5.2 Перехресні завади у лініях зв’язку

Два, або більше паралельні провідники, по яких протікають однакові струми у протилежних напрямках, утворюють лінію зв’язку. Електричні характеристики лінії зв’язку залежать від форми, розмірів, розміщення та діелектричної проникності провідників та діелектриків. Якщо провідники є однорідними і мають низький питомий опір, то імпеданс лінії зв’язку залишається практично незмінним у діапазоні частот від 0 до 100 МГц і вище.

У більшості випадків електромонтаж ЗВТ можна представити у виді ланок, що утворюються лініями зв’язку без втрат. Провідники та кабелі мають хвильовий імпеданс у межах 50 – 300 Ом, контактні площадки на друкованих платах – 50 – 120 Ом, а скручені та одиничні провідники – 100 – 200 Ом.

Робочі характеристики лінії зв’язку визначаються, в основному, її довжиною. Для зручності розгляду методів забезпечення електромагнітної сумісності вузлів ЗВТ усі електричні з’єднання між ними умовно поділяються на “електрично короткі” та “електрично довгі”.

“Електрично короткою” називається лінія зв’язку, у якій час затримки розповсюдження сигналу від передавача до дальнього кінця лінії є меншим за половину часу наростання, або спаду фронту сигналу ( ). Короткочасні імпульсні завади встигають повернутись до передавача до завершення процесу зміни сигналу і зникають на наростаючих чи спадаючих фронтах.

“Електрично довгою” називається лінія зв’язку, у якій час затримки розповсюдження сигналу від передавача до дальнього кінця лінії є більшим за половину часу наростання, або спаду фронту сигналу ( ). Різноманітні завади (викиди, деренчання) з’являються у лінії зв’язку після закінчення фронтів сигналів і можуть серйозно порушити роботу схеми.

Перехресні завади – це паразитний зв'язок між схемами, або вузлами, який виникає, у основному, внаслідок близького розміщення струмонесучих провідників на значній відстані.

На рис. 5.5 показано загальну модель виникнення перехресних завад з розподіленими параметрами, а на рис. 5.6 та 5.7 – спрощені моделі із зосередженими параметрами [18].

Рисунок 5.5 – Модель перехресних завад з розподіленими параметрами

На рис. 5.5 показана активна схема, яка складається з передавача (джерела) з параметрами V_S та R_S і навантаження R_L, яке під’єднане до передавача за допомогою лінії зв’язку з довжиною l (м). Дана активна лінія зв’язку має такі параметри: повну ємність С_а (Ф), повну індуктивність L_a Гн), імпеданс (Ом). Схема без завад складається з пасивної лінії зв’язку з довжиною l, з кінцевими навантаженнями R_ne i R_fe, яка є паралельною до активної лінії зв’язку. Лінія зв’язку без завад має такі параметри: повну ємність С_q (Ф), повну індуктивність L_q (Гн), імпеданс (Ом).

Рисунок 5.6 – Ємнісна модель перехресних завад з зосередженими параметрами

Рисунок 5.7 – Індуктивна модель перехресних завад з зосередженими параметрами

Сигнальні провідники активної та пасивної ліній зв’язку утворюють третю лінію зв’язку з взаємною ємністю C_m (Ф), взаємною індуктивністю L_m (Гн) та імпедансом (Ом).

При вивченні перехресних завад необхідно досліджувати збурення стаціонарного стану, тому напруга постійного струму у сигнальних провідниках в подальшому враховуватися не буде.

Модель перехресних завад з розподіленими параметрами можна суттєво спростити, якщо обидві лінії зв’язку є електрично короткими і відбивання сигналу у них можна не враховувати.

Якщо імпеданси активної та пасивної ліній зв’язку є доволі значними, тобто Ом і Ом, то можна скористатись ємнісною моделлю перехресних завад з зосередженим імпедансом (рис. 5.6).

Коли ж імпеданси активної та пасивної ліній зв’язку є досить низькими, ( Ом і Ом), можна скористатись індуктивною моделлю перехресних завад з зосередженим імпедансом (рис. 5.7).

Для більшості аналогових та цифрових схем, розміщених на платах без суцільного шару “землі” можна застосувати ємнісну модель перехресних завад з зосередженим імпедансом. Проведемо розрахунок цієї моделі на прикладі рис. 5.5, знехтувавши значеннями L_a, L_m і L_q і вважаючи, що:

(5.22)

Однак, навіть після прийнятих спрощень, загальний вираз для розрахунку рівня перехресних завад залишається досить складним, тому розглянемо три часткових випадки, коли рішення буде простішим. Позначимо постійну часу активної лінії t_a, а постійну часу пасивної лінії t_q. Значення цих величин знаходяться з виразів:

(5.23)

(5.24)

Тоді максимальний рівень перехресних завад розраховується згідно виразів:

при і , (5.25)

при і , (5.26)

при і (5.27)

Реальні значення величин у виразах (5.25) – (5.27) можна отримати з графіків і таблиць, наведених в [17].

Перехресні завади, що виникають внаслідок індуктивного зв’язку можуть бути викликані сигналами зі значними струмами (синхроімпульси, сигнали керування соленоїдами, двигунами, виконавчими механізмами). Якщо лінії зв’язку є електрично короткими з імпедансами, що менші за 377 Ом, то описати їх можна за допомогою індуктивної моделі перехресних завад з зосередженими параметрами (рис. 5.7). Вона виводиться з загальної моделі (рис. 5.5), якщо знехтувати величинами C_a, C_m, та C_q. У цьому випадку максимальний рівень перехресних завад знаходиться за формулою:

(5.28)

У цьому виразі доволі складно розрахувати L_m, для чого доцільно скористатись методикою, наведеною у [17].

Інший розповсюджений частковий випадок виникає при розміщенні двох провідників з круглим перерізом над загальним шаром “землі” (рис. 5.8). Взаємна індукція таких провідників (Гн) знаходиться з виразу:

(5.29)

Взаємна ємність провідників на рис. 5.8 у (Ф) розраховується за формулою:

(5.30)

Рисунок 5.8 – Два провідника із загальним шаром “землі”

Якщо лінії зв’язку є електрично довгими, то для розрахунку перехресних завад необхідно скористатись моделлю з розподіленими параметрами (рис. 5.5). Однак, розрахунки при цьому суттєво ускладнюються і здійснюються по методиці, наведеній у [18].