1.3. Электромагнитная совместимость телеграфных линий связи

Слайд 10. Для передачи телеграфных сигналов с середины и до конца 19 века в основном использовали воздушные линии связи (ВЛС), которые представляли собой (впрочем, как и сегодня) голые медные проводники диаметром несколько миллиметров, подвешенные на опорах. С момента появления электромагнитного телеграфа протяженность ВЛС быстро растет. Обычно телеграфные аппараты были абонентскими устройствами коллективного пользования и устанавливались в правительственных учреждениях, почтамтах, редакциях газет, офисах предприятий и т.п.

Как правило, передача шла по однопроводной схеме. Роль второго провода выполняла Земля. При наличии нескольких цепей на одной опоре между цепями возникали взаимные помехи, которые при определенных условиях и при больших расстояниях могли приводить к ошибкам в передаче телеграфных сигналов, которые представляют собой кодированные символы.

Слайд 11. Рассмотрим взаимные влияния между однопроводными цепями длиной l подвешенными над Землей на высоте h (рис. 1.4).

Для упрощения считаем цепи прямолинейными. Расстояние между цепями примем равным d. Полагаем также, что по первой цепи (влияющей) протекает синусоидальный ток низкой частоты 

. (1.1)

Вокруг проводника с током возникает внешнее переменное магнитное поле с напряженностью

, (1.2)

где r – расстояние от оси первого проводника.

Рис.1.4. Взаимные влияния между однопроводными цепями.

Это поле создает переменный магнитный поток в контуре, образованном вторым проводником и землей. Пренебрегая в первом приближении толщиной проводников по сравнению с высотой подвеса и расстоянием между проводниками, для магнитного потока получим

, (1.3)

где ₀ =4 10 ^-7 Г/м – магнитная постоянная,

 - относительная магнитная проницаемость.

В уже упомянутом контуре в соответствии с законом электромагнитной индукции возникнет ЭДС помех

. (1.4)

Оценим отношение амплитуды тока помех в подверженной влиянию линии к амплитуде тока помех во влияющей линии, используя выражение (1.4).

, (1.5)

где R – сопротивление проводника с удельным сопротивлением  длиной l и радиусом r.

На рис.1.5 приведены результаты расчетов по выражению (1.5) для медных проводников радиусом r=0.5 мм, подвешенных на опоре высотой h=3 м.

Расчет проведен для режима короткого замыкания на дальнем конце, и для идеального источника питания с внутренним сопротивлением равным 0, т.е. при R₂₀→0, R_2l→0.

Проведенный расчет показывает, что при использовании телеграфных аппаратов Морзе (с телеграфным ключом) и даже 4-х канальных аппаратов Бодо, когда верхняя частота спектра сигнала не превышает несколько сотен Гц, помехи имеют сравнительно небольшую величину.

Рис.1.5. Относительная величина тока помех в телеграфной цепи

1.4. Телефон. Электромагнитная совместимость телеграфных и телефонных линий связи

Слайд 12.Услуги связи стали доступными значительной части населения только после изобретения в 1876 году американским инженером Александром Грехемом Беллом (1847-1922) телефонного аппарата. Основными элементами изобретенного аппарата были:

микрофон, преобразующий звуковые колебания воздуха, возникающие при разговоре, в электрическое напряжение, повторяющее изменения звукового давления,

телефон, преобразующий изменяющееся электрическое напряжение или ток в изменение звукового давления, воспринимаемое человеческим ухом, как звук,

электрическая дифференциальная схема, которая позволяла по одной двухпроводной линии передавать сигналы от микрофона первого абонента к телефону второго абонента, и одновременно принимать на телефон первого абонента из этой же линии сигнал от микрофона второго абонента.

В отличие от телеграфной связи коллективного пользования, телефонная связь с самого начала была ориентирована на отдельного абонента. Для обслуживания многих абонентов создавались многопроводные ВЛС, на опорах которых располагались и линии телеграфной связи. При этом резко обострились проблемы ЭМС, особенно между телефонными и телеграфными линиями.

Телефонные сигналы были маломощными (усилителей тогда не было) и на них большое внимание оказывали электромагнитные помехи от телеграфных (более мощных) сигналов. Относительный уровень тока помех из телеграфной цепи в телефонной цепи по отношению к току телефонного сигнала I_mс, наведенной из телеграфной цепи с амплитудой тока I_m можно оценить, используя тот же подход, который использовался при получения выражения (1.5).

. (1.6)

Относительный уровень помех в однопроводной телефонной цепи будет больше, чем в телеграфной (на рис.1.5) в раз, т.е. в 10-100 раз. Из-за высокого уровня взаимных влияний (помех) качество связи будет недопустимо низким.

Слайд 13. Для его повышения пришлось отказаться от однопроводных телефонных цепей и перейти к двухпроводным симметричным цепям, использующим два одинаковых проводника. Это повысило помехозащищенность телефонных цепей.

Рассмотрим взаимные влияния между однопроводной телеграфной цепью и симметричной телефонной (рис.1.6). Полагаем высоты повеса симметричных проводников равными h₁ и h₂, соответственно.

Рис.1.6. Схема взаимных влияний между однопроводной и симметричной цепями

Используя выражения и логику (1.1) – (1.4), определим ЭДС помех (амплитуду) в каждом проводнике симметричной пары

(1.7)

Уровень помех в каждом проводнике может достигать большой величины относительно Земли.

Однако уровень помех в симметричной цепи будет во много раз меньше, т.к. он определяется разностью близких значений. Будем полагать, что . Тогда из (1.7) можно записать

. (1.8)

Оценим отношение амплитуды тока помех в подверженной влиянию линии к амплитуде тока помех во влияющем проводе, используя упрощенное выражение (1.8).

. (1.9)

На рис.1.7 приведены результаты расчетов по выражению (1.9) для медных проводников радиусом r=0.5 мм, расположенных на расстоянии 0,2 м. подвешенных на одной опоре высотой . Расчеты показывают, что при небольшом расстоянии между симметричными проводниками, когда отношение стремится к 0, можно достичь высокой помехозащищенности телефонной цепи.

Рис.1.7. Относительная величина тока помех в телефонной цепи

Еще меньше будет уровень взаимных помех, если и влияющая цепь будет симметричной. Для уменьшения взаимных влияний на воздушных линиях связи, которые представляют собой симметричные цепи, стали использовать скрещивание двухпроводных цепей, т.е. изменение взаимного расположения проводников. При этом взаимные помехи от различных участков могут почти полностью компенсироваться. Также будут компенсироваться и внешние электромагнитные помехи.