Классификация источников помех

3) Попадание помех  на входы питания аппаратуры. Существует множество механизмов  возникновения помех в цепях  питания аппаратуры. Это связано  с тем, что обычно сеть питания  имеет большую протяженность  и объединяет самых разных  потребителей. Описанные выше для  информационных цепей механизмы  попадания помех (индуцирование ЭДС внешним полем и проникновение помехи через общее сопротивление) действуют и в этом случае. Кроме того, работа каждого потребителя, включенного в общую сеть питания, вносит искажения в формы кривых тока и напряжения в этой сети. При этом частоты помех могут меняться в очень широких пределах - от десятков и сотен герц (гармоники, а также провалы и выбросы напряжения питания при коммутациях больших нагрузок) до радиочастотных (например, при работе некоторых блоков питания аппаратуры). Постоянное отклонение напряжения и (или) частоты питания от номинальных значений вследствие перегрузки сети, аварийной работы энергосистемы или автономного источника питания также могут рассматриваться как помехи.

Среди низкочастотных помех наибольшую опасность представляют перенапряжения при авариях электропитания (особенно - аварийные потенциалы на элементах заземляющего устройства, которые вследствие возникающей  разности потенциалов между заземлением  аппаратуры и нейтрали питающего ее трансформатора оказываются приложенными к входам питания). К временной потере работоспособности аппаратуры также приводят полные отключения питания на длительное время. Отказы хорошо спроектированной аппаратуры по причине появления других низкочастотных (до нескольких сотен герц) помех в цепях питания случаются относительно редко. Такая устойчивость объясняется тем, что современные блоки питания аппаратуры обычно представляют собой систему автоматического регулирования (САР), способную поддерживать заданное значение напряжения на выходе даже в случае значительного отклонения формы кривой напряжения на входе от номинальной.

При сдвиге спектра  частот помехи в высокочастотную  область ее опасность (при той  же энергии) обычно возрастает. Для  частот до нескольких десятков мегагерц это объясняется двумя факторами.

Во-первых, импульсные помехи даже сравнительно небольшой  энергии могут иметь значительную амплитуду по напряжению. Действительно, энергия импульса, выделяющаяся на активном сопротивлении, определяется как

где u=u(t) - напряжение, - сопротивление, Т - длительность импульса. Таким образом, при меньшей длительности импульс той же энергии может иметь большую амплитуду. Большие значения пикового напряжения импульса могут приводить к пробою элементов блока питания, не рассчитанных на слишком высокое напряжение. Возникающая при пробое дуга может сохраняться и после окончания импульса, поддерживаемая за счет обычного напряжения питания. В этом случае импульс играет роль лидера.

Второй фактор, обуславливающий  повышение опасности помех в  цепях питания с ростом их частоты - динамические характеристики самого блока питания. Выше уже отмечалось, что современные блоки питания  имеют структуру САР, причем с  нелинейными элементами. Обычно такая  система проектируется в расчете  на относительно низкочастотные возмущения на входе. Попадание на вход высокочастотных  помех может вызвать нежелательную  реакцию системы (резонансные эффекты, автоколебания и т.п.). В результате стабильность напряжения на выходе блока  питания может нарушиться, что  вызовет отказ аппаратуры.

С дальнейшим ростом частоты помехи (от десятков мегагерц до гигагерц) большое значение начинают играть паразитные емкостные и индуктивные  связи. В результате (как и в  случае информационных цепей) составляющие помехи могут, в обход установленных  защитных элементов, проникнуть вглубь аппаратуры и нарушить работу ее цифровых узлов.

4) Протекание токов  помех по металлическим корпусам  аппаратуры и экранам кабелей.  Источников таких помех может  быть множество. Заземленные металлические  корпуса и шасси аппаратуры, а  также экраны кабелей, образуют часть пути стекания в землю токов помех. Внешние электромагнитные поля также наводят токи помех в экранирующих корпусах аппаратуры и экранах кабелей. При электростатическом разряде с тела человека также происходит протекание тока по металлическим конструкциям аппаратуры.

Отрицательный эффект протекания таких токов может  быть обусловлен индуктивным или  кондуктивным механизмом. При индуктивном механизме протекание тока создает магнитное поле, которое, в свою очередь, способно индуцировать ЭДС помехи в близкорасположенных контурах аппаратуры. Во втором случае существенно то, что при протекании токов помех различные точки заземленных металлических частей приобретают различные потенциалы. Поскольку при проектировании аппаратуры все такие точки обычно рассматриваются как эквипотенциальные («масса»), это может привести к искажению сигналов. Пример того, как протекание тока помехи по экрану коаксиального кабеля способно исказить передаваемый сигнал, приведен на рис. 4. Здесь Z_ж и Z_э - полные сопротивления жилы и экрана кабеля соответственно, U_с -неискаженное напряжение сигнала на входе в кабель, I_п -ток помехи. Легко понять, что реальный сигнал, измеренный на входе аппаратуры, будет уже равен U_с + I_п Z_э.

Рисунок 4. Искажение  сигнала в несимметричной цепи под  действием тока в экране кабеля.

Полные сопротивления  металлических частей шасси аппаратуры и экранов кабелей носят индуктивный  характер и возрастают (по модулю) с  ростом частоты. То же самое справедливо  и в отношении коэффициентов  паразитных связей между ними и цепями аппаратуры. Поэтому опасность со стороны протекающих по металлическим  частям шасси аппаратуры и экранам  кабелей токов возрастает с ростом частоты.

5) Непосредственное  воздействие внешних полей на  внутренние цепи аппаратуры. Такая  ситуация обычно имеет место  при отсутствии у аппаратуры экранирующего корпуса, либо когда экранирующие свойства такого корпуса недостаточны. При этом по закону электромагнитной индукции во внутренних контурах аппаратуры наводится ЭДС помехи. Если эта ЭДС помехи достаточно велика (например, выше порога, отделяющего уровень «ноль» от уровня «единица» в цифровых системах), возможно нарушение функционирования аппаратуры. Поскольку коэффициенты индуктивной связи пропорциональны частоте, особенно высокую опасность представляют высокочастотные поля. Принято считать, что относительно низкочастотные поля (не более 80 МГц) воздействуют, в основном, не на саму аппаратуру, а на ее проводные коммуникации (сценарии 1, 3 из данного списка). Лишь на более высоких частотах влияние поля непосредственно на внутренние контуры аппаратуры может оказаться существенным.

Отдельно стоит  сказать о действии магнитных  полей на устройства, содержащие электронно-лучевые  трубки (ЭЛТ). Конструкция таких устройств предусматривает очень точное нацеливание пучка электронов на соответствующую точку люминофора. Как известно, воздействие электрического или магнитного поля приводит к искажению траектории электронов. В результате искажается и изображение на экране, так как электронный пучок попадает в другие точки люминофора. В первую очередь, это сопровождается искажением цвета. Благодаря остаточной намагниченности отдельных элементов устройства, искажения изображения сохраняются некоторое время и после снятия внешнего магнитного поля.

 
3.Основные  источники ЭМП

В этом разделе мы рассмотрим основные источники ЭМП, способные представлять угрозу для  электронной аппаратуры. Некоторые  из них характерны лишь для объектов с высокой энерговооруженностью (энергетика, транспорт, тяжелая промышленность и т.п.). Другие могут обнаружиться практически в любом месте, включая  офисы, машинные залы ЭВМ и жилые  помещения.

3.1 Аварийные  потенциалы на элементах заземляющего  устройства

Прежде всего, нам  понадобится рассмотреть само понятие  заземления и функции, которые оно  выполняет.

Заземление –  преднамеренное электрическое соединение элементов схем, корпусов аппаратуры, экранов кабелей и других проводящих элементов с точкой, потенциал  которой принимается в качестве опорного (нулевого). Обычно в качестве такой точки принимается физическая земля, хотя это и не обязательно. Так, на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т.п.) в качестве опорного выбирается потенциал корпуса («масса»).

Заземление обеспечивает выполнение двух основных задач. Во-первых, оно служит для обеспечения электробезопасности. Действительно, хорошая электрическая связь на низкой частоте между всеми имеющимися на объекте проводящими конструкциями, к которым может прикасаться человек, обеспечивает выравнивание их потенциала. В результате разность потенциалов между любыми доступными прикосновению точками сильно снижается.

В случае короткого  замыкания фазы на землю по цепям  заземления могут протекать очень  большие токи. Поскольку элементы системы заземления обладают некоторым  сопротивлением (активным и реактивным) то, по закону Ома, на них могут создаваться  значительные потенциалы, представляющие опасность для человека. Но и в  этом случае заземление все же выполняет  свою защитную функцию: протекание большого тока «нулевой последовательности»  заставляет сработать систему защиты (в простейшем случае - обычный предохранитель). Существуют жесткие ограничения  на время срабатывания защитных устройств (обычно – доли секунды).

Второй задачей  заземления является задание единого  опорного потенциала для всех элементов  электрического или электронного оборудования.

В качестве примера  можно рассмотреть два электронных  устройства, расположенных в различных  помещениях одного здания (рис. 5). Пусть  между ними проходят цепи обмена информацией (как, например, в локальной вычислительной сети). Если теперь корпус одного из устройств приобретает высокий потенциал (в результате, например, электростатического разряда), то этот потенциал оказывается приложенным к интерфейсным элементам связи между устройствами. Это может вызвать появление помех или даже физическое повреждение интерфейсных элементов. При заземлении обоих устройств происходит очень быстрое выравнивание потенциала, в результате чего снижается вероятность физического повреждения интерфейсных элементов (хотя появление кратковременных помех при электростатическом разряде исключить по-прежнему нельзя).

Рисунок 5. Выравнивание потенциалов при электростатическом разряде. U, Z - соответственно напряжение и эквивалентное внутреннее сопротивление  источника ЭСР.

Иногда заземление используют для организации цепи возврата тока к источнику. Некоторые  силовые и информационные цепи строятся по так называемой несимметричной схеме, когда от источника к приемнику  идет лишь один провод, а обратным проводом является земля. При этом достигается  некоторая экономия, однако такой  подход часто снижает помехоустойчивость системы и приводит к возникновению  паразитных перекрестных связей через  общее для различных цепей  сопротивление заземления (см. выше).

Базовым элементом  системы заземления стационарного  объекта является заземлитель (рис. 6). Заземлителем называется проводник (электрод), непосредственно соединенный с физической землей, или совокупность таких проводников, связанных металлическими связями. Широко распространены заземлители типа сетки, представляющие собой заглубленную в землю горизонтальную конструкцию из пересекающихся металлических электродов. Сложные заземлители иногда называют контурами заземления.

Заземлитель может быть как искусственным (специально созданным с целью заземления), так и естественным, т.е. не предназначенным специально для организации заземления. В качестве естественных заземлителей могут выступать трубопроводы, железобетонные и металлические элементы фундаментов зданий, металлическая броня кабелей и т.п.

К заземлителю присоединяется заземляющий проводник, который связывает с ним все конструкции, электрические и электронные устройства и т.п., подлежащие заземлению. Таких проводников может быть много, они образуют сеть, по сложности сравнимую с сетью питания. 

Рисунок 6. Основные элементы заземляющего устройства: 1 - заземлитель, 2 - заземляющий проводник

Иногда вместо заземления используют зануление. Обычно это делается, когда объект не обладает собственным заземлителем. Тогда в качестве заземлителя используют заземлитель ближайшей трансформаторной подстанции, на который (согласно ПУЭ) заземляется «ноль» (в трехфазной сети – нейтраль) питания. Такая организация заземления является неудовлетворительной. Действительно, в этом случае постоянно происходит протекание тока питания через цепи заземления, что приводит к появлению помех. Кроме того, большая длина заземляющего проводника приводит к росту его полного сопротивления.

Совокупность заземлителя и заземляющего проводника называется заземляющим устройством. Включая в рассмотрение также все элементы аппаратуры, металлоконструкции и т.п., непосредственно связанные с заземляющим устройством, можно говорить о системе заземления.

При протекании тока через заземляющий проводник  в заземлитель и далее через землю к другому полюсу источника, физический ввод в заземлитель приобретает некоторый потенциал относительно удаленной земли (т.н. зоны нулевого потенциала). Отношение этого потенциала к величине тока называется сопротивлением растеканию заземлителя (рис. 7). Расстояние до удаленных точек ввода тока и измерения потенциала (точки 1, 2 на рисунке) должно быть много больше линейных размеров заземлителя. Соответствующий метод измерения сопротивления растеканию носит название «метод амперметра - вольтметра».