Воздействие электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения на изделия электронной техники приводит к изменению их параметров как за счет непосредственного поглощения ими энергии, так и за счет воздействия на них наведенных в цепях импульсов токов и напряжений. Наиболее чувствительными к воздействию импульсных напряжений и токов, наведенных электромагнитными импульсами естественного и искусственного происхождения на проводах и кабелях, являются подключенные к ним устройства, в первую очередь, выполненные на интегральных микросхемах и дискретных полупроводниковых приборах. В странах Европейского Союза проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) в настоящий момент достаточно хорошо изучена и выпущено много нормативных документов, регламентирующих требования к оборудованию.

До недавнего времени основным способом защиты было использование в защищаемой цепи фильтров низкой частоты (ФНЧ). Этот способ имеет один недостаток: ФНЧ представляет собой интегрирующую цепочку и, соответственно, уменьшая по амплитуде импульс, он увеличивает его длительность, тем самым энергия импульса остается без изменения. Современные системы защиты дополняются активными компонентами (полупроводниковые ограничители, металлооксидные варисторы, газоразрядные ограничители).

Так как фильтры низкой частоты в данном случае предназначаются для силовых цепей, то их в основном строят на элементах, имеющих минимальные потери активной энергии, то есть на конденсаторах и дросселях. Данные специализированные пассивные электронные компоненты для подавления электромагнитных помех на российский рынок поставляются двумя производителями: Murata и Epcos. Основные технические характеристики этих электронных компонентов можно почерпнуть на их официальных сайтах или на сайтах поставщиков электронных компонентов. По сравнению с другими классами ограничителей газоразрядники имеют весьма высокие напряжения, большое значение допустимого тока и малые межэлектродные емкости, что позволяет их использовать для защиты цепей аппаратуры от ЭМИ искусственного и естественного происхождения, когда энергия, выделяемая в ограничителе, достаточно велика. Но применение одних только разрядников из-за значительного времени их срабатывания (время реакции от сотен наносекунд до микросекунд) не решает проблемы защиты. Величина выброса напряжения у разрядников в значительной степени зависит от скорости нарастания фронта воздействующего импульса. При больших скоростях нарастания фронта импульса величина выброса напряжения может возрасти в 5–6 раз по сравнению со статическим напряжением возникновения разряда. Этот недостаток разрядников в меньшей степени проявляется у варисторов и совсем отсутствует у полупроводниковых ограничителей напряжения. Основную долю газонаполненных разрядников, присутствующих на нашем рынке электронных компонентов, производят такие известные фирмы, как Epcos и Bourns, а также еще мало известная на нашем рынке фирма Nenshi. Газоразрядники выпускаются в различных конструктивных исполнениях, в том числе и в безвыводных корпусах, на широкий диапазон напряжений пробоя (от 75 В до 4,5 кВ) и высокий номинальный импульсный ток (от 2,5 кА до 20 кА). Основные характеристики газонаполненных разрядников фирмы Epcos иллюстрирует таблица 2. Полупроводниковые ограничители напряжения и варисторы выгодно отличаются от разрядников тем, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при применении полупроводниковых ограничителей защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников. Наличие низкого напряжения поддержания разряда у разрядников ограничивает их применение для защиты цепей постоянного тока, в которых напряжение источника выше напряжения поддержания разряда. Варисторы по своей сути являются резисторами с сопротивлением, зависящим от приложенного напряжения. При превышении напряжения выше номинального варисторы в течение времени реакции резко уменьшают сопротивление, ограничивая импульс напряжения. Эффективность ограничения переходных процессов с помощью полупроводниковых ограничителей и варисторов определяется их динамическим сопротивлением на рабочем участке вольт-амперной характеристики (чем меньше динамическое сопротивление прибора, тем лучшими свойствами ограничения он обладает). Наличие у полупроводниковых ограничителей напряжения высокого показателя нелинейности определяет их дополнительное преимущество по сравнению с варисторами. По значению допустимого тока полупроводниковые ограничители напряжения несколько уступают варисторам.

Проектирование принципиальной схемы блока электромагнитной совместимости основываем на структурной схеме устройства. Принципиальная схема блока изображена на рис. 1.

Принципиальная схема блока электромагнитной совместимости состоит из пассивной и активной защиты. В качестве пассивной защиты применен двухзвенный симметричный Г-образный фильтр. Первое звено фильтра предназначено для подавления наносекундных импульсов, и, как следствие, его постоянная времени должна быть сопоставима с длительностью импульса (50 нс). А второе звено фильтра предназначено для полного подавления наносекундных импульсов и затягивания фронтов микросекундных. Соответственно, его постоянная времени принимается равной 1/10–1/5 длительности микросекундных импульсов (50 мкс). Такое разделение фильтра на два звена объясняется тем, что с увеличением значений номиналов реактивных элементов фильтра (а следовательно, увеличения его постоянной времени) увеличиваются паразитные параметры электронных компонентов. Как следствие, фильтр с большой постоянной времени может оказаться «прозрачным» для импульсов малой длительности с крутыми фронтами. Кроме емкостей между линией и корпусом (С1, С2, С4, С5) фильтр имеет емкость, расположенную непосредственно между линиями (С3). В качестве активной защиты блока между линией и корпусом применяются варисторы (они являются более мощными компонентами по сравнению с полупроводниковыми ограничителями), а между линиями – ограничительный стабилитрон, так как имеет малые токи утечки, что критично в случае информационных линий. Принципиальная схема блока электромагнитной совместимости для устройств без совмещения питающего и информационных линий аналогична описанной, только в качестве активной защиты возможно применение низковольтных варисторов – как относительно линии и корпуса, так и между линиями (для приборов не специального назначения).

Напряженности электрического и магнитного полей будем рассчитывать исходя из предположения, что:

При электронном моделировании нас в основном интересует поведение фильтра при отработке наносекундных и микросекундных высоковольтных импульсов. Как было обозначено ранее, фильтр должен хорошо сглаживать наносекундные импульсы и затягивать фронты микросекундных импульсов. Схема моделирования фильтра представлена на рис. 6. Задавая наносекундный импульс (50 нс) генератором высоковольтного напряжения, получаем диаграммы напряжения в характерных точках (рис. 7). Первая диаграмма – импульс генератора высоковольтного напряжения амплитудой 2 кВ, вторая – напряжение между линиями питания после первого звена фильтра, третья – напряжение между линиями питания после второго звена фильтра. Как видим, после первого звена фильтра блока электромагнитной совместимости высоковольтный импульс изменяет свою форму: затягивается его фронт, изменяется амплитуда, уменьшается частота, появляется колебательный переходной процесс. После второго звена переходной процесс превращается в апериодический с большой постоянной времени, на некоторое время повышая напряжение питания в пределах допустимого. То есть мы видим, что фильтр справляется со своей задачей по фильтрации наносекундных импульсов.

Шаг расчета электромагнитных процессов при заданной ширине спектра функции выбирается в соответствии с теоремой Котельникова. В расчете результирующая напряженность поля определялась путем арифметического сложения полей, излучаемых источниками помех, работающими одновременно. На практике поля складываются с учетом их фаз, и результат будет меньше, но для оценки наихудшего случая такой подход является правомерным.

Полученные при расчете спектры Е и Н зарядно-разрядного устройства сравнивались с экспериментальными, измеренными в диапазоне частот от 0 до 30 МГц [3,4] с помощью квазипикового анализатора спектра Р5Р 30 в ОАО «НПЦ «Полюс».

Заключение

Данная статья представляет собой обобщение накопленного опыта: изучение нормативных документов, исследование приборов на электромагнитную совместимость, выбор и обоснование структурной схемы блока ЭМС, создание принципиальной схемы блока и ее расчет, электронное моделирование и его результаты. В качестве рекомендаций по упрощению можно порекомендовать изготовление блока электромагнитной совместимости, в котором отсутствуют элементы активной защиты между линией и корпусом, так как обычно изоляция, применяемая в приборах, должна выдерживать напряжение 2 кВ, а емкости фильтра обеспечат затягивание фронта импульса и уменьшение напряжения пробоя.

Литература

1. Барнс Дж. Электронное конструирование. Методы борьбы с помехами: пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 238 с.
2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971.- 354 с.
3. ГОСТ Р 51319-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт РФ, 2000. - 65 с.
4. ГОСТ Р 51320-99. Совместимость технических средств элек-тромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств - источников индустриальных ра-диопомех. Технические требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт РФ, 2000. - 27 с.