ЭМС / Литература ЭМС / Усачев А.Е. ЭМС [Учебное пособие] / ЭМС
Синфазные помехи могут быть вызваны токами в земле (аварийные токи или токи молнии) или магнитными полями. Синфазные помехи не вызывают мешающих напряжений на приемнике, но воздействуют на изоляцию проводов относительно земли и могут вести к пробоям.
При высокой частоте синфазной помехи или при больших значениях емкости проводников относительно земли происходит преобразование синфазной помехи в противофазную (рис. 1.7).
Синфазное напряжение вызывает в прямом и обратном проводе токи, которые через емкость и землю возвращаются к источнику питания.
При разных значениях сопротивлений прямого и обратного проводов и разных емкостях С 1 и С 2 , через емкости протекают различные по значению токи, которые создают падение напряжения на сопротивлении
приемника,и происходит частичное или полное преобразование синфазной помехи в противофазную.
Мерой степени преобразования синфазной помехи в противофазную является коэффициент преобразования синфазной помехи в противофазную.
При полной конверсии К=1, а в абсолютно симметричных системах
Коэффициент преобразования синфазной помехи в противофазную можно легко определить экспериментально, удалив источник полезного сигнала и подав в короткозамкнутую со стороны входа систему синфазное напряжение (рис. 1.8).
7.5 Логарифмические относительные характеристики
Для оценки ЭМС используют логарифмические масштабы физических величин, что позволяет легко представить соотношения величин, отличающихся на много порядков.
Различают два вида логарифмических характеристик — уровень и степень п ере дачи.
Уровень — десятичный логарифм отношения величины к постоянному базовому значению в децибелах (дБ).
Различают следующие уровни:
Чтобы уровни мощности и тока или напряжения для конкретного сигнала были сравнимы в выражении (1 .6), для РдБ используется коэффициент 10, а не 20, так как мощность пропорциональна квадрату тока и напряжения. Так, например, уровень 20дБ соответствует отношению напряжения 10:1 и отношению мощности 100:1.
Степень передачи — логарифм отношения входных и выходных величин. Например, коэффициенты затухания или ослабления.
Коэффициент затухания, вносимого фильтром,- это логарифм отношения напряжений на входе U 1 и выходе U 2 фильтра:
Коэффициент экранирования напряженности поля определяется отношением напряженности поля перед экраном H 1 и за ним Н 2 :
Коэффициент синфазно-противофазного затухания определяется как логарифм обратной величины коэффициента преобразования синфазной помехи в противофазную.
1.6 Вопросы по теме 1
1. Какое устройство считается электромагнитно совместимым?
2. Что такое механизмы и пути электромагнитных связей?
3. Что стремятся обеспечить в первую очередь — совместимость приемпиков или совместимость источников? 4. Как планируют работы по организации совместимости? 5. Привести примеры синфазных и противофазных помех.
6. Что происходит с синфазной помехой на высокой частоте?
7. Как определяются уровни величин в децибелах?
8. Как определяется коэффициент преобразования синфазной помехи в противофазную?
2, Классификация и описание помех
2.1 Описание периодических помех в частотной области
Для описания периодических помех используют амплитудный спектр, показывающий зависимости амплитуд отдельных составляющих помех от частоты.
Синусоидальные периодические помехи имеют простой спектр
Несинусоидальные периодические помехи могут быть представлены в частотной области как бесконечная сумма периодических колебаний разных частот, кратных основной частоте, т. е. рядом Фурье. Например, на рис. 2.2 показаны первые 3 составляющие для напряжения прямоугольной формы (одна из них равна нулю).
Аналитически ряд Фурье может быть представлен в следующей форме:
Ряд Фурье может быть представлен в комплексной форме
Здесь Uo — постоянная составляющая сигнала помехи, а коэффициенты An и Вп определяют амплитуду n-й гармонической составляющей (гармоники) :
Комплексная форма ряда имеет двусторонний амплитудный спектр с отрицательными и положительными частотами. При анализе ЭМС вместо двустороннего математического спектра чаще всего Из вышеприведенных формул можно получить, что для
рассматривают односторонний физический спектртолько
для положительных п, амплитуды которого отличаются на коэффициент 2 от амплитуд двустороннего спектра.
На рис. 2.3 показаны импульсы прямоугольной формы периодически изменяющегося напряжения и соответствующий ему амплитудный спектр.
Наименьшая частота f 1 спектра является основной частотой напряжения:
Амплитуды высших гармоник появляются с одинаковым интервалом и их частоты кратны основной частоте f 1 :
Коэффициенты (спектральные амплитуды) прямоугольных импульсов определяются по формуле
где Um — величина прямоугольных импульсов;- ширина и период импульсов; п — номер гармоники.
Огибающая спектральных амплитуд описывается функцией si(x) (sin(x)/x). Огибающая амплитуд функции si(x) есть функция 1/х. С уменьшениемпри неизменном периоде Т высота амплитуд Umn уменьшается, а нулевые значения в спектре следуют реже.
Для прямоугольных импульсов с бесконечно большой длительностью периода Т спектральные линии и максимумы функции si(x) бесконечно сближаются,и получается спектр, описываемый функцией
2.2 Представление непериодических помех в частотной области
Непериодические помехи в частотной области могут быть описаны с помощью интеграла Фурье, являющегося частным случаем ряда Фурье в
комплексной форме (2.6) с комплексными коэффициентами(2.7). Т.к. множитель
присутствует в выражении для всех коэффициентов С n , его можно вынести за знак суммы ряда (2.6)
Непериодическую помеху формально можно считать периодической с периодом
тогда конечное расстояние
между линиями в спектре переходит в бесконечно малое расстояние:
а произведениебудет соответствовать непрерывному значению со:
В этом случае из ряда Фурье (2.10) получаем интеграл Фурье для непериодического процесса:
Здесь
— спектральная плотность, идентичная линейчатому спектру
отнесенному расстоянию между соседними частотами,
стремящимися к нулю.
Линейчатый спектризмеряется в вольтах, а спектральная
плотность имеет размерность В/Гц или В-с.
Таким образом, в отличие от периодической помехи, в образовании которой участвуют составляющие с частотами, кратными основной частоте, для непериодического процесса (например, импульса) спектр является
непрерывным, состоящим из всех частот от
Используя (2.13), можно получить
спектральных амплитуддля любого импульса или переходного процесса.
Например, для однократного прямоугольного импульса (рис. 2.4,а) длительностью
и амплитудой
«физическая» плотность распределения
амплитудописывается функцией
Следовательно, спектр прямоугольного импульса совпадает со спектром периодических прямоугольных импульсов такой же формы (см. рис. 2.3 и выражение (2.9)), но, в отличие от него, является непрерывным.
Непрерывный спектр одиночного прямоугольного импульса представляет функцию
При изображении непрерывного спектра часто используют логарифмические масштабы (см. рис. 2.4,б), вследствие чего нулевые значения функции с ростом частоты плотнее располагаются друг к другу.
При низких частотах функция синуса в (2.15) совпадает со своим аргументом, так что начальное значение спектра пропорционально двойной площади импульса
2.3 Физический спектр трапецеидального, прямоугольного
и треугольного импульсов
Для анализа распространения импульсных помех необходимо описать их частотный спектр (спектральную плотность).
Многие часто встречающиеся на практике импульсы могут быть аппроксимированы трапецеидальными импульсами.
Как видно из рис.2.5, прямоугольный импульс
и треугольный импульс
являются частными случаями трапецеидального.
При помощи преобразования Фурье для трапецеидального импульса можно получить физическую плотность распределения амплитуд:
Данная зависимость может быть аппроксимирована тремя прямыми линиями при изображении ее в логарифмическом масштабе (рис. 2.6).
Низкочастотный диапазон
При низких частотах функция синуса приблизительно равна своему аргументу, так что огибающая оказывается параллельной оси абсцисс.
Противофазные и синфазные сигналы и помехи
Пусть имеется двухпроводная система с учётом влияния земли, предназначенная для передачи информации. Фактически такая система состоит из трёх проводников.
Существуют несимметричные и симметричные двухпроводные системы для передачи данных.
В несимметричных систему опорного потенциала связывают с обратным проводником, в симметричных – со средней точкой между прямым и обратным проводниками.
Противофазным напряжением в симметричной или несимметричной системе называется напряжение между прямым и обратным проводниками.
uпф(t) = u(t) = u1(t) – u2(t).
Противофазным током в несимметричной двухпроводной системе называется ток в прямом проводнике.
Противофазным током в симметричной двухпроводной системе называется среднее значение токов прямого и обратного проводников.
Синфазным током в симметричной или несимметричной системе называется ток земли.
Синфазным напряжением в несимметричной двухпроводной системе называется потенциал обратного провода относительно земли.
Синфазным напряжением в симметричной двухпроводной системе называется потенциал средней точки между прямым и обратным проводом относительно земли.
Для передачи полезного сигнала используется противофазное напряжение или противофазный ток.
Противофазная помеха арифметически складывается с полезным сигналом, поэтому она является аддитивной.
Синфазное напряжение и ток никогда не используются для передачи сигнала. Эти сигналы всегда являются следствием действия синфазной помехи.
Если в системе передачи данных отсутствуют паразитные связи и не нарушена симметрия параметров, то синфазная помеха никак не будет влиять на передачу полезного сигнала. Эта помеха будет влиять только на условия электробезопасности.
Если в системе передачи данных нарушена симметрия параметров и имеются паразитные связи, то синфазная помеха обязательно будет преобразовываться в противофазный сигнал и будет поступать на вход приёмника вместе с полезным сигналом, поэтому в системах передачи данных выполняются мероприятия по борьбе с синфазными помехами.
Прохождение противофазных и синфазных сигналов и помех по двухпроводным системам с учётом влияния земли
Для описания прохождения этих сигналов изобразим схемы замещения симметричной и несимметричной системы.
−ЭДС полезного сигнала в начале линии.
−ЭДС противофазной помехи в начале линии.
−внутреннее сопротивление источника сигнала в начале линии.
−сопротивление заземлителя средней точки в начале линии.
−ЭДС синфазной помехи в начале линии.
l − длина линии или длина одного пролета схемы замещения.
−индуктивность линии на единицу длины.
−комплексное сопротивление приёмника сигнала.
−ЭДС противофазной помехи в конце линии.
−ЭДС синфазной помехи в конце линии.
−сопротивление заземлителя средней точки в конце линии.
−частичная ёмкость связи прямого провода с землей на единицу длины.
−частичная ёмкость связи обратного провода с землей на единицу длины.
−частичная ёмкость связи между проводами на единицу длины.
На данной схеме показана симметричная система сопротивлений и ЭДС в начале и конце линии.
Показана несимметрия емкостных параметров проводников. Эта несимметрия не может быть устранена никакими техническими мерами. Любое нарушение симметрии параметров приводит к появлению противофазного напряжения на входе приемника, при действии любого источника синфазной помехи. Количественно этот эффект может быть выражен следующими показателями:
1. Коэффициент преобразования синфазного сигнала в противофазный. , при остальных источниках равных нулю.
2. Коэффициент синфазно-противофазного затухания.
.
Данная схема не учитывает волновые эффекты при прохождении сигнала вдоль двухпроводной системы и может применяться, если lλ/4. А более строго эта схема может применяться если lλ/(π√8).
Для учета волновых эффектов можно применять многопролётную схему замещения.
Подавление помех в цепях питания электронных устройств
Помехи, присутствующие в современной электросети, негативно влияют на работу подключённых к ней электронных устройств. Они способны значительно снизить качество работы электроаппаратуры, а в некоторых случаях и привести к её неисправностям.
Значительно уменьшить эти проблемы позволяет правильно спроектированный сетевой фильтр.
Довольно подробное описание компонентов «правильного» сетевого фильтра приведено в статье, опубликованной на станице сайта https://www.433175.ru.
Приведём основные выкладки из статьи:
Для начала рассмотрим типичные виды помех на электросетях:
1. Короткие импульсные помехи, амплитуда которых может в разы превышать номинал питающего напряжения, и возникающие при переключении различных мощных индуктивных нагрузок: контакторов и электродвигателей систем вентиляции, стиральных машин и пр. Длительность – от долей до сотен микросекунд;
2. Шумовые помехи искровой природы от щеточных контактов генераторов тока и нагрузок с вращающимся элементом (амплитуда может достигать десятков вольт при частотном диапазоне до десятков килогерц);
3. Длительные помехи на линейные участки электросети от электроискровых разрядников (дуговая сварка, искрение «плохих» сильноточных контактов промоборудования (частотный диапазон до сотни килогерц);
4. Наводки на линейные участки электросети от радиочастотных излучателей (близкорасположенный вещательный радиоцентр, находящиеся рядом базовые станции сотовой связи). Частотный спектр – от единиц до сотен мегагерц, но размах наводимых на участок электросети сигналов, как правило, невелик.
Скажем, на 10 ампер потребления тока при импульсной помехе до 2 киловольт длительностью до 1мс придется энергия Е= 20А х 2000В х 0,001сек=20Дж. Но поскольку почти одновременно могут наводиться импульсы от переключения нескольких мощных индуктивных нагрузок из великого их множества в электросети, это значение лучше увеличить в несколько раз. Вполне оптимальным значением энергии варистора видится значение порядка 80 Дж.
Оставшуюся ниже напряжения отсечки варистора «бороду» и прочие помехи возможно убрать только электрической фильтрацией. Чтобы не писать много слов, что и как нам еще применить, ограничусь вполне понятными иллюстрациями:
Рис.2 Индуктивные и ёмкостные схемы фильтрации противофазных помех
Ёмкостные схемы более высокочастотны, так как в индуктивных схемах для оптимизации размеров обмоток используют ферриты с высокой магнитной проницаемостью, ограничивающей частоту их применения в несколько десятков или первые сотни килогерц. Причём это должны быть замкнутые магнитопроводы (кольцеобразные или прямоугольные), чтобы не являться переизлучателями помеховых сигналов.
Комбинация перечисленного выше даст нам следующую схему сетевого фильтра:
Рис.3 Сетевой фильтр подавления синфазных и противофазных помех
Показанные на приведённой схеме «земли» будут корректно работать только в том случае, если они «местные», т. е. выходят кратчайшим путем напрямую на контур заземления здания, а не тянутся по «наружке» в длинной трехпроводной линии с третьим проводом заземления, лишая схему двухпроводной симметрии.
Ниже указаны типовые номиналы элементов фильтра с несколько большими (для надёжности) величинами рабочих напряжений конденсаторов и мощностей резисторов:
Варистор – Urms= 250В (или Uампл.= 350В)/80. 100 Дж;
R – 300кОм. 1Мом/1. 0,5 Вт;
С1 – 0,015. 0,022мкФ/630В;
L – 1. 5мГн (обмотки примерно до 1,5 мГн с проходным током до 16А можно уместить в один слой на ферритовом кольце проницаемостью 3000 и внешним диаметром 45. 50мм);
Сш нч – 0,22. 0,33мкФ/630В;
Сш вч – 0,01мкФ/630В;
С2 – 4700пФ/630В.
Теперь давайте разберёмся, что такое синфазные и дифференциальные помехи?
Как правило, сетевой фильтр предусматривает наличие трехпроводной сети: фаза, нейтраль и защитное заземление (PE). Помехи, с которыми борется сетевой фильтр, делятся на два вида – синфазные и дифференциальные.
Синфазные помехи – это когда оба провода сети синхронно меняют потенциал относительно земли (PE). Дифференциальные помехи – когда потенциал сетевых проводов разнополярно (в противоположных направлениях) меняется друг относительно друга.
Как можно увидеть на Рис.3, для борьбы с синфазными помехами служит левый синфазный дроссель, состоящий из двух катушек, намотанных на общий сердечник. На самом деле, обозначение начала обмоток синфазных дросселей указывается не так, как приведено на Рис.3, а, в большинстве случаев – как изображено на Рис.4, т. е. с обозначением начала обмоток слева.
Рис.4 Структура и принцип работы синфазного дросселя
При этом следует иметь в виду, что направление намотки обмоток дросселя – противоположное.
В качестве сердечника чаще всего используется кольцевой магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью. Когда через катушки протекают дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Если пренебречь омическим сопротивлением катушек, то их входной импеданс в этом случае будет равен нулю. Теоретически они не влияют на прохождение дифференциальных сигналов. В случае появления синфазных токов магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению амплитуды шумового сигнала.
Благодаря наличию противофазных обмоток, синфазные токи будут генерировать в сердечнике разностный магнитный поток, и сердечник дросселя не будет входить в насыщение даже при наличии очень больших дифференциальных токов. Именно поэтому в синфазных дросселях могут быть использованы сердечники с высокой магнитной проницаемостью без зазора без риска их насыщения и перегрева. Такие дроссели широко выпускаются промышленно.
Совсем другое дело – дроссель для подавления противофазных помех (Рис.3 справа). Здесь обмотки включены синфазно и магнитный поток от них складывается, что создаёт предпосылки для лёгкого насыщения сердечника. Поэтому в данном случае следует использовать либо сердечники с зазором, либо сердечники из распылённого железа, либо два отдельных дросселя с высокими рабочими токами (Рис.5).
Рис.5 Сетевой фильтр подавления синфазных и дифференциальных помех
Данный фильтр менее эффективен, чем устройство, изображённое на Рис.3, и был приведён лишь для демонстрации исполнения дросселя противофазных помех на двух раздельных сердечниках.
Если к аппаратуре не предъявлять повышенных требований помехо- защищенности, то вполне можно применить и фабричные EMI (RFI) фильтры, предназначенные для уменьшения ВЧ помех и на начальном уровне вполне справляющиеся с возложенными на них обязанностями (Рис.6).
В качестве ориентира можно порекомендовать схему, приведённую на Рис.3. Именно эту схему мы слегка доработаем и разместим в качестве готовой конструкции на следующей странице.
1.3.2. Противофазные и синфазные помехи
Помехи, возникающие в проводах, могут рассматриваться как противофазные или синфазные напряжения и токи.
Противофазные напряжения помех (поперечные, симметричные) возникают между проводами двухпроводной линии (ud на рис. 1.3.). Противофазные помехи возникают через гальванические или полевые связи или преобразуются из синфазных помех в системах, несимметричных относительно земли. Конкретные примеры возникновения противофазных помех рассматриваются в последующих разделах.
Рис. 1.3. Помехи, связанные с передачей сигналов по линии:
СЕ — паразитные емкости относительно заземленного корпуса; Q1 — источник противофазных помех; Q2 — источник синфазных помех; ZQ, ZS — полные сопротивления источника и приемника помех; iC1, iC2 — синфазные токи, id — противофазный ток; uC1, uC2 — синфазные напряжения помех; ud – противофазное напряжение помех.
Противофазные напряжения помех непосредственно накладываются на полезные сигналы в сигнальных цепях или на напряжение питания в цепях электроснабжения, воздействуют на линейную изоляцию между проводами и могут быть восприняты как полезные сигналы в устройствах автоматизации и тем самым вызывать ошибочное функционирование.
Синфазные напряжения помех (несимметричные, продольные напряжения) возникают между каждым проводом и землей (uC1 и uC2 на рис. 1.3.) и воздействуют на изоляцию проводов относительно земли.
Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, например между точками 1 и 2 на рис. 1.3., вызванной токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии) или магнитными полями.
1.4. Земля и масса
Другими важными понятиями ЭМС являются понятия: земля и масса. С понятием «заземление» инженеры, работающие с сильноточными устройствами, связывают, как правило, вопросы техники безопасности и грозозащиты, например, устранение недопустимо высоких напряжений прикосновения. Инженеры же, работающие в области электроники, — скорее электромагнитную совместимость их схем, например устранение контуров заземления, влияние частоты 50 Гц, обращение с экранами кабелей и т. д.
Следует строго различать два понятия — защитное заземление (защитный провод) для защиты людей, животных и т. д. и массу, систему опорного потенциала, электрических контуров (это справедливо как для сильноточных, так и для слаботочных цепей). Земля и масса, как правило, в одном месте гальванически связаны друг с другом, но между ними существует большое различие: провода заземления проводят ток только в аварийной ситуации, нулевые провода — в нормальной рабочей ситуации и часто представляют общий обратный провод нескольких сигнальных контуров, ведущий к источнику. Это различие существенно и характеризуется следующими понятиями: