Гизатуллин монография 1

единения на печатной плате СВТ. Это может иметь место при обслуживании, изготовлении, испытаниях, проверке и ремонте СВТ. Форма кривых тока, а особенно фронт импульса имеют очень сложный вид. В этом случае предложено выделить три вида поведения цифрового элемента, в зависимости от напряжения ЭСР и типа элементной базы, при прочих равных условиях [182]:

1.Потенциал источника разряда относительно низкий, т.е. когда энергия разрядного импульса очень мала, из-за его малой длительности при ЭСР. При этом функционирование элемента не нарушается (критерий качества функционирования – А).

2.Напряжение разряжающегося тела находится в определенном диапазоне, начиная со значения нижней границы которого, происходит временное нарушение функционирования, т.е. ложное срабатывание цифрового элемента (критерий качества функционирования – В, С) .

3.Напряжение источника ЭСР больше некоторой критической величины, при котором уже необходим расчет на предмет повреждения цифрового элемента (критерий качества функционирования – D).

Как видно, дополнительного анализа требуют второй и третий случаи. Для третьего случая, в независимости, где находится цифровой элемент – установлен на печатную плату или находится отдельно, требуется дополнительный анализ на предмет повреждения. Анализ данного случая приведен в [36] с применением методики с кривой Бунша – Белла. С учетом того, что наиболее чувствительным к ЭСР является цифровой элемент на основе МОП технологий, на основе работы [34] исследованы схемы встроенной защиты цифровых элементов. Путем моделирования на программном комплексе ПА-9, автором проанализированы эффективности работы нескольких схем защиты КМОП элементов.

Второй механизм – прямое воздействие ЭСР на СВТ. При этом ЭСР может воздействовать на любую точку или поверхность СВТ, которые доступны обслуживающему или эксплуатирующему

51

персоналу. Например, при испытаниях на воздействие ЭСР рекомендуется проводить разряды на следующие точки: любые точки на корпусе СВТ; точки на панели управления или на клавиатуре; на переключатели, кнопки или другие доступные для оператора места; индикаторы, светодиоды, решетки, корпуса соединителей и др. [169]. В этом случае образование помехи обусловлено непосредственно током разрядного промежутка ЭСР [9, 172]. Этот случай характерен для ЭСР между диэлектрическими телами. При этом если заряд стекает на другое изолированное тело, искра или ток разряда прерывается тогда, когда тела примут новый, равный потенциал U* который вычисляется по формуле [23]:

где Q – заряд накопленный на теле, Кл; С – емкость разряжаемого тела, Ф; Сз – емкость заряжаемого тела, Ф.

В данном случае ЭСР создает пространственные электромагнитные помехи – импульсные электрические и магнитные поля ближней зоны, импульсные электромагнитные поля дальней зоны. Кондуктивные и пространственные электромагнитные помехи, факторы ЭСР, имеют импульсный характер, описываются непрерывной спектральной функцией и поэтому при решении задач прогнозирования помехоустойчивости возникает неопределенность

вопределении границ ближней (индукционной) и дальней зон распространения электромагнитных помех. Данная задача решается

в[25, 28]. В этом случае, источник помехи в виде тока разрядного промежутка ЭСР, рассматривается в виде элементарного вибратора Герца.

Третий механизм – прямое воздействие ЭСР на СВТ и помеха обусловлена токами растекания по некоторым элементам конструкции. При этом также ЭСР может воздействовать на любую точку или поверхность СВТ, но поверхность является проводящий, например, непосредственно на металлический корпус СВТ и по

52

которому происходит стекание зарядов с заряженного тела. Эти токи являются наиболее существенными непосредственными источниками помех при ЭСР. В данном случае возникают конструкционные токи, которые могут создавать также кондуктивные помехи по шинам заземления или питания. Эти первичные конструкционные токи также создают и вторичные пространственные помехи [27]. Анализ этой задачи практически нельзя провести аналитическим путем, так как конструкция, по которой течет ток ЭСР, имеет довольно сложную конфигурацию и трудно однозначно определить распределение токов, тем более определить какой формы получается электромагнитная помеха в линиях связи. Имеются несколько литературных источников, в которых, сделана попытка решения этой задачи в упрощенном виде. Например, в [17] рассмотрен случай, когда непосредственным источником электромагнитных помех является петля внутри корпуса, который не отражает реального распределение токов по корпусу и контур в печатной плате представлен в виде некого контура в воздухе, т.е. не учитывается конструкция печатной платы и т.п. Поэтому, в основном, в литературе приводятся только результаты экспериментальных исследований [9, 20].

Четвертый механизм – косвенное воздействие ЭСР. В данном случае ЭСР происходит на некоторые близлежащие изолированные, непроводящие объекты (другие изолированные СВТ, любое оборудование или диэлектрические предметы и т.п.). При этом непосредственно электромагнитная помеха обусловлена током искрового промежутка ЭСР. В этом случае ЭСР создает вторичные электромагнитные помехи [27].

Пятый механизм воздействия – косвенное воздействие ЭСР на СВТ и помеха обусловлена токами растекания по некоторым элементам объекта, на который происходит ЭСР. Например, этими объектами могут быть другие СВТ, металлические конструкции и т.п.

Вданном случае ЭСР создает первичные конструкционные токи и вторичные пространственные электромагнитные помехи.

ВГОСТ 51317.4.2-99, в случае, когда испытуемое СВТ имеет пла-

53

стмассовый корпус предусмотрено испытание СВТ путем воздействия ЭСР на вертикальную и горизонтальную металлические пластины связи [169, 203]. При этом вертикальная пластина связи поочередно устанавливается на четырех сторонах СВТ на расстоянии 10 см. Горизонтальная пластина связи устанавливается под испытуемое СВТ и заземляется.

Проведя такую классификацию, становится ясно, что имеется несколько существенно отличных, возможных путей воздействия, но среди них необходимо выделить наиболее опасные и дальнейшие исследования проводить по данным направлениям. После анализа данных механизмов можно выделить, что из всех приведенных механизмов наиболее опасными для помехоустойчивости СВТ являются механизмы №1, №3 и №5, в том числе и в случае ЭСР на пластины связи. Это объясняется следующим образом. Во первых, механизм №1 – непосредственное воздействие ЭСР на входы цифровых элементов возможно в случае прямого доступа ЭСР во внутрь корпуса СВТ. При этом анализ на предмет повреждения проводится по методике, приведенной в [36]. В механизмах № 2 и № 4, как утверждают многие авторы [9, 172], непосредственным источником электромагнитной помехи является искровой промежуток, длина искры которой колеблется от долей до нескольких миллиметров, т.е. непосредственно излучающая часть имеет весьма маленькие размеры по сравнению с элементами конструкции, по которым могут проходить токи растекания. Во вторых, для случая с токами растекания, ток имеет сложный колебательный характер. Это утверждение наглядно демонстрирует результаты экспериментальных исследований приведенных в [31].

2.2.2. Разряд молнии

Разряд молнии может содержать либо единственный импульс тока, либо состоять из последовательности импульсов, разделенных промежутками времени, за которые протекает слабый

54

сопровождающий ток. Каждый компонент представляет собой импульс тока сложной формы (рис. 2.9). При этом параметры импульса тока первого компонента существенно выше характеристик импульсов последующих компонентов. В 70 – 80 % случаев этот заряд имеет отрицательную полярность [6, 204].

В целом, ток разряда молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием от нуля до максимума (фронт импульса) и сравнительно медленным спадом. Параметры тока разряда молнии носят вероятностный характер и во многом определяются значениями таких величин как заряд и высота облака, проводимость грунта, влажность, атмосферное давление и т.д. В специальной литературе [48, 51, 55, 56] предлагаются расчетные параметры разряда молнии, полученные путем многократных измерений.

Рис. 2.9. Отдельные стадии развития разряда молнии и изменение во времени тока молнии: А – начальная стадия лидерного разряда; Б – последняя стадия лидерного разряда; В – возникновение зоны интенсивной ионизации вблизи поверхности земли; Г – промежуточная стадия развития обратного разряда; Д – заключительная стадия развития обратного разряда; 1 – канал лидера; 2 – зона перестройки канала; 3 – канал обратного разряда

Для моделирования ЭМИ разряда молнии может быть использована экспоненциальная [6] или полиномиальная модель [57, 58]. В данной работе предлагается использовать полиномиальную модель, предложенную в [57, 205, 206]:

55

I (t ) = (Im (t / t1 )10 × exp (-t / t2 ))h× (1 + (t / t1 )10 ),

где Im – максимальная амплитуда тока, А; τ1 – постоянная времени фронта; τ2 – постоянная времени полуспада; η – коэффициент, корректирующий значение амплитуды тока. В табл. 2.4 приведены параметры полиномиальной модели тока разряда молнии [51]. В литературе [6, 207] также рекомендуются максимальные уровни величины тока разряда молнии. Хотя, как видно из рис. 2.10, а, данные величины взяты с очень большим запасом, так как в реальности такие большие величины разрядного тока встречаются крайне редко [6]. На рис. 2.10, б представлен импульс тока, построенный на основе этой модели (6 тип импульса).

Рис. 2.10. Кривая вероятности процентного распределения амплитуды тока молнии (а) и импульс тока разряда молнии (б, нормированный)

56

В литературе встречаются несколько различных подходов при расчете ЭМИ разряда молнии. Многие авторы предлагают рассматривать канал молнии как множество диполей (дипольный метод), линейные размеры которых настолько малы, что изменением поля вдоль диполя можно пренебречь [208]. Согласно данному методу напряженности электрического и магнитного поля рассчитываются по формулам:

где Z0 – волновое сопротивление среды ( Z0 = 120π Ом); Lmax –

длина канала молнии; r – расстояние от точки наблюдения до середины канала молнии; с – скорость света; q(t) – заряд, переносимый током молнии; i(t) – импульс тока молнии; θ – угол между каналом молнии и направлением объект воздействия; dl – длина элементарного диполя.

Кроме того, существует так называемый монопольный метод, рассматривающий канал молнии как множество элементов тока [209]:

57

Как показано в [209] решение любым из этих методов приводит к одному результату с погрешностью не более 15 %. При этом излучаемое каналом молнии электрическое поле, имеет две составляющих – вертикальную и горизонтальную. Уравнения электрических полей в точке наблюдения P(r, φ, z) над поверхностью земли имеют вид [56, 205]:

58

точки наблюдения; с – скорость света; ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума. Напряженность магнитного поля предлагается вычислять согласно уравнению:

Плотность потока магнитного поля находится из уравнения среды [123]:

В конечном итоге, для обеспечения требований помехоустойчивости цифровых СВТ внутри зданий источники электромагнитных помех в основном интересуют разработчиков с точки зрения создания областей с неблагоприятными условиями для их функционирования. Исходя из этого, можно выделить два основных механизма воздействия ЭМИ разряда молнии на СВТ внутри зданий.

Прямое воздействие разряда молнии на элементы конструкции или систему молниезащиты здания создает очень сильные напряженности магнитного поля внутри помещений и, в большинстве случаев, это приводит к необратимым разрушениям цифровых элементов СВТ. Но вероятность данного воздействия достаточно мала, особенно по сравнению со следующим механизмом, который имеет место, в той или иной мере, при каждом разряде молнии. Что касается испытания современных СВТ на воздействие импульсных магнитных полей создаваемых молниевыми разрядами на здания или любые металлические конструкции, разработан ГОСТ Р 50649-94 (МЭК 1000-4-9-93) «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к импульсному магнитному полю. Технические требования и методы испытаний». Данным нормативным документом определяются следующие параметры воздействия импульсных магнитных полей (табл. 2.5) [210].

59

Таблица 2.5

Значение напряженности импульсного магнитного поля при испытаниях

При этом испытательный генератор имеет следующие параметры выходного импульса тока: длительность фронта 6,4 ± 30 %, мкс; длительность импульса на уровне 0,5 – 16 ± 30 % мкс; полярность импульса – положительная и отрицательная. Непосредственно, импульсное магнитное поле вокруг СВТ создается одинарной или двойной (катушки Гельмгольца) катушкой с определенными размерами [210].

Косвенное воздействие ЭМИ разряда молнии на СВТ внутри зданий подразделяется на область ближней и дальней зоны. Электромагнитное влияние разряда молнии в ближней зоне относится к расстояниям до точки наблюдения соизмеримым с длиной его канала. Как правило, граница этой области определяется расстоянием до 3…5 км от канала молнии [6]. Математически данная область описывается следующим образом: r / Z < 1, где r – расстояние от канала молнии до точки наблюдения, Z – высота канала молнии. Ближняя зона, называемая также зоной Френеля – это зона, ограниченная расстоянием до десяти длин волн, излучаемых источником. В этой зоне существует так называемое связанное нестационарное электромагнитное поле.

По мере удаления от канала разряда молнии электромагнитные поля излучения затухают по амплитуде со скоростью, обратно пропорциональной расстоянию, изменяясь по своей качественной структуре и для расстояния r / Z >> 1, существенно отлича-

60