3.2 Емкостная связь и способы ее ослабления

Причиной емкостной связи могут быть неустранимые схемным путем емкости между проводами или проводящими предметами, принадлежащими разным токовым контурам.

3.2.1 Гальванически разделенные контуры

На рис.3.9,а показаны два контура, не связанные между собой гальванически. Система проводников 1,2 оказывает воздействие на контур с проводниками 3,4. Сопротивления Z_и12 и Z₁₂ образуют полное сопротивление Z₁ (рис.3.9,б), а сопротивления Z_и34 и Z₃₄ — полное сопротивление Z. Из рис.3.9,б можно установить, что напряжение помехи U_п будет равно нулю, если выполняется условие симметрии:

.

Это условие можно обеспечить, сделав все емкости равными, что достигается попарным скручиванием проводников в каждом контуре (провода 1 со 2, и 3 с 4). Либо необходимо выполнить экранирование линии каждого из контуров.

Рис.3.9 Емкостная связь между гальванически разделенными контурами (а) и схема замещения (б)

3.2.2 Контуры тока с большой емкостью относительно земли

В длинных, заземленных с одной стороны линиях, при несимметрии параметров относительно земли и появлении изменяющегося во времени напряжения Δu протекает ток помехи i_п (рис.3.10,а). При этом часть синфазного напряжения Δu преобразуется в противофазное напряжение u_п, суммирующееся с напряжением полезного сигнала. Если считать напряжение Δu изменяющимся по синусоидальному закону, а сопротивление одного из устройств значительно меньше другого Z₁<<Z₂, то напряжение помехи будет определяться формулой (см. рис.3.10,б):

. (3.3)

Из (3.3) следует, что с увеличением частоты напряжение помехи приближается по значению к синфазному напряжению u_п → Δu.

В этом случае неэффективными могут оказаться: разделение линии и заземления корпуса устройства, что не всегда допустимо, а при высоких частотах не дает желаемого результата; выполнение экранирования может привести к резонансным явлениям, либо существенное увеличение емкости провода относительно земли только увеличит напряжение помехи.

Снижению напряжения помехи при большой емкости относительно земли могут способствовать следующие способы:

• выполнение контура предельно низкоомным (малые Z₂ и Z₁);

• симметричное относительно земли выполнение линии (рис.3.11,а,б);

• введение на приемном конце линии элементов, разделяющих потенциалы (реле, другие гальванические развязки) (рис.3.12.а,б);

• применение световодов.

Рис. 3.10 Односторонне заземленная линия с большими емкостями относительно земли (а) и ее схема замещения (б)

Рис. 3.11 Линия с односторонним заземлением симметричная относительно земли (а) и ее схема замещения (б)

Рис. 3.12 Гальваническая развязка на приемном конце линии (а) и ее схема замещения (б)

3.2.3 Емкостная связь контуров с общим проводом

Такие контуры характерны для аналоговых и цифровых схем. На рис.3.13,а приведена логическая схема, в которой может произойти нежелательное переключение триггера D при изменении сигнала на выходе логического элемента А из-за наличия паразитной емкости С₁₃. Обычно выходное сопротивление источника мало и соблюдаются условия R_и<<R_п, R_и<<1/(C₃₄), а так же постоянная времени цепи R_и, C₁₃ и С₃₄ значительно меньше скорости изменения сигнала элемента A. Тогда емкость C₁₃ и сопротивление R_и (рис.3.13,б) образуют частотно-зависимый делитель напряжения и максимально возможное напряжение помехи определяется по формуле:

. (3.4)

Емкость C₁₃ определяется геометрическими размерами проводников. Реальные значения емкости C₁₃ могут составлять от 5 до 100 пФ/м. Например, при параметрах схемы: C₁₃=100 пФ/м, R_и=50 Ом, l=0,1 м и Δu/Δt=4 В/нс, согласно (3.4), значение напряжения помехи примерно равно 2 В.

Рис. 3.13 Емкостная связь контуров с общим проводом системы опорного потенциала 2,4 (а) и ее схема замещения (б)

Мероприятия по снижению влияния емкостной связи контуров с общим проводом:

• обеспечение малой емкости C₁₃ за счет сокращения длины проводов, увеличения расстояния между проводами 1 и 3 (рис.3.13), применения изоляции проводов с малой диэлектрической проницаемостью;

• увеличение емкости C₃₄ путем скрутки проводов;

• ограничение скорости изменения напряжения Δu/Δt;

• экранирование проводов и контуров, чувствительных к влиянию.

Наличие экрана существенно уменьшает емкость C₁₃ и увеличивает емкость C₃₄, что приводит к снижению напряжения помехи.

Рис. 3.14 Снижение влияния тока помехи посредством защитного экрана

Действие экрана поясняет рис.3.14. Ток помехи i_п через емкость C_1э стекает прямо на общий провод. Экран при этом должен быть изготовлен из хорошо проводящего материала, чтобы на сопротивлении экрана R_э и его индуктивности L_э, не было заметного падения напряжения, накладывающегося на полезный сигнал защищаемого контура.