Защита средств ВТ от воздействия помех

4.4. Защита средств ВТ от воздействия помех

Для начала необходимо установить понятие – помеха. Помеха – непредусмотренный при проектировании электронной аппаратуры сигнал, который может вызвать нежелательное воздействие, выраженное в виде нарушения функционирования, искажения передаваемой или хранимой информации и т.п. Помехи могут выступать в виде напряжений, токов, электрических зарядов.

Источники помех очень разнообразны по физической природе. Они подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи обычно возникают внутри работающей аппаратуры. Источниками электрических помех являются блоки питания, цепи распределения электроэнергии, термопары, потенциалы, возникающие при трении. Источниками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения вторичных источников электропитания цепи распределения электроэнергии возникают электромагнитные помехи.

Внутренние помехи возникают от рассогласования волновых сопротивлений линий связи с выходными и входными сопротивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возникающие по земле.

Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних. Обычно ловителями или приемниками помех являются высокочувствительные усилители, линии связи, магнитные элементы, т. е. те элементы, которые изменяются под действием полей рассеивания источников помех. Помехи проникают в аппаратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое поле (емкостная помеха), через магнитное поле (индуктивная помеха), через электромагнитное поле.

Рассмотрим более подробно возникновение помех по проводам или гальваническую помеху.

Гальваническая связь возникает в результате протекания токов и падения напряжений на электрических соединениях конструкции. Рассмотрим схему, которая состоит из - М_n модулей с общим питающим напряжением и общим нулевым потенциалом (т. е. землей), рис.9.

Для борьбы с такими помехами необходимо устранить цепи, по которым проходят совместные токи питания и земли. Таким образом, по проводам, связывающим модули в систему, передаются как полезные сигналы, так и сигналы помех. Эффективным схемным средством подавления или ослабления помехи является использование помехоподавляющих фильтров. Данная схема представлена на рис.10.

№ п/п	Наименование фильтра	Схема	Характеристика
1	Низкочастотный фильтр
2	Высокочастотный фильтр
3	Полосопропускающий фильтр
4	Полосоограничивающий фильтр

В таблице 11 приведены электрические схемы и характеристики избирательных однозвенных электрических фильтров. Зная спектр частот полезного сигнала и помехи, задаваясь ослаблением помехи до приемлемых значений (в идеальном случае – до 0), по характеристикам выбирают схему фильтра или составляют многозвенный фильтр, состоящий из нескольких фильтров.

Обычно сетевыми фильтрами считают полосопропускающие фильтры, они передают на выход только частоту сетевого напряжения и в то же время не допускают передачи помех по проводам в сеть от источника питания.

Рассмотрим схему сетевого фильтра, рис.11. В данной схеме – ослабляет противофазные помехи, и трансформатор TV – синфазные помехи (симметрирующий трансформатор TV с одинаковым направлением намоток имеет высокое сопротивление синфазным помехам и низкое – противофазным). Сопротивление TV переменному току частоты сети фактически равно активному сопротивлению его обмоток. Для защиты аппаратуры от перенапряжения первичной сети в схему фильтра вводят газоразрядники, варисторы, стабилитроны, предохранители (FU).

Наряду с фильтрами практически с той же целью используют экраны. Экраны включаются в конструкцию для ослабления нежелательного возмущающего поля в некотором ограниченном объеме до приемлемого уровня. Возможны два варианта защиты: в первом случае – экранируемая аппаратура размещается внутри экрана, а источник помех – вне его; во втором случае – экранируется источник помех, а защищаемая аппаратура располагается вне экрана.

Первый вариант используют при защите от внешних помех, второй – от внутренних. В обоих случаях в качестве экранов используют металлические оболочки.

В электронной аппаратуре роль экранов чаще всего выполняют кожухи, панели и крышки приборов, блоков и стоек. Отверстия и щели в экранах уменьшают эффективность экранирования, поэтому, конструируя экран, их необходимо исключать или свести к минимуму. Но полностью, как правило, от них не избавиться. Щели возникают, если аппаратура защищается крышками и лицевыми панелями. Отверстия вводятся в кожух для установки соединителей, элементов управления, индикации, обеспечения нормального теплового режима. Эффективность экрана не ухудшается, если в его конструкции выполнены отверстия, максимальные размеры которых не превышают ½ минимальной длины волны экранируемого сигнала.

Принцип действия электрического экрана можно рассмотреть на примере, когда между источником помехи – И электрического поля (т.е. провод, по которому протекает ток) и входной и выходной линиями модуля имеет место емкостная связь – С_1И – входная и С_2И – выходная, приводящие к искажению как входного, так и выходного сигналов, рис 12.


Рис.12. Модуль под воздействием электрического поля.
В конструкцию введем заземляющий экран Э - высокой проводимости, рис.13. Результатом введения в конструкцию заземляющего экрана будет появление паразитных емкостей на экран источника помехи , входной и выходной линий и .

Источник помех окажется подсоединенным на землю через емкость , а входы и выходы схемы нагружены на емкости и .

Рис.13. Модуль, защищённый экраном.

Тех же результатов можно добиться при использовании вместо общего экрана экранированные провода для входной и выходной линий. Для устранения гальванической помехи по земле экраны проводов необходимо заземлять в одной точке, как показано на схеме, рис.14.

Рис.14. Модуль с экранированным проводом.

Немагнитные материалы используются в низкочастотной области спектра, ферромагнитные материалы высокой проницаемости – во всём частотном диапазоне.

Можно дать следующие рекомендации по выбору материалов при электромагнитном экранировании. Для частот менее 1 МГц хорошие результаты дают медные и алюминиевые экраны, а при частотах выше 1 МГц – экраны из стали.

Наилучшие результаты можно получить при применении многослойных экранов – последовательно чередующихся слоёв магнитных и немагнитных металлов. Возможны различные варианты слоёв: медь-пермаллой-медь, пермаллой-медь, медь-сталь-медь и др. Введение воздушного промежутка между слоями в 20-40% суммарной толщины экрана улучшает эффективность экранирования. При защите аппаратуры от внешнего поля материалы с низкой магнитной проницаемостью помещают наружу, с высокой – внутрь. Если экран защищает источник электромагнитного поля, то материал с низкой магнитной проницаемостью должен быть внутренним слоем, а с высокой – наружным.

Из немагнитных материалов с позиции минимальной стоимости и массы наилучшими свойствами обладает магний, но он легко корродирует, а образующийся слой окисла ухудшает контакт экрана с корпусом изделия. Цинк дешевле меди, имеет меньшую плотность, но мягок. Латунь по своим параметрам занимает среднее положение в ряду материалов, но благодаря отличным антикоррозийным свойствам и стабильности сопротивления электрического контакта её рекомендуют для широкого применения в качестве материала экрана.

Железо, если бы не низкая его коррозионная стойкость, является наилучшим материалом для магнитных экранов. В электронной аппаратуре получили распространение экраны из стали и пермаллоев. Стальные экраны с малой начальной проницаемостью обеспечивают малое, но постоянное экранирование как на низких, так и на частотах вплоть до десятков килогерц.

Экраны из пермаллоев с высокой начальной проницаемостью позволяют получить эффективное экранирование, но в узком диапазоне частот от нуля до нескольких сотен герц. С увеличением частоты возрастают вихревые токи экрана, которые вытесняют магнитное поле из толщи экрана и уменьшают его магнитопроводимость, а это сказывается на эффективности экранирования. Расчёты экранов сводятся к определению ослабления нежелательного поля внутри экрана при выбранном материале и толщине стенок экрана.