Содержание.

1	Охарактеризуйте экономический аспект ЭМС	3
2	Защитные элементы для линий передачи измерительной информации, сигналов регулирования и управления, передачи данных	5
3	Проверка собственной помехоустойчивости	16
4	Снижение проникших помех средствами вычислительной техники	17
Список литературы		25

3. Охарактеризуйте экономический аспект эмс.

Электромагнитная совместимость изделия наиболее эффективно достигается с учетом эксплуатационных и экономических условий путей планомерной и непрерывной работы на стадии проектирования изделия. Электромагнитная совместимость рассматривается наряду с другими параметрами как комплексная характеристика качества создаваемого изделия, и ее реализация прослеживается при изготовлении изделия системой контроля качества. Это означает по существу гарантию обеспечения собственной помехоустойчивости, т.е. по возможности исключение внутреннего электромагнитного воздействия в системе (рис. 1, а), а также обеспечение помехоустойчивости к внешнему воздействию (рис. 1, б) при обоснованных затратах и реализацию оправданных мер, направленных на то, чтобы влияние Е изделия на окружающую среду не выходило за пределы установленных норм.

а) б)

Рис. 1. Внутренние (а) и внешние (б) взаимодействия.

При этом понятие «обоснованные затраты» при возможных внешних затратах не следует принимать с позиции достижения абсолютной устойчивости любой ценой. Прежде всего необходимо добиться минимизации общей стоимости К_G, обусловленной стоимостью потерь К_F вследствие работы системы с учетом влияния электромагнитной несовместимости и стоимостью дополнительных мероприятий К_Е по повышению электромагнитной совместимости. Это означает, что процесс повышения надежности в отношении электромагнитной совместимости требует все больших затрат (область левее точки Р_opt на рис. 2).

Однако практически трудно определить зависимости К_F (W_F) и К_Е (W_Е), т.е. результирующую зависимость К_G (W_G).

Рис. 2. Зависимости стоимости затрат К от вероятности нарушений функционирования W_F вследствие недостаточной электромагнитной совместимости.

Затраты на обеспечение совместимости для различных объектов составляют от 2 до 10 % стоимости разработки, и эти цифры могут быть приняты в качестве первого приближения представляющей интерес оптимальной стоимости К_Е,opt (рис. 2). Если правильно и своевременно учесть проблемы электромагнитной совместимости в процессе проектирования продукции, то возможно снизить дополнительные расходы на проектирование мер обеспечения электромагнитной совместимости от 1 % стоимости заказа.

32. Защитные элементы для линий передачи измерительной информации, сигналов регулирования и управления, передачи данных.

Элементы, ограничивающие перенапряжения в этой области, должны, с одной стороны, обладать способностью отводить сильные импульсные токи (до 10 кА), а с другой – быстро ограничивать перенапряжения, близкие по значениям к рабочим напряжениям. Эти требования удовлетворяются в многоступенчатых схемах. На рис. 3. приведена схема одного из таких устройств, состоящего из газонаполненного разрядника, металлооксидного варистора (грубая защита) и ограничительного стабилитрона (тонкая защита). При появлении импульса перенапряжения сначала срабатывает стабилитрон. Ток i₁ вызывает падение напряжения на индуктивности L₁ u_L1=d i₁/dt, что приводит к срабатыванию варистора. Под воздействием напряжения u_L2=L₂d i₂/dt (разрядник пробивается. Таким образом приходящий импульс (10 кВ) со скоростью изменения напряжения 1 кВ/мкс ступенчато ограничивается до 35 В.

Рис. 3. Трехступенчатый ограничитель перенапряжений с газонаполненным разрядником, варистором (грубая защита) и стабилитроном (тонкая защита). Под графиками указано время срабатывания ступеней.

Аналогичные схемы разнообразных модификаций по системам передачи сигналов, напряжению и току являются обычными для линий передачи измерительной информации, сигналов регулирования и управления как связанных с заземлением, так и изолированных от земли. Конструктивно они встраиваются в корпусы приборов, в стандартные шины, клеммы или печатные платы для монтажа в стандартные устройства европейского формата (19 дюймов).

Устройства для защиты от перенапряжений линий передачи данных должны обеспечить защитные функции, не ухудшая свойства линии, т.е. они не должны вызывать в заданном частотном диапазоне недопустимого демпфирования. В таких устройствах исключается использование индуктивностей и варисторов из-за большой их собственной емкости.

Рис. 4. Блок защиты от перенапряжений для устройства V.24/RS 232 C: 1 – защитное заземление; 2 – вывод данных; 3 – ввод данных; 4 – рабочее заземление, система опорного потенциала.

На рис. 4. в качестве примера приведена схема адаптера для устройства V.24/RS 232 C. Он рассчитан на ток до 5 кА (импульс (8/20 мкс), срабатывает за время 100 пкс, ограничивает напряжение крутизной 1 кВ/мкс до 20 В и позволяет передавать информацию до 40 Кбайт/с.

Рис. 5. Блок защиты от перенапряжений для коаксиальных линий.

На рис. 5. показан другой пример – схема адаптера, ограничивающего перенапряжения в коаксиальной системе передачи данных с заземленным сигнальным токовым контуром. В ней ограничительный стабилитрон, выполняющий функцию тонкой защиты, включен в диагональ моста, образованного диодами с малыми собственными емкостями. При этом собственная емкость стабилитрона не учитывается. В таком защитном устройстве граничная частота может быть выше 100 МГц.

Существуют также защитные устройства для всех широко распространенных стандартных плат, конструктивно совмещенных со встроенными разъемами.

При использовании ограничителей перенапряжений в сигнальных цепях и токовых контурах управления необходимо стремиться ограничить переходные перенапряжения до безопасного значения, при котором остаточное напряжение не будет восприниматься как полезный сигнал, что вызывало бы непредвиденную реакцию системы. Чтобы предотвратить это, необходимо использовать дальнейшие средства обеспечения электромагнитной совместимости.

Экранирование.

Принцип действия: экранирование служит для ослабления электрических, магнитных и электромагнитных полей, а именно для того, чтобы исключить проникновение и воздействие таких полей на элементы, блоки, приборы, кабели, помещения и здания, а также для того, чтобы подавить исходящие из электрических и электронных промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями. Экран устанавливается между источником и приемником помех и снижает напряженности Е₀, Н₀ воздействующего поля до значений Е₁, Н₁ за экраном (рис. 6).

Рис. 6. Экранирование токовых контуров от внешних электрических и магнитных полей: а – принципиальное расположение контуров 1, 2 и экрана S; б – граница между условиями ближнего (нижняя левая часть) и дальнего (верхняя правая часть) полей.

Физически экранирование объясняется наведением на поверхности экрана заряда или индуктированием в нем тока, после которых накладывается на воздействующее, ослабляя его. Тем самым как бы удаляется чувствительный приемник помехи от источника.

На эффективность экранирования оказывают существенное влияние частота поля, электропроводность и магнитная проницаемость материала экрана, конфигурация и размеры экрана.

Для уточнения этих общих положений будем исходить из того, что экранирование осуществляется частично поглощением энергии поля материалом экрана (коэффициент затухания а_SA, обусловленный поглощением), а частично – отражением падающей волны (коэффициент затухания а_SR, обусловленный отражением). Результирующий коэффициент затухания, дБ, можно определить как

или же , т.е. а_S состоит из двух компонентов:

.

При этом не учитываются многократные отражения от стенок экрана и помещения.

Для установления существенных взаимосвязей между этими коэффициентами затухания и характеристиками магнитного поля, а также размерами экрана и свойствами его материала удобно воспользоваться понятием полных сопротивлений по аналогии с распространением волн в электрически длинной двухпроводной линии.

В зависимости от расстояния х приемника помехи от источника (рис. 6, а) и частоты f в ближней или дальней областях (рис. 6, б) для определения коэффициентов затухания а_SA и а_SR, дБ, пригодны следующие выражения:

для магнитного поля в ближней зоне коэффициент отражения

;

для электрического поля в этой зоне

;

для электрического поля в дальней зоне

,

а коэффициент поглощения как для ближней, так и дальней зон

,

где - относительная магнитная проницаемость материала, его электропроводность, отнесенная к электропроводности меди.

Зависимости а_SA, а_SR и а_S от частоты для дальнейшей зоны и для ближней зоны представлены на рис. 7.

Рис. 7. Принципиальные зависимости коэффициентов затухания от частоты для электромагнитного поля в дальней зоне и для электрического в ближней зоне: 1 - а_S= а_SA+ а_SR; 2 - а_SA; 3 - а_SR для электромагнитного поля в дальней зоне; 4 - а_SR для электромагнитного поля в ближней зоне.

Эффективность экранирующих устройств ориентировочно может быть оценена следующим образом. Если а_S не выше 10 дБ, то экранирование, как правило, недостаточно. При 10 < а_S < 30 дБ удовлетворяются минимальные требования к экранированию. Для многих случаев достаточно, если 30 < а_S < 60 дБ. Если 60 < а_S < 90 дБ, то имеет место хорошее экранирование, а при 90 < а_S < 120 дБ можно говорить о предельно хорошем экранировании.

Принципиально следует иметь в виду, что эффективность экранирования зависит от наличия дефектов и отверстий в стенке экрана (трещин, дверных, вентиляционных и оконных проемов, кабельных вводов и отверстий для элементов обслуживания и сигнализации), а также то, что внутри экранированных объемов могут возникать резонансные эффекты, так как любой корпус прибора с проводящими стенками можно рассматривать как объемный резонатор.

Экранирование приборов и помещений: металлические корпусы электронных устройств обеспечивают определенную защиту от проникновения из окружающего пространства в него электромагнитных помех. Однако неизбежные разрезы, швы, отверстия для кабелей и вентиляции сильно снижают их экранирующее воздействие. В корпусах, удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости, этот недостаток должен быть устранен. Соответствующие конструкции обеспечивают сплошное гальваническое соединение всех стенок прибора, с применением подходящих уплотнений, например проволочных плетеных прокладок. Приборные шкафы имеют непрерывные коррозионно-стойкие контактные поверхности, с которыми по всему периметру дверей соприкасаются пружинные контакты из бериллиевой бронзы, причем специальная система обеспечивает одинаковую силу прижатия пружин по всему периметру двери. Отвод тепла из шкафов осуществляется через отверстия или через жалюзи в стенках. Электрические соединения с внешними устройствами осуществляются исключительно при помощи разъемов. Иным образом внутрь шкафа нельзя вводить кабели. При этом коэффициент затухания достигает 40 – 100 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц.

Эффективное экранирование электронных приборов с пластмассовыми корпусами (компьютеров, радиопереговорных устройств, измерительных приборов, мониторов и др.) достигается применением металлических нитей в связующем материале или металлизацией корпуса. В табл. 1. приведены значения поверхностных сопротивлений, достигаемых при различных способах нанесении покрытий, и на рис. 8. показаны значения достижимого коэффициента затухания в зависимости от частоты при различных способах нанесения покрытий.

Таблица 1

Толщина слоя и поверхностное сопротивление

экранирующих покрытий пластмассовых корпусов.

Рис. 8. Зависимости коэффициента затухания а_S от частоты f при различных покрытиях: 1 – лаком, содержащим никелевую пудру; 2 – химически нанесенным слоем никеля; 3 – лаком, содержащим серебряную пудру; 4 – напыленным цинком; 5 – химически нанесенной медью.

Обеспечение электромагнитной совместимости, создание условий измерений и испытаний приборов без помех, как и аспекты обеспечения надежности данных, требуют во многих случаях электромагнитного экранирования помещений. Примерами этого являются:

• Испытательные помещения и лаборатории для средств связи, измерений, автоматизации и техники высоких напряжений;

• Измерительные помещения для научных исследований и службы метрологии;

• Медицинские диагностические и терапевтические кабинеты а больницах;

• Вычислительные центры на промышленных предприятиях, в банках и многих других гражданских и военных организациях.

В последнем случае речь идет не только о защите вычислительной техники от помех, но и о том, чтобы ограничить распространение компрометирующего электромагнитного излучения и тем самым исключить возможность прослушивания секретной информации.

Современные экранирующие устройства помещений выполняются по модульному принципу. При этом техническая задача состоит в том, чтобы для всего защищаемого помещения создать однородную проводящую отражающую электромагнитное излучение оболочку. Важнейшими элементами для реализации этого являются:

• Экранирующие модули для стен и потолков (стальные листы, стальная и медная фольга для болтового или сварного соединения);

• Двери, ворота и тамбуры с высокочастотным уплотнением;

• Внутренние и внешние окна помещений с демпфирующими высокочастотными свойствами;

• Сотовые каминные элементы для каналов кондиционирования;

• Полые вводы световодов;

• Электрические фильтры для системы электрообеспечения, линий передачи данных, коммуникаций и управления, предотвращающие как поступление, так и выход помех, обусловленных гальванической связью.

При тщательном выполнении экранирования помещений коэффициент затухания достигает 80 – 100 дБ в диапазоне гигагерц.

По условиям обеспечения безопасности (защиты от напряжения прикосновения) корпусы приборов и экраны помещений заземляются в определенных точках.

Экраны кабелей. Кабельные экраны предназначены для снижения влияния напряжений помех на кабели и излучений помех кабелями и проводами, а также для того, чтобы обеспечить развязку помехосодержащих и чувствительных к помехам проводов при их прокладке в общих кабельных тросах, каналах или жгутах, если это необходимо по каким-либо внешним условиям.

В неэкранированных линиях, сетевых проводах, линиях передачи данных, коммуникационных и измерительных линиях, проводах регулирования и управления из-за электрического поля Е может создаваться поперечное (противофазное) напряжение U_q, а под воздействием магнитного поля Н – продольное (синфазное) напряжение U_l (рис. 9, а).

Рис. 9. Воздействие экранов кабелей: а – неэкранированный кабель; б – одностороннее заземление экрана; в – двустороннее заземление экрана; г – кабель с двойным экраном и двусторонним заземлением внутреннего экрана; д – кабель с двойным экраном и односторонним заземлением внутреннего экрана.

Кабельные экраны из хорошо проводящих материалов (медные или алюминиевые оплетки) позволяют ослабить эти напряжения, однако при этом существенную роль играет заземление экрана. Если экран заземлен только с одной стороны, то снижается поперечное напряжение, вызванное полем Е, вследствие байпасного действия экрана . На первый взгляд, все равно, заземлен ли экран слева или справа (рис. 9, б). При двустороннем заземлении экрана (рис. 9, в) возникает замкнутый контур, в котором при изменении магнитного поля Н во времени индуктируется ток I. Продольное напряжение при этом уменьшается.

Если затухание в одном экране недостаточно, используют два экрана, наложенные друг на друга и изолированные один от другого. При этом при двустороннем заземлении (рис. 9, г) продольное напряжение:

,

а при одностороннем заземлении (рис. 9, д):

.

В этих уравнениях L представляет собой индуктивность соединения, а С – емкость между экранами, и - комплексные полные сопротивления внутреннего и внешнего экранов соответственно.

Двусторонне заземленный внутренний экран при низких частотах не оказывает сильного экранирующего действия, так как практически параллельно соединены лишь и . Напротив, при высоких частотах имеет место значительно лучшее экранирование, чем при одном экране. При одностороннем заземлении внутреннего экрана картина обратная.

Для того чтобы полностью использовать возможности кабельных экранов необходимо соблюдать следующие правила:

• Обычные экраны и внешние оболочки двойных экранов должны иметь на обоих концах хорошие контакты с корпусами приборов;

• Внутренний экран в зависимости от частоты поля помехи следует заземлять с одной стороны или с обеих сторон;

• Внешний экран нельзя вводить внутрь прибора или там заземлять, так как при этом могут частично утрачиваться экранирующие свойства корпуса.

Отметим, что экранирование кабелей служит и для того, чтобы снизить влияние разности потенциалов между точками заземления корпусов приборов, связанных кабелями. Отсюда вытекают дальнейшие требования по экранированию и прокладке, например силовых кабелей.