Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электромагнитной совместимости. Учебно-методическое пособие
.pdf
подключение даже не требуется на более высоких частотах, где паразитная
емкость или индуктивность могут составлять часть пути заземления.
Заземления используются по многим причинам, включая питание,
безопасность, молнию, электромагнитные помехи и электростатические
разряды. Хотя они могут выполнять общие функции, они могут сильно
различаться, когда речь заходит о частотах и амплитудах тока. Признание этих
ключевых различий является ключом к пониманию проблем заземления.
В табл. 3.2 приведены некоторые требования к частоте и амплитуде для
нескольких различных типов заземлений. Обратите внимание, что площадки
питания и безопасности должны выдерживать высокие токи, но только на
низких частотах. С другой стороны, заземления для электромагнитных помех и
электростатических разрядов часто должны выдерживать высокие частоты при
относительно низких уровнях тока. Громоотводы должны выдерживать
чрезвычайно высокие токи, но при умеренных температурах.
Частота переходных событий рассчитывается по формуле:
f = 1/(πt
) , (3.1)
r
где f – эквивалентная частота, а t
– время переходного нарастания/спада.
r
Эта зависимость может быть выведена с помощью анализа Фурье.
Например, электростатический разряд имеет эквивалентную частоту около 300
МГц, основанную на типичном времени нарастания 1 нс, а молния имеет
эквивалентную частоту около 300 кГц, основанную на времени нарастания 1 мкс.
Обратите внимание, что из всех этих типов заземлений только один на
самом деле нуждается в контакте с Землей — молния. Другие заземления могут
быть подключены к Земле по соглашению или по другим соображениям
безопасности. Например, силовые нейтрали подключены к Земле во многих
частях мира, чтобы помочь обеспечить молниезащиту. С другой стороны, во
многих других частях мира энергосистемы не имеют заземления. При работе с
силовым заземлением соответствующие методы заземления определяются
местными нормами безопасности.
Хорошее заземление должно иметь достаточно низкий импеданс, чтобы
свести к минимуму падение напряжения в системе заземления, и должно
обеспечивать предпочтительный путь прохождения тока. Ключом к успеху
является поддержание этого низкого импеданса во всем интересующем
диапазоне частот. Мы не можем переоценить этот момент. Большинство
проблем с заземлением от электромагнитных помех возникают из-за
использования неправильного подхода для данного диапазона [8].
Импеданс заземляющего проводника состоит как из сопротивления, так и
из индуктивности (Z = R + jωL). Для частот от постоянного тока примерно до
10 кГц сопротивление является основным фактором, поэтому для
низкочастотных заземляющих проводников часто используются провода с
большим калибром. Однако с увеличением частоты индуктивность становится
21
ограничивающим фактором для импеданса. Как правило, индуктивность для
Толщина
Ом/м
мГн/м
10 кГц
1 МГц
100 МГц
10
0,0033
1,01
0,006
0,63
63
12
0,0052
1,05
0,007
0,66
66
14
0,0083
1,10
0,007
0,69
69
16
0,0132
1,15
0.007
0,72
72
18
0,0209
1,19
0,007
0,75
75
20
0.0333
1,24
0,008
0,78
78
22
0,0530
1,29
0,009
0,81
81
24
0,0842
1,33
0,010
0,84
84
26
0,1339
1,38
0,012
0,87
87
28
0,1688
1,40
0,019
0,88
88
30
0,2129
1,43
0,022
0,90
90
круглых проводов находится в диапазоне 10 нГн/см.
В табл. 3.2 приведены сопротивление, индуктивность и индуктивнореактивное сопротивление для типичных размеров проводов, используемых в
силовых и сигнальных цепях приборов. Очевидно, что на частотах питания и
звука (от постоянного тока до 10 кГц) сопротивление является доминирующим
фактором в импедансе заземления. Таким образом, на низких частотах ищите
способы уменьшить сопротивление, обычно используя провода большего
размера. На частотах выше звукового диапазона (>10 кГц) индуктивность
становится доминирующим фактором в импедансе заземления. Таким образом,
на более высоких частотах ищите способы уменьшить индуктивность
заземляющего тракта. Это достигается за счет использования плоскостей
заземления, сеток и ремней для снижения индуктивности.
Таблица 3.2
Параметры импеданса для проводов длиной 10 см
В табл. 3.3 приведены импедансы для плоскостей твердого заземления на
различных частотах. В этом случае импедансы указаны в «омах на квадрат»,
что является мерой импеданса на диагональной поверхности.
Сравнивая это с табл. 3.2, можно увидеть, что на высоких частотах (таких
как 100 МГц) импеданс плоскости заземления может быть на несколько
порядков ниже импеданса провода.
Кроме того, на высоких частотах толщина не является фактическим
значением r, поскольку импеданс ограничен скин-эффектом.
22
Значения импеданса для импеданса плоскости заземления
Частота
Толщина
60 Гц
172 мкм
17,2 мкм
1,83 мкм
1 кГц
172
17,5
11.6
10 кГц
172
33,5
36.9
100 кГц
175
116
116
1 МГц
335
369
369
10 МГц
1,16 мм
1,16 мм
1,16 мкм
100 МГц
3,69
3,69
3,69
1000 MГц
11,6
11,6
11,6
Таблица 3.3
Теперь, когда мы рассмотрели зависимость импеданса заземления от
частоты, мы готовы рассмотреть топологию заземления от частоты.
Ограничения по импедансу приводят к двум различным подходам заземления,
зависящим от частоты. Для низкочастотных задач (постоянный ток до 10 кГц)
предпочтительны одноточечные заземления, в то время как на высоких
частотах (выше 10 кГц) предпочтительным подходом становятся
многоточечные заземления с плоскостями или сетками.
Эта дихотомия часто приводит к путанице с промышленными средствами
контроля, но это можно свести к минимуму, определив частоту угрозы
электромагнитных помех и затем выбрав соответствующий подход к
заземлению. Во многих случаях могут потребоваться оба приложения
одновременно, что приводит к созданию «гибридных» заземлений, в которых
используются конденсаторы и катушки индуктивности для изменения
топологии заземления в зависимости от частоты.
На низких частотах обычно можно управлять током по проводам.
Поскольку индуктивность невелика, ограничивающим фактором является само
сопротивление провода. Кроме того, емкостная связь между проводами
заземления и соседними проводами или поверхностями невелика, поэтому
практически весь ток проходит по проводке.
На рис. 3.2 показана типичная промышленная схема заземления.
Обратите внимание, что произойдет, если система заземлена с обоих концов.
Любой общий шум, возникающий в тракте общего заземления, теперь
подключается к цепи через «общее сопротивление заземления». Это приводит к
23
появлению страшного «контура заземления», о котором вскоре пойдет речь.
Одноточечное заземление устраняет контур заземления, поскольку отсутствует
общий импеданс, через который может генерироваться синфазное напряжение.
Таким образом, одноточечное заземление является очень практичным способом
ограничения проблем с «шумом заземления», связанных с угрозой
низкочастотных токов заземления. Это очень типично для токов частотой
50/60 Гц, попадающих в чувствительные аналоговые измерительные схемы.
Рис. 3.2. Типичная ситуация промышленного заземления, которая также
иллюстрирует контур заземления
К сожалению, с увеличением частоты индуктивное сопротивление
проводов увеличивается. В то же время паразитное емкостное сопротивление
соседних проводов или поверхностей уменьшается, и вскоре становится
невозможным поддерживать истинное одноточечное заземление, даже если
система подключена таким образом. Единственный оставшийся вариант −
снизить сопротивление наземного тракта, и это достигается с помощью
плоскостей или сеток. Кроме того, одноточечные соединения с сеткой или
плоскостью обычно неадекватны из-за эффектов линии передачи, поэтому
многоточечные заземления (в сочетании с плоскостями/сетками) становятся
предпочтительным подходом при частоте выше 10 кГц.
Наземные сети уже много лет используются в вычислительной технике и
находят все большее применение на промышленных объектах. Рекомендуемое
расстояние между сетками составляет не более 1/20 длины волны на самой
высокой частоте. Сети компьютерных залов часто расположены на расстоянии
около 0,7 м (около 2 футов), что соответствует этим критериям от постоянного
тока примерно до 25 МГц. Это очень полезно при устранении помех от земли,
вызванных молнией и другими переходными процессами питания, которые
обычно находятся в диапазоне 1 МГц и ниже. Но сетка длиной 0,7 м не
помогает при проблемах с радиосвязью УКВ/УВЧ-диапазона или
электростатических разрядах. В этих случаях могут потребоваться твердые
поверхности [6].
Контуры заземления представляют собой серьезную проблему для
чувствительных аналоговых схем, сталкивающихся с низкочастотными
угрозами. На высоких частотах контуры заземления обычно не представляют
24
серьезной угрозы, если при проектировании системы заземления принимаются
надлежащие меры предосторожности в отношении высоких частот.
Контур заземления существует всякий раз, когда существует несколько
путей заземления. Нежелательные токи могут проходить по посторонним
путям, что приводит к появлению шумовых напряжений в нежелательных
местах. Проблема особенно актуальна в чувствительных аналоговых системах,
где даже несколько микровольт могут заглушить предназначенные сигналы.
Классический пример − 60 Гц токи заземления, вызывающие шум в
аудиосистеме.
На рис. 3.2 показана типичная проблема с контуром заземления.
Внимание необходимо обратить на то, что для любой проблемы с
электромагнитными помехами должны существовать три условия: источник,
путь и объект воздействия. В этом случае источником могут быть
циркулирующие силовые токи, трактом - общее сопротивление заземления, а
жертвой часто является чувствительная аналоговая схема. При многих
системных проблемах ничего нельзя поделать ни с источником, ни с объектом
воздействия, поэтому решение заключается в использовании заземляющей
части. Как мы уже видели, одноточечное заземление эффективно на низких
частотах, а заземление плоскости/сетки эффективны на более высоких частотах.
Если невозможно изменить пути заземления, все равно можно
воздействовать на контур заземления, «разорвав» его в других местах.
Например, в кабельных соединениях можно использовать трансформаторы или
оптические изоляторы (или даже волоконную оптику), которые будут
блокировать синфазные шумовые токи при передаче предназначенных
сигналов дифференциального режима. Сбалансированные схемы ввода-вывода
(вход/выход) могут использоваться для «подавления» шума за счет подавления
синфазного сигнала. Все они наиболее эффективны при частоте 50/60 Гц и
становятся менее эффективными на более высоких частотах из-за паразитной
емкости.
К настоящему времени уже очевидно, что волшебного решения для
заземления не существует. Скорее всего, для разных схем и условий
эксплуатации необходимы разные методы и подходы. Два ключевых параметра
– это частота угроз (низкая по сравнению с высоким), и рабочие уровни схемы.
Вот несколько рекомендаций, но нужно иметь ввиду, если их, возможно,
потребуется изменить для конкретной ситуации.
Поскольку большинство аналоговых схем работают на низких частотах и
подвержены низкочастотным угрозам, предпочтительны одноточечные
заземления. Типичными угрозами являются обратные токи питания частотой
50/60 Гц, паразитные импульсные токи источника питания и обратные токи
цифровой цепи (если не предусмотрено раздельное аналоговое и цифровое
питание и заземление). Низкоуровневые аналоговые схемы наиболее уязвимы,
поскольку уровни сигнала невелики [7].
Высокочастотные угрозы (такие как высокочастотные радио) для
низкочастотных цепей могут потребовать решения для высокочастотного
25
заземления, такие как многоточечные заземления. Часто этого можно достичь,
используя небольшие высокочастотные конденсаторы (типичные 1000 пФ),
которые кажутся короткозамкнутыми на частоте 100 МГц, но при этом имеют
высокое сопротивление на частоте 50/60 Гц.
Большинство цифровых схем сегодня работают на относительно высоких
частотах, поэтому предпочтение отдается многоточечным заземлениям,
плоскостям заземления и сеткам. Соединения между цепями и их заземлениями
должны быть короткими, толстыми и прямыми, чтобы свести к минимуму
индуктивность.
Цифровые схемы, особенно схемы ввода-вывода, уязвимы для внешних
высокочастотных угроз, таких как радиочастотного модуля и
электростатического разряда. Они также являются ключевым источником
высокочастотных излучений и внутренних проблем, таких как перекрестные
помехи. Для цифровых схем предпочтительны многослойные платы с
внутренними плоскостями заземления. Эти плоскости заземления обычно
соединяются с металлическим корпусом с помощью множества соединений с
низкой индуктивностью.
Обратите особое внимание на то, где встречаются цифровые и
аналоговые схемы. Одноточечное соединение обычно предпочтительно
минимизировать контуры заземления, но установка небольшого резистора
(обычно от 1 до 10 Ом) или катушки индуктивности (обычно от 1 до 100 мГн) в
этом месте часто помогает обеспечить дополнительную изоляцию. Возможно,
придется поэкспериментировать с этим, чтобы определить оптимальные
решения.
Ключевой проблемой в защитном заземлении питания является
безопасность человека и предотвращение поражения электрическим током. В
большинстве стран мира незащищенный металл на оборудовании, работающем
от сети, должен быть подсоединен к безопасному заземляющему проводнику.
3.2. Экранирование
Многие радиотехнические системы сегодня требуют, по крайней мере,
некоторого экранирования для правильной работы или для удовлетворения
требований к излучению или невосприимчивости. Многие инженеры считают
экранирование чисто механической проблемой, но ничто не может быть дальше
от истины. Защита от электромагнитных помех требует, как электрического,
так и механического понимания ключевых проблем, чтобы гарантировать успех
в помехозащищенности.
Двумя из этих ключевых проблем являются выбор правильного
материала и поддержание целостности экранирования в желаемом диапазоне
частот. В то время как большинство людей больше беспокоятся о выборе,
целостность экрана. Практическое исследование доказывает, что даже очень
тонкие металлические покрытия могут быть эффективными щитами - экранами,
однако даже очень маленькие отверстия или пробоины могут полностью
26
разрушить щит. Как и заземление, экранирование нельзя оставлять на волю
случая и оно должно быть должным образом спроектировано и внедрено.
Защита от электромагнитных помех включает в себя два независимых
механизма: отражение и поглощение. При отражении электромагнитная волна
отражается от поверхности, точно так же, как свет отражается от зеркала. При
поглощении электромагнитная волна проникает в материал и поглощается при
прохождении через него, во многом подобно потере тепла через изолирующую
стену.
Эффективность экранирования обычно выражается следующим образом:
SE = R + A (3.2)
где SE - общая эффективность экранирования (дБ), а А и R - потери на
отражение и поглощение (дБ).
Отражение является основным механизмом для высокочастотного
экранирования (излучения, радиочастотных помех, электростатического
заряда), в то время как поглощение является ключевым механизмом для
низкочастотного экранирования магнитным полем. Фактические формулы для
расчета потерь на отражение и поглощение немного сложны и выходят за
рамки этой главы.
Обычно, когда речь идет об экранировании, для объяснения
экранирования используют три типа «полей». Эти три поля объясняют
различия в характеристиках экранирования из-за различий в частоте и уровнях
импеданса цепи. Они также объясняют, почему один и тот же экран может
вести себя по-разному для разных источников энергии. Это плоские волны,
магнитные и электрические поля. На рис. 3.3 показаны типичные кривые
экранирования для меди со ссылками на каждый тип поля.
Рис. 3.3. Типичные кривые эффективности экранирования для меди
27
Если поле больше, чем примерно на 1/6 длины волны от точечного
источника, волновое сопротивление (отношение напряженности
электрического поля к напряженности магнитного поля) составляет постоянные
377 Ом в свободном пространстве. Это поле известно, как «дальнее поле» или
«поле излучения», поскольку здесь преобладает реальная энергия и
распространяется в виде «плоской волны». Поскольку потери на отражение
обусловлены несоответствием между волновым сопротивлением (377 Ом) и
сопротивлением поверхности металлического экрана (обычно мОм или
меньше), экранирование эффективность обычно очень высока для источников
плоской волны.
На частотах 30 МГц и выше, как только предмет исследования
оказывается на расстоянии более 1 м, он находится в области плоской волны.
Таким образом, даже очень тонкие экраны хорошо справляются с проблемами
излучений, электростатических зарядов и радиочастотных помех, при этом
основным механизмом защиты является отражение.
Если один из них расположен менее чем примерно на 1/6 длины волны от
источника, тогда волновое сопротивление зависит от сопротивления цепи. Эта
область известна как «ближнее поле», поскольку здесь преобладает реактивная
энергия. Эта область дополнительно разделена на «электрическое» и
«магнитное» поля, оба из которых зависят от импеданса цепи источника. Для
источников с высоким импедансом (электрические поля) потери на отражение
все еще высоки, но для источников с низким импедансом (магнитные поля)
импеданс может быть довольно низким. В последнем случае потери на
отражение могут стать минимальными.
Для частот линий электропередачи почти всегда преобладает ближнее
поле. В результате такие материалы, как алюминий или медь, не имеют потерь
на отражение и практически прозрачны для магнитных полей линий
электропередач. Как правило, алюминиевая фольга прозрачна для магнитных
полей частотой 60 Гц.
Хотя выбор материала важен, необходимо учитывать и другие факторы.
При угрозах низкой частоты/низкого импеданса (магнитные поля источника
питания или линии электропередачи) необходима сталь или другие материалы с
высокой проницаемостью. Однако для высокочастотных угроз даже очень
тонкие материалы, такие как токопроводящие краски обеспечивают высокий
уровень экранирования. Однако на высоких частотах возникают две проблемы
– это отверстия в щитке и проникновения в него. Недостаточное внимание к
этим областям может привести к потере практически всей эффективности
экранирования на высоких частотах. Рис. 3.4 иллюстрирует эти два режима
высокочастотных отказов.
28
Рис. 3.4. Два режима отказа экранирования: из-за щелей/швов
и из-за проникновения проводников
В двух случаях критический размер составляет 1/20 длины волны для
самой высокой частоты, вызывающей беспокойство.
Интуиция подсказывает, что любое отверстие в щите может протекать,
подобно открытому окну. Сюрприз заключается в том, что для
электромагнитной утечки критична не область, а самый протяженный размер.
Например, отверстие размером 100×1 мм примерно в десять раз более
негерметично, чем квадратное отверстие размером 10×10 мм. Это может быть
окрашенный шов или плохо пригнанная панель или дверь.
Прорези действуют как маленькие антенны. Поскольку они являются
антеннами, чем они длиннее, тем лучше излучают. Хотя половинная длина
волны очень эффективна, как правило, мы предпочитаем ограничивать
интервалы до 1/20 длина волны или менее на самой высокой частоте,
вызывающей беспокойство. При 100 МГц это составляет 15 см (около 6
дюймов); при 300 МГц (частоты электростатического разряда) это значение
снижается до 5 см (около 2 дюймов), а при 1000 МГц оно составляет всего 1,5
см (⅔ дюйма). И даже эти размеры могут быть слишком большими, поскольку
они обеспечивают только 20 дБ (десятикратное) экранирование через щель.
Очевидно, что даже небольшие щели и другие отверстия подразумевают
большие проблемы с экранированием на высоких частотах.
Другой способ разрушить высокочастотный экран - пропустить через
него нерастворенный металл. Размеры отверстия здесь не имеют значения, и
даже крошечное отверстие с проходящим через него изолированным проводом
может переносить большие объемы через экранирующий барьер. Измерение,
которое действительно имеет значение – это то, как далеко простирается
проникновение по обе стороны щита. Еще раз, критическое расстояние
составляет 1/20 длины волны или более.
Теперь, когда мы рассмотрели, как работает экранирование (и терпит
неудачу), давайте рассмотрим, как спроектировать хорошие электромагнитные
экраны. Основное внимание мы уделим радиочастотному экранированию в
диапазоне от 30 до 1000 МГц, необходимому для защиты от электромагнитных
помех, электростатического разряда и радиопомех.
29
Для решения проблем с низкочастотными магнитными помехами
необходимы ферромагнитные материалы, такие как сталь или мю-металлы.
Большинство проблем с приборами связаны либо с высоким сопротивлением,
либо с высокой частотой по своей природе, поэтому в большинстве случаев
тонкие проводящие материалы будут работать нормально. Однако для высоких
частот необходимо уделять внимание щелям и углублениям.
Многие корпуса сегодня изготавливаются из пластика. Для
высокочастотного экранирования проводящие покрытия также работают
довольно хорошо. Популярные виды обработки поверхности включают
токопроводящие краски, вакуумное напыление, безэлектродное покрытие и
даже металлические ткани. Также доступны токопроводящие пластмассы, но
они, как правило, работают далеко не так хорошо, как обработка поверхности
для высоких частот.
Огромные отверстия, такие как вентиляционные отверстия могут быть
заделаны экранирующим материалом. Швы или щели могут быть заполнены
токопроводящими прокладками. В обоих случаях секрет заключается в
обеспечении полного и непрерывного контакта металл-металл на всех стыках.
Для высокочастотного экранирования соединения должны быть почти
водонепроницаемыми.
Что касается экранирующего материала, то чем меньше отверстия, тем
выше экранирование. Расстояние между окнами и экранами почти так же
эффективно, как твердые материалы, при постоянном токе до 1000 МГц, и даже
отверстии диаметром 5 мм часто приемлемы при частоте 1000 МГц. В любом
случае, не стоит превышать 1/20 длины волны на самой высокой частоте,
вызывающей беспокойство.
Бедная оконцовка экранированных кабелей может вызвать большие
проблемы на высоких частотах. Если экранированный кабель не заканчивается
непосредственно на экранирующем барьере, происходит утечка большого
количества энергии, что приводит к повреждению как кабеля, так и экрана
корпуса. Косичковые соединения, популярные для завершения низкочастотных
кабельных экранов, особенно неудобны на высоких частотах. Фактически, это
основная причина сбоев в работе электромагнитных помех для радиопомех,
выбросов и электростатических разрядов. Как правило, косичковые соединения не
следует использовать на кабельных экранах на частотах выше примерно 1 МГц.
Неэкранированные кабели также могут вызывать проблемы на высоких
частотах. В этих случаях необходима высокочастотная фильтрация
непосредственно на интерфейсе, чтобы гарантировать, что экран не ухудшается
на высоких частотах. Распространенными решениями являются фильтры
электромагнитных помех на линиях питания и сигнализации или ферритовые
шарики на линиях или кабелях. Они должны быть установлены как можно
ближе к отверстию экрана.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]