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 Lф XL = 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 Хс = 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 Сп. 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 Uвх. 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 Uвх.