Тема 7 ЭМС РЭС, Паразитные связи и наводки (Конспект лекций ОКТРЭС)

17. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС СУЧЕТОМЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ7.1. Проблема электромагнитной совместимостиЭлектромагнитная совместимость (ЭМС) РЭС — это их способность функционировать совместно и одновременно с другими техническими средствамив условиях возможного влияния непреднамеренных электромагнитных помех(НЭМП), не создавая при этом недопустимых помех другим средствам (ГОСТ23611-79).Необходимость обеспечения ЭМС различных РЭС вызвана следующимиосновными причинами:повышением быстродействия полупроводниковых приборов и электронныхсхем;непрерывным возрастанием общего числа РЭС;недостаточным числом свободных от помех радиоканалов во всех освоенных диапазонах;возрастанием общего уровня помех, главным образом, от индустриальныхисточников;усложнением функций и состава РЭС;сосредоточением различных видов РЭС в ограниченном пространстве, например на самолете, корабле, ИСЗ;миниатюризацией изделий, что в ряде случаев приводит к снижению энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал-помеха;возрастанием влияния межсоединений и компоновки узлов на помехоустойчивость и быстродействие РЭС.На конструкторско-технологическом этапе разработки РЭС основными способамиобеспечения ЭМС являются помехозащита с помощью экранирования, фильтрацияпомех и рациональное по критериям ЭМС выполнение монтажных соединений и цепей заземления, ослабление помех от источников вторичного питания и компоновкаэлементов и узлов РЭС, обеспечивающая снижение уровней внутренних помех.27.2.

ЭкранированиеЭкранирование — конструкторское средство ослабления электромагнитного поляпомех в пределах определенного пространства. Конструкции, реализующие указанные требования, называются экранами. Экраны применяются как для отдельных ЭРЭ,компонентов МСБ и модулей различных уровней, так и для РЭС в целом, которыемогут быть либо источниками, либо рецепторами помех.При анализе помех важное значение имеют понятия о ближней и дальней зонахраспространения электромагнитной энергии в зависимости от расстояния до источника помех (ИП) в предположении, что размеры излучателя помех l<<λ , где λ, —длина волны излучения. В ближней зоне на относительных расстояниях отисточника r = λ/2π≤1 поле еще не сформировалось в плоскую волну и можетпредставлять собой (рис. 7.1) преимущественно поле магнитной индукции Н, еслив ИП протекает значительный ток при относительно малом напряжении, илиполе электрической индукции Е, если в источнике протекает малый ток приотносительно большом напряжении.

Электромагнитное поле в виде плоскойволны (радиоволны) формируется на расстоянии r=λ/2π≥2. Сравнивая волновыесопротивления составляющих поля индукции, можно отметить, что поле Е является высокоомным по отношению к волновому сопротивлению плоской волны,а поле Н — низкоомным.Рис. 7.1.

Волновые сопротивления электрической (Е) и магнитной (Н) составляю-3щих поля ближней зоны распростра-нения в зависимости от расстояния до ИПЭкранирование электрического поля.Основной задачей экранирования электрического поля является снижениеемкости связи между экранируемыми элементами конструкции. Рассмотримэлектрическую связь источника ИП и рецептора РП помех (рис.

7.2, а) с помощьюсхемы замещения (рис. 7.2, б), на которой действие электрического помехонесущего поля представлено эквивалентной емкостью связи Ссв. Если источник синусои•дальный ЭДС e и действует на угловой частоте ώ, то напряжение помех в цепи ре•цептора U п определяется как••Uп = eZpZ p + 1 / jωC св(7.1 )Рис. 7.2. Электрическая связь источника и рецептора помех (а)и обратная схема замещения (б)где Zp — комплексное сопротивление цепи рецептора помех, состоящее из параллельно включенных входного сопротивления Rвх и емкости Сp относительно корпуса.Если входное сопротивление РП является чисто активным: Zp = R вх и R вх <<то напряжение помех••u п ≈ e и jωС СВ + RВХ1ωС з4т.е.

прямо пропорционально ЭДС ИП,его частоте, входному сопротивлениюрецептора и емкости связи между ИП и РП. При этом цепь переноса помех является дифференцирующей. В случае RВХ >>•1согласно (7.1) напряжение помехωC СВ•u п = e и cCB /(c св + c p )(7.2)Обычно СP>>CСВ, и, следовательно, согласно (7.2) напряжение помех на рецепторе••u п = e и cCB / c p . На фиксированной частоте при действии нескольких источниковпомех на один рецептор напряжение помех согласно принципу суперпозиции•uп =1CPn•∑eCi =1iCBiгде п — число источников помех, ёi,- — ЭДС i-го источника помех, ССВi-емкостьсвязи i-ro источника с рецептором.Поместим между ИП и РП металлический лист Э (рис. 7.3).

Пренебрегая остаточной емкостью связи между элементами источника и рецептора, определяемуровень наведенного напряжения, пользуясь схемой замещения (рис. 7.3, а), гдеСиэ, Срэ — емкости элементов ИП и РП относительно металлического листа Э; Сэк— емкость металлического листа относительно корпуса. Напряжение помех наэкранеúп = é и С и э / ( С и э + С э к ) .Рис. 7.3. Схема замещения для определения емкостных помех:а — незаземленный экран; б — заземленный экранУровень наведенного напряжения определяется как5ù'п ≈ ùэCpэ/(Cpэ+Cp).Подставляя в полученное выражение напряжение на экране и э , получаемù’п ≈ éиСиэСрэ/(Сиэ + Сэк)(Срэ + Ср).(7.3)Оценим значение наводимых напряжений до установки экрана и после в соответствии с формулами (7.2) и (7.3).

Если, например Сэк<<Сиэ , то напряжение налисте согласно (7.3) примерно равно ЭДС источника помех и, следовательно,ù'п ≈ éиСрэ/(Срэ + Ср).(7.4)Так как емкость связи между листом и рецептором помех много большеначальной емкости связи между экранируемыми элементами, т.е. Срэ>>С св, топри прочих равных условиях наводимое напряжение помех в случае введениялиста окажется больше, чем до его установки (7.2). Очевидно, что эффективность экранирования возрастает при увеличении емкости листа на корпус Сэк истановится наибольшей при его коротком замыкании (рис. 7.3, б).

Это объясняется возможностью стекания на землю зарядов, индуцированных на экране, изамыкания электрической цепи источника помех. При введении заземленногоэкрана остаточная емкость связи между элементами С 'св много меньше начальной, т.е. С 'св << Ссв,и наводимый уровень помех при этом оказываетсямного меньше исходного:ú'п = éиС'св/(С'св+Ср + Срэ) ≈ ёиС'св/(Ср + Срэ).Выражение для емкости связи двух элементов конструкции, находящихся всвободном пространстве:Ссв = СиСр/4π ε01,(7.5)где ε 0 — диэлектрическая проницаемость среды.Емкость связи с учетом влияния металлического экрана (см.

рис.7.2,а)⎛⎡ ⎛ h1 − h2 ⎞ 2 ⎤ ⎡ ⎛ h1 + h2 ⎞ 2 ⎤Си ⎜Cсв =1 − ⎢1 + ⎜⎟ ⎥⎟ ⎥ / ⎢1 + ⎜4 πε0 l ⎜⎜⎝ d ⎠ ⎦⎥ ⎣⎢ ⎝ d ⎠ ⎦⎥⎢⎣⎝(7.6)6Для ослабления влияния связи по электрическому полю в РЭС с учетомформул (7.5) и (7.6) необходимо:максимально разносить цепи рецепторов и источника помех, что уменьшает С св;компоновать цепи рецептора и источника помех так, чтобы емкость связи Ссвмежду ними была минимальной;уменьшать размеры цепей ИП и РП, что приводит к снижению С св .Основные требования, которые предъявляются к электрическим экранам,можно сформулировать следующим образом:конструкция экрана должна выбираться такой, чтобы силовые линии электрического поля в основном замыкались на стенке экрана, не выходя за его пределы;в области низких частот эффективность электростатического экранированияпрактически определяется качеством заземления экрана на корпус изделия и мало зависит от материала экрана и его толщины;в области высоких частот эффективность экрана, работающего в электромагнитном режиме, наряду с качеством заземления определяется его толщиной, проводимостью и магнитной проницаемостью экрана.Экранирование магнитного поля.Магнитная связь двух электрических цепей определяется их взаимной индуктивностью М, зависящей от индуктивностей источника LИ и рецептора Lp, помех, представленных на рис.

7.5 в виде сосредоточенных элементов, и коэффициента связиkL, т.е. M = k l Lи L p . Если в цепи ИП протекает синусоидальный ток Iи с угловой частотой ω, то в цепи рецептора изведется эдсeи = -MdIa/dt = -jώMIи.7Рис.7.5. Эквивалентная схема индуктивной связи между электрическимицепями источника и рецептора помехИндуцированная ЭДС вызывает в цепи РП ток, который определяется какIp = -jώMIи/(jώLp+Zp+Zнp),где Zр , ZH — внутреннее сопротивление соответственно рецептора и источникапомех; Zнр,Zни—сопротивление нагрузки цепи соответственно рецептора и ис-точника помех.В результате наведенное напряжение помех на сопротивлении нагрузки рецептораÚп = -jώMIиZнp/(jώLp + Zp + Zнр).(7.7)В области низких частот при ώLр << Zp + Zнр напряжение помехÚп ≈ -jώMIиZнp/(Zp + Zнp).(7.8)Таким образом, согласно (7.8) в области низких частот напряжение помех, наводимое в цепи рецептора, увеличивается пропорционально частоте и индуктивностисвязи между ИП и РП.

Если | Zр | << | Zнр| , то напряжение помехÚп ≈-jώМIи,т.е. цепь переноса помех является дифференцирующей.В области достаточно высоких частот (при ώL p>> |Zp +Zнр|) рост напряжения помехв соответствии с выражением (7.8) ограничивается самоиндукцией:Ún≈-MZнрIu/Lр=-kLZнрIи√Lи/Lp(7.9)На фиксированной частоте при действии нескольких ИП на один РП согласнопринципу суперпозиции и (7.9)8•nU П = Z Н , Р , ∑ I иi М i / L pi =1где п — число источников помех, IИi- ток j-го источника помех, Мi индуктивностьсвязи i-гo источника с рецептором.Рис.7.6.

Образование индуктивной связи между проводом и замкнутым контуромпроводников на печатной плате.Для определения влияния конструкторских параметров на магнитнуюсвязь рассмотрим широко распространенный случай воздействия ИП в видедостаточно протяженного провода с током I и на РП, образующий замкнутыйконтур цепи длиной l, шириной h и находящийся на расстоянии d от ИП вплоскости, перпендикулярной помехонесущему магнитному полю (рис. 7.6).Амплитуда наведенной ЭДСėM = µlfİМln[(d + h)/d]cosΘв рецепторной цепи при заданной компоновке прямо пропорциональнамагнитной проницаемости среды (µ длине контура рецептора l, амплитуде Im , егочастоте f и зависит от взаимного расположения цепей ИП и РП, определяемых угломΘ.Взаимная индуктивность цепей ИП и РП [29]M = µ l ln[(d + h)/d]cosΘ/2π.Для ослабления влияния магнитной связи в аппаратуре необходимо:максимально разносить цепи рецепторов и источников помех;по возможности компоновать цепи РП в плоскости, параллельной направлению воздействующего на них помехонесущего магнитного потока;уменьшать площадь петли, образованной цепью РП, сокращая длину l и расстояние между проводами h , что снизит магнитный поток, пронизывающий9петлю (рис.

7.7,а).Рис. 7.7. Конструктивные способы уменьшения магнитной связи в цепях:а — исходная цепь; б — укладка изолированного провода на шасси;в — применение отдельного обратного корпусного провода;г — скрутка прямого и обратного проводовУкладка изолированного прямого провода непосредственно на корпус илишасси изделия существенно снижает h (рис. 7.7, б). Применение отдельного обратного провода в качестве земляного позволяет устранить также кондуктивную связь через общий участок корпуса или шасси (рис. 7.7, в).