Требования к помехоустойчивости

Для обеспечения помехоустойчивости приборов и их элементов необ­ходимо гарантировать их работоспособность, и с этой целью выделяется три класса требований к электронным устройствам: А1, А2, A3:

А1 - повышенные требования к устройствам управления технологиче­скими процессами;

А2 - нормальные требования к персональным компьютерам и сложным приборам домашнего обихода;

A3 - пониженные требования к простейшим приборам домашнего обихода.

Рис. 5.20. Пояснение помехоустойчивости дискретных систем:

а - аналоговая система; б - дискретная система; в - логическая матрица;

г - характеристики дискретной системы; - потенциальные облает

уровней высокого и низкого состояний; - выходное напряжение схем]

А; - входное напряжение схемы В;

- запрещенные области; 1 - область неустойчивосп 2 - область устойчивости

Прибор, кабель, линия - напряжение пробоя между корпусом и землей достигает 1-8 кВ, а напряжение пробоя между входными клеммами может варьироваться от 50 до 5 кВ.

При обеспечении внутренней помехоустойчивости при заданных климатических условиях необходимо гарантировать работоспособность рас­сматриваемого устройства. Это требование понятно и не подлежит дальней­шему обсуждению. Напротив, требования к-, внешней помехоустойчивости связаны с экономическими проблемами: с одной стороны, необходимо учи­тывать имеющиеся или ожидаемые в данном месте электромагнитные усло­вия, а с другой - риск и последствия, связанные с возможной электромагнит­ной несовместимостью.

Контрольные вопросы

1. Какое явление называют помехоустойчивостью?

2. Охарактеризуйте виды импульсной модуляции.

3. Что необходимо знать для определения импульсной помехоустойчи­вости транзисторных элементов?

4. Какие требования выделяются для обеспечения помехоустойчивости приборов и их элементов?

5. Какая величина вводится для классификации помехоустойчивости?

6. Чем руководствуются при построении устройств цифровой техники на транзисторных логических элементах?

Пассивные помехоподавляющие и защитные компоненты

Фильтры

Помехоподавляющие фильтры обеспечивают затухание поступающей по проводам помехи. Их применение предполагает, что спектральные со­ставляющие полезного сигнала и помехи отличаются друг от друга, при этом затухание помехи достигается делением напряжения (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Схема замещения участка цепи, по которому происходит передача полезного сигнала , и помехи

/

- напряжение помехи в нагрузке, - фильтр

низкой частоты, собственное сопротивление которого мало для полезного сигнала и велико для помехи

Коэффициент затухания фильтра оценивается в виде логарифма отно­шения напряжений, выражается в децибелах и зависит от параметров фильт­ра, от полных сопротивлений источника и от приемника сигналов:

где U_st напряжение помехи при отсутствии фильтра.

На рис. 5.22 приведено распределение сопротивления электроэнергети­ческих сетей по частоте.

Основными составными элементами фильтров являются катушки ин­дуктивности и конденсаторы.

Рис. 5.22. Распределение по частоте сопротивления

электроэнергетических сетей:

ВЛ - жилые территории с воздушными линиями электропередач;

КЛ - жилые территории с кабельными линиями

При использовании катушек индуктивности и конденсаторов для фильтрации следует иметь в виду, что любой конденсатор наряду с емко­стью С обладает паразитной индуктивностью , зависящей от длины выво­дов конденсатора. Она особенно велика у двухполюсных конденсаторов и мала у коаксиальных конденсаторов-вводов. Каждая катушка индуктивно­сти в дополнение к ее индуктивности имеет паразитную емкость По-

62

этому для кажущегося сопротивления существует зависимость от часто­ты, представленная на рис. 5.23, обладающая резонансной точкой, в отли­чие от идеальной характеристики. Сведения о собственных резонансных частотах конденсаторов, применяемых для подавления помех, приведены на рис. 5.24.

Рис. 5.23. Частотные зависимости кажущихся сопротивлений конденсатора (а) и катушки индуктивности (б)

Рис. 5.24. Значения собственных резонансных частот помехоподавляющих конденсаторов в зависимости от их емкости С

Пренебрегая активной составляющей, можно для зависимостей на рис. 5.23 использовать следующие выражения.

Для конденсаторов (рис. 5.23, а) кажущееся сопротивление

Идеальная характеристика при отсутствии Lp рассчитывается как

63 Реальная характеристика с учетом Lp

где

Для катушек индуктивности (рис. 5.23, б) кажущееся сопротивление

Идеальная характеристика при отсутствии Ср

Реальная характеристика с учетом Ср

( i

Здесь

В табл. 5.1 приведены рекомендации по выбору структуры фильтра.

Таблица 5.1. Рекомендации по выбору структуры фильтра

Сетевые фильтры и фильтры сигнальных цепей

Эти фильтры представляют собой фильтры низких частот, свободно пропускающие напряжение сети (полезный сигнал) и фильтрующие им­пульсные помехи.

Фильтр содержит конденсатор для демпфирования симметричных напряжений помехи и два конденсатора С_Y для .отвода асимметричных токов на помехи для сигнальных цепей и линий передачи данных (рис. 5.25).

Рис. 5.25. Пример сетевого фильтра: = 0,1 мкФ, - 3 нФ, = 2-4 мГн, частота среза этого фильтра равна 500 кГц

Фильтры сигнальных цепей отличаются от сетевых тем, что они рас­считаны на полезные сигналы, имеющие широкий спектр частот в высоко­частотном диапазоне спектра. Применяют трех- и четырехзвенные фильтры, которые обладают крутизной затухания до 100 дБ/кГц. Такие фильтры вы­полняются в виде микросхем.

Ограничители перенапряжения (ОПН)

ОПН - специальные элементы, которые служат для снижения перена­пряжений в электроэнергетических и информационных системах, вызванных молнией, разрядами статического электричества или коммутационными про­цессами. Принцип действия основан на нелинейной вольт-амперной характе­ристике.

Принцип действия ограничителей базируется на использовании рези­сторов R_B , обладающих нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 5.26). В конкретных случаях она выбирается такой, чтобы в допусти­мых пределах изменения рабочего напряжения имело место очень большое сопротивление, а превышение заданного напряжения - очень малое. Вме­сте с сопротивлением источника помехи ограничитель образует схему не­линейного делителя напряжения (рис. 5.26, б), который снижает переходное

перенапряжение до допустимого значения, не превышающего импульсную электрическую прочность защищаемого элемента (рис. 5.26, в).

Рис. 5.26. Ограничение перенапряжений при помощи нелинейного сопротивления а - схема без защиты; б - схема с защитой; в - изменение напряжения во времени;U_SF- импульсная прочность входной цепи

Защитные элементы:

• разрядники (воздушные и газонаполненные);

• воздушные защитные промежутки;

- варисторы (переменные резисторы) - элементы с асимметричной вольт-амперной характеристикой;

- кремниевые лавинные диоды.

Защитные элементы для линии передачи информации

Эти элементы должны обладать способностью, с одной стороны, отво­дить сильные импульсные токи (до 10 кА), а с другой - быстро ограничивать перенапряжения, близкие к рабочим напряжениям. Это реализуется много­ступенчатой защитой (рис. 5:27).

При появлении импульса перенапряжения сначала срабатывает стаби­литрон, ток которого вызывает падение напряжения на индуктивности L₁ что приводит к срабатыванию вариетора и затем газонаполненного разрядника. Напряжение срабатывания стабилитрона - 35 В, вариетора - 90 В, газона­полненного разрядника - 600 В. Конструктивно многоступенчатые защиты встраиваются в корпусы приборов, в стандартные шины и устройства евро­пейского формата.

Рис. 5.27. Трехступенчатый ОПН с газонаполненным разрядником, варистором (грубая защита) и стабилитроном (тонкая защита)

Защитные элементы для линий передачи данных должны обладать ма­лой продольной индуктивностью и поперечной емкостью, чтобы не ухуд­шать частотные свойства линии, поэтому в них исключается использование индуктивностей и варисторов.

Схема, применяемая для передачи данных с малым ослаблением сигна­лов в области высоких частот, показана на рис. 5.28. Эта схема позволяет за­щищать от импульсов перенапряжения со скоростью изменения напряжения 1 кВ/мкс.

i Вхое

с

Рис. 5.28. Блок защиты от перенапряжений для коаксиальных линий

Это защитное устройство, при применении диодов с малыми собствен­ными емкостями, позволяет пропускать частоты до 100 МГц.

Экранирование для защиты от влияния помех

Экран Служит для ослабления электрических, магнитных и электромаг­нитных полей, чтобы исключить их Проникновение в электронные элементы, кабели'и здйния и, наоборот, чтобы подавить исходящие из промышленных средств и устройств помехи, обусловленные полями.

Эффективность экранирования зависит от частоты поля, электропро­водности и магнитной проницаемости материала экрана, конфигурации и размера экрана.

1. Степень ослабления поля от частоты прямо пропорциональная: чем выше частота, тем больше ослабление поля. В первую очередь это можно объяснить влиянием скин-эффекта; глубина проникновения поля в проводя­щий материал обратно пропорциональна частоте.

2. Электропроводность, ее параметры также определяют скин-эффект: чем больше электропроводность, тем меньше глубина проникновения поля.

3. Для экрана всегда применяют проводящие материалы. Для экрани­рования используют как немагнитные материалы (алюминий, медь), так и ферромагнитные материалы. Экранирующее действие немагнитных материа­лов происходит из-за магнитных полей, созданных вихревыми токами. При этом постоянное магнитное поле совсем не экранируется, а степень экрани­рования повышается с частотой магнитного поля. Электрические поля не­магнитными экранами ослабляются лучше, чем магнитными экранами. Экра­ны из ферромагнитных материалов ослабляют электрические поля хуже, чем экраны из немагнитных материалов, однако они вызывают ослабление по­стоянных магнитных полей.

4. Конфигурация: эффективность экранирования зависит от дефектов и отверстий (трещин, кабельных вводов, отверстий для обслуживания и т. п.), которые выполняют роль магнитных и электрических антенн. По кромкам отверстий текут электрические токи, которые затекают внутрь экрана и вы­зывают наводку помехи.

5. Размеры экрана - в зависимости от них внутри экранирующего объ­ема могут возникать резонансные эффекты, как в объемном резонаторе.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные составные элементы фильтров.

2. Чем отличаются фильтры сигнальных цепей от сетевых?

3. Принцип действия ОПН.

4. Какими свойствами должны обладать защитные элементы?

5. С какой целью выполняют экранирование?