Электромагнитная совместимость электронных приборов

1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ  СОВМЕСТИМОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

 

1.1. Общие сведения

 

Работа силовых электронных  устройств, как правило, сопряжена  с резкими скачками протекающего по цепям электрического тока. Такие скачки могут, происходить при коммутациях цепей питания электронных устройств, включениях исполнительных устройств (двигателей, пускателей), при резких изменениях тока нагрузки. Импульсы тока приводят к скачкам напряжения в цепях питания, а также к появлению электромагнитных помех, распространяемых через эфир. Эти помехи оказывают отрицательное влияние на работу других электронных устройств. У аналоговых устройств - усилителей, преобразователей - снижается точность их работы. В импульсных и цифровых устройствах такие импульсные помехи воспринимаются как ложные сигналы, которые приводят к сбоям в работе.

 

1.2. Помехи в  цепях питания

 

Наиболее сильное влияние  на работу электронных устройств  оказывают помехи, проходящие по цепям  питания. Существует две основные структуры  источников вторичного электропитания (ИВЭП):

- линейные ИВЭП, подключаемые к первичному питанию через трансформатор;

- ИВЭП с бестрансформаторным входом.

В линейных ИВЭП регулирующий элемент  работает в линейном режиме, увеличивая или уменьшая ток, поступающий в  нагрузку. Сами по себе эти ИВЭП не создают мощных помех. Однако скачки тока в нагрузке и создаваемые ими помехи будут передаваться через ИВЭП в первичную сеть, через которую могут воздействовать на работу других устройств. Величина этих помех, однако, не велика, так как входной развязывающий трансформатор существенно их ослабляет. Развязывающий трансформатор может дополняться специальными емкостной и компенсационной обмотками, которые дополнительно снижают как влияние флуктуации входного первичного напряжения на работу ИВЭП, так и выбросов и провалов выходного напряжения ИВЭП на первичную сеть.

По-другому обстоит дело с использованием ИВЭП с бестрансформаторным входом. Применение этих ИВЭП чрезвычайно эффективно ввиду значительно более высокого КПД и существенно меньших  массы и габаритных параметров. Однако уровень помех, создаваемых этими ИВЭП, требует специальных мер защиты. Инвертор ИВЭП, работающий в ключевом режиме, осуществляет преобразование выпрямленного постоянного напряжения в переменное с частотой прямоугольных импульсов от 20 до 100 кГц. Сила тока импульсов определяется мощностью, которая должна отдаваться ИВЭП в нагрузку. Естественно, что такие импульсы неизбежно создают мощные помехи, распространяющиеся по цепям первичного питания и в виде электромагнитного излучения через эфир.

 

 

Рис. 1. Фильтр, применяемый  для защиты первичного питания от помех, создаваемых ИВЭП с бестрансформаторным  входом

 

Для защиты первичного питания  от помех, создаваемых инвертором, во входных цепях применяются специальные LC-фильтры (рис. 1).

Эти фильтры рассчитываются на частоты свыше десятков килогерц. Индуктивное сопротивление дросселя L_ф X_L = ωL на частоте первичной сети очень невелико и не влияет на передачу энергии из первичной сети ~220 В в ИВЭП. На частоте помехи это сопротивление становится весьма большим и препятствует распространению помех в первичную сеть. Конденсаторы, напротив, на частоте первичной сети имеют высокое емкостное сопротивление Х_с = 1/ωС, поэтому потерь передачи энергии из первичной сети в ИВЭП не вызывают. Для импульсов помехи их емкостное сопротивление становится низким, и через это сопротивление происходит шунтирование сигнала помехи. Кроме того, во входных цепях применяются специальные проходные конденсаторы С_п. Эти конденсаторы представляют собой проводник, окруженный шайбой. Между шайбой и проводником - слой диэлектрика, так что проводник и шайба образуют конденсатор. Шайба впаивается в корпус ИВЭП, который обычно заземляется. В результате между проводником и заземленным корпусом образуется емкостная связь. Через эту емкость на высокой частоте помехи происходит ее замыкание на землю.

Другой вид помех, связанный  с работой ИВЭП, заключается в  кратковременных скачках выходного напряжения при резких изменениях тока нагрузки. Скачкообразное увеличение или уменьшение потребляемого тока может привести к выбросам выходного напряжения ИВЭП, дестабилизирующим работу питаемых им устройств. В этих случаях применяют комбинированный метод стабилизации, заключающийся в применении наряду с ИВЭП с импульсным стабилизатором специального устройства подавления (УП).

В зависимости от выполняемых функций  существуют УП провалов и УЯ выбросов. В УП провалов содержится дополнительный источник питания, который подключается только в переходных режимах при скачкообразном увеличении тока нагрузки. Сигнал управления при появлении таких скачков приводит в действие УП провалов и к нагрузке поступает дополнительный ток, поддерживающий выходное напряжение на допустимом уровне. При достижении выходным напряжением установившегося значения ток, протекающий черев УП провалов, прекращается.

УП выбросов предотвращает всплески выходного напряжения, которые могут  возникать при скачкообразном уменьшении тока нагрузки. Принцип подавления выбросов заключается в том, что в течение переходного процессе сигнал управления включает УП выбросов, который шунтирует выход ИВЭП и избыток выходного тока ИВЭП замыкается через него.

 

1.3. Экранирование  электронных устройств

 

Одним из эффективных  способов борьбы с помехами, распространяющимися по эфиру, является экранирование. Электронное устройство помещают в глухой проводящий корпус, который служит экраном, препятствующим распространению электромагнитных помех. Обычно экранами окружают устройства - источники электромагнитных помех (например, инвертор ИВЭП с бестрансформаторным входом, или вся конструкция такого ИВЭП), а также особо чувствительные к электромагнитным помехам электронные устройства, измерительно-преобразовательные устройства, высокочувствительные усилители. В первом случае обеспечивается блокирование электромагнитных помех внутри самого источника, во втором - защита устройства от влияния внешних электромагнитных помех.

Реальные конструкции экранов  всегда негерметичны, имеют достаточно широкие щели, малые и большие  отверстия (окна для теплоотвода, радиаторы), стыки и швы. Поэтому при оценке проникновения электромагнитных помех через экранирующие металлоконструкции проводятся расчеты полей, проникающих через щели и отверстия.

Максимальное проникновение электромагнитной помехи наблюдается в тех случаях, когда вектор напряженности магнитного поля направлен по касательной к плоскости отверстия, а электрического поля - по перпендикуляру. При этом в непосредственной близости от отверстия помеха оказывает максимально вредное воздействие. С удалением от отверстия напряженность поля убывает обратно пропорционально кубу расстояния, а с удалением от щели - обратно пропорционально его квадрату. Поэтому при разработке конструкции электронного устройства особо чувствительные элементы стараются разместить вдали от щелей и отверстий.

Существенно снижают экранирующие свойства корпусов устройств такие пути проникновения помех, как вводы проводников и кабелей, которые обычно выполняют в виде разъемных соединений. При этом влияние помехи будет тем больше, чем больше контактное сопротивление разъемного соединения. Снижение влияния помехи обеспечивается путем уменьшения этого сопротивления, для чего контакты соединений покрывают золотом или его сплавами.

 

1.4. Использование  гальванической развязки

 

Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, в качестве которого может использоваться корпус. Обычно он служит одним из полюсов электропитания. Подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к тому, что при коммутациях сильноточных цепей на нем «наводятся» кратковременные импульсные помехи. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами (источником и приемником информации) должен быть один общий потенциал, в качестве которого и выступает общий провод. В результате помехи, возникающие при коммутациях сильноточных цепей и распространяющиеся через корпус, неизбежно будут вызывать сбои в работе электронных устройств.

Эффективным методом борьбы с такого рода помехами является гальваническая развязка источников помех и устройств, на работу которых помехи оказывают вредное влияние. Для этого осуществляют раздельное питание силовых и слаботочных устройств, устройств выработки управляющих сигналов и исполнительных устройств. В идеальном случае каждое из устройств должно иметь собственный ИВЭП.

Помимо борьбы с помехами, гальваническая развязка обеспечивает решение еще одной проблемы - совместной работы устройств, находящихся под разными потенциалами. Простое электрическое соединение цепей таких устройств приведет к их выгоранию.

Однако при этом возникает проблема передачи информационных сигналов между разными устройствами. Для ее разрешения применяют различные способы гальванической развязки информационных цепей.

Использование оптронной  развязки позволяет эффективно решать проблему передачи цифровой информации. Как это было показано ранее, оптрон содержит пару «светодиод-фотодиод», которая обеспечивает передачу сигнала через оптическое излучение. Поскольку оптическое излучение электрически нейтрально, оно не подвержено влиянию электромагнитных помех. Входные и выходные цепи при этом электрически никак не связаны, т.е. гальванически развязаны (рис. 2).

Оптронную развязку используют, главным образом, при передаче цифровой информации. Передаче двух цифровых уровней (единицы и нуля), соответствует либо включенное, либо отключенное состояние светодиода. В затемненном состоянии ток через фотодиод практически отсутствует. При облучении фотодиода светодиодом происходит генерация фототока, который в отличие от обычного, прямого тока диодов является обратным и направлен от катода к аноду. Ток фотодиода преобразуется в цифровые уровни обычно с помощью транзистора. При отсутствии фототока, а значит и базового тока, транзистор закрыт.

 

 

 

Рис. 2. Схема гальванической развязки информационных цепей:

1 - светодиод; 2 - фотодиод

 

Появление фототока вызывает ток базы транзистора, достаточный  для того, чтобы ввести транзистор в насыщение. Таким образом, транзистор работает в ключевом режиме и обеспечивает формирование цифровых уровней.

Кроме пар «светодиод-фотодиод»  в оптронах используются также пары «светодиод-фототранзистор» и «светодиод-фототиристор». Для оптронной развязки выпускают также готовые микросхемы, содержащие ту или иную оптронную пару, а также транзисторные каскады, обеспечивающие не только формирование двух цифровых уровней напряжения, но и необходимую нагрузочную способность.

На основе оптронной  развязки выполняют передачу цифровой информации между гальванически развязанными электронными устройствами в сложных системах обработки информации. Очень важная функция оптронной развязки - обеспечение взаимосвязи между датчиками и исполнительными устройствами технологической системы и аппаратурой управления технологическими процессами. В основе такой аппаратуры, как правило, используется микропроцессорное вычислительное устройство. Через оптронную развязку осуществляется:

- прием входной информации  с датчиков релейного типа, имеющих два устойчивых состояния;

- ввод ее в цифровое  устройство управления - программируемый  логический контроллер;

- выдача управляющих  команд на исполнительные механизмы.

При этом разность потенциалов, под которыми находятся контроллер и технологическая система, может достигать 500 В.

Релейная развязка широко применяется при коммутации сильноточных цепей управления исполнительными  механизмами. Наиболее часто используется подача силового питания на исполнительное устройство (рис. 3).

Если допустимый ток, протекающий через замкнутые контакты реле, недостаточен для обеспечения тока нагрузки, применяют двухтактную релейную развязку, в которой контакты первого реле замыкают цепь обмотки второго сильноточного реле. Последнее может иметь питание от сети переменного тока 220 В и коммутировать трехфазное напряжение. Такие мощные электромагнитные реле, называемые пускателями, обеспечивают коммутацию электродвигателей и других сильноточных исполнительных устройств. Промышленные контроллеры, как правило, содержат набор специальных модулей, выполненных на основе электромагнитных реле и обеспечивающих гальваническую развязку контроллера и сильноточных управляющих цепей.

 

 

 

 

Рис. 3. Схема репейной развязки

 

Трансформаторная  развязка применяется при передаче аналоговых сигналов. Как известно, через трансформатор можно передавать импульсные сигналы, поэтому схема трансформаторной развязки (рис. 4) должна содержать устройства преобразования медленно изменяющихся сигналов в импульсный и обратно. Эту функцию выполняют модулятор, стоящий во входной цепи, и демодулятор, устанавливаемый в выходной цепи. Модулятор обеспечивает преобразование входного напряжения в последовательность импульсов, огибающая которых повторяет форму медленно изменяющегося входного напряжения U_вх. Импульсный сигнал передается через развязывающий импульсный трансформатор, после чего становится гальванически развязанным с цепью входного сигнала. Демодулятор обеспечивает обратное преобразование импульсного сигнала в медленно изменяющийся выходной сигнал U_вх.