4 Механизмы электромагнитной связи и меры противодействия
4.1 Общие положения
Ap14
Пример воздействия электромагнитных возмущений показан ниже на рис. Ap18.
Рис. Ap1l. Воздействие электромагнитных возмущений
Источниками возмущений являются:
радиочастотные излучения
Беспроводные системы связи (радио и телевизионные передатчики, портативные радиостанции, выключатели, радиотелефоны, устройства дистанционного управления)
Радиолокаторы
электрооборудование
Мощное промышленное оборудование (индукционные печи, сварочные машины, системы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей)
Офисное оборудование (компьютеры и электронные цепи, фотокопировальные машины, большие мониторы)
Разрядные лампы (неоновые, флуоресцентные, импульсные и др.)
Электромеханические устройства (реле, контакторы, электромагниты, устройства отключения тока)
энергосистемы
Системы передачи и распределения электроэнергии
Системы электрического транспорта
разряды молний
электростатические разряды (ESD)
электромагнитные импульсы ядерного взрыва. Потенциальными объектами воздействия являются:
радио и телевизионные приемники, радиолокаторы, системы радиосвязи
аналоговые системы (сенсоры, системы измерений и сбора данных, усилители, мониторы)
цифровые системы (компьютеры, системы передачи данных, периферийное оборудование) Различными типами электромагнитной связи являются:
гальваническая связь
емкостная связь
индуктивная связь
связь посредством излучения (между кабелями, между полем и кабелем, между антеннами)
4.2 Гальваническая (кондуктивная)связь Описание
Два или более устройств соединены между собой источником питания и кабелями обмена сигналами (рис. Ap19). Когда по сопротивлениям цепей протекают внешние токи (токи молний, токи короткого замыкания, возмущения), между точками A и B, которые предположительно являются эквипотенциальными, возникает нежелательное напряжение. Это паразитное напряжение может создать помехи для низкоуровневых или быстродействующих электронных цепей. Все кабели, включая защитные проводники, имеют сопротивление, особенно на высоких частотах.
Открытые проводящие части устройств 1 и 2 присоединены к общей клемме заземления через сопротивленияZ1 иZ2.
Ток, вызванный паразитным перенапряжением, уходит на землю через Z1. Потенциал устройства 1 возрастает до величины Z1xI1. Разность потенциалов с устройством 2 (начальный потенциал которого равен нулю) приводит к появлению тока I2.
Ток I2, протекающий по сигнальной линии, создает возмущения для устройства 2. Рис. Ap19. Описание гальванической (кондуктивной) связи
Примеры ( с. Ap: )
Устройства, соединенные общим эталонным проводником (например, PEN или PE) и подвергающиеся воздействию кратковременных или интенсивных изменений тока (ток повреждения, удар молнии, ток короткого замыкания, изменения нагрузки, цепи отключения, гармоники тока, батареи конденсаторов для компенсации коэффициента мощности и др.)
общая обратная цепь для нескольких источников электрического напряжения
Рис. Ap2l. Пример синфазной импедансной связи
Меры противодействия (рис. Ap21)
Если синфазные сопротивления (сопротивления контуров связи) нельзя устранить, то, по крайней мере, их необходимо максимально уменьшить. Чтобы снизить влияние этих сопротивлений, нужно:
уменьшать сопротивления:
объединить общие заземляющие проводники уравнивания потенциалов в сетку,
использовать короткие кабели или плоские жгуты, которые при равных сечениях имеют меньшее сопротивление по сравнению с кабелями круглого сечения,
установить систему уравнивания потенциалов между устройствами.
Рис. Ap2 . Типичный результат емкостной связи (емкостных наводок)
снизить уровень возмущающих токов посредством фильтрации гармоник и использования дросселей для ограничения токов замыкания на землю
Если сопротивление параллельного заземляющего проводника (Z sup) является очень низким по сравнению с Zonm., то в основном ток потечет через этот проводник, а не через сигнальную линию, как в предыдущем случае.
Разность потенциалов между устройствами 1 и 2 становится очень низкой и уровень помех снижается до приемлемого.
Рис. Ap2 . Меры по снижению величины кондуктивных помех связи
4.3 Емкостная связь Описание
Уровень возмущений зависит от скорости изменений напряжения (dv/dt) и величины ёмкости связи между источником возмущений и объектом воздействия. Емкостная связь усиливается с:
частотой
уменьшением расстояния между источником возмущений и объектом воздействия и увеличением длины параллельных кабелей
высотой установки кабелей относительно заземленной поверхности
входным сопротивлением цепи, подвергшейся воздействию возмущений (цепи с большим входным сопротивлением более уязвимы)
диэлектрической проницаемостью изоляции кабеля, подвергшегося воздействию возмущений (особенно для сильносвязанных пар)
На рис. Ap22 показаны результаты емкостной связи между двумя кабелями. Примеры (рис. Ap23)
близкорасположенные кабели, подверженные быстрым изменениям напряжения (dv/dt)
включение флуоресцентных ламп
переключаемые источники питания (фотокопировальные машины и др.)
емкостная связь между первичными и вторичными обмотками трансформаторов
наводки между кабелями
Vs DM: источник возмущающего напряжения (дифференциальный режим)
Iv DM: возмущающий ток со стороны объекта воздействия (дифференциальный режим)
Vs CM: источник возмущающего напряжения (синфазный режим)
Iv CM: возмущающий ток со стороны объекта воздействия (синфазный режим)
Рис. Ap2•. Пример емкостной связи
Меры противодействия ( <с. Ap2 )
ограничивать до предельного минимума длину параллельно проложенных кабелей-источников возмущений и кабелей-объектов воздействия
увеличивать расстояние между источником возмущений и объектом воздействия
при использовании двухпроводных соединений прокладывать провода как можно ближе друг к другу
размещать параллельный заземляющий проводник (PEC), соединенный на обоих концах, между источником возмущений и объектом воздействия
использовать двух- или четырехжильные кабели, а не отдельные проводники
использовать симметричную передачу сигналов по правильно смонтированным симметричным системам проводников
экранировать кабели-источники возмущений, кабели-объекты воздействия или и те и другие (экраны должны быть соединены)
снижать величину dv/dt источника возмущений путем увеличения, по возможности, времени нарастания сигнала.
4.4 Индуктивная связь Описание
Источник помех и объект воздействия связаны магнитным полем. Уровень возмущений зависит от скорости изменения тока (di/dt) и величины взаимной индуктивности.
Индуктивная связь усиливается с:
частотой,
уменьшением расстояния между источником помех и объектом воздействия и увеличением длины параллельных кабелей,
высотой установки проводников относительно заземленной поверхности,
увеличением сопротивления нагрузки цепи, генерирующей возмущения.
Примеры (рис. Ap25)
близко расположенные кабели, подверженные быстрым изменениям тока (di/dt)
короткие замыкания
токи повреждения
удары молний
статические (полупроводниковые) устройства управления обмотками статора двигателей
сварочные машины
Рис. Ap2•. Использование экранов кабелей с перфорациями снижает емкостную связь
индукторы
Рис. Ap2i. Пример индуктивной связи
Меры противодействия
ограничивать до предельного минимума длину параллельно проложенных проводников, создающих возмущения, и проводников, являющихся объектами воздействия
увеличивать расстояние между источником возмущений и объектом воздействия
при использовании двухпроводных соединений прокладывать провода как можно ближе друг к другу
использовать многожильные или соприкасающиеся одножильные кабели, предпочтительно с треугольной схемой укладки
размещать параллельный заземляющий проводник (PEC), соединенный на обоих концах, между источником возмущений и объектом воздействия - - использовать симметричные системы передачи по должным образом смонтированным симметричным системам электропроводки
экранировать кабели-источники возмущений, кабели-объекты воздействия или и те и другие (экраны должны быть соединены)
снижать величину dv/dt источника возмущений путем увеличения, по возможности, времени нарастания сигнала (с помощью последовательно включенных резисторов или PTC-резисторов на кабеле-источнике помех, ферритовых колец на кабеле-источнике помех и/или кабеле-объекте воздействия).
4.5 Связь посредством излучения Описание
Источник возмущений и объект воздействия связаны посредством среды, например, воздуха. Уровень возмущений зависит от мощности источника излучений и эффективности излучающей и принимающей антенн. Электромагнитное поле состоит из магнитного и электрического полей, которые находятся в определенном соотношении. При этом можно отдельно анализировать электрическую и магнитную составляющие.
В системах электропроводки связь электрического поля (E) и магнитного поля (H) осуществляется посредством проводов и контуров (рис. Ap26).
Рис. Ap26. Определение связи посредством излучения
Когда кабель подвергается воздействию переменного электрического поля, в нем генерируется ток. Это явление называется электрической наводкой в кабеле (связь поле-проводник).
Аналогичным образом, когда переменный магнитный поток пересекает контур, он наводит противо-ЭДС, которая генерирует разность потенциалов между двумя концами этого контура. Это явление называется электромагнитной наводкой в контуре.
Примеры (рис. Ap27 )
радиопередатчики (портативные приемопередатчики, радио и телевизионные передатчики, мобильные телефоны)
радиолокаторы
системы зажигания автомобилей
машины для дуговой сварки
индукционные печи
устройства коммутации силовых цепей
электростатические разряды
удары молний
Рис. Ap2 . Примеры связи посредством излучения
Меры противодействия
Чтобы свести к минимуму последствия электромагнитных наводок, требуются меры, перечисленные ниже.
Для снижения наводок в кабеле
уменьшайте антенный эффект объекта воздействия, уменьшая высоту (h) прокладки кабеля относительно заземленной поверхности
помещайте кабель в непрерывный соединенный металлический кабелепровод (трубу, кабель- канал, короб)
используйте экранированные кабели, которые надлежащим образом установлены и соединены
используйте параллельные заземляющие проводники
устанавливайте на кабеле-объекте воздействия фильтры или ферритовые кольца
Для снижения наводок в контуре
уменьшайте площадь поверхности контура-объекта воздействия, уменьшая высоту установки (h) и длину кабеля. Используйте решения, предусмотренные для снижения электромагнитных наводок в кабеле. Используйте принцип клетки Фарадея.
Электромагнитные наводки можно устранить, используя принцип клетки Фарадея. Возможным решением является экранированный кабель, при этом оба конца экранирующей оболочки должны быть присоединены к металлическому корпусу устройства. Открытые проводящие части должны быть соединены для повышения эффективности на высоких частотах. Электромагнитные наводки снижаются с увеличением расстояний и при использовании симметричных каналов передачи.
