Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электромагнитной совместимости. Учебно-методическое пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
В. В. Глотов
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
Учебно-методическое пособие
Воронеж 2024
1
УДК 6
УДК 621.396.6(075.8)
ББК 31.2я7
ISBN 978-5-7731-1151-1
© Глотов В. В., 2024
университет», 2024
21.396.6(075.8)
ББК 31.2я7
Г548
Рецензенты:
кафедра электроники Воронежского государственного университета
(зав. кафедрой, д-р физ.-мат. наук, доцент Г. К. Усков);
С. М. Федоров, канд. техн. наук, доцент кафедры информационной
безопасности и систем связи Международного института компьютерных
технологий (г. Воронеж)
Глотов, В. В.
Основы электромагнитной совместимости: учебно-методическое
Г548
пособие [Электронный ресурс]. Электрон. текстовые и граф. данные
(2,3 Мб) / В. В. Глотов. − Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический университет», 2024. – 1 электрон. опт.
диск (D
VD-ROM): цв. – Сиcтем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб
ОЗУ; Windows 10; SVGA c разрешением экрана 1024х768; Adobe
Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-7731-1151-1
Учебно-методическое пособие разработано с целью организации
процесса подготовки обучающихся по дисциплине «Основы конструирования и
технологии производства РЭС». Рассматриваются этапы становления и
развития электромагнитной совместимости, место и значение
электромагнитной совместимости, а также теоретические основы
внутриаппаратурного подхода к проблеме электромагнитной совместимости,
видов помех, методов борьбы с помехами, технических способов и средств
защиты от помех, обеспечения и технических способов электромагнитной
совместимости, организационных мероприятий обеспечения электромагнитной
совместимости.
П
редназначено для студентов специальности 11.05.01.
«Радиоэлектронные системы и комплексы» (специализация «Радиоэлектронные
системы передачи информации»).
Ил. 22. Табл. 4. Библиогр.: 7 назв.
Издается по решению редакционно-издательского совета
Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВО «Воронежский
государственный технический
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение……………………………………………………………………….
4
1. Обзор и анализ исследований в области
электромагнитной совместимости ……………………………………………
5
1.1. Физические основы возникновения, существования и распространения
электромагнитных полей……………………………………………………….
5
1.2. Влияние электромагнитной совместимости на работу и
функционирование радиоэлектронных средств………………………………
9 1.3. Технические решения для сбора и анализа данных об
электромагнитной совместимости…………………………………………….
12
1.4. Существующие проблемы с электромагнитными помехами…………….
15
2. Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости……………….
16
2.1. Излучение…………………………………………………………………...
16
2.2. Нарушения электроснабжения…………………………………………….
16
2.3. Радиочастотные помехи……………………………………………………
17
2.4. Электростатический разряд………………………………………………..
18
3. Источники и рецепторы электромагнитной совместимости………………
19
3.1. Заземление…………………………………………………………………...
19
3.2. Экранирование……………………………………………………………...
26
4. Методы испытаний на электромагнитные помехи и электромагнитную
совместимость…………………………………………………………………...
31
4.1. Преобразование дальнего поля в ближнее поле для эквивалентного
моделирования излучений……………………………………………………
41
4.2. Диадическая функция Грина для сферы идеального магнитопровода….
43
4.3.
Диадическая функция Грина для полусферы на основании
идеального электрического проводника…………………………………..
45
5. Моделирование электромагнитной помех антенны в ближней и дальней
зоне…………………………………………………………………….................
48
5.1. Эквивалентное моделирование для оценки электромагнитной
совместимости антенны………………………………………………………..
49
5.2. Кроссполярная компонента излучаемого электромагнитного поля……..
50
5.3. Волновой импеданс излучаемого поля вокруг антенны………………….
53
Заключение……………………………………………………………………….
56
Библиографический список……………………………………………………..
57
3
ВВЕДЕНИЕ
По существующему определению электромагнитная совместимость
(ЭМС) – это способность радиоэлектронных средств (РЭС) в полной мере
функционировать в заданной электромагнитной обстановке (ЭМО) и не
создавать электромагнитные помехи (ЭМП) другим РЭС [1]. При этом под РЭС
существующий ГОСТ подразумевает любое электротехническое, электронное и
радиоэлектронное изделие, а также любое изделие, содержащее электрические
и/или электронные составные части. Этот же ГОСТ дает определение ЭМП
РЭС как способность сохранять заданное качество функционирования при
воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями
параметров [2].
В последнее время обеспечение ЭМС все чаще упоминается в научной и
технической литературе. У производителей электроники идет активная фаза
проработка ЭМС как о неотъемлемой части при разработки изделий, которая
постоянно ужесточается нормативными документами. По вопросам
обеспечения ЭМС проводится большое число мастер-классов, семинаров и
курсов повышения квалификации, так как существует несколько
задокументированных несчастных случаев, которые так или иначе связаны с
проблемами обеспечения ЭМС.
ЭМС имеет решающее значение для успешной эксплуатации электроннопромышленных систем. В связи с увеличением электронного наполнения
большинства промышленных систем управления в последние годы резко
возросли проблемы с электромагнитными помехами. Существуют два ключа к
успеху в области ЭМС — это заземление и экранирование. В этом учебнометодическом пособии кратко описано, как реализовать эти две важнейшие
задачи обеспечения ЭМС. Это также даст общее представление о проблемах
ЭМП в современных промышленных электронных системах. Основной акцент
будет сделан на практических выводах и идеях, полученных при решении
многочисленных проблем промышленного контроля в области ЭМС.
4
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ
1.1. Физические основы возникновения, существования
и распространения электромагнитных полей
При анализе основных характеристик ЭМС используются такие термины,
как − электрическое поле, магнитное поле и электромагнитное поле. Первое
создается электрическими зарядами, а второе создается при движении по
проводнику электрических зарядов.
На рис. 1.1, а изображено магнитное поле, которое характеризуется
напряженностью магнитного поля и измеряется в А/м.
На рис. 1.1, б изображено электрическое поле характеризуется
напряженностью электрического поля, к которой применяется единица
измерения В/м.
На рис. 1.1, в изображено электромагнитное поле, которое является
результатом взаимодействия электрического поля (E) и магнитного поля (H).
Так же при измерении сверхнизких и крайне низких частот часто
применяется термин магнитная индукция, единица измерения которой является
Тесла.
а) б) в)
Рис. 1.1. Изображение полей: а) магнитное поле; б) электрическое поле;
в) электромагнитное поле
По существующему определению, электромагнитное поле − это особая
форма материи, с помощью которой осуществляется взаимодействие между
электрическими заряженными частицами. Физические основания
существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во
времени электрическое поле (Е) порождает магнитное поле (Н), а
изменяющееся магнитное поле − вихревое электрическое поле. Основными
параметрами электромагнитного поля являются - длина волны (λ) и частота (f).
При рассмотрении вопросов ЭМИ основным показателем является зона, в
которой происходят данные излучения. На рис. 1.2 представлено графическое
изображение ближней и дальней зоны, зависящее от расстояния до источника.
На расстоянии от источника, излучающего помехи, равном r < 1 –
5
является ближняя зона, в которой присутствуют две составляющие: магнитная
(Н) и электрическая (Е) индукция. Дальнее поле имеет расстояние от
излучающего источника – r> 2, тут электрическая и магнитная составляющие
сформировались в плоскую волну.
Рис. 1.2. Распределение ближней и дальней зоны
Волновое сопротивление – это величина, характеризующая отношение
амплитуды напряжённости магнитного и электрического поля в вакууме, и она
равна Z= 377 Ом:
Z=
=
· c = 119,9169832 · π Гн/м · м/с ≈ 120 · π · Ом . (1.1)
Так при правильной постановке систем уравнений из нее должны
вытекать все свойства электромагнитного поля - как изученные, так и не
изученные.
Подобным способом, концепция ключевых уравнений предполагает
собою, по сути, точную формулировку ключевых постулатов либо «аксиом»
традиционной электродинамики, исполняющих в ней ту же значимость,
которую в традиционной механике представляют истины Ньютона [3]. При
исследовании ЭМС на внутриаппаратурном уровне были применены
следующие постулаты:
- все тела в поле − неподвижны;
- величина, отражающая свойства среды в каждой точке поля, остается
неизменной (то есть не изменяется со временем и не зависит от напряженности
поля);
6
- постоянные магниты и ферромагнетики в поле отсутствуют.
Так же при изучении ближнего поля конструкций РЭС на
внутриаппаратурном уровне ЭМС были исключены тепловые параметры –
выделение и поглощение тепла при поляризации и намагничивании среды.
В середине 19 века Д. Максвеллом было получено четыре
дифференциальных уравнения для описания электромагнитного поля в
вакууме.
Основным уравнением Максвелла считается уравнение, определяющее
отношение вихря магнитного поля от плотности токов проводимости и токов
смещения:
rotH =
·
·
+
j , (1.2)
где H — напряжённость магнитного поля (А/м);D — электрическая
индукция (Кл/м²); B — магнитная индукция (Тл); rot — дифференциальный
оператор ротора.
Вторым основным уравнением считается закон индукции электрического
поля при изменении магнитного поля:
rotH=-
j ·
, (1.3)
где E — напряжённость электрического поля (В/м).
При добавлении добавочных функций в основные уравнения Максвелла
появляются дополнительные уравнения электромагнитного поля.
Также уравнения (1.2) и (1.3) дают начальные условия при
интегрировании. Приравнивая данную функцию к нулю во всех точках
электромагнитного поля, получим 3-е основное уравнение Максвелла:
rotЕ =
·
, (1.4)
где B — магнитная индукция (Тл)
.
Получившуюся дивергенцию от уравнения (1.2) прировняли к нулю,
изменив порядок дифференцирования по пространственным координатам и по
времени, получив:
4 · div +
·divD = 0 , (1.5)
где div — дифференциальный оператор дивергенции.
7
Если обозначить через формулу:
divD = 4 · π ·ρ, (1.6)
где ρ – плотность электрического заряда(Кл/м³); j – плотность
электрического тока(А/м²);
Предшествующее уравнение примет вид:
divj =
-
. (1.7)
Полученное выражение можно определить, как плотность электрических
зарядов, так как оно эквивалентно закону сохранения электричества.
Согласно фарадей-максвелловой теории об электрических зарядах,
которые находятся внутри непроводящей замкнутой среды - заряды не
изменяются во времени, так как представляют собой «узлы» силовых линий
поля.
В формуле (1.8) показаны соотношения основных параметров
электромагнитного поля, которые являются так же дополнениями к уравнениям
Максвелла.
D = ε · E , B = μ · H , j = λ · (E + Е
СТР
) . (1.8)
Концепция уравнений электромагнитного поля получит основное физическое
содержание только когда будет явно отмечено, в каких проявлениях, доступных
экспериментальным путем либо наблюдением, проявляется существование
электромагнитного поля. Основываясь на основном принципе сохранения
энергии, мы делаем вывод, что возникновение или исчезновение любых форм
энергии, происходит за счет преобразования энергии электромагнитного поля.
В теории Максвелла описывается определенная зависимость полученной
энергии от напряженности поля следующим образом:
W=
·E·dV =
·
·
·H·dV.
(1.9)
При совокупности всех уравнений получается определенный физический
смысл, доступный к проверке экспериментальным путем[4].
Для точного определения напряженности поля по заданным условиям и
удовлетворения слагающих электромагнитных векторов, необходимо ввести в
полученную систему граничные условия.
Введя граничные условия, необходимо учитывать такие факторы:
плотность тока всюду оставалась одинаковой; смежные среды с различными
значениями величин переходным слоем конечной толщины, в которой значения
этих величин изменялись непрерывно. Чтобы полученные граничные условия
были справедливы, необходимо толщину переходных слоев приравнивать к
8
нулю. По итогам введения ограничений было получено два граничных условия:
divB= В2п - В1п = 0, (1.10)
divD= D2n– D1n= 4 · π · σ, (1.11)
Из уравнения непрерывности, являющегоcя следствием, получим
аналогичным путем:
divj= j2n– j1n= -
. (1.12)
Это совпадает с уравнением (1.7). В формулах (1.13) и (1.14)
представлены полученные граничные условия:
rotH= [π · (H2 – H1)] =
·
·j . (1.13)
rotE= [ π ·(Е2- Е1)]=0 . (1.14)
Полученные условия совпадают с уравнениями (1.1) и (1.2), значит:
E2t = E1t, (1.15)
где Е – направление, касательное к поверхности разрыва. При отсутствии
поверхностных электрических токов уравнение может быть записано:
H2t= H1t, (i =0) . (1.16)
Принимая во внимания граничные условия, помимо основных условий на
поверхностях разрыва, а так же решения дифференциальных уравнений,
определяется по начальным условиям, когда функция от времени находится в
точках одной области. Разработанная Д. Максвеллом системы уравнений со
всеми ограничениями есть полная система, с помощью которой можно
рассчитать электромагнитное поле в любой точке зоны по заданным граничным
условиям.
1.2. Влияние электромагнитной совместимости на работу
и функционирование радиоэлектронных средств
По существующему определению, ЭМС – это способность РЭС в полной
мере функционировать в заданной ЭМО и не создавать ЭМП другим РЭС. При
этом под РЭС существующий ГОСТ подразумевает любое электротехническое,
электронное и радиоэлектронное изделие, а также любое изделие, содержащее
электрические и/или электронные составные части. Этот же ГОСТ дает
определение ЭМП РЭС как способность сохранять заданное качество
9
функционирования при воздействии на него внешних помех с
регламентируемыми значениями параметров.
В последнее время обеспечение ЭМС все чаще упоминается в научной и
технической литературе, производители электроники все чаще говорят об ЭМС
как о неотъемлемой части разработки изделий, постоянно развиваются и
ужесточаются нормативные документы в части обеспечения ЭМС, проводится
большое число мастер-классов, семинаров и курсов повышения квалификации,
посвященных этому вопросу, так как существует несколько
задокументированных несчастных случаев, которые так или иначе связаны с
проблемами обеспечения ЭМС.
В 1996 году самолет Boeing 747, выполняющий международный
пассажирский рейс TWA800 между Нью-Йорком и Парижем, взорвался через
12 минут после взлёта. Все 230 человек, находившиеся на борту, погибли.
После длительного расследования, включающего поиски и
реконструкцию основных частей самолета, было установлено, что наиболее
вероятной причиной взрыва является искра в топливном баке, воспламенившая
воздушно-топливную смесь. Эта искра была прямым следствием большого
скачка напряжения из-за переходных процессов во внешних цепях или
электростатического разряда.
В 2007 году в ходе исследований, проведенных учеными Амстердамского
университета, было задокументировано около 50-ти случаев электромагнитного
влияния сотовых телефонов на медицинское оборудование, работающее в
больницах, из которых 75 % были оценены как значительные или опасные.
Данные, опубликованные в 2008 году наглядно показали, что
электромагнитные помехи от RFID-устройств также могут быть
потенциальными причинами сбоев в работе медицинского оборудования.
Отмечен случай самопроизвольного срабатывания управляющей
автоматики на ядерной электростанции Nine Mile Point в США из-за
электромагнитных помех, вызванными служебными радиостанциями
обслуживающего персонала. Несмотря на огромные усилия, прилагаемые для
обеспечения безопасности при проектировании и создании атомных
электростанций, достаточно слабое излучение от обычной носимой
радиостанции привело к серьезному сбою в работе.
В большинстве случаев, одной из главных причин многих несчастных
случаев, а так же больших экономических катастроф являются проблемы,
связанные с обеспечением ЭМС РЭС.
Современным инженерам − проектировщикам РЭС для выхода на новый
уровень разработки РЭС и для эффективной борьбы с конкуренцией
необходимо повышать свои требования к квалификации по внедрению новых
подходов и методов обеспечения ЭМС на внутриаппаратурном уровне из-за
усовершенствования и миниатюризации электрорадиоэлементов (ЭРЭ).
При проектировании новых РЭС для инженера-конструктора и инженерапроектировщика должен создаваться полный обзор электромагнитной
обстановки в разрабатываемом устройстве. Разработчику на ранних стадиях
разработки РЭС необходимо принимать во внимание особенности
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]