Гизатуллин монография 1

Рис. 4.26. Схема источника высоковольтного напряжения

В исходном состоянии ключ в нижнем положении и соединяет первый вывод конденсатора с общим выводом источника постоянного низковольтного напряжения и вывод 11 первичной обмотки трансформатора, общий вывод источника постоянного низковольтного напряжения заземлен, в таком положении конденсатор разряжен, второй вывод конденсатора соединен с выводом 10 первичной обмотки трансформатора. Вывод 12 вторичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом цепочки последовательно соединенных диодов, вывод 13 вторичной обмотки трансформатора заземлен и является общим выводом источника высоковольтного напряжения. Первый вывод конденсатора является управляющим выводом источника высоковольтного напряжения, второй вывод цепочки последовательно соединенных диодов является потенциальным выводом источника высоковольтного напряжения.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом. При замыкании ключа в верхнее положение соединяются потенциальный вывод источника постоянного низковольтного напряжения и первый вывод конденсатора и конденсатор начинает

201

заряжаться через первичную обмотку трансформатора, из за чего на вторичной обмотке трансформатора возбуждается импульсное положительное высоковольтное напряжение, например длительностью 100 мкс и величиной 3,5 кВ. Для устранения отрицательного импульсного высоковольтного напряжения, который возникает при обратном замыкании ключа в нижнее положение и разряде конденсатора, используется цепочка последовательно соединенных диодов. В рабочем состоянии в данной схеме постоянное высоковольтное напряжение отсутствует. Импульсное высоковольтное напряжение из-за своей малой длительности t = 100 мкс и своим присутствием только в момент запуска генератора намного менее опасно для здоровья пользователей чем прототип. Также в момент замыкания ключа в верхнее положение на управляющем выводе источника высоковольтного напряжения возникает управляющее напряжение. Управляющий генератор, при поступлении на его вход управляющего напряжения от источника высоковольтного напряжения, на выходе формирует прямоугольный положительный импульс напряжения, смещение которого относительно управляющего напряжения и длительность регулируются для обеспечения надежного «лавинного» пробоя основной и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов. При поступлении на потенциальные и управляющие выводы основной и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, соответственно, импульсного высоковольтного и управляющего прямоугольного положительного напряжения происходит «лавинный» пробой основной и дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов. На выходе генератора формируется импульсное высоковольтное напряжение с длительностью фронта τфр = 2 – 5 нс.

Нагрузочная способность генератора увеличивается с уменьшением величины внутреннего сопротивления генератора Rвн.ген,

202

которая в данном случае определяется внутренним сопротивлением цепочек последовательно соединенных транзисторов в режиме «лавинного» пробоя. В прототипе присутствует одна основная цепочка последовательно соединенных транзисторов и соответственно, Rвн.ген = Rвн.0, где Rвн.0 – внутреннее сопротивление основной цепочки последовательно соединенных транзисторов в режиме «лавинного» пробоя. В представленном генераторе введены дополнительные n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n – натуральный ряд чисел от 1 до ∞, одноименные выводы которых соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочки последовательно соединенных транзисторов. Соответственно, при n = 1 внутреннее сопротивление генератора Rвн.ген = 1/(1/Rвн.0 + 1/Rвн.1), где Rвн.1 – внутреннее сопротивление первой дополнительной цепочки последовательно соединенных транзисторов в режиме «лавинного» пробоя; при n = 2 внутреннее сопротивление генератора Rвн.ген = 1/(1/Rвн.0 + + 1/Rвн.1 + 1/Rвн.2), где Rвн.2 – внутреннее сопротивление второй дополнительной цепочки последовательно соединенных транзисторов в режиме «лавинного» пробоя; при n = ∞ внутреннее сопротив-

ление генератора Rвн.ген = 1/(1/Rвн.0 + 1/Rвн.1 + 1/Rвн.2 + … + 1/ Rвн.∞),

где Rвн.∞ – внутреннее сопротивление дополнительной цепочки последовательно соединенных транзисторов в режиме «лавинного» пробоя. Например, если Rвн.0 = Rвн.1 = Rвн.2 = … = Rвн.∞ = 1 Ом, то внутреннее сопротивление прототипа Rвн.ген = 1 Ом; при n = 1

Rвн.ген = 1/2 Ом; при n = 2 Rвн.ген = 1/3 Ом; при n = ∞ Rвн.ген = 0 Ом.

Таким образом, при введении дополнительных n ³ 1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n – натуральный ряд чисел от 1 до ∞, нагрузочная способность генератора высоковольтных импульсов увеличивается.

203

4.5. Технология обеспечения помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий

Таким образом, используя результаты предыдущих разделов работы и основываясь на результатах главы 3, посвященной экспериментальным исследованиям помехоустойчивости СВТ, направленных на проверку адекватности теоретических методик и моделей, предлагается технология обеспечения помехоустойчивости СВТ внутри здании при широкополосных электромагнитных воздействиях (рис. 4.27) [243]. Она содержать две основные части: методику сквозного прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри зданий на основе метода электромагнитных топологий [186] и методики и технические решения, направленные на повышение помехоустойчивости. Разрабатываемая технология является тем инструментом, который может быть применен для обеспечения помехоустойчивости СВТ внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях при соответствующем наполнении конкретными действиями, методиками, моделями и техническими решениями. Рассмотрим примеры использования данной технологии на практике.

Пример 1. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости СВТ (персональный компьютер) на основе МПП при воздействии ЭСР.

Для анализа электромагнитных помех в межсоединениях МПП персонального компьютера, при воздействии ЭСР на его корпус, разработана имитационная модель (рис. 4.28).

Модель МПП представлена на рис. 2.41. Электромагнитный анализ ведется в трехмерной области в диапазоне частот до 1,6 ГГц. В работе рассматриваются 6 вариантов воздействия ЭСР на корпус персонального компьютера (6 точек воздействия). На рис. 4.28, а показаны четыре точки воздействия ЭСР. Два варианта воздействия ЭСР связаны с некоторыми конструктивными изменениями, возможными при эксплуатации персонального компьютера.

204

205

206

В частности, рассматриваются случаи нарушения целостности корпуса персонального компьютера за счет удаления некоторых его металлических частей на передней или задней панели. Эти конструктивные изменения корпуса связаны с установкой и снятием некоторых блоков (например, DVD-ROM, сетевые платы на задней панели корпуса и т.п.) (рис. 4.28, б, 4.28, в).

Рис. 4.28. Точки воздействия ЭСР на корпус персонального компьютера

Также необходимо уточнить путь тока ЭСР, который включает: источник ЭСР; корпус персонального компьютера; провод заземления корпуса компьютера; проводник соединяющий пластину заземления и источник ЭСР.

Рассмотрим результаты численных экспериментов по воздействию ЭСР на персональный компьютер (табл. 4.3). Как видим, максимальный уровень электромагнитной помехи при воздействии

207

ЭСР (рис. 4.29), в рассмотренном примере, достигает 70 мВ и наблюдается в межсоединении МПП длиной 150 мм, расположенном на горизонтальной плате (контур 8 на рис. 2.41).

Таблица 4.3

Результаты имитационного моделирования электромагнитных помех в межсоединениях МПП персонального компьютера при воздействии ЭСР

	Точка воздействия ЭСР	Максимальная амплитуда электромагнитной помехи
		в исследуемых контурах МПП, мВ
	1	менее 1
	2	3,2
	3	4,5
	4	1,3
	5	40,0
	6	70,0

Рис. 4.29. Электромагнитная помеха в межсоединении МПП персонального компьютера

Очень часто, например, в офисных помещениях в зимнее время, накопленное напряжение статического электричества достигает более 15 кВ при использовании синтетических материалов. Таким образом, нарушение помехоустойчивости СВТ (персональный компьютер на основе низковольтных высокоскоростных логических элементов), за счет электромагнитных помех на межсоединениях МПП, при рассмотренных в данном примере исходных данных, возможно при напряжении ЭСР более 10 кВ.

208

Пример 2. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости локальной сети СВТ внутри здания на основе неэкранированной витой пары при воздействии ЭМИ СЭТ. Исходные данные: временная форма ЭМИ СЭТ представлена на рис. 4.30, а; частота повторения ЭМИ до 200 кГц; напряженность до 50 кВ/м; здание – материал стен железобетон, присутствует окно; длина неэкранированной витой пары – 50 м. Минимальная эффективность экранирования стен здания данного ЭМИ, в области окна, составляет 2,2 дБ (1,28 раза), при этом форма импульса в целом сохраняется.

Полученные результаты указывают (рис. 4.30, б), что наибольшие значения электромагнитной помехи наблюдается на нагрузке ZL при воздействии ЭМИ вдоль витой пары, поляризация вертикальная; на нагрузке ZS при воздействии ЭМИ вдоль витой пары, поляризация горизонтальная.

Рис. 4.30. Временная форма ЭМИ (а) и электромагнитная помеха (б)

в неэкранированной витой паре (нагрузка ZL, воздействие вдоль витой пары, поляризация вертикальная)

Таким образом, на основании полученных данных, можно провести прогнозирование помехоустойчивости локальной сети СВТ внутри здания, в качестве линий связи которых, используется неэкранированная витая пара. Проведем прогнозирование помехо-

209

устойчивости локальной сети Fast Ethernet без учета различных временных режимов работы сети. Исходные данные: максимальная частота информационных сигналов 100 МГц; длина пакета – минимальная 512 бит, максимальная 12144 бит. Соответственно, длительность пакетов 5,12 и 121,44 мкс. С учетом частоты повторения воздействующих ЭМИ СЭТ, электромагнитные помехи вводят ложные сигналы в пакеты данных, которые обнаруживаются проверкой контрольной суммы пакета. Такие пакеты отбрасываются, и требуется их повторная передача (рис. 4.31).

Рис. 4.31. Прогнозирование помехоустойчивости локальной сети СВТ внутри здания, на основе неэкранированной витой пары,

при воздействии ЭМИ СЭТ ( f – частота повторения ЭМИ):

– минимальная длина пакета; – максимальная длина пакета

Пример 3. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости СВТ внутри здания при воздействии ЭМИ разряда молнии. Исходные данные: стена здания – железобетон (тип сетки 2); время фронта/полуспада тока молнии – 0,25/100 мкс; максимальное значение тока молнии – 100 кА; высота канала молнии – 1 км; расстояние от разряда молнии до точки наблюдения – 5 км; структура МПП в соответствии с рис. 2.37; размеры МПП – 200 ×150 мм; толщина основания МПП – 0,51 мм; диэлектрическая постоянная материала основания – εr = 4,5; длина межсоединения – 100 мм; ши-

210