4.6. Защита конструкции от воздействия помех.

Помехи.

Электрический шум. Шум никого отношения не имеет к помехе. Это флюктационный процесс из-за обусловленный дискретной природой электрического тока и представляющий собой последовательность очень коротких импульсов появляющихся хаотически и в больших количествах.

Сбой – однократный отказ при выполнении какой-либо функции (операции).

Пульсации - переменное сетевое напряжение, внутренние импульсные помехи, появляющиеся на выходе постоянного источника электропитания.

Помеха рассогласования – помеха, возникающая при передаче сигналов по линии связи из-за несогласованности (неравенства) ее волнового сопротивления с входными или выходными сопротивлениями, нагруженных на данную линию электронных схем.

Перекрестная (поперечная, противофазная, несимметричная) помеха. Помеха, вызванная электрическим, магнитным, электромагнитным взаимодействием, расположенных по соседству линий связи.

Емкостная помеха. Помеха, вызванная через емкостное электрическое взаимодействием, расположенных по соседству линий связи.

Индуктивная помеха. Помеха, вызванная через магнитное взаимодействие, расположенных по соседству линий связи.

Электромагнитная помеха. Помеха, вызванная электромагнитным взаимодействием, расположенных рядом линий связи.

Кондуктивная (тоже продольная, синфазная, симметричная) помеха. Проводники, связывающие компоненты схем между собой, обладают сопротивлениями, падения напряжений на которых вызывают данного вида помехи.

Помеха термо-ЭДС. В местах контактов разнородных материалов, каковыми являются провода и припои, возникают потенциалы, зависящие и от температуры контакта.

Многочисленные разновидности помех подразделяются на поперечные (несимметричные, противофазные) и продольные (симметричные, синфазные). Син – вместе.

Продольная (синфазная, симметричная, кондуктивная) помеха. При протекании токов через общие сопротивления, например по земле, возникают падения напряжений на них, воспринимаемые электронными схемами как помехи.

Атмосферная помеха – помеха грозового разряда (рис. 4,а). При одной молнии наблюда6ется до 10 подобных импульсов, следующих с интервалами от 10 до 100 мсек. Токи в проводах, обусловленные разрядом молнии, могут вызвать в электрических контурах напряжения с мешающими или разрушающими последствиями (рис. 4,б).

Сбой.

Пульсации.

Помеха.

А) Электрическое и (или) магнитное явление, нежелательно влияющее на полезную инфо , носителями которой явл напряжения, токи, электрические заряды, напряженность поля и пр.

Б) Непредусмотренный при проектировании ЭА сигнал, способный вызвать нежелательное воздействие, выраженное в виде нарушения функционирования, искажения передаваемой или хранимой информации, разрушения и т.п. Помехами могут быть напряжения, токи, электрические заряды, напряженность поля и пр.

Помехи весьма многообразны по физической природе и подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи возникают внутри работающей аппаратуры. Источниками электрических помех являются блоки электропитания, цепи распределения электроэнергии, термопары, потенциалы, возникающие при трении. Источниками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. Тактирующие и синхронизирующие цепи, цепи распределения электроэнергии при наличии пульсаций выходного напряжения следует рассматривать как источники электромагнитных помех. Значительные помехи создаются электромагнитами, электрическими двигателями, реле и исполнительными электромеханическими устройствами ввода и вывода информации ЭА.

Внутренними помехами являются помехи от рассогласования волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопротивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возникающие по линии нулевого потенциала.

Под внешними помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных двигателей, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., а также помехи, вызванные разрядами статического электричества, атмосферными и космическими явлениями, ядерными взрывами. Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.

Приемниками помех являются высокочувствительные усилители, линии связи, магнитные элементы, характеристики которых изменяются под действием полей рассеивания источников помех. Помехи проникают в аппаратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое (емкостная помеха) или магнитное (индуктивная помеха), электромагнитное поле. Многочисленные проводники, входящие в состав любой аппаратуры, можно рассматривать как приемо-передающие антенные устройства, принимающие или излучающие электромагнитные поля.

Гальваническая связь возникает в результате протекания токов и падения напряжений на электрических соединениях конструкций. На рис. 4.22 приведена схема, состоящая из Мn модулей с общим питающим напряжением и общим нулевым потенциалом (землей).

Д опустим, что из n модулей схемы функционирует последний Мn модуль, а остальные находятся в режиме ожидания. При протекании тока к модулю Мn на шинах питания и земли будет иметь место падение напряжений Uп и Uз (гальваническая помеха), которые могут сказаться на работоспособности модулей М1 ... Мn-1. При функционировании одновременно нескольких модулей схемы гальваническая помеха значительно возрастает.

Поэтому проводники, объединяющие модули в систему, должны быть по возможности короткими, а их поперечные сечения возможно большими, что приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности проводов.

Радикальным способом устранения гальванической помехи является устранение цепей, по которым проходят совместные токи питания и земли как чувствительных к помехам схем, так и сравнительно не чувствительных мощных схем.

Таким образом, по проводам, связывающим модули в систему, передаются как полезные сигналы, так и сигналы помехи. Эффективным схемным средством селективного ослабления помехи при отсутствии ослабления и искажения полезного сигнала является использование помехоподавляющих фильтров.

Фильтры характеризуются частотой среза f_ср и коэффициентом фильтрации К_ф, равным отношению сигнала частотою f на входе и выходе фильтра. В табл. 4.11 приведены фильтры, их электрические схемы и характеристики. Зная спектр частот полезного сигнала и помехи, задаваясь ослаблением помехи до приемлемых значений (в идеальном случае до нуля), по характеристикам выбирают схему фильтра или составляют из нескольких фильтров табл. 4.11.

Конструирование экранов.

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 – экранируется источник помех, а защищаемая от помех аппаратура располагается вне экрана. Первый вариант используется при защите от внешних помех, второй – внутренних. В обоих вариантах в качестве экранов используются металлические оболочки.

В ЭА функции экранов чаще всего выполняют кожухи, панели и крышки приборов, блоков и стоек, при выборе материалов и расчете толщины которых кроме соображений эффективности экранирования необходимо учитывать требования обеспечения механической прочности, жесткости, надежности соединения отдельных элементов, минимума массы.

Отверстия и щели в экранах уменьшают эффективность экранирования, поэтому, конструируя экран, их необходимо исключать или свести к минимуму. Однако целиком от них избавиться невозможно. Щели возникают, если аппаратура защищается крышками и панелями (лицевыми, монтажными и др.), устанавливаемыми и закрепляемыми на каркасе. Отверстия вводятся в кожух для установки соединителей, элементов управления, индикации, для обеспечения нормального теплового режима. Эффективность экрана не ухудшится, если в его конструкции выполнены отверстия, максимальные размеры которых не превышают 1/2 минимальной длины волны экранируемого сигнала. Чтобы помеха не проникала через вентиляционные отверстия, на внутренних поверхностях кожухов с отверстиями закрепляется металлическая сетка с размером шага не более 1/2 минимальной длины волны помехи.

Принцип действия электрического экрана рассмотрим на конкретном примере (рис. 4.24), когда между источником помехи И электрического поля (провод, по которому протекает ток) и входной и выходной линиями модуля имеет место емкостная связь на входную C и выходную C линии (рис. 4.24а). Результатом введения в конструкцию заземленного экрана Э высокой проводимости (рис. 4.24б) будет появление паразитных емкостей на экран источника помехи C , входной C , выходной C линий. Источник помех окажется подсоединенным на землю через емкость C ,а вход и выход схемы - нагруженными на емкости C и C , что должно учитываться при оценке параметров и характеристик схемы.

Тех же результатов для данного примера можно добиться, используя вместо общего экрана экранированные провода для входной и выходной линий (рис. 4.24в). Более того, поскольку входной сигнал схемой усилителя увеличивается многократно, то чаще всего оказывается достаточным экранировать только входную цепь. Для устранения гальванической помехи по земле экраны проводов необходимо заземлять в одной точке, как это показано на схеме.

При выполнении линий передачи схемы печатным способом вводятся экранирующие трассы 1, коммутируемые с шиной нулевого потенциала (землей) 2 и выполняющие функции экранов экранированных проводов (рис. 4.25). Если источник помехи И расположен на соседней плате, то защита схемы экранирующей трассой невозможна.

На рис. 4.26 показан блок из трех плат (зачерненных) установленных в соединители монтажной панели 2. Левая и центральная платы защищены экранами в виде заземленной проводящей пластины 1. С правой стороны блока экранирующая пластина отсутствует, а защита чувствительной к помехе области платы с компонентами осуществляется заземляемым и фиксируемым на плате коробчатым экраном 3.

В многослойных печатных платах (МПП) функции экрана выполняют сплошные слои нулевого потенциала, поэтому в блоке, использующем МПП, необходимость в экранирующих пластинах отпадает.

Таким образом, защита от электрического поля сводится к введению в конструкцию заземленных металлических оболочек, пластин, трасс, сплошных металлических слоев МПП произвольной толщины и высокой электрической проводимости. Заземляться экраны должны массивными короткими проводниками с минимальным индуктивным сопротивлением.

Экранные оболочки весьма разнообразны как по форме, так и по применяемым материалам. При выполнении экрана из отдельных конструктивных элементов необходимо особое внимание уделять электрической связи между элементами и общему заземлению. Чтобы конструктивные элементы кожуха блока (рис. 4.27) выполняли функцию экрана, детали 1-3, 6, 7 должны электрически объединяться между собой и с несущей конструкцией модуля, в который устанавливается блок. Для этого к элементам кожуха в легкодоступных местах с предварительным удалением покрытия привариваются земляные лепестки 4, коммутируемые между собой гибкими многожильными проводами 5 пайкой. Легкосъемность конструкции обеспечивается заземлением под винт. Для надежного контакта под головку винта вводится пружинная шайба.

Задача экранирования магнитного поля сводится к уменьшению или полному устранению индуктивной связи между источником и приемником помехи. Если магнитный поток пересекает контур, образуемый проводником (проводниками), то в контуре наводится помеха. Значение индуцируемого напряжения, В, помехи вычисляется из где B - магнитная индукция, Тл; S - площадь контура, м .

Для полного устранения или уменьшения напряжения помехи, наводимой в контуре, необходимо:

поместить контур в экран;

ориентировать контур так, чтобы магнитные силовые линии поля не пересекали контур, а проходили вдоль него;

уменьшить площадь контура.

Магнитные экраны выполняются как из ферромагнитных, так и немагнитных металлов. Ферромагнитные материалы с большой относительной магнитной проницаемостью  обладают малым магнитным сопротивлением, в результате чего линии магнитного поля будут шунтированы материалом экрана, и пространство внутри экрана не будет подвергаться воздействию магнитного поля (рис. 4.28). Стрелками на рисунке показано направление воздействия магнитного поля.

Магнитное экранирование тем эффективнее, чем больше магнитная проницаемость экрана и толще экран. Однако, если напряженность магнитного экрана станет равной или превысит коэрцитивную силу материала экрана, то произойдет его намагничивание до насыщения. Когда насыщенный слой достигнет внутренней поверхности стенки экрана, магнитное поле появится внутри экранируемого пространства. При выборе материала экрана необходимо помнить, что магнитная проницаемость с увеличением частоты поля уменьшается, и это сказывается на эффективности экранирования. Ферромагнитные материалы эффективно защищают аппаратуру в диапазоне частот от 0 до 10 кГц.

Действие экрана из немагнитного металла основано на вытеснении внешнего магнитного поля из внутреннего пространства прибора материалом экрана. Внешнее переменное магнитное поле создает индукционные вихревые токи в экране, а те, в свою очередь, - магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю внутри экрана, а за экраном - совместно с направлением возбуждающего поля (рис. 4.29).

У экранов из немагнитных металлов эффективность экранирования растет с увеличением толщины и проводимости материала экрана. Магнитное поле частотой выше 10 МГц достаточно надежно экранируется, если на диэлектрический кожух наносится медное или серебряное покрытие толщиной не более 100 мкм. Толщина немагнитного экрана может в несколько раз превысить толщину ферромагнитного, обеспечивающего на фиксированной частоте одинаковое ослабление. Использование ферромагнитного материала позволяет значительно снизить массу экрана. При экранировании магнитного поля заземление экрана не обязательно, поскольку оно не влияет на качество экранирования.

Однако, перед тем как конструировать экран, необходимо предусмотреть все меры, чтобы избавиться от помехи более простым и дешевым способом. Например, во вторичном источнике питания имеет место сетевой трансформатор TV и дроссель фильтра L, которые обычно располагаются рядом. Поле рассеяния ТV захватывается магнитопроводом дросселя и в дросселе будет наводиться значительная сетевая помеха (рис. 4.30а), поскольку линии поля TV направлены ортогонально виткам обмотки L. Помеху можно уменьшить, разнеся TV и L, как можно дальше друг от друга, или целиком устранить, ориентируя дроссель так, чтобы силовые линии поля TV проходили вдоль витков обмотки дросселя (рис. 4.30б).

Уменьшение площади контура, пересекаемого силовыми линиями магнитного поля, может быть получено укладыванием сигнального проводника возможно ближе к земле или по земле.

Внешний защитный контур может быть частично сформирован печатным способом (рис. 4.31), а со стороны ответного электрического соединителя, установленного на монтажной панели, - объемным проводом. В контуре наводится ток помехи, который создает магнитное поле противоположного направления. В результате схема, смонтированная на плате, не будет подвержена воздействию паразитного внешнего поля.

Электромагнитное экранирование охватывает диапазон частот от 1 кГц до 1 ГГц.

Действие электромагнитного экрана основано на отражении электромагнитной энергии и затухании ее в толще экрана. Как видно из рис. 4.32, электромагнитная энергия W отражается на границах диэлектрик-экран Wдэ и экран-диэлектрик Wэд, затухает в толще экрана Wз и частично проникает в экранируемое пространство Wп.

Экранирование поглощением объясняется тепловыми потерями на вихревые токи в материале экрана, экранирование отражением - несоответствием волновых параметров материала экрана и окружающей среды. Для нижней границы частотного диапазона первостепенное значение приобретает отражение, для верхней границы - поглощение электромагнитной энергии. Электромагнитное экранирование может выполняться как немагнитными, так и магнитными материалами. Немагнитные металлы высокой проводимости можно эффективно использовать в низкочастотной части спектра, ферромагнитные материалы высокой магнитной проницаемости и электрической проводимости - во всем частотном диапазоне электромагнитного поля. Толщина экрана должна быть по возможности наибольшей.

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 – стальные экраны. Однако наилучшие результаты могут быть получены при применении многослойных экранов - последовательно чередующихся слоев магнитных и немагнитных металлов. Возможны различные варианты материалов слоев: медь-пермаллой-медь, пермаллой-медь, медь-сталь–медь и др. Введение воздушного промежутка между слоями в 20 - 40 % суммарной толщины экрана улучшит эффективность экранирования. При защите аппаратуры от внешнего поля материал с низким значением магнитной проницаемости помещают наружу, с высоким значением - внутрь. Если экран защищает источник электромагнитного поля, то материал с низкой магнитной проницаемостью должен быть внутренним слоем, а с высокой - наружным.

В табл. 4.12 приведены характеристики немагнитных, а в табл. 4.13 – магнитных материалов экранов. Из немагнитных материалов с позиций минимальной стоимости и массы наилучшими свойствами обладает магний, но он легко коррозирует, 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 антикоррозионным свойствам и стабильности сопротивления электрического контакта ее можно рекомендовать для широкого применения в качестве материала экрана.

Таблица 4.12.

Свойства немагнитных материалов экранов

Материал	Плотность, кг/м^3	Проводимость Y/1,75.10^-8, 1/Ом.м	Относительная стоимость
Алюминий	2700	0,61	0,29
Латунь	8700	0,18	0,85
Медь	8890	1,0	0,6
Магний	1740	0,38	0,36
Серебро	10500	1,05	34,0
Цинк	7140	0,28	0,17

Таблица 4.13.

Свойства ферромагнитных материалов экранов

Материал	Плотность, кг/м^3	Проводимость Y/1,7510^-8, 1/Ом.м	Магнитная проницаемость 1,2610^-6, Гн/м	Индукция B, 10^-4, Тл	Напряжен-ность H, Э
Никель	8900	0,27		6,0	0,42
Железо	7880	0,21	1000	21,7	0,34
Сталь	7750	0,068	1000	21,2	0,52
Пермаллой - 41% никеля - 80% никеля	8180 8750	0,036 0,044	80000	15,4 7,9	0,07 0,35

Железо, если бы не низкая его коррозионная стойкость, является наилучшим материалом для магнитных экранов. В практике конструирования получили распространение экраны из стали и пермаллоев. Стальные экраны с малой начальной магнитной проницаемостью обеспечивают малое, но постоянное экранирование как на низких, так и на частотах вплоть до десяти 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 магнитную проводимость, а это сказывается на эффективности экранирования.

Расчеты экранов сводятся к определению ослабления нежелательного поля внутри экранируемого пространства при выбранном материале и толщине стенки экрана.