Основные понятия

Электромагнитная совместимость (ElectroMagnetic Combatibility — EMC) — это способность электрооборудования удовлетворительно функционировать в условиях электромагнитных воздействий со стороны окружающей среды, а также не оказывать недопустимого воздействия на эту окружа­ющую среду, которая включает в себя другое электрооборудование.

Основные понятия электромагнитной совместимости рассматривают воздействие как излучаемых, так и кондуктивных помех (наводки), распространяющихся по провод­никам (например, наводки по цепям питания), а также чувствительность электрообо­рудования к воздействию помех (помехоустойчивость). При этом характеристики электромагнитной совместимости могут определяться в полосе частот 0...400 ГГц. Взаимосвязь основных понятий электромагнитной совместимости приведена на Рис.1.

.

Рис.1. Различные аспекты электромагнитной совместимости

Природа электромагнитных помех

Электромагнитные помехи возникают вследствие природных явлений или как результат технических процессов. Примерами естественных помех могут служить атмосферные разряды (электромагнитные импульсы, возникающие при ударе молнии) или электростатические разряды (ElectroStatic Discharge — ESD). Последние имеют особенно большое значение в полупроводниковой электронике. В промышленном оборудовании основным источником помех являются процессы переключения в электрических цепях, связанные с очень быстрым изменением токов и напряжений, что, в свою очередь, ведёт к появлению электромагнитных помех, которые могут быть периодическими или случайными. Воздействие этих помех может носить как кондуктивный (в виде наводки на токи или напряжения в проводниках), так и излучательный (под влиянием переменного электромагнитного поля) характер.

Тип кондуктивной помехи, когда наведённый в проводниках ток имеет знак, т.е. с одинаковой амплитудой протекает как в прямом, так и в обратном направлении, называется симметричной, или дифференциальной, помехой. Если ток помехи замыкается на землю или протекает по проводнику в одном направлении, то такая помеха называется асимметричной, или синфазной.

Электромагнитная связь между источником и приёмником помех может возникать в результате:

• гальванической связи (наиболее распространённый случай), которая создаёт симметричные помехи;

• ёмкостной связи, возникающей в результате воздействия переменного электрического поля на паразитные конструктивные ёмкости;

• индуктивной связи, вызванной нахождением проводника, по которому течёт ток, в переменном магнитного поле;

• электромагнитной связи, которая может иметь кондуктивной характер (возникает как наводка на проводники в кабельных жгутах или на проводящие дорожки пе­чатной платы) либо распространяется путём излучения (если ширина зазора между источником и приёмником помехи превышает 0.1 длины волны излучения).

Формы представления сигналов помехи

Помехи, имеющие периодический или апериодический характер в определённом временном интервале, могут быть математически представлены в виде наложения сину­соидальных и косинусоидальных сигналов различной частоты и амплитуды. На Рис. 13.2 показаны типичные виды сигналов помехи и их спектральные представления.

Рис. 13.2. Представления различных сигналов помех в частотной и временной области.

Полупроводниковые ключи, логические интегральные схемы, микроконтроллеры являются источником широкополосных помех, вызванных внутренними процессами в этих устройствах и работой тактовых генераторов. Сигналы указанных помех имеют периодический характер и могут быть «разложены» в частотный спектр с помощью преобразования Фурье. Ниже приведены аппроксимирующие выражения, которые можно использовать при расчёте амплитуд и частот излома для трапецеидальных сигналов. Пример такого сигнала показан на Рис. 13.3, а соответствующая ему аппроксимирующая огибающая спектра представлена на Рис. 13.4. От основной частоты сигнала до первой из частот излома f_g1 график спектральной зависимости амплитуды сигнала от частоты идёт параллельно оси частот. На участке между первой и второй (f_g2) частотами излома амплитуда уменьшается с крутизной 20 дБ/дек, а на последнем участке — с крутизной 40 дБ/дек.

Рис. 13.3. Представление процесса переключения сигналов в виде трапецеидальной функции.

Рис. 13.4. Форма огибающей спектральной характеристики.

В приведённых ниже формулах используются следующие обозначения:

Ао - амплитуда исходного сигнала;

A_n - амплитуда п-й гармоники;

T₀ - период основной частоты сигнала;

t_i - длительность импульса;

t_s - время переключения

0

n - номер гармоники основной частоты;

n_g1 - номер гармоники частоты 1-го излома;

п_g2 — номер гармоники частоты 2-го излома;

f₀ - основная частота;

f_{g 1} - частота 1-го излома;

f_g2 - частота 2-го излома.

На первом участке спектра в диапазоне частот f₀… f_g1.. амплитуда сигнала не зависит от частоты:

На втором участке в диапазоне частот f_g1… f_g2 амплитуда сигнала падает с крутизной 20 дБ на декаду:

На третьем участке (частота выше f_g2) амплитуда сигнала падает с крутизной 40 дБ на декаду:

Рассматривается обеспечение электромагнитной совместимости электронной аппаратуры конструкторскими средствами.

Протекающие токи и действующие напряжения создают соответственно переменное магнитное поле и электрическое поле, которые вызывают в электронной аппаратуре «наводки».

Наводка - это непредусмотренная конструкцией устройства передача тока, напряжения или мощности от одного элемента к другому. Наводки могут привести к искажению параметров рабочих сигналов или отказу устройства.

Проблема электромагнитной совместимости проявляется там, где имеет место высокая плотность компоновки элементов и где большой диапазон амплитуд рабочих сигналов. При решении проблем электромагнитной совместимости оперируют следующими понятиями:

• Источник наводки;

• Приемник наводки;

• Паразитная связь между источником наводки и приемником наводки.

Источники и приемники наводок

Однозначного разделения всех видов устройств на источники и приемники наводок провести нельзя, так как в разных ситуациях одно и тоже устройство может выступать в как в роли приемника, так в роли источника наводки. Однако можно выделить устройства, которые, как правило, относятся либо к одной либо к другой группе.

К типичным источникам наводок относят:

Питающая сеть 220 Вольт, 50 Герц;

• Генераторы синусоидальных сигналов (особенно в диапазоне СВЧ);

• Генераторы импульсов (особенно с малыми длительностями переднего и заднего фронтов);

• Коллекторные электродвигатели;

• Трансформаторы (особенно выходные);

• Реле, пускатели и другая коммутирующая аппаратура.

К типичным приемникам наводок относят:

• Радиоприемные устройства;

• Усилительные устройства с большим коэффициентом усиления;

• Импульсные устройства типа триггера или ждущего мультивибратора (особенно с малым порогом срабатывания).

Виды паразитных связей

Известные паразитные связи делятся на:

1. Связи через электрическое поле;

2. Связи через магнитное поле;

3. Связи через электромагнитное поле;

4. Связи через соединительные провода.

Паразитные связи через электрическое и магнитное поля имеют место в так называемой ближней зоне электромагнитного излучения, то есть, когда расстояние между источником и приемником менее длины волны электромагнитного поля (r  ). Интенсивность воздействия в зависимости от расстояния уменьшается по квадратичному закону (r^-2).

Если источник наводок характеризуется большими амплитудами напряжений и малыми амплитудами токов, то в первую очередь необходимо проанализировать паразитную связь через электрическое поле. Если источник наводок характеризуется большими амплитудами токов и малыми амплитудами напряжений, то в первую очередь необходимо проанализировать паразитную связь через магнитное поле.

Паразитная связь через электромагнитное поле проявляется при расстояниях между источником наводки и приемником наводки более чем длина волны (r  ). Интенсивность воздействия электромагнитного поля уменьшается пропорционально расстоянию(r^-1).

Паразитная связь через электрическое поле (емкостная паразитная связь)

Схема взаимодействия

C_П - паразитная емкость, I_Н - ток наводки, E_Н - источник наводки.

Напряжение наводки u_Н определяется как:

При условии, что , тогда напряжение наводки будет определятся как:

Для любого вида наводок вводится коэффициент паразитной связи , который в данном случае будет:

Главной задачей устранения наводок является сведение коэффициента паразитной связи к нулю ( = 0).

Для данного случая, единственный способ коэффициента паразитной связи - это уменьшение паразитной емкости C_П. Один из способов уменьшения паразитной емкости - это увеличение расстояния между узлами А и В. Если этим способом не удается существенно уменьшить паразитную емкость, тогда применяют экранирование.

В данной схеме замещения, качество экранирования моделируется конденсатором С_З.

При использовании металлического экрана возможны два случая:

1. Плохо заземленный экран. В этом случае С_З = 0, Z_СЗ  .

Так как площадь экрана много больше площади поверхностей устройств А и В, то емкость каждого конденсатора С₁ и С₂ будет больше чем паразитная емкость С_П. Таким образом, плохо заземленный экран будет увеличивать паразитную емкость.

2. Хорошо заземленный экран. В этом случае Z_СЗ = 0, С_З  .

При хорошем заземлении экрана паразитная связь полностью разорвана.

Требования к экрану

• Хорошее заземление экрана;

• Высокая проводимость материала экрана;

• Толщина экрана практически не оказывает влияния на степень экранирования, при условии если она превышает глубину проникновения поля в металл.

где E₁e^-r/ - напряженность электрического поля при проникновении в металл,  - глубина проникновения электрического поля.

Паразитная связь через магнитное поле (взаимоиндуктивная паразитная связь)

Z_A – полное сопротивление цепи А;

Z`_B – полное сопротивление цепи В (Z_Н + Z_B);

E`_H – наведенная э.д.с.

если Z_Н >> Z_B то тогда

тогда

Коэффицент паразитной связи будет определятся как:

Для уменьшения взаимоиндуктивной паразитной связи рекомендуется:

1. Увеличить расстояние между цепями А и В, а также правильно ориентировать цепь В по отношению к цепи А.

Пример: Магнитное поле Н₁ направленное перпендикулярно плоскости контура создает в контуре ток I₁. Магнитное поле Н₂ направленное параллельно плоскости контура не создает в контуре ток.

2. Применить экранирование

• Низкочастотное магнитное поле (f £ 1 кГц). В этом случае экран представляет собой коробку, которая выполняет функцию «шунта».

Рекомендации по изготовлению экрана:

1. Магнитная проницаемость m материала экрана должна быть как можно больше;

2. Толщина экрана d должна быть как можно толще, так как чем толще экран, тем выше степень экранирования;

3. Стыки между отдельными частями экрана не должны давать существенных помех для прохождения линий магнитного поля.

• Высокочастотное магнитное поле (f > 1 кГц).

• В этом случае применяют высокочастотный магнитный экран.

Магнитное поле источника наводки Н создает ток наводки I_Н (вихревой ток) в экране. В свою очередь, ток наводки I_Н создает магнитное поле экрана Н_Э. Магнитное поле экрана Н_Э, взаимодействуя с полем источника наводки Н, как бы выдавливает основное поле Н за границы экрана и защищает приемник помех.

Рекомендации по изготовлению экрана:

1. Произведение параметров m и s должно быть как можно больше;

2. Если выбранная толщина стенки экрана превышает глубину проникновения магнитного поля в металл, то дальнейшее увеличение толщины экрана не улучшает качество экранирование;

3. Отверстия в стенках экрана не должны препятствовать наведенным токам.

Паразитная связь через электромагнитное поле

Для подавления паразитных связей через электромагнитное поле применяют экранирование.

Е_П – амплитуда электрической составляющей электромагнитного поля источника наводки.

где k – коэффициент отражения.

С учетом этого

Таким образом, чем больше величина коэффициента k, тем степень экранирования будет лучше.

С другой стороны, чем больше отличаются волновые сопротивления воздуха и материала экрана, тем больше коэффициент отражения. Волновое сопротивление материала или среды определятся как:

(волновое сопротивление воздуха – 377 Ом)

Число экранирования Э находится как:

Степень подавления N (в Децибелах):

Паразитная связь через общее сопротивление соединительных проводников

Для подавления такого вида связей нужно избегать общих точек заземления нескольких каскадов и применять фильтрующие ячейки, которые включаются между шиной питания и каждым каскадом или устройством.

Сопротивления Z1 и Z3 должны иметь высокое сопротивление на высоких частотах и малое на низких. Сопротивления Z2 и Z4, наоборот, должны иметь высокое сопротивление на низких частотах и малое на высоких.

Идеальный фильтр

Схема фильтра, которую чаще всего используют на практике.

На высоких частотах электролитический конденсатор едет себя как индуктивность, так как в своем составе имеет паразитную индуктивность. Для того, чтобы скомпенсировать этот недостаток электролитических конденсаторов параллельно устанавливают небольшую емкость, которая имеет хорошие частотные свойства.

Помехоустойчивость печатных узлов

Паразитные связи в печатных платах. Цифровые печатные узлы.

Печатная плата будет иметь следующую эквивалентную схему с учетом паразитных связей.

Рассмотрим два возможных варианта расположения печатных проводников.

Вариант а.

Вариант б.

1. Паразитная емкость