Электромагнитные помехи

[Введение] [ Глава 1 ] Глава 2 [ Глава 3 ] [ Глава 4 ] [ Глава 5 ]

Глава 2

Источники и значения электромагнитных помех

       При систематизации источники помех можно разбить на две большие группы:

Внутренние источники помех в системе

       Причинами появления внутренних помех в системе, т.е. взаимного влияния приборов или конструктивных элементов, являются:

Внешние источники помех

       Приблизительно 2000 гроз существуют одновременно на Земле, вызывая около 100 разрядов молний ежесекундно. В среднем в Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35, а число ударов молний, приходящихся на один квадратный километр площади, за год равно от 1(в северных районах) до 5 - в южных. Энергия канала разряда, составляющая 10 Дж/м, вызывает:

Рис. 2.1. Ущерб в Верхней Австрии,
вызванный молниями, по годам:
1-прямой ущерб;
2-косвенный ущерб.

Рис. 2.2. Возможные воздействия молнии:
D - непосредственный удар; F - удаленный удар; PAS - шина выравнивания потен­циалов; R - сопротивление заземления (0.5÷10 Ом); S - петля, образованная прово­дами; W - разряд между облаками; 1 - защищаемый объект; 2 - часть защищаемого устройства; 3 - трансформаторная подстанция; 4 - кабель линий управления; 5 - кабель низкого напряжения; 6 - воздушная линия электропередачи.



Рис. 2.3. Форма импульса тока молнии при разряде с облака на землю


Таблица 2.1. Характеристики воздействия молнии на объекты

Параметр

Максимальный ток

Imax

Крутизна тока

S=di/dt

Заряд

Q=∫idt

Интеграл

W/R=∫i2dt

Значение

 2÷200 кА 2÷200 кА/мкс 150÷300 Кл 2.5÷10 МДж/Ом

Воздействие в точке удара

Повышение потенциала относительно удаленной земли

Индуктирование напряжения в петлях

Плавление Ме в точке удара

Нагрев проводников, по которым протекает ток молнии

 

Примеры:

I=200 кА;
R=5 Ом;
U=1 МВ

S=200 кА/мкс;
a=10 м;
b=0.1 (10) м;
Ui=40В (216 кВ)

При Q=300 Кл плавятся алюминивые стенки толщиной до 5 мм

При W/R=10 МДж/Ом плавятся медные провода сечением 10 мм2 и стальные - 25 мм2



Разряды статического электричества

      Под разрядами статического электричества понимают процессы выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, жидкими и газообразными средами, несущими разные электрические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми или подобными молнии разрядными явлениями, однако выравнивание может происходить исключительно за счет электропроводности в месте контакта, если разность потенциалов перед касанием тел не превышает 330В. При возникновении искр могут воспламенится горючие газы или пары или инициироваться взрывоопасные смеси, а вызванные разрядами токи и поля могут повредить электронные элементы, вывести из строя или нарушить функции электронного оборудования (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Примеры воздействия разрядов статического электричества на электронные элементы и приборы:

а)Повреждение или разрушение схем при непосредственном воздействии тока i или вызванных полем E, H при касании рукой или инструментом.

б)Повреждение элементов или создание помех за счет напряжения Ust, шунтированного магнитным полем в низкоомной или электрическим полем в высокоомных петлях.
G - корпус электронного устройства;
IC - интегральная схема;
LP - печатная плата.

      При изготовлении и применении электронных компонентов и приборов существенны два механизма электризации: за счет индукции за счет трения.
      Рис. 2.5 наглядно поясняет принцип электризации путем индукции. Пусть электрическое тело В попадает в электростатическое поле, образованное, например, заряженными телами А и С. При этом в теле В происходит поляризация зарядов. Если затем отвести, например, отрицательные заряды тела В на тело С через проводящее соединение V (контакт или искру), то тело С через В останется заряженным положительно даже в том случае, если внешнее поле исчезнет. Если тело В входит в контур, образующий электрическое поле, то уже связанные с эффектами поляризации токи могут вызвать помехи или повреждения в контуре.


Рис. 2.5. Электризация за счет индукции:
1 - тело В электрически нейтрально;
2 - поляризация тела в электрическом поле;
3 - отвод отрицательных зарядов при искровом разряде или касании тела С;
4 - тело В заряжено положительно.


Рис. 2.6. Электризация трением:
1 - две субстанции А и В в нейтральном состоянии;
2 - фаза касания или трения;
3 - А заряжена положительно;
В - положительно.

       Наиболее часто встречающаяся форма возникновения паразитных электростатических зарядов - электризация трением. Она возникает, если два различные, первоначально нейтральные тела (или две субстанции) А и В (рис.2.6) соприкасаются, трутся друг о друга, а затем разъединяются. Одно тело передает электроны другому и заряжается положительно, а тело получившее электроны, - отрицательно. Полярность и значение зарядов зависят, с одной стороны, от таких свойств материалов тел, как структура материала и поверхности, диэлектрическая проницаемость, объемная и поверхностная электрическая проводимость, а с другой - от ряда внешних факторов, например, от размера контактной поверхности, интенсивности трения силы сжатия перед разделением, скорости разведения, температуры, влажности воздуха, причем последняя имеет очень большое влияние.
       Рис. 2.7 информирует о влиянии влажности воздуха на напряжение. Напряжения лежат в пределах 0.1÷20 кВ.


Рис. 2.7. Повышение потенциала тела человека при ходьбе по полу (а) и влияние на потенциал относительной влажности воздуха Р при прохождении 6 м по полу с поливинилхлоридным (1) и резиновым (2) покрытиями


       Извлечение пластиковой микросхемы из пластикового пакета - измеренное значение U~20 Кв (p=24%, T=21˚С).
       Тело человека обладает емкостью относительно земли СК=100÷300 пФ. Если человек идет по полу с синтетическим покрытием, то эта емкость может зарядиться до U~15 кВ, в этом случае накопленная энергия:W=1/2 CКUмах2~ (10÷35) мДж.
       При приближении человека к заземленному корпусу электронного прибора произойдет искровой разряд, и т.к. обычно соблюдается условие , то будет иметь место апериодический процесс:
       - фронт импульса тока определяется постоянной времени τ=L/R.
       - спад определяется постоянной τ=RCK

Таблица 2.2. Возможные диапазоны значений помех
Параметр Обозначение Значения
1. частота

F

0÷1010 Гц
2. Максимальное значение U Umax 10-6÷106 В
3. Скорость изменения U dU/dt 0÷1012 В/с
4. Напряженность электрического поля

E

0÷105 В/м
5. Максимальное значение тока

I

10-9÷105 А
6. Скорость изменения тока Di/dt 0÷1011 А/c
7. Напряженность магнитного поля

H

10-6÷108 А/м
8. Время нарастания импульса ф

10-9÷10-2 с

9. Длительность импульса  

10-8÷10 с

10. Энергия импульса

W

10-9÷107 Дж


Логарифмическое представление помех и свойств систем

       Как видно из приведенной выше таблицы значения помех и других параметров, характеризующих ЭМС, целесообразно приводить в виде логарифма отношений.
       Различают два вида логарифмических относительных величин: уровень и меру сигнала.
       Уровень - логарифм относительной величины с постоянной базой - знаменателем. При помощи понятия "уровень" можно описывать системные величины, а также значение помех (напряжения, тока, напряженности полей помех и т.д.).
       При применении десятичного логарифма справедливы следующие выражения для уровней:
       E=20LgUх/Uo, дБ, Uo=1 мкВ,
       i=20LgIх/Io, дБ, Io=1 мкА,
       E=20LgEх/Eo, дБ, Eo=1 мкВ/м,
       H=20LgHх/Ho, дБ, Ho=1 мкA/м,
       P=20LgPх/Po, дБ, Po=1 пВт,
       Уровень является величиной безразмерной. Размерность базовой величины обычно указывается в скобках, например, дБ (мкВ), дб(мкА), и т.д.
       Мера - логарифм отношения величины для обозначения измеряемых свойств объекта (степени передачи, коэффициент усиления, ослабления). При этом берется отношение величины в определенной точке при наличии и отсутствии демпфирующего элемента (фильтра, экрана). Например, коэффициент затухания, дБ, вносимого фильтром, выражается десятичным логарифмом отношения:
       Aе=20Lg(U/UФ),
здесь UФ и U - напряжение помех на воде с фильтром и без фильтра.
       Общий коэффициент затухания, дБ, при наличии экрана:
       As=20Lg(E0/E1), где E0 и E1 - воздействующие на прибор напряженности электрического поля без экрана и с экраном соответственно.
       Часто используемые характерные значения, дБ:
       6 дБ - 2:1
       20 дБ - 10:1
       40 дБ - 100:1
       60 дБ - 1000:1
       80 дБ - 10000:1
       100 дБ - 100000:1
       120 дБ - 1000000:1
       Если вместо десятичного логарифма используется натуральный, то применяют понятие "НЕПЕР". Между непером и децибелом имеют место следующие соотношения:
       1 Нп=8.686 дБ; 1 дБ=0.115 Нп.


[Введение] [ Глава 1 ] Глава 2 [ Глава 3 ] [ Глава 4 ] [ Глава 5 ]

В е р с т к а :   Б е к р е н е в   С е м ё н