктивной нагрузки в цепях переменного тока перенапряже­ния зависят от момента коммутации и также являются слу­чайными величинами. Может происходить нарушение функцио­нирования и в результате случайного наложения нескольких влияющих величин, каждая из которых недостаточна для на­рушения. Например, интенсивность взаимного влияния в ли­ниях передачи данных по своей природе случайна.

Случайные нарушения функционирования могут быть вы­званы также неидеальными характеристиками элементов, например, вибрационными процессами в контактах, отражения­ми сигналов в соединительных линиях, дрейфом параметров элементов, периодическими нарушениями контактов и сое­динений, например, вследствие коррозии или загрязнения контактов или мостиков припоя, появления тонких трещин в проводящих платах, которые вызывают изменения переходных сопротивлений, зависящих от температуры и напряжения, а также дефектами математического обеспечения. Поэтому на практике определение причин повреждения, как и получе­ние надежной статистики повреждений, крайне затрудни­тельно.

В какой степени нарушение функционирования системы из-за электромагнитной несовместимости опасно или неопас­но, допустимо или недопустимо, зависит от конкретных об­стоятельств. В необходимых случаях при осуществлении авто­матизации в целях обеспечения безопасности эта ситуация поясняется в рамках анализа степени обеспечения безопас­ности. При этом основой оценок является степень риска в от­ношении объема и тяжести вызываемых повреждением воз­можных ограничений функционирования, воздействий на окружающую среду, иных вредных последствий, опасности и связанными с этим затратами. Грань между опасными и не­опасными нарушениями функционирования определяется в каждом конкретном случае установлением границы риска, как, например, показано на рис. 1.9.

Р и с.1.9. Соотношения нарушений функционирования и степени риска

Критерием здесь может быть взвешенное решение, принимаемое разработчиком или же службой надзора, законо­дательными органами в зависимости от обстоятельств пораже­ния, эксплуатации.

Помехоподавление применяется для характеристики за­щитного воздействия средств защиты от помех. Чаще всего оно указывается в зависимости от частоты. Помехоподавлением ха­рактеризуют, например логарифм lg отношения напряжений на входе U₁ и выходе U₂ фильтра (коэффициент затухания а_ф) или напряженностей поля в точках пространства перед экраном Н_о и за ним Н_ВТ (коэффициент экранирования а_э):

а_ф = lg(U₁/U₂); (1.2)

а_э = lg(Н_о/Н_ВТ). (1.3)

Коэффициент затухания фильтра, как правило, имеет поло­жительное значение. Отрицательные значения коэффициента за­тухания получаются при превышении напряжения на выходе из-за резонансных эффектов (отрицательный коэффициент за­тухания соответствует усилению помех).

Обычно Н_о соответствует напряженности поля, существую­щей в отсутствие экрана, при этом коэффициент экранирования а_э принимает, как пра­вило, положительные значения. Аналогичным является ослабление противофазной помехи по отношению к синфазной, которое показывает, насколько ослаб­ляются синфазные сигналы при их преобразовании в противо­фазные.

Благодаря надлежащим техническим мероприятиям при кон­струировании передатчиков (экранирование, ограничение спект­ра, направленные антенны), путей коммуникаций (экранирова­ние, фильтрация, топология проводников, световоды), приемни­ков (экранирование, фильтрация, схема) возможно практически во всех случаях достичь удовлетворительной электромагнитной совместимости. Однако по экономическим причинам, если это технически выполнимо, стремятся вначале к возможно более высокой совместимости передатчиков (первичные мероприятия), а совершенствованием многочисленных приемников занимаются лишь во вторую очередь (вторичные мероприятия). Типичными примерами первичных мероприятий служат уменьшение влия­ния сети выпрямителей путем локальной компенсации или филь­трации, экранирование микроволновых печей, соответствующая проводка кабелей, способы заземления и т.д. Час­то электромагнитная совместимость достигается лишь совместными мероприятиями, реали­зуемыми у всех компонентов.