Учебное пособие 800552

Период с 1925 по 1950 год характеризуется как «золотые года» радиовещания. В этот период популярность радио стремительно набирает обороты. Количество радиостанций быстро увеличивается, что приводит к проблеме обеспечения ЭМС. Радиочастотные помехи становятся обычной проблемой вследствие слабых законодательных норм в области передачи полезного сигнала и непреднамеренных помех от коммерческого радиовещания, а также широкого доступа населения к радиооборудованию. Для решения данной проблемы во многих странах начинают формироваться различные комиссии, комитеты и другие органы, основной задачей которых было обеспечение государственного регулирования в области радиовещания.

Однако по мере увеличения количества радиоприемников, имеющихся у населения, возникали новые разнообразные проблемы в области ЭМС. Так, источники непреднамеренного ЭМИ, такие как гроза, бензиновые двигатели и различные электрические приборы, часто создавали большие уровни помех по сравнению с полезным сигналом радиопередатчика.

С увеличением сложности аппаратуры возрастало влияние и внутриаппаратурных помех. Так, супергетеродинные приемники содержали собственные локальные генераторы, которые должны были быть изолированными от остальных частей радиоприемника. Радио и фонографы объединялись

вединую систему бытовой техники. Уменьшение и удешевление радиоприемников позволяло устанавливать их на подвижные объекты. Разработчики и производители подобных систем считали необходимым совершенствовать методы заземления, экранирования и фильтрации для обеспечения своей продукции новыми функциональными качествами.

Во время Великой Отечественной войны было разработано много новых типов радиопередатчиков и радиоприемников. Радиосигналы использовались не только для передачи сообщений, но и для обнаружения кораблей и самолетов, а также подавления радиосетей противника. Из-за острой нехватки подобной аппаратуры она часто разрабатывалась и монтировалась в спешке, что также приводило к обострению проблемы обеспечения ЭМС. Именно в этот период начинается активная работа в области проблем радиопомех вообще и методов заземления, экранирования и фильтрации в частности. ЭМС становится инженерной специализацией, в некотором смысле схожей с проектированием антенн или теорией связи.

В1954 году в США была проведена первая конференция Фонда исследователей защиты от радиопомех. Эта ежегодная конференция спонсировалась правительством и предпринимателями. Три года спустя была учреждена Профессиональная группа в области радиочастотных помех, как объединение нескольких профессиональных групп Института радиоинженеров. Сегодня эта группа известна как Общество электромагнитной совместимости Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).

На протяжении 1960-х годов электронные устройства и системы все больше и больше становились важной частью общества, а также ключевой отраслью обороноспособности страны. К примеру, типовой авианосец имеет

всвоем составе 35 радиопередатчиков, 56 радиоприемников, 5 радаров,

10

7 радионавигационных систем и свыше 100 антенн. Задокументированы случаи, когда во время локальных военных конфликтов военные были вынуждены отключать часть критических систем для обеспечения возможности работы остальным системам. Такие аварийные ситуации сфокусировали еще большее внимание на задачах обеспечения ЭМС. Также очень серьезное беспокойство вызывала потенциальная уязвимость различных электронно-вычислительных машин, спутников, телефонов, радио и телевизионных приемников перед электромагнитными явлениями.

1970-ые годы ознаменовываются разработкой микропроцессора и стремительным распространением небольших, дешевых и экономичных полупроводниковых устройств. Схемы на основе этих устройств оказались более чувствительными к слабым электромагнитным полям, в отличие от предыдущих решений на основе вакуумных ламп. В результате значительно обострились существующие проблемные аспекты обеспечения ЭМС, а также появилось большое число новых. В дополнение к традиционным требованиям обеспечения устойчивости к радиоизлучению передатчиков и непреднамеренных радиопомех появляются три дополнительные задачи. Одна из самых значимых среди них – это электростатический разряд (ЭСР), возникающий при сближении двух объектов со значительной разностью потенциалов. Типичное проявление ЭСР – это «щелчок», который происходит в момент прикосновения к дверной ручке после прохода по ковру. Большинство разрядов слишком слабые, чтобы ощутить их, однако этого вполне достаточно для повреждения полупроводниковых приборов.

Другим важным аспектом обеспечения электромагнитной устойчивости является электромагнитный импульс. Причиной его появления может быть, например, высотный ядерный взрыв, создающий чрезвычайно интенсивные плотности электромагнитной энергии над очень большой площадью. Подобный импульс легко уничтожает или выводит из строя важные электронные системы. На решение этой проблемы были направлены значительные усилия, связанные с разработкой методов экранирования и защиты от перенапряжений, что позволило защищать критические системы в достаточно сложной ЭМО.

Возникновение третьего аспекта также являлось прямым следствием активного применения полупроводниковых приборов и заключалось в необходимости обеспечения устойчивости к переходным процессам и помехам в линиях электропитания. Схемы на основе электронных ламп требовали больших и качественных источников питания, которые эффективно изолировали электронику от помех в линиях электропитания. Высокоскоростные, маломощные полупроводниковые устройства, наоборот, были очень чувствительны к подобным переходным процессам, а их скромная потребляемая мощность часто приводила к использованию для их питания дешевых и простых источников питания, которые не обеспечивали необходимой развязки от линий электропитания. Кроме того, низкая стоимость подобных устройств подразумевала, что большинство из них будет использоваться в бытовых условиях, где электроснабжение нестабильно и содержит массу различных «шумов».

11

Другим изменением, произошедшим в 60-х и 70-х годах, стала постепенная замена термина «радиочастотные помехи» на более общее – «электромагнитные помехи» (ЭМП), которые часто разделяют на излучаемые и кондуктивные, в зависимости от пути воздействия.

В 1980-х годах произошло два события, оказавших значительное влияние на деятельность в области ЭМС:

-появление и широкое распространение недорогих персональных компьютеров и рабочих станций;

-пересмотр нормативной базы в области ЭМС и ее дополнение требованиями к электронно-вычислительным устройствам.

Массовое распространение подобной вычислительной техники привело

кследующим результатам. Во-первых, в представлении теории обеспечения ЭМС такие устройства являлись, с одной стороны, мощными источниками помех, а с другой – достаточно чувствительными приемниками наводок. Во-вторых, доступность недорогих, относительно высокоскоростных вычислительных средств стимулировало развитие разнообразных методов численного анализа, что позволяло инженерам рассматривать и решать задачи обеспечения ЭМС на новом уровне. В связи с этим были приняты стандарты, которые требовали от всех электронных устройств, работающих на частотах свыше 9 кГц и основанных на цифровых технологиях, выполнять строгие ограничения как по излучению электромагнитной эмиссии, так и по кондуктивным помехам.

В 1990-х годах Европейский Союз вводит нормативные документы в области ЭМС, которые ограничивают непреднамеренное излучение от приборов, медицинского оборудования и самых разнообразных электронных устройств. Кроме того, устанавливаются требования по электромагнитной устойчивости и утверждаются процедуры для тестирования на восприимчивость электронных систем к излучаемым электромагнитным полям, кондуктивным помехам, шумам в сигнальных линиях и ЭСР.

Влияние этих нормативных документов было ошеломляющим, поскольку первое время инженеры, менеджеры и руководители корпораций были в панике из-за новых требований по обеспечению ЭМС. В один момент рынок компьютеров был парализован, а многие передовые проекты были заморожены из-за неспособности уложиться в требования нормативных документов в части ЭМП. Компании в спешном порядке формировали подразделения, специализирующиеся в области ЭМС, и набирали ЭМС-инженеров. Для обеспечения компьютерных компаний экранирующими материалами, ферритами и фильтрами возникла целая отрасль. По всему миру начали появляться курсы повышения квалификации, специализированные тестовые лаборатории и журналы, специализирующиеся на ЭМС. Внимание международного сообщества, сосредоточенное на ЭMC, поощряло дополнительные исследования, в результате чего наметился значительный прогресс в направлении разработки более обширных тестовых процедур и стандартов.

12

1.3. Тенденции и перспективы развития теории и практики ЭМС

Вычислительная техника становится быстрее, компактнее и постоянно усложняется, прогресс в области микроэлектроники привел к перевороту

втехнике телекоммуникаций, в том числе и мобильной связи. Эти обстоятельства требуют внимания к проблеме ЭМС со стороны не только профессиональных ученых и организаторов этого профиля, но и самого широкого круга инженеров и специалистов, занятых разработкой, производствам, эксплуатацией РЭС и даже коммерческой деятельностью в области электротехники и радиоэлектроники [8].

Одновременно с этим становятся доступными революционные подходы

вобласти моделирования электромагнитных процессов и проведения анализа ЭМС с использованием численного моделирования. Продолжают развиваться нормативные документы, ограничивающие ЭМИ, а также разрабатываются и вводятся новые стандарты, касающиеся восприимчивости электронных устройств.

Если проанализировать презентации компаний, специализирующихся на производстве электронной техники, то можно обнаружить, что, как правило,

вних фигурирует нечто вроде «Мы стремимся сделать ЭМС неотъемлемой частью процесса разработки продукции вместо попыток решить проблемы доводкой изделия, которое почти завершено». Подобная идея не является чемто новым. Начиная еще со времен «беспроводного телеграфа» инженеры поняли, что проблемы, связанные с радиопомехами, проще, быстрее и более эффективно решать на этапе проектирования и разработки конструкции, чем дорабатывать существующее изделие, имеющее проблемы в части ЭМС.

Внастоящее время эта тенденция стала очевидной и приняла системное внедрение. Так, например, разработчики схем прекрасно осведомлены о требованиях к полосе пропускания, и недопустимые внеполосные излучения редко возникают даже у опытного образца. При появлении первых цифровых схем, из-за отсутствия опыта, распространенным явлением были перекрестные помехи между цифровой и аналоговой частью. В дальнейшем, по мере изучения разработчиками способов развязки аналоговой и цифровой части, данные проявления стали менее распространенными. Сегодня разработка вычислительной техники с требуемой степенью экранирования, фильтрации и применением специальных подходов к заземлению является обычным процессом.

Причина, по которой девиз «учет требований ЭМС с начальных этапов» продолжает преподноситься как идея настоящего времени, заключается в том, что объем и сложность задач обеспечения ЭМС устойчиво возрастают. Стремительное развитие технологий создает уникальные ситуации в области ЭМС, когда существующие приемы и правила разработки оказываются устаревшими. Ситуация усугубляется тем, что вместо фундаментальных подходов, лежащих в основе решения задач обеспечения ЭМС, разработчикам предлагался набор рекомендаций по проектированию и доработке. В результате

13

проблемы, возникающие в части ЭМС, оказывались на шаг впереди разработчиков, а девиз «учет требований ЭМС с начальных этапов» снова оказывался пионерским и требовал активного внедрения. В то же время инженеры, хорошо знакомые с фундаментальными концепциями ЭМС и методами анализа, могут с минимальными усилиями адаптировать свои знания к перспективным технологиям и тем самым предугадывать потенциальные проблемы ЭМС, возникающие при разработке перспективных устройств.

В настоящее время ситуация активно меняется в лучшую сторону. Полезные советы и хитрые манипуляции, из-за которых многие инженеры воспринимали ЭМС как «черную магию», тщательно проанализированы

ииспользуются с большой осторожностью. Стало очевидно, что многие фундаментальные принципы из теории электромагнетизма и теории цепей являются основой теоретической базы ЭМС и их использование необходимо для понимания взаимодействия цепей с ЭМО.

Для продолжения перехода ЭМС от инженерного искусства в инженерную науку становится очевидной необходимость включения в учебный план подготовки инженеров в области электроники дисциплин, связанных с изучением основ обеспечения ЭМС. Совершенствование вычислительной техники

иметодов численного моделирования делает возможным создание эффективных программных средств для анализа ЭМС сложных устройств и систем. Как только схемотехники, конструкторы и технологи станут тесно знакомы с подобными принципами и методами, «учет требований ЭМС с начальных этапов» будет правилом, а не просто целью.

Контрольные вопросы к разделу

1.Чем объясняется важность обеспечения требований ЭМС в технических средствах? Какие последствия может вызвать их несоблюдение?

2.Назовите известные Вам уровни обеспечения ЭМС. Какие основные задачи решаются на каждом из них?

3.Какие три характерных элемента рассматривают при решении задачи обеспечения ЭМС? Назовите примеры, относящиеся к каждой из этих групп.

4.Какие четыре группы основных механизмов паразитных наводок принято выделять?

5.Чем обусловлено появление проблемы обеспечения ЭМС на раннем этапе развития беспроводной связи?

6.Что лежит в основе постоянного ужесточения нормативных требований

кизделиям электротехнической и электронной техники?

7.Какие пути более эффективного обеспечения требований ЭМС представляются Вам наиболее целесообразными?

14

2.ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ С СИГНАЛАМИ

ВЗАДАЧАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС

2.1.Представление сигналов во временной и частотной области

Электрические сигналы могут быть представлены как во временной, так и в частотной области. Во временной области напряжение или ток выражается как функция от времени, что изображено на рис. 2.1. Это привычное представление, с которым удобно работать большинству инженеров, поскольку именно в таком виде отображаются сигналы на экране осциллографа. Часто цифровой сигнал также описывается функцией от времени.

Кроме того, сигналы также могут быть представлены в частотной области, где они описываются амплитудой и фазой как функцией от частоты. Представление синусоидального сигнала во временной области изображено на рис. 2.2.

15

17

18

1

0.8

0.6

0.4

0.2

Рис. 2.9. Представление сигнала типа меандр во временной области

2.2. Децибел как основная единица измерения в области ЭМС

Для того чтобы общаться с инженерами на «одном языке», важно уметь легко переводить измеряемые величины в децибелы (дБ) и оперировать с ними. Децибелы позволяют в удобной форме составлять отношения между величинами, которые могут отличаться на много порядков [9]. Они также используются для выражения амплитуды тока или напряжения сигнала относительно заданного опорного уровня.

Отношение мощности P2 к P1 определяется как

19