Гизатуллин монография 1

(Vk , tk ) – критические параметры электромагнитной помехи (на-

пример, уровень динамической помехоустойчивости цифровых элементов).

Рис. 2.2. Топологическая модель для прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях

Путь взаимодействия кондуктивных помех в сети электропитания с элементами СВТ через вторичный источник питания в рамках данной работы не рассматривается, так как в соответствии со своими функциональными назначениями кабели сети электропитания соединены только с портом питания СВТ. Существующие результаты экспериментальных исследований и теоретические результаты показывают, что опасный для помехоустойчивости СВТ уровень электромагнитных помех в сети электропитания здания должно быть больше на несколько порядков, по сравнению с опас-

41

ным уровнем для информационных входов. Таким образом:

Z9 << Zik , что приводит к тому, что уровень взаимодействия по данной ветки топологической модели существенно меньше, чем по другим путям и в рамках данной работы его можно не рассматри-

вать: (Z1 + Z2 + Z3 )Z4 Z9 << Zik . Прогнозирование помехоустойчиво-

сти СВТ внутри здания при воздействии через сеть электропитания актуальна для случая кондуктивного воздействия, например, контактным способом.

2.2. Математические модели источников широкополосных электромагнитных воздействий

2.2.1. Электростатический разряд

При изготовлении и применении многих материалов имеющих низкую электропроводность протекают процессы электризации, в результате которых на поверхности взаимодействующих друг с другом тел накапливаются униполярные электрические заряды – статическое электричество. Сущность этого явления заключается в проявлении эффекта поляризации вещества [23, 182]. Импульсный разрядный ток возникающий при перетекании статического электричества из одного объекта в другую создает, в основном, проблемы с помехоустойчивостью СВТ. До 80 % отказов электронных средств, классифицируемых как превышение режима

впроизводстве, и 50 % в эксплуатации бывает обусловлено электрическими перенапряжениями, в том числе и ЭСР. Статическое электричество склонно собираться в самых неожиданных местах,

всамые неожиданные моменты времени. Оно невидимо, не имеет запаха и цвета (рис. 2.3).

Вызывающие опасные воздействия заряды статического электричества могут возникать различными путями. Однако при изготовлении и применении электрических элементов и приборов

42

существенны два механизма поляризации: за счет трения и индук-

ции [182].

Рис. 2.3. Повреждение электронных средств из-за воздействия ЭСР

На сегодняшний день, на практике, анализ воздействия ЭСР на СВТ осуществляется путем физических испытаний [169]. При испытаниях применяются ЭСР двух видов – контактные и воздушные [32, 182]. При всех достоинствах, экспериментальный метод исследования воздействия ЭСР имеет также множество существенных недостатков: разряд в воздушной среде нестабилен из-за зависимости его временных характеристик от параметров воздуха (влажность, давление), скорости сближения и других параметров, что снижает воспроизводимость результатов измерений [31, 33]; существенные материальные и финансовые затраты на проведение экспериментальных исследований; невозможно на ранних этапах разработки СВТ прогнозировать последствия воздействия ЭСР и принять необходимые меры еще «на бумаге», тем самым, предотвратив создание СВТ неспособных выполнять свои функции при воздействии ЭСР.

Исходя из этого, явление воздушных и контактных ЭСР можно промоделировать при помощи упрощенных эквивалентных схем (рис. 2.4) [182, 193 – 196]. При этом существенным моментом является подбор значений элементов эквивалентных схем. В [23, 39, 40, 197] рекомендуются различные значения параметров исходных

43

экспериментальных моделей, созданных для описания реальных процессов при ЭСР. При сравнении моделей источников воздушного и контактного разряда выясняется, что их разница заключается лишь в том, что в последнюю включается эквивалентная емкость ключа. Экспериментальные данные показывают, что ее величина находится в пределах всего 1 – 3 пФ [31] и, тем не менее, это сильно влияет на разрядный ток контактного ЭСР и оно существенно отличается от тока воздушного ЭСР [194]. В данных случаях необходимо также различать разряд с разнообразных заряженных объектов, например, с тела человека при различных операциях и с передвижных тележек, кресел в компьютерном или лабораторном помещении (табл. 2.1) [40].

44

Рис. 2.4. Упрощенные эквивалентные схемы источников воздушного (а)

и контактного ЭСР (б): U – высоковольтный источник заряда; Rз – сопротивление зарядной цепи; С – емкость источника ЭСР; R – сопротивление разрядной цепи; Ск – емкость ключа

В [15, 199] приведены формы разрядного тока, полученные при разряде с имитаторов ЭСР в специальные мишени, токовые шунты специальной конструкции. В общем случае напряжение

U(t) и ток I(t) разряда описывается уравнениями [11, 154]:

при начальных условиях I (0) = 0, U (0) = V0 . Если при этом разряд-

ное сопротивление R величина постоянная, эти уравнения принимают вид:

Среди форм токов ЭСР качественно можно выделить два типа: апериодические и имеющие колебательный характер. В общем случае, с учетом приведенных в табл. 2.1 параметров источников ЭСР, возможно выделить несколько случаев поведения тока разря-

да [32, 182, 200, 201].

Если R2 > 4L/C, что обычно имеет место для случая разряда ЭСР с тела человека, форма сигнала тока равна сумме двух зату-

хающих экспоненциальных характеристик. Для данного случая общее решение для импульса разрядного тока может быть пред-

ставлено в виде выражения [11, 12, 202]:

45

нормативные документы, которые регламентируют значение параметров элементов или устанавливают требования к форме тока разряда. Требования ГОСТ Р 51317.4.2-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Технические требования и методы испытаний» устанавливают для генератора-имитатора ЭСР: разрядное сопротивление R = 330 Ом; разрядную емкость С = 150 пФ и фронт нарастания тока ЭСР –

0,7 – 1 нс (рис. 2.6 и табл. 2.2) [169].

Рис. 2.5. Ток ЭСР

В ГОСТ Р 51317.4.2-99 также заданы уровни жесткости воздействия ЭСР, против которого должна быть защищена аппаратура (табл. 2.3). Там оговариваются четыре уровня жесткости. Один из крайних случаев относится к помещению для СВТ с контролируемым уровнем влажности и антистатическими поверхностями, другой крайний случай – удаленная контрольная станция без конди-

47

ционирования воздуха и специальных средств защиты. Требования ГОСТ Р 51317.4.2-99 являются обязательными при сертификации СВТ.

Рис. 2.6. Форма тока ЭСР на выходе испытательного генератора по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Для моделирования данной формы тока ЭСР предлагается следующая математическая модель:

48

где I1 – I 3 – коэффициенты определяющие величину тока; τ1 – τ6, p, q, s – коэффициенты определяющие требуемую форму тока. Например, параметры для второй степени жесткости испытаний: I1= 25;

I2=80; I3 = 8; τ1 = 0,4; τ2 = 3,708; τ3 = 30; τ4 = 10,91; τ5 = 10; τ6 = 74,76; p = 5,93; q = 2; s = 2.

Также, для проведения исследований воздействия ЭСР на СВТ путем численных экспериментов может быть предложена имитационная модель источника (рис. 2.7, а). Модель базируется на имитации физических параметрах генератора-имитатора ЭСР используемого при испытаниях СВТ. Схемотехнически, данная модель источника может быть представлена следующим образом

(рис. 2.7, б) [201].

Рис. 2.7. Модель источника ЭСР:

а– графическое представление; б – в виде эквивалентной схемы

Влитературе не встречается целостного анализа путей воз-

действия ЭСР на цифровые СВТ, поэтому проведем классифика-

цию электромагнитных помех образованных при ЭСР и механиз-

мов их воздействия на цифровые элементы СВТ (рис. 2.8) [182].

Как видно из рис. 2.8, можно выделить следующие основные ме-

ханизмы воздействия ЭСР на цифровые элементы СВТ:

1.Непосредственный на цифровые элементы СВТ.

2.Прямое воздействие ЭСР на СВТ (корпус и т.п.) и помехи образованные за счет тока искрового промежутка разряда.

49

3.Прямое воздействие ЭСР на СВТ (корпус и т.п.) и помехи образованные за счет токов растекания по некоторым элементам конструкции СВТ.

4.Косвенный, на некоторые объекты около СВТ, и помехи образованные за счет тока искрового промежутка разряда.

5.Косвенный, на некоторые объекты около СВТ, и помехи об-

разованные за счет токов растекания по конструкции этого объекта.

Рис. 2.8. Электромагнитные помехи и механизмы воздействия ЭСР

При первом механизме влияния ЭСР, заряженное тело разряжается на выводы, корпус цифрового элемента или на межсо-

50