Защита от помех – Защита от электромагнитных помех в сервостистемах

Содержание

Защита от электромагнитных помех в сервостистемах

Правильный выбор экранированных кабелей является одним из самых важных шагов при создании надежных и точных сервосистем

Кабели выпускаются с различной экранировкой и типами проводов

Экранировка кабелей защищает сигналы в жилах от внешних источников электромагнитных помех, а также уменьшает излучение самого кабеля, которое может оказывать влияние на оборудование и проводку рядом с кабелем.

 

Типы электромагнитных помех

Чтобы понять принципы экранирования, необходимо сначала понять принципы передачи электромагнитных помех через соединения, так как экранировка, предназначенная для одних типов соединений, может оказаться совершенно неэффективной для других. Более того, неправильная привязка (заземление) экрана может привести даже к худшим результатам, чем отсутствие самой экранировки. Четыре типа помех в цепях могут привести к ухудшению качества сигнала:

  • емкостные помехи;
  • индуктивные (магнитные) помехи;
  • внутренние помехи;
  • излучательные помехи.

Емкостные помехи обычно доставляют меньше всего проблем и легче всего подавляются. Тем не менее, они могут приводить к искажению высокочастотных сигналов в проводниках с большим выходным сопротивлением. Характеристики: высокочастотные флуктуации напряжения, не связанные с изменением тока. Их можно заметить на осциллографе с обыкновенным заземлением. С точки зрения математических формул эти помехи можно отделить от излучательных помех. Способы подавления: использовать кабели с заземленной экранировкой. Заземление особенно важно, поскольку кабель находится в емкостной связи с экраном.

Индуктивные (магнитные) помехи возникают в результате воздействия сильного магнитного поля, действующего по принципу генератора. Это может привести к возникновению тока в проводнике с относительно низким импедансом и нарушить процесс передачи сигнала. Электромагнитные помехи данного типа и вызванные ими реакции в системе могут оказаться достаточно мощными для включения или отключения приборов. Характеристики: в индуктивных (магнитных) помехах отсутствует постоянная составляющая, частоты могут варьироваться от самых низких до самых высоких в пределах измерения (> 500 МГц). С математической точки зрения индукционные помехи описываются так же, как и емкостные. Способы подавления: как правило, эффективной оказывается витая пара с заземленной экранирующей оплеткой. Экранировка такого типа подавляет помехи от источников и приемников, снижая как излучение, так и поглощение индуктивных помех благодаря непосредственной близости проводников к заземленной оплетке. Индуктивные помехи пойдут по пути наименьшего индуктивного сопротивления, так что оплетка поглотит их до того, как они смогут достигнуть кабелей. Экранировка фольгой не столь эффективна из-за магнитных вихревых токов.

Внутренние помехи — помехи, возникающие при непосредственном подключении источника шума к системе, например, когда источник питания создает импульсные помехи на линии переменного тока. Характеристики: внутренние помехи могут иметь ненулевую постоянную составляющую. Сдвиг постоянной составляющей — один из признаков типа соединения. Помехи могут оказаться низкочастотным (например, шум 50 Гц) и не будут описываться законами импеданса (кроме ограничения по мощности). Способы подавления: от внутренних помех нужно избавляться при помощи изоляции, фильтрации или других методов согласования импедансов. Экранировка неэффективна при подавлении, но, по крайней мере, поможет не допустить выход помехи за пределы системы. Сильные внутренние импульсные помехи в неэкранированной системе могут стать индуктивными.

Стандарт NEC (National Electrical Code)

Национальная ассоциация по противопожарной защите опубликовала стандарт NEC (National Electrical Code), по которому все кабели разделяются на две группы. К группе кабелей для проводки в зданиях относятся кабели, используемые в стационарных сооружениях, где они не подвержены деформации и обычно укладываются в каналах за стенами или в других местах, недоступных для визуального осмотра.

Ко второй группе относятся гибкие шнуры и кабели. Эти кабели предназначены для соединения электроприборов, которые могут перемещаться друг относительно друга. В область их применения входит промышленное и транспортно-загрузочное оборудование, станки и другие системы, содержащие движущиеся части с электрическими кабелями.

Неотъемлемые части кабеля — проводник, изоляция, экранировка и оболочка — должны быть качественно изготовлены, чтобы соответствовать заявленному сроку службы в наихудших с точки зрения изгибов и деформаций условиях. Однако относящиеся ко второму типу кабели обычно не рекомендуют применять в стационарных системах, поскольку они не предназначены для укладки в каналах и в других изолированных местах и не проходили соответствующего тестирования. Эти кабели, как правило, находятся в прямой видимости — поврежденный кабель легко обнаружить и заменить.

Излучательные помехи — наиболее сложный тип помех, имеющий ряд важных для понимания специфических ограничений, связанных с частотами. Характеристики: как правило, прибор должен находиться на расстоянии 1/2 (длина волны) от источника излучения и иметь «антенну» длиной, как минимум, /20. В этом случае источник помех будет располагаться вне прибора. Способы подавления: экранировки фольгой недостаточно. Экранировка оплеткой может быть эффективной, хотя ее применение в случае излучательных помех сопряжено с дополнительными требованиями. Во-первых, экран не должен прерываться внутри экранируемых цепей. Обязательна полная экранировка со всех направлений. В случае очень высоких частот небольшие отверстия или дорожки, которые обычно допустимы, могут давать существенный вклад в импеданс. Даже безобидное отверстие, через которое проходит кабель, может стать местом проникновения излучательных помех. Тот, кто знаком со стерео-радиоприемниками, знает правильный способ экранировки и может указать контуры и конденсаторы, подверженные влиянию излучательных помех.

При изгибе и скручивании кабелей сильно сокращается срок их службы. При необходимости сделайте крепление, обеспечивающее продольное смещение кабеля

 

Выбор типа кабеля

Выбор подходящего типа экранированного кабеля под конкретную задачу и частотную область — основной пункт в обеспечении сохранности низкоуровневых сигналов в цепях управления, точного и надежного позиционирования сервосистемы. Кроме того, применяемые в контурах управления высокой мощности экранированные кабели гарантируют, что приводная система не влияет на окружающее оборудование. Например, правильно подключенный экран может предотвратить шумовой ток через заземление (его иногда называют помехой общего вида). Экранировка при помощи оплетки, спиральной обмотки и фольги обеспечивает путь с наименьшим импедансом для низко- и высокочастотного шумового тока, возвращая его обратно на двигатель. Основное назначение экранировки состоит в подавлении радиоизлучения. Часть энергии помех, достигающая экрана кабеля, отражается, часть перенаправляется по экрану с низким импедансом, но оставшаяся часть энергии шума проникает за экран и искажает низкоуровневые сигналы в близлежащих цепях. Задача состоит в выборе наиболее эффективной экранировки, сводящей к минимуму проникновение помех. Силовые кабели серводвигателей и линии обратной связи подвержены влиянию как собственного радиоизлучения, так и влиянию внешних электромагнитных помех. В дополнение к помехам, создаваемым расположенным рядом оборудованием и кабелями приводной сервосистемы, сами двигатели генерируют основную часть электрического шума. Чтобы свести его к минимуму, кабели контуров обратной связи, аналоговые, цифровые и другие низковольтные цепи экранируются, чтобы подавить как поглощаемые, так и излучаемые электромагнитные помехи. Витые пары также часто экранируются, что позволяет снизить перекрестные помехи. Скрутка сигнального и заземляющего провода снижает излучение, а экранировка полученной витой пары создает еще один уровень защиты и подавляет перекрестные помехи между внешними цепями и жилами в кабеле. Наружная экранировка защищает цепь от внешних электромагнитных помех и снижает излучение самого кабеля. Силовые кабели сервосистем создают мощное электромагнитное излучение из-за очень быстрого включения и выключения тока двигателя. Из-за резкого изменения тока возникают существенные высокочастотные помехи емкостного и индуктивного типа, излучаемые силовым кабелем. Экранировка силовых кабелей снижает уровень излучения, а также защищает контуры обратной связи и оборудование системы. При выборе правильной экранировки необходимо учитывать множество факторов, включая экранирующий материал. Среди них:

  • некоторые кабели имеют общую экранировку, заключающую в себе все проводники одновременно,
  • в других кабелях экранируются отдельные проводники или пары,
  • кабели, предназначенные для неблагоприятных внешних условий, содержат как индивидуальную, так и общую экранировку.

Двойная экранировка, разделенная слоем изолятора, улучшает защиту от помех, но снижает гибкость кабеля. Например, первый слой экранировки из алюминиевой фольги дает 100% покрытия и защиту от высокочастотных помех. Второй слой из медной оплетки (поверх изоляционного слоя) повышает защиту от низкочастотных помех, существенно добавляет прочности и увеличивает срок службы при изгибе.

 

Три типа экранировки

Кабели с экранировкой из оплетки, спиральной обмотки и фольги подходят для всего диапазона напряжений стандартных сервосистем.

Рекомендации по уменьшению электромагнитных помех в кабельных соединениях

Приведем несколько общих рекомендаций по увеличению устойчивости сервосистемы к электромагнитным шумам:

  1. Кабели, особенно в контурах обратной связи, не должны быть слишком короткими во избежание сильных изгибов и слишком длинными, так как это приведет к повышению уровня шума, искажающего сигнал. Если кабели двигателей и приводов длиннее, чем необходимо, они излучают больше помех. Кабели должны быть короткими насколько это возможно.
  2. Использование отдельных силовых кабелей и кабелей обратной связи снижает перекрестный шум между соединяющими двигатели с приводами сильноточными линиями, цепями с низковольтными сигналами обратной связи и другими аналоговыми и цифровыми линиями. Силовые и сигнальные кабели должны прокладываться, если это возможно, в разных каналах или находиться на расстоянии как минимум 10 см для токов до 20 А, 15 см для токов до 40 А и 20 см для токов до 80 А. Если силовые и сигнальные кабели скрещиваются, их нужно расположить строго перпендикулярно друг к другу.
  3. Композитные кабели (силовые линии/обратная связь) позволяют сэкономить место и упростить разводку, но существенно увеличивают вероятность влияния электромагнитных помех от силовых линий на цепь обратной связи. Сигнальные линии качественных композитных кабелей объединены в витые пары с двойной экранировкой.
  4. Многие производители серводвигателей поставляют готовые кабели вместе с системой. Эти кабели позволяют сэкономить время и обычно дают гораздо лучший результат по сравнению с кабелями собственного изготовления.
  5. При длине кабелей более 25 метров рекомендуется использование общих фильтров на двигателях.
  6. Когда применяются фильтры переменного тока питания, входы и выходы должны располагаться отдельно.
  7. В аналоговых цепях дифференциальные входы гораздо менее восприимчивы к шуму по сравнению с одноконтактными. Сигналы должны передаваться по экранированным кабелям с заземленной на обоих концах оплеткой. Экраны силовых кабелей также должны быть заземлены со стороны двигателя и привода, чтобы не допустить проникновения помех от обмоток двигателя в цепи.
  8. Экранировка кабелей в местах соединения должна быть полной. Не стоит оставлять «хвосты» оплетки для заземления, так как часть проводника остается открытой для электромагнитных помех. Не следует разделять кабели перед колодкой с терминалами. Все металлические части корпусов должны соединяться проводящими шнурами. Чтобы обеспечить хороший контакт, в местах крепления привода на панели следует удалить краску.

Оплетка обычно состоит из сплетенных в сеть медных нитей, покрывающих отдельные проводники, витые пары или все жилы в кабеле одновременно. Доля покрытия определяется плотностью расположения нитей в оплетке и обычно составляет 60-95%. Больший процент покрытия означает лучшую защиту от электромагнитных помех и пониженное радиоизлучение. От диаметра нитей, обычно равного 32 и 40 AWG (прим.: American Wire Gauge (AWG) — используемая в США система стандартов маркировки толщины провода. Чем меньше номер AWG, тем толще провод и ниже его сопротивление), напрямую зависит гибкость оплетки, срок службы при изгибе и степень покрытия. Луженые нити более устойчивы к коррозии, обеспечивают лучший электрический контакт и удобнее при пайке, но не столь гибки, как неизолированные нити того же размера. Гибкие кабели для сервосистем обычно имеют оплетку из очень качественных неизолированных нитей. Сигнальные кабели должны состоять из заключенных в экран из фольги витых пар в общей оплетке.

Спиральная обмотка обеспечивает большую гибкость и время жизни при изгибе, чем оплетка. Она состоит из оголенной или луженой проволоки, закрученной по спирали вокруг проводника. 

Существует оптимальное сочетание механической прочности и степени экранировки кабеля для приложений

Спиральная обмотка лучше всего подходит для низких частот и часто обеспечивает покрытие более 95%. Она применяется в самых гибких и устойчивых к деформациям, например к скручиванию, кабелях, когда экранировка из оплетки и, особенно, из фольги может быть повреждена при скручивании кабеля. Заземление спиральной обмотки усложняется в случае ее замкнутости. Экран из фольги обычно делается из алюминиевой фольги на полиэфирной подложке. Подложка необходима для механической прочности. Алюминий обеспечивает эффективную защиту от высокочастотных помех емкостного типа. Медная проволока используется не так часто и покрывает низший частотный диапазон. Экран из фольги может накладываться на проводник одним из трех способов: фольгой к проводнику, фольгой наружу или с загнутыми в форме буквы Z краями наматываемой полоски фольги. Два первых способа допускают некоторую утечку шума, поскольку в местах наложения фольги и подложки нет прямого проводящего контакта. В то время как изгиб краев в форме буквы Z позволяет добиться полного покрытия проводника, так как при наложении фольга непосредственно соприкасается с фольгой. Дополнительный провод вдоль экрана из фольги обеспечивает надежность заземления.

 

Требования стандартов UL, CSA, CE

Кроме уменьшения или полного подавления помех при работе сервосистем и окружающего оборудования, экранировка может оказаться необходимой для обеспечения соответствия определенным регулирующим стандартам, например CE (стандарты качества и безопасности Европейского союза). Диаметр проводника, тип изоляции и знак качества (если есть) обычно нанесены на изоляцию кабеля вместе с классом по напряжению и температуре. Знаки Лаборатории по технике безопасности США (UL) и Канадского агентства по стандартизации (CSA) подтверждают, что кабель проверен одной или обеими организациями на предмет безопасности использования в соответствии с техническими условиями производителя. Однако это не означает, что кабель отлично экранирован. Стандарт CE устанавливает пределы уровня возникающего в линии шума, но только лишь использование сертифицированного на стандарт CE кабеля не гарантирует, что вся система соответствует стандарту CE. Соответствие стандарту также определяется тем, как используется кабель, так что без тщательного изучения технических характеристик и тестирования на реальной установке не обойтись.

 

Требования к гибкости

Кабели для задач, где главным фактором является гибкость, обычно имеют:

  • качественные проводники из медных нитей;
  • гибкую изоляцию;
  • нескользящие изоляционные компоненты на каждом слое проводника;
  • равномерную обмотку связки проводников;
  • внутреннюю оболочку между связкой проводников и экраном;
  • очень качественную медную экранирующую оплетку;
  • экран из фольги со шнуром вокруг линии для обратной связи;
  • гибкую внешнюю оболочку.

Экраны гибких кабелей делаются из качественных неизолированных медных нитей, которые очень легко принимают форму связки проводников. Когда кабель сгибается, экран должен скользить вдоль связки проводников с низким трением и не застревать на неодно-родностях, формируемых отдельными проводниками или промежутками между ними. Отсутствие гладкой цилиндрической поверхности под экраном может привести к безвозвратной деформации (скручиванию) кабеля. Между экраном и связкой проводников помещается тонкая внутренняя оболочка, чтобы заполнить промежутки между проводниками и тем самым сформировать гладкую цилиндрическую поверхность, по которой будет хорошо скользить экран. Хорошим способом создания гладкой поверхности под экраном является добавление наполнителей и обмотки из текстильных волокон. Особенность другого процесса изготовления кабелей — штампованная внутренняя оболочка, которая, благодаря своей структуре, поддерживает практически идеальную цилиндрическую форму связки проводников даже во время изгиба. Данный метод требует больше затрат, чем технология с наполнителем и обмоткой, но обеспечивает большую надежность. Экран оплетается или наматывается на внутреннюю оболочку, затем покрывается наружной оболочкой. Относительное смещение составляющих кабеля во время сгиба создает трибоэлектрический шум, что приводит к возникновению статических и пьезоэлектрических помех. В тщательно сконструированных кабелях это явление сведено к минимуму, однако его нужно всегда принимать во внимание. Различные типы деформаций влияют на выбор составляющих кабеля, включая экран. К обычным типам деформации кабелей относятся продольный изгиб, поперечный изгиб и скручивание. В технических характеристиках указывается тип деформации, которая не нанесет кабелю повреждений. Поперечный изгиб — это изгиб или вращение свободного конца закрепленного на шарнире кабеля в разные стороны. Продольный изгиб возникает при фиксации одного конца кабеля и перемещении другого конца вперед и назад. Кабели, предназначенные только для линейных изгибов не должны подвергаться скручиванию. Например, скручивание имеет место в робототехнике, когда рука робота, внутри которой находятся кабели, вращается против и по часовой стрелке. Для таких задач лучше всего подходит экран из спиральной обмотки.


Смотрите также сборник «Электромагнитная совместимость в электронике».

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

controlengrussia.com

Защита от помех в линиях связи — ОРБИТА-СОЮЗ

В интегрированных системах значительно чаще возникают помехи в линиях связи. Просто по причине величины системы — чем больше соединено разного оборудования, тем больше вероятность где-то споткнуться о проблемы в линиях связи.

Каково происхождение помех в линиях связи? Некоторые из них вызваны внешними причинами, но чаще встречаются перекрестные помехи с соседних пиний связи или между линиями питания и линиями передачи данных.

Источник № 1 — земляные петли

Наиболее распространенная причина помех в системах, созданных не очень опытными проектировщиками, — земляные петли. Если кто забыл, вкратце напомню — земляная петля возникает при соединении двух «земляных» проводов в двух местах. В частности, при фактическом заземлении (соединении с землей) земляного провода в двух местах. Проблема в том, что обратные токи от различных устройств (систем) смешиваются и начинают течь по чужим проводам. В результате созданные этими токами перепады напряжения, по сути, добавляются к сигналу в чужой системе. Особенно хорошо известно влияние земляных петель в аналоговых видеосистемах — там даже незначительное проникновение соседнего канала в видеосигнал бросается в глаза. Как бороться с земляными петлями? Исключать заземления, кроме самых необходимых. Заземлять всю систему только в одной точке. При подключении нескольких разнесенных устройств к одному блоку питания использовать подключение «звездой» и без необходимости не дублировать обратный провод питания и обратный провод сигнала. Если это неизбежно, применять гальваническую развязку в цепях связи и цепях питания.

Источник № 2 — нет общего провода

Кстати, нередко источником проблем является обратная ситуация — полное отсутствие выравнивающего общего провода между двумя устройствами. Данные (тот же RS-485) и даже аналоговые видеосигналы нередко передаются по симметричной линии (витой паре). Если каждое устройство имеет собственный блок питания от 220 В, то больше никаких проводов между устройствами вроде бы и не нужно. Однако следует помнить, что, хотя полезный сигнал в симметричной линии дифференциальный (между проводами), существуют весьма жесткие ограничения на синфазную составляющую (между любым проводом и общим проводом питания). А если «опорные потенциалы» ваших устройств не соединены между собой, разность потенциалов между этими точками (и соответственно напряжение между сигнальной линией и «общим») будет непредсказуемо определяться утечками, паразитными связями и др.

Помехи и витая пара

Высококачественная витая пара помогает избежать существенных помех «между проводами», однако она вовсе не помогает избежать помех «относительно земли». Дифференциальные сигналы не очень чувствительны к таким помехам, но если синфазная помеха превышает допустимый порог (между прочим, всего 7В для RS-485), линия связи резко перестает работать.

Решение для симметричной линии связи

Поэтому все устройства, работающие по симметричной линии связи, должны быть соединены между собой одним, но возможно более толстым проводом. Нередко таким проводом является общий провод общего блока питания. Если блоки питания разные, таким проводом может являться экран кабеля, состоящий из множества проволочек и потому имеющий приличное суммарное сечение. В таком случае (если экран является единственным проводом, соединяющим клемму «общий» у двух устройств) экран должен подключаться с двух сторон линии (то есть на всех устройствах системы).

Источник № 3 — линии связи

Использование нескольких пар в многопарном кабеле для разных целей иногда допустимо, но чаще приводит к проблемам. Переходная емкость между проводами на длине 100 м составляет несколько нанофарад. Даже при низкоомных нагрузках сигнальных линий (как в случае с видеосигналом и популярным RS-485) перекрестная помеха составит около 10% сигнала, что совершенно недопустимо на аналоговых линиях типа НЧ-видео. А на длине 1 км — сравнится с сигналом по амплитуде, то есть полностью нарушит работоспособность даже цифровых линий связи.

Источник № 4 — линии питания

Помимо помех от линий связи, значительное число помех возникает от линий питания. Помеха частотой 50 Гц настолько распространена, что большинство сигнальных линий специально рассчитаны, чтобы данная помеха оказывала малое влияние. Недаром стандартный видеосигнал имеет 50 кадр/с и обычно засинхронизирован с питающим напряжением. Это именно для того, чтобы сделать практически непобедимую помеху синхронной с сигналом, неподвижной и потому не бросающейся в глаза.

Большинство прочих аналоговых сигнальных линий предполагают усреднение за время, кратное 20 мс, — также для борьбы с этой всепроникающей помехой. Однако современные устройства, питающиеся от сети, как правило, имеют высокочастотные электронные преобразователи, работающие на частоте от единиц килогерц до десятков мегагерц. И нередко некачественное заземление корпусов таких приборов, неисправный блок питания (неисправный фильтр помех) или просто некачественный супердешевый блок питания приводят к появлению на линиях связи помех с непредсказуемыми характеристиками.

Как бороться с помехами от питания?

Во-первых, питать разные устройства от разных линий 220 В. Ни в коем случае не допускать питания ваших «нежных* устройств систем безопасности от обычной розетки, куда включены и электрочайники, и компьютеры. И ведите эти линии по разным лоткам и отдельно от осветительной и бытовой сети.

Разные устройства в пределах одной подсистемы, особенно одного производителя, скорее всего, легко смогут работать при питании от одной розетки. Однако, несмотря на проводимую сертифицирующими органами жесткую проверку всех электропотребителей на создание помех (это шутка), устройства одного производителя могут создать помехи, слишком большие для устройств другого производителя. Особенно это относится к устройствам совершенно разных категорий из разных подсистем. Высокочувствительная видеокамера вряд ли будет хорошо работать бок о бок с мощным блоком управления вентиляторами и кондиционерами. Питайте их от разных линий и разделяйте между собой фильтрами по цепи питания. Кстати, самый лучший фильтр — это online UPS. Двойное преобразование энергии практически полностью очищает линию питания от посторонних помех (правда, может добавить свои помехи).

Как влияет кабель

Кстати, низкокачественные кабели сами по себе не приводят к возникновению помех, но могут сильно ухудшить ситуацию. Во-первых, витая пара с редким повивом не обеспечивает симметричного влияния помех на оба провода и тем самым увеличивает амплитуду помех. Кабели со слишком высоким сопротивлением и погонной емкостью ослабляют полезный сигнал, что обуславливает повышенную чувствительность к помехам, даже небольшим. Это, между прочим, и является самой распространенной проблемой с линиями RS-485. Неопытные проектировщики полагают, что для них самым лучшим кабелем будет витая пара 6-й категории, забывая, что она очень тонкая, и на такой линии длиной 1 км чисто омические потери ослабят сигнал в несколько раз.

Не экономьте на кабеле!

Не экономьте на кабеле — чем сложнее система, тем сложнее могут оказаться поиски источников помех. Кстати, экранированный кабель может заметно снизить уровень внешних помех, но его необходимо правильно подключать:

    1) экраны всех отрезков одной линии следует соединять между собой;
    2) не подключать к другим линиям;
    3) желательно заземлить или подключить к общему проводу блока питания в одной точке вблизи центрального блока системы.

На гальванической развязке в линии связи экраны соединять не следует. Участки слева и справа от устройства гальванической развязки мы должны считать разными линиями и независимо заземлить на корпус самого важного прибора на каждом участке. Обратите внимание, экранированный кабель имеет повышенную погонную емкость. Убедитесь, что его применение допустимо для конкретной системы на конкретной длине линии.

Аналоговые и цифровые линии

Влияние помех различно на аналоговых и цифровых линиях. В случае цифровой линии помеха должна лишь не быть сопоставимой с разницей уровней разных цифровых сигналов, и тогда ее можно игнорировать. В случае же аналоговой линии, в которой значение напряжения или тока может изменяться непрерывно, даже небольшая помеха может существенно нарушить работу системы (или недопустимо снизить точность работы системы). Конечно, наиболее очевидно влияние помех на НЧ-видеосигнал. Помехи на экране, даже небольшие, сильно раздражают оператора.

Второй пример аналоговых сигналов — датчики температуры и т.д. в системах кондиционирования и вентиляции. Помехи приведут не только к низкой точности стабилизации температуры, но и к повышенной частоте включений/отключений мощных устройств (моторов), что отрицательно скажется на их сроке службы.

Как классифицировать?

К аналоговым цепям относятся многие периметровые кабельные датчики вибрации. Сложно сказать, как следует классифицировать неадресные шлейфы сигнализации, предназначенные для подключения «сухих* контактов. Если на шлейфе есть всего один «сухой» контакт — это, безусловно, цифровая (дискретная) линия. Однако в большинстве случаев шлейф также контролируется на обрыв и короткое замыкание, а если в шлейфе различается более одной тревоги (например, в двухпороговых пожарных ППК различаются пожар-1 и пожар-2,а в некоторых охранных ППК реализовано «удвоение шлейфа», то есть различение извещателей с разными балластными резисторами), то в результате в шлейфе необходимо выделять почти 10 разных уровней сигнала, причем некоторые пороги довольно близки между собой и даже небольшая помеха может сильно сказаться на достоверности данных.

Проблема неадресных шлейфов

Особенно подвержены помехам двухпроводные шлейфы с питаемыми по шлейфу извещателями (а это почти все традиционные неадресные пожарные извещатели). Смешение в одном кабеле тока питания и измерительного сигнального тока при простейшем алгоритме определения наличия сигнала означает высокую чувствительность к помехам, особенно если имеется нестабильность токов питания извещателей, а нередко встречается еще и превышение допустимого суммарного тока питания. В целом, классические неадресные шлейфы не следует делать очень длинными. По возможности следует разносить по зданию устройства, связанные цифровыми линиями (типа RS-485 или адресным шлейфом), а по сути своей аналоговые неадресные шлейфы лучше тянуть на минимально необходимое расстояние.

Нюансы адресных шлейфов

Цифровые линии не столь подвержены влиянию помех, хотя двухпроводный адресный шлейф, по которому подается питание адресных устройств и передаются данные, конечно, более чувствителен к помехам, чем 4-проводный, с раздельными линиями данных и питания. С другой стороны, существенно, какова амплитуда полезного сигнала и каково эффективное сопротивление линии. Чем больше сопротивление, тем больше будет амплитуда помех. Но если в двухпроводном адресном шлейфе амплитуда полезного сигнала составляет 20-30 В — это намного надежнее, чем 1-2 В на линиях RS-485.

Меньше скорость — выше помехоустойчивость

В целом, чем проще (медленнее) линия передачи данных, тем менее она чувствительна к помехам, но только в случае, если оборудование предназначено для такой скорости. Обратите внимание, если оборудование одного производителя, предназначенное для совместной работы, может иметь специальные приемопередатчики RS-485, предназначенные для надежной низкоскоростной работы (ориентированные на 100-200 кбит), то применение, скажем, конвертора-усилителя общего назначения (на стандартные 5 мегабит) сразу же резко снижает помехоустойчивость всей системы.

Перегрузка

Многие системы стабильно работают в дежурном режиме, но крайне болезненно относятся к нестандартным ситуациям. Одной из таких ситуаций является включение питания.

На старте

Перегрузка блоков питания на старте — обычное дело. При этом некоторые устройства могут опять уйти в сброс, и такая последовательность будет продолжаться некоторое время, пока постепенно все не успокоится. Особенно опасна ситуация, складывающаяся в системе постепенно. Разные устройства по мере монтажа постепенно включаются в работу, и все идет замечательно. Но если в уже работающей системе кратковременно отключить питание, при одновременном старте всех устройств сразу она может не включиться обратно или даже сжечь предохранители. Еще хуже тот факт, что перегрузка при старте может быть не только по питанию, но и по линиям данных. Одновременный старт и инициализация множества устройств, особенно разных подсистем разных производителей, вполне в состоянии существенно перегрузить линии связи, что в некоторых случаях приведет к самоблокировке системы — она никогда не сможет заработать без вмешательства оператора. Общая рекомендация — проектировать сеть Ethernet как минимум на порядок более производительной, чем кажется необходимым по расчетам. Вторая рекомендация — по возможности вручную настраивать задержки инициализации различных систем после включения питания.

При тревоге

Самая неприятная ситуация — перегрузка при тревоге. Даже если не рассматривать параноидальные модели поведения противника (такие как сознательное создание тысяч ложных тревог на одном фланге с целью замаскировать проникновение на другом фланге), все равно в случае реальной тревоги (а особенно пожара или аварии) лавинообразно возникают сотни событий, видео подсистемы начинают старательно передавать и записывать на файлсервера огромные потоки данных, и перегрузка сети передачи данных весьма возможна.

Особенно тяжелые ситуации происходят при обрыве магистральных линий связи или выходе из строя некоторых элементов центрального оборудования. Система одновременно фиксирует потерю связи со множеством устройств, подключенных к поврежденным участкам сети. Одновременно множество алгоритмов переходят на аварийный режим и нередко «на всякий случай» еще и начинают резервировать свои данные. Такие ситуации довольно легко смоделировать и потому следует проверять при завершении пусконаладки системы.

3 рекомендации для крупной ИСБ

В целом чем больше размер интегрированной системы, тем труднее предсказать особенности ее поведения, тем опаснее даже небольшие отклонения от проектного функционирования. Потому в больших системах особенно важно:

    1) тщательно выбирать качественные кабели;
    2) корректно заземлять устройства;
    3) делать большой запас по мощности питания и производительности устройств связи.

Однако можно дать и общую рекомендацию: чем ниже (глубже) уровень интеграции, тем меньше будет проблем. Если на объекте пожарная сигнализация, охранная, контроль доступа, инженерные системы, видеонаблюдение — все имеет собственную сеть RS-48S управления, собственную кабельную сеть и объединено только на самом верхнем уровне с помощью взаимосвязей между несколькими программами разных производителей — проблем будет много. Если же все периферийные устройства подключены к одному адресному шлейфу, контроллеры связаны между собой одной линией RS-485 или Ethernet и программа управления также одна — взаимные помехи между подсистемами если и возникнут, то будут легко прогнозируемыми и учитываемыми. Интегрированная система, состоящая из 10 узкоспециализированных систем — головная боль. Сходная система, собранная из 2-3 систем высокой интеграции, ведет себя намного более предсказуемо.

A.M. Омельянчук, начальник КБ компании «Сигма ИС»
Опубликовано в журнале «Системы безопасности» №3-2011

os-info.ru

4. Технические методы подавления и защиты от помех

    1. Экранирование

Экранирование
является средством защиты от помех
излучения. Оно может быть использовано
для снижения уровня помех, поступающих
в окружающее пространство от источников
помех, или для повышения помехоустойчивости
к помехам излучения рецепторов
электромагнитных колебаний.

Принцип действия
экрана состоит в том, что он нарушает
однородность пространства и создает
скачок волнового сопротивления на пути
распространения электромагнитной
волны. Это приводит к отражению и/или
поглощению энергии электромагнитной
волны.

Электромагнитная
волна является композицией двух
составляющих – электрического поля Е
и магнитного поля Н,
векторы которых сдвинуты по фазе во
времени и в пространстве на 90.

Функциональные
узлы и элементы радиоэлектронных
средств, в которых имеются большие токи
и малые напряжения, создают в ближней
зоне электромагнитные поля, в которых
преобладает магнитная составляющая.
Функциональные узлы и элементы
радиоэлектронных средств, в которых
имеются большие напряжения и малые
токи, создают в ближней зоне электромагнитные
поля с преобладанием электрической
составляющей. В дальней зоне преобладание
какой-либо составляющей отсутствует и
каждая составляющая переносит всю
энергию электромагнитной волны.

В ближней зоне
волновое сопротивление воздуха
электрическому полю обычно большое,
особенно на низких частотах, – оно
обратно пропорционально расстоянию от
источника поля и частоте. Характеристическое
сопротивление воздуха магнитному полю
в ближней зоне обычно мало – оно прямо
пропорционально расстоянию от источника
и частоте. В дальней зоне, где
электромагнитная волна считается
плоской, волновое сопротивление воздуха
постоянно и составляет примерно 377 Ом.

Металлические
экраны обладают высокой проводимостью
и имеют низкое волновое сопротивление.
Когда электромагнитная волна падает
на экран, то часть электромагнитной
волны отражается от границы воздух/металл,
где имеет место скачок волнового
сопротивления, но часть проникает в
материал экрана и распространяется по
нему до следующей границы металл/воздух.
Здесь также имеет место скачок волнового
сопротивления, и часть энергии
электромагнитной волны отражается
внутрь стенки экрана, а часть проходит
наружу за стенку экрана. Электромагнитная
волна в материале экрана испытывает
многократные отражения от границ
металл/воздух, частично переходя эту
границу наружу и частично отражаясь
внутрь экрана, и достаточно быстро
затухает.

Процесс
прохождения электромагнитной волной
металлического экрана изображен на
рис. 4.1. При попадании электромагнитной
волны на поверхность экрана она вызывает
на ней поверхностные токи, а при попадании
вглубь материала экрана – вихревые
токи. Так как экран обладает конечной
проводимостью (имеет ненулевое активное
сопротивление), то образующиеся токи
теряют энергию на активном сопротивлении
экрана, которая выделяется в форме
тепла. Это явление известно как
скин-эффект. Для характеристики
этого эффекта используют такой параметр,
как толщина скин-слоя. Для плоской
синусоидальной волны амплитуды
напряженностей электрического и
магнитного полей в металле убывают по
экспоненциальному закону. Учитывая
этот факт, за толщину скин-слоя принимают
толщину металла, при прохождении которой
поле убывает в е
раз или примерно на
9 дБ. Толщина
скин-слоя зависит от проводимости
металла, его магнитной проницаемости
и частоты поля. Таким образом, в экране
наряду с отражением электромагнитной
волны происходит ее поглощение.

Величина отраженного
поля зависит от отношения волновых
сопротивлений воздуха и материала
экрана электромагнитному полю. Поскольку
в области ближнего поля волновое
сопротивление воздуха электрическому
полю большое, а волновое сопротивление
экрана низкое, то поле легко отражается
очень тонкими металлическими экранами
на самых высоких частотах, которые
требуется экранировать. Иная ситуация
имеет место для магнитного поля в ближней
зоне. Так как волновое сопротивление
магнитному полю в ближней зоне небольшое,
то магнитные поля не испытывают большого
отражения. Их экранирование больше
зависит от поглощения волны в экране.
Потери поглощения прямо пропорциональны
толщине экрана и частоте электромагнитного
поля. Они наивысшие на высоких частотах
и быстро убывают с понижением частоты.
Трудность экранирования магнитных
полей на низких частотах связана с тем,
что на этих частотах малы как потери
отражения, так и потери поглощения.
Чтобы получить хорошую эффективность
экранирования, нужна соответствующая
толщина металла.

В дальней зоне
хорошая эффективность экранирования
зависит как от проводимости экрана, так
и от его толщины.

Эффективность
экранирования определяется ослаблением
электрической или магнитной составляющей
поля или ослаблением потока мощности
поля. Числовое значение эффективности
экранирования выражают в децибелах и
получают как отношение напряженностей
соответствующих полей или плотностей
потока мощности в какой-либо точке
пространства при отсутствии и при
наличии экрана, т. е. KЕ
= 20 lg
(Е/Еэ),
KН
= 20 lg
(Н/Нэ),
KП
= 10 lg
(Е Н/ЕэНэ)
= (KЕ
+ KН)/2,
где KЕ,
KН,
KП
– коэффициенты экранирования по
электрическому полю, магнитному полю
и потоку мощности соответственно, дБ;
Е, Н
– напряженности электрического и
магнитного полей в отсутствие экрана;
Еэ,
Нэ
– напряженности электрического и
магнитного полей в той же точке
пространства при наличии экрана.

Основными параметрами
материала экрана являются его проводимость,
магнитная проницаемость и толщина. Медь
и алюминий имеют высокую проводимость.
Она, например, в пять раз выше проводимости
стали. Поэтому эти материалы очень
хороши для экранирования электрических
полей. Однако их относительная магнитная
проницаемость равна 1, т. е. такая же, как
у воздуха. Это не магнитные материалы
и не подходят для экранирования магнитных
полей на низких частотах, так как
потребуется экран большой толщины.
Типовые марки мягкой стали имеют на
низких частотах относительную магнитную
проницаемость около 300, которая убывает
до 1, когда частота становиться больше
100 кГц. Высокая магнитная проницаемость
снижает глубину скин-слоя на низких
частотах, что позволяет на этих частотах
сделать экран разумной толщины. Например,
на частоте 50 Гц в меди толщина скин-слоя
составляет 9.4 мм, а в стали 0.74 мм.

Экранирование в
широком диапазоне частот может быть
выполнено с использованием многослойных
экранов. Например, экран из мягкой стали
с напыленным на него чистым цинком слоем
в 10 или более микрон может быть использован
во многих приложениях. Чистый цинк имеет
толщину скин-слоя близкую к алюминию.

На частотах выше
10 МГц теоретически легко получить
эффективность экранирования более 100
дБ, используя достаточно тонкие экраны.
Однако, на практике эффективность
экранирования реальных экранов сильно
снижается из-за просачивания полей
через даже очень маленькие апертуры
(щели) в швах, соединениях, дверях
экранированных помещений, крышках и т.
п., а также в местах проводки кабелей в
экран. Контроль апертур и мест прокладки
кабелей – ключ к достижению хороших
значений эффективности экранирования.
На частотах выше 100 кГц это более важно,
чем даже тип или толщина материала, из
которого сделан экран. Для повышения
эффективности экранирования реальных
экранов следует, где это возможно,
необходимые или неизбежные апертуры
делать как можно меньшего размера.
Неизбежные длинные апертуры (крышки,
двери и т. п.) следует снабжать проводящими
прокладками или другими средствами
поддержания непрерывности экрана.

При проектировании
и выборе материала для корпуса экрана
полезно руководствоваться следующими
соображениями:

 эффективность
экранирования определяется материалом
на относительно низких частотах. На
высоких частотах эффективность
экранирования определяют апертуры
экрана: наличие щелей, отверстий
входа/выхода в корпусе экрана, пузыри,
раковины в материале экрана и т. п.;

 корпуса, содержащие
излучатели, должны обладать максимальными
потерями поглощения излучаемых полей;

 корпуса, содержащие
рецепторы, должны обладать максимальными
потерями отражения падающих полей;

 все соединения
в корпусе экрана следует рассматривать
как нарушение его непрерывности и
принимать меры для специальной обработки
швов (стыков), чтобы сохранить целостность
экранирования.

Различают три
уровня экранирования: уровень компонента,
уровень подсистемы и уровень системы
в целом.

Если помеху создают
только некоторые компоненты системы,
то наиболее эффективным подходом
является экранирование только тех
компонентов или областей, которые
создают помеху.

При экранировании
подсистем и системы в целом могут быть
использованы различные материалы – от
проводящей окраски или электролитической
металлизации контактных поверхностей
до металлов. Общей проблемой экранирования
на уровне корпуса являются большие
отверстия для устройств индикации. Один
из вариантов экранирования таких
устройств состоит в использовании
экранированного окна, выполненного в
виде двух полосок из стекла или пластика,
между которыми находится тонкая
металлическая сетка. Другие решения
включают отливку экрана непосредственно
внутри листа из стеклопластика или
использование стеклопластика с прозрачным
проводящим покрытием.

Поскольку наводки
между кабелями и проводами являются
одним из путей, по которым помехи влияют
на качество работы технических средств,
то экранирование проводов и кабелей
служит способом снижения помех и
улучшения ЭМС технических средств.
Имеет значение и то, как производится
прокладка проводов и кабелей. В частности,
рекомендуется:

 использовать
провода с экранированием комбинированным
экраном;

 соединять экраны
проводов и кабелей с корпусом. Кабель,
входящий в корпус заземляется на корпус
блока снаружи блока, выходящий – изнутри;

 для снижения
уровней помех, обусловленных магнитной
связью, использовать скрученные пары
проводов. Скручивание уменьшает площадь
контура, пронизываемого внешним магнитным
полем, и, следовательно, уровень наведенных
помех. Скручивание приводит также к
тому, что магнитные поля, создаваемые
токами, текущими по паре проводов, гасят
друг друга (токи текут в противоположные
стороны). В результате снижается уровень
помех, наведенный от этой пары в другие
провода;

 разносить в
разные жгуты (или кабелепроводы) провода
(кабели) источников постоянного и
переменного токов, кабели аналоговых
сигналов малых уровней, кабели цифровых
и высокочастотных сигналов, кабели
сверхчувствительных цепей и кабели,
подходящие к пиротехническим цепям.

Правильное
использование экранирования на этапах
разработки, изготовления и размещения
РЭС на объектах позволяет существенно
улучшить характеристики ЭМС радиоаппаратуры
и возможности совместной работы в
условиях непреднамеренных помех.

studfiles.net

5. Защита от внешних помех

30

5.1. Классификация внешних влияний

Источниками внешних
электромагнитных помех (ЭМП) на
двухпроводные цепи и другие приемники
помех являются: Линии электропередач
(ЛЭП), электрофицированные железные
дороги (ЭЖД), радиостанции, промышленные
установки, атмосферное электричество,
включая грозовые процессы и магнитные
бури. Различают естественные и техногенные
помехи, включая преднамеренные. Все
помехи можно разделить на электрические,
магнитные, электромагнитные и
гальванические (кондуктивные). Особенности
первых трех видов помех были рассмотрены
в разделе экранирование. Гальванические
помехи возникают за счет протекания
токов помех по общим цепям источников
и приемников излучения. К таким цепям
относятся общие цепи (так называемая
земля) в схемах усилителей, приемников
и других электронных устройств. В
настоящей земле протекают так называемые
блуждающие токи. Их источниками являются
ЭЖД, включая трамвай, использующие в
качестве обратного провода рельсы, ЛЭП
с заземленной нейтралью, а также любые
ЛЭП в аварийных режимах при обрыве и
падении на землю оборванного провода.
Блуждающие токи возникают также при
грозовых разрядах на объекты, находящиеся
на земле или под землей. Блуждающие
токи, встречая на своем пути металлические
оболочки и бронепокровы кабелей, могут
распространяться по ним на большие
расстояния, вызывая помехи в кабельных
цепях.

Под влиянием внешних
помех в двухпроводных цепях возникают
напряжения и токи помех, которые делятся
на:

опасные с напряжениями
более 36 В и токами более 10 мА, представляющие
опасность для людей и оборудования,

мешающие с
напряжениями порядка нескольких мВ и
токами порядка 1 мА, приводящие к ухудшению
качества связи.

По длительности
воздействия помехи делят на кратковременные
(до 1 с) и долговременные (свыше 1 с).

Внешним
электромагнитных помехам в наибольшей
степени подвержены воздушные линии
связи (ВЛС). На втором месте находятся
цепи симметричного кабеля (СК). Значительно
меньше подвержены влиянию помех цепи
коаксиального кабеля (КК). Практически
не подвержены электромагнитным помехам
волоконно-оптические линии связи (ВОЛС).
В связи с этим основное внимание уделяется
помехозащищенности симметричных цепей.

5.2. Характеристики источников электромагнитных помех

5.2.1. Атмосферное электричество

Атмосферное
электричество относится к очень опасным
источникам помех. Напряжение между
грозовым облаком и землей достигает
1-10 МВ, амплитуда тока грозового импульса
достигает 20-30 кА, длительность удара
молнии 0.3-0.5 с, количество разрядов за
один удар 3-10, длительность одного разряда
100-200 мкс, фронт нарастания разряда 10-40
мкс, фронт спада 40-120 мкс (до половины
амплитуды), длина канала молнии 2-3 км,
температура в канале молнии достигает
20000С. Наиболее
опасен непосредственный разряд молнии
через цепи линий связи, электрические
и электронные приборы и оборудование,
который часто приводит к катастрофическим
последствиям. Однако большой уровень
помех возникает и при разряде молнии в
землю или другие объекты (молниеотводы,
металлоконструкции, деревья и т.п.),
расположенные на сравнительно небольших
расстояниях (до нескольких км) от
подверженного влиянию помех устройства.
Причем сама помеха носит комплексный
характер и включает электрическую,
магнитную и кондуктивную составляющие.

Провода воздушной линии связи или
подвесного кабеля при прямом ударе
молнии под действием больших токов
могут расплавиться на одном или нескольких
пролетах, а деревянные опоры под действием
быстро повышающегося давления испаряющейся
влаги расщепляются, линейные изоляторы
от высокого напряжения пробиваются и
разрушаются.

Повреждения кабеля от токов молнии
весьма разнообразны: так, от сильного
нагрева под действием тока расплавляется
свинцовая оболочка, сгорает джутовая
оплетка, обгорает изоляция, расплавляются
жилы кабеля, от высокого напряжения
пробивается изоляция и т.д.

Вероятность повреждений ВЛС и кабельных
линий связи (КЛС) грозовыми разрядами
зависит от среднего количества грозовых
дней, т.е. от климатических условий в
данном районе. В районах Москвы,
Санкт-Петербурга, Смоленска среднее
количество грозовых дней составляет
20-25. В районах Архангельска, Мурманска
число грозовых дней в году не превышает
5-10, а в районах Кавказа 30-40. Есть отдельные
районы, в которых количество грозовых
дней превышает 60. Вероятность повреждения
кабелей подземной прокладки с
металлическими элементами (жилами,
оболочкой, бронепокровами) зависит от
свойств грунта и типа оболочки кабеля
и возрастает с увеличением удельного
сопротивления грунта и уменьшением
проводимости оболочки кабеля. Вероятное
число повреждений на единицу длины
кабеля в год может быть определено для
всех географических точек Земли.

Вероятное количество повреждений 100 км
участка подземного кабеля за год с 20
грозовыми днями можно определить по
графикам, приведенным на рис.5.1 для
заданного удельного сопротивления
грунта (Ом
м) и металлической оболочки кабеля. Если
количество грозовых днейNдля данной местности отличается от 20,
то вероятное количество повреждений
надо скорректировать, учитывая, что эта
величина прямо пропорциональнаN.

Рис.5.1.
Вероятное количество повреждений 100
километровогом кабельного участка от
грозовой деятельности.

В таблице
5.1 приведены значения удельных
сопротивлений грунтов и воды для расчетов
вероятного количества повреждений от
грозы.

Таблица 5.1

Приближённые значения
удельных сопротивлений грунтов и воды

Вид грунта

, Омм

Возможные
пределы

Значения,
рекомендуемые для предварительных
расчётов

Песок

400 – 1000 и
более

700

Супесок

150 – 400 и
более

300

Суглинок

40 – 150 и более

100

Глина

8 – 70 и более

40

Садовая земля

40

40

Чернозём

10 – 50 и более

20

Торф

20

20

Речная вода
(реки на равнинах)

10 – 80

50

Морская вода

0,2

0,2

Приведем в качестве примера для расчетов
значения удельных сопротивлений оболочки
некоторых кабелей. Кабели МКСБ 4х4, 7х4 и
КМБ-4 имеют удельное сопротивление 2.1,
1.65 и 1.25 Ом/км, а кабели МКСАБ 4х4 и 7х4 –
соответственно 0.36 и 0.27 Ом/км.

Если вероятное число повреждений на
100 км трассы равно или превышает 3 для
симметричного кабеля или 2 для коаксиального
кабеля, то необходимо предусмотреть
защиту кабеля.

К основным мерам защиты кабелей от удара
молнии на открытой местности являются:

выбор трассы с наименьшим ожидаемым
числом повреждений,

применение кабелей с повышенной
проводимостью оболочки и повышенной
электрической прочностью изоляции,

прокладка над кабелем специальных
металлических тросов или воздушных
линий связи со стальными заземленными
проводниками.

Для защиты воздушных линий связи
используют:

искровые разрядники с выносными
заземлениями,

молниеотводы.

При выборе трассы необходимо иметь в
виду то, что молнией чаще поражаются
наиболее высокие наземные предметы.
Однако молния может ударить и в ровную
поверхность земли (рис.5.2а), устремляясь
в область большей электропроводности
почвы. Если грунт, в котором проложен
кабель, имеет большое удельное
сопротивление, то разряды молнии,
реагируя на наличие в почве хорошо
проводящих металлических оболочек
кабеля, ударяют в поверхность земли над
этим кабелем. Чаще всего повреждения
подземных кабелей наблюдаются в грунтах
с большим сопротивлением (каменистых,
скальных, песчаных и т.п.).

Расположенные рядом с трассой кабеля,
деревья могут поражаться молнией, а
токи по корням деревьев, как по проводникам,
могут попадать в оболочку кабеля
(рис.5.2б). Поэтому количество повреждений
кабеля, проложенного непосредственно
по краю леса, в несколько раз превышает
количество повреждений кабелей,
проложенных на открытой местности. В
то же время кабель, находящийся на
некотором оптимальном расстоянии от
леса, будет им защищаться. При этом
количество повреждений уменьшается в
20 раз по сравнению с прокладкой кабеля
по открытой местности.

Оптимальное расстояние от леса составляет
от 1.5 hдоh, гдеh— средняя высота
деревьев на краю леса. Большая величина
берется приh= 10 м, а
меньшая приh= 30 м.

а

Рис. 5.2. Разряд молнии непосредственно
в кабель (а) и через дерево (б)

б

Эффективность защиты кабелей подземными
тросами (рис. 5.3) можно оценить специальным
коэффициентом

, (5.1)

где rкт
расстояние от троса до кабеля,

dт,dк
– диаметры троса и кабеля, соответственно.

а

б

Рис. 5.3. Защита
кабеля от молнии одним (а) и двумя (б)
тросами.

Коэффициент эффективности одного троса
меньше 1. Для определения количества
вероятных повреждений с учетом защитного
троса также можно пользоваться рис.5.1,
приняв величину удельного сопротивления
оболочки равным kтр
Rоб.
Дополнительно уменьшить коэффициент
эффективности можно используя два и
более тросов.

При прямых разрядах молнии в провода
воздушной линии связи возникают очень
высокие напряжения до 1000 и более кВ. Для
защиты аппаратуры связи от перенапряжений
используют искровые разрядники. Они
имеют относительно простую конструкцию;
в виде двух заостренных проводников
(электродов), расположенных в воздухе
на некотором расстоянии друг от друга.
Роль диэлектрика между двумя электродами
играет воздух. Электроды размещены так,
чтобы при превышении некоторого
напряжения пробоя возникал бы искровой
разряд. Искровой разрядник обычно
изготавливают открытым. В результате
напряжение пробоя сильно зависит от
свойств окружающей среды: состава
воздуха, атмосферного давления, влажности,
наличия загрязнений разрядника и т.п.
Искровые разрядники обозначают буквами
ИР (искровой разрядник) и цифрой, которая
указывает расстояние между разрядниками
в мм. Для защиты людей и оборудования
часто используют каскадную защиту
(рис.5.4). В таблице 5.2 приведены максимальные
значения сопротивления заземления
искровых разрядников.

Рис. 5.4.
Каскадное включение искровых разрядников.

Таблица 5.2

Максимально
допустимые сопротивления заземления
разрядников

Назначение
заземления

Сопротивление
заземления не более, Ом, при ,
Ом м

до 100

100-300

300-500

более 500

Заземление
ИР при интервалах между ними 150, 400, 600
и 1000 м

20

30

35

45

То же, при
100, 200, 300, 500 м

15

22

26

34

То же, при
100, 200, 300, 500 м

10

15

18

23

Опоры воздушных линий связи защищают
от разрушения при прямых ударах молнии
стержневыми молниеотводами, которые
устанавливают на вводных, кабельных,
контрольных опорах, на опорах с
разрядниками, а также на всех опорах,
нуждающихся по мнению проектировщиков
в защите.

Отметим, что молниеотвод существенно
снижает вероятность удара молнии в
провода линии. Молниеотвод (рис.5.5)
представляет собой проволоку диаметром
4 — 5 мм, верхний конец которой должен
располагаться выше защищаемого объекта,
а нижний должен заземляться. В простейшем
случае заземлитель представляет собой
туже проволоку, которую закапывают на
глубине 0.7 м. Длина заземлителя составляет
от 1 до 12 м. Чем больше удельное сопротивление
грунта , тем больше
должна быть длина заземлителя.
Эффективность молниеотвода тем больше,
чем выше он расположен. Зона защитного
действия молниеотвода представляет
собой круг с радиусом равным высоте
молниеотводаh.

Рис. 5.5.
Устройство молниеотвода.

Максимально допустимое сопротивление
заземления молниеотвода можно выбрать
из таблицы 5.3.

Таблица5.3

Максимальное
сопротивление молниеотвода на опорах
линий связи

Удельное
сопротивление грунта, ,
Ом м

до 100

100-200

200-400

400-500

более 500

Сопротивление
заземления (не более), Ом

30

45

65

90

113

Сопротивление протяженного проволочного
заземлителя диаметром dи длинойl можно
определить по выражению

. (5.2)

Результаты расчетов сопротивления
заземлителя (рис. 5.6) позволяют выбрать
необходимую длину заземлителя для
искровых разрядников и молниеотводов.

Для защиты
подземных кабелей от грозовых разрядов
также используют малогабаритные
разрядники, устанавливаемые в
соединительных муфтах, которые
используются для защиты мест соединения
строительных длин. Однако в муфтах
обычно устанавливают газонаполненные
разрядники. Физические процессы в
разрядниках, их конструкции будут
рассмотрены ниже в этой главе.

Рис.5.6.
Зависимость сопротивления заземлителя
диаметром 5 мм от его длины при разных
удельных сопротивлениях грунта

Для испытаний линий связи и подключенного
к ним оборудования на устойчивость к
грозовым явлениям используют, так
называемые грозовые импульсы (рис 5.7) с
параметрами:

амплитуда
импульса Uмах
от 4 до 10 кВ (типовое значение 6 кВ),

внутреннее
сопротивление источника 2 Ом,

длительность
фронта (1-1.2) мкс, определяемая между
уровнями от 0.1 до 0.9 Uмах,

длительность
импульса 50 мкс, определяемая на уровне
0.5 Uмах.

Рис.5.7. Форма
испытательного грозового импульса

Помимо грозового электричества, на
работу цепей связи могут оказывать
неблагоприятные воздействия магнитные
бури. Последние имеют место в результате
резкого изменения в отдельные периоды
времени напряженности магнитного поля
земли и появления значительных разностей
потенциалов между удаленными друг от
друга точками земной поверхности.
Возникающие при этом земляные токи
оказывают сильное мешающее действие
на работу однопроводных цепей
(дистанционное питание по системе
провод-земля, цепи сигнализации и т.п.).
При длительном прохождении по цепи
земные токи могут привести к повреждениям
в аппаратуре необслуживаемых усилительных
пунктов. Магнитные бури часто наблюдаются
в полярных областях.

studfiles.net

Защита от электромагнитных помех

  1. Статьи
  2. Обслуживание и ремонт систем безопасности
  3. Защита от электромагнитных помех

Д. Каткин тех. директор MATAEL LTD

Примечание: в данной статье приведены примеры с объекта в Москве, который недавно был оборудован системами безопасности.

История из жизни. Новое административное здание оборудуется комплексом систем безопасности. Системы запускаются, проверяются и стабильно работают месяц, другой, третий. Но в один прекрасный день начинается кошмарный сон для фирмы, обслуживающей комплекс систем безопасности. Системы в буквальном смысле начинают сходить с ума. Пропадают контроллеры, рушатся базы данных, СКУД отказывается загружаться, пожарные системы показывают появляющиеся и пропадающие неисправности, которых просто не существует. Техники бегают, клиент в гневе. Проверки, проверки и еще раз проверки. Пока кто-то не догадывается проверить электромагнитные поля в здании. И, как говорится, ларчик просто открывался. Оказалось, что недавно установили и запустили в эксплуатацию почти мегаваттный источник бесперебойного питания с двойным преобразованием частоты. Питание от этого ИБП распределено по всему зданию и обеспечивает напряжением 220 В все, что должно работать 24 часа в сутки 365 дней в году. Казалось бы, чего такого? Ничего особенного, кроме сильнейших наводок на все линии связи и шлейфы систем безопасности, о которых не подумали при выборе ИБП и проектировании цепей его нагрузки, ставших огромной излучающей антенной. По практическим итогам борьбы с таким проявлением технического прогресса и написана эта статья.

Любой объект, будь то офисное, больничное, производственное или жилое здание, должен быть спроектирован в соответствии со следующими стандартами, правилами и нормами, принятыми в Российской Федерации:

— ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

— ГОСТ Р 50571.1-93 Электроустановки зданий. Основные положения.

— ГОСТ Р 50571.2-94 Электроустановки зданий. Основные характеристики.

— ГОСТ Р 50571.21-2000 Электроустановки зданий. Выбор и монтаж электрооборудования.

— ГОСТ Р 50571.24-2000 (МЭК 60364-551-97) Электроустановки зданий.

— ГОСТ Р 51317.2.5-2000 Совместимость

технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка.

— Правила устройства электроустановок (ПУЭ).

Что делать, если вы получили в руки объект, который необходимо снабдить системами безопасности? Во-первых, убедиться в наличии документации, удостоверяющей соблюдение приведенных правил и стандартов. Во-вторых, в любом случае использовать аппаратуру, в которой предусмотрена помехозащищенность большая, нежели предусматривается стандартами.

Борьба с помехами высокой интенсивности требует следующих мер, которые рекомендуется учесть в случае проектирования систем безопасности на объектах, уровень электромагнитных помех в которых выше, чем разрешено стандартами:

— Приведение уровня разности потенциалов между «нулевым» проводом питания от сети 220 В и заземлением к нулю.

— Приведение контура заземления к соответствию стандартам.

— Шунтирование любых развязок между цепями заземления.

— Подключение адресных и безадресных шлейфов радиально с нагрузкой в конце линий для снижения уровня помех, так как при соединении кольцевым способом в шлейфе возникают паразитные токи наводок. Номинал нагрузки указывается в технической документации. Таким образом, помеха станет почти симметричной на жилах шлейфа и гораздо слабее будет влиять на уровень «нуля» постоянной составляющей адресного шлейфа. Ограничение минимума сопротивления нагрузки в случае адресного шлейфа зависит лишь от мощности источника питания адресного шлейфа.

— Использование экранированного провода для адресных и безадресных шлейфов, а также для сигнальных цепей, подключаемых к адресным меткам и выходным устройствам. Экран проводки должен быть подключен непрерывно и присоединяться только к модулям системы, к которым подключены данные шлейфы. Соответственно, туда же необходимо подключать заземление самих модулей. В случае, если экран будет подключен в нескольких точках, то эффект будет обратный — в замкнутом кольцом на контур заземления экране возникнут паразитные токи, наведенные помехами, и он сам станет источником помех. Таким образом, будет достигнуто дополнительное снижение помехи в сигнальных жилах шлейфа.

— Использование экранированного провода для линий связи между модулями системы. Учитывая то, что данная линия связи чаще всего отвечает требованиям стандарта EIA485, экран подключается к специальной клемме, которая предусмотрена на центральном устройстве и является средней точкой данной линии связи. Сама линия связи выполняется радиальным способом, и в конце линии ставится нагрузка 120 Ом. Например, в системах производства MATAEL LTD данная нагрузка предусмотрена на модулях и включается на последнем модуле на линии связи с помощью специального переключателя. Экран кабеля ни в коем случае не должен соприкасаться с заземлением во избежание создания несимметричности передающей цепи.

— При выборе между радиоканальной и проводной системой следует обязательно убедиться, что на объекте не используются средства радиосвязи (в том числе переносные рации охраны, внутренней связи и т.п.), радиоуправляемые игрушки, шлагбаумы и другие технические средства, использующие радиосвязь. Дело в том, что используемые для радиоканальных систем пожарной сигнализации частоты 433 и 868 МГц являются не-лицензируемыми и используются перечисленными техническими средствами. В случае присутствия перечисленных технических средств на объекте следует ставить проводные системы пожарной сигнализации, так как они не подвержены влиянию радиопомех.

Эти методы были успешно применены на одном из объектов в Москве, который нам довелось оборудовать. На заземляющем контуре объекта присутствуют наводки от источника бесперебойного питания в диапазоне 0,1 Гц — 22 МГц напряжением до 20 В в силу конструктивной особенности ИБП — элементов развязки между «землей», приходящей к ИБП, и «землей», выходящей из ИБП внутрь объекта. Задача заземления систем безопасности состоит не только в том, чтобы обезопасить обслуживающий персонал. Надежное заземление должно обеспечивать нулевой потенциал, как по переменному, так и по постоянному току в любой точке подключения к нему на объекте. Только в этом случае возможно избежать влияния мощных помех на сигнальные линии систем безопасности. Максимальная интенсивность помех наблюдалась в частотном диапазоне 2-16 КГц. Учитывая то, что в линиях связи систем безопасности часто используются частоты данного диапазона, то их влияние вызывало кратковременные сбои в работе систем безопасности (пожарная, СКУД, видеонаблюдение, охранная система, система оповещения). Напряжение было замерено относительно специально созданного отдельного заземляющего контура. Учитывая то, что металлические кабель-каналы, в которых проложена проводка систем безопасности, подключены к такой «шумящей» земле, наводки на сигнальных цепях систем безопасности были от 3 до 20 В, что недопустимо ни по каким стандартам. В некоторых местах объекта металлические кабель-каналы были вообще не подключены к заземлению. Учитывая то, что в них были уложены также кабели «шумящего» источника бесперебойного питания, на «нулевом» проводе которого присутствует напряжение помех до 40 В, данные кабель-каналы сами по себе становились источниками кондуктивно-индуктивных помех. Далее приведена амплитудно-частотная характеристика замеренных помех:

На рисунке 1 вы видите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) помех, снятую на заземляющем контуре оборудуемого объекта (уровень помех на данной картинке не является истинным, так как замерялся через дополнительные делители с целью получения вида АЧХ). Размах данных помех, замеренный осциллографом, доходит до 20 В.

Рис. 1. АЧХ шумов, находящихся на проводе заземления на объекте в Москве

Для сравнения на рисунке 2 привожу АЧХ, снятую на заземляющем проводе на объекте компании Amdocs в Израиле. Единственная ярко выраженная помеха находится на частоте 50 Гц, и размах ее всего 50 милливольт в точке подключения к шасси пожарной системы. Несмотря на то, что объект очень насыщен цифровой, электромеханической и прочей аппаратурой, нет ни одной системы безопасности, которая бы страдала от помех. Несмотря на использование обычных неэкранированных проводов. (Уровень помех на данной картинке не является истинным, так как замерялся через дополнительные делители с целью получения вида АЧХ)

Рис.2. АЧХ шумов, находящихся на проводе заземления на объекте в Израиле

Несмотря на то, что на данном объекте источник помех так и не устранен, нам удалось избежать влияния данных помех на работу системы пожарной сигнализации, снизив их до технически допустимых уровней в цепях системы пожарной сигнализации. На данный момент, учитывая некачественный контур заземления объекта и то, что источник бесперебойного питания продолжает шуметь, наводки, замеренные на сигнальных цепях пожарной сигнализации, составляют 2,5-3 В, что в 50-60 раз больше разрешенного по стандарту ГОСТ Р 51317.2.5-2000, и при этом система работает стабильно.

Рис.3. Шина выравнивания потенциалов контура заземления

Рис. 4. Крепление провода заземления к кабель-каналу

Отдельно хотелось бы отметить, что органам, занимающимся внедрением стандартов, следует учитывать особенности построения систем пожарной сигнализации. Ввиду того, что гальванической развязки между заземлением и цепями системы не существует, хотелось бы видеть стандарты, устанавливающие реальные допустимые уровни помех и разграничение применения проводных и беспроводных систем по уровню собственной безопасности. Принимаем во внимание следующее:

1. Система пожарной сигнализации всегда включает цепь проверки утечки на землю. Это делается в целях безопасности системы, а не для избавления от помех. Подобная утечка может спровоцировать возгорания в насыщенных горючими газами помещениях и других подобных ситуациях, а посему должна контролироваться и устраняться.

2. Проводная система более пожаробезопасна в силу присутствия данного контроля. Присутствие изоляторов короткого замыкания и места утечки на землю — это явное преимущество перед беспроводными системами, в которых нет контроля цепи питания в пожарном извещателе. Беспроводной пожарный извещатель либо другой беспроводной прибор со встроенным источником питания, находящийся в пожароопасной среде, при перегреве или самовозгорании в случае внутреннего короткого замыкания становится сам причиной пожара.

3. Стандартный уровень питающей составляющей в шлейфах пожарной сигнализации установлен как 24 В. Уровень протокола связи у разных производителей колеблется от 1 до 6 В. Безопасным напряжением для человека считается напряжение 42 В в нормальных условиях и 12 В в условиях повышенной опасности (сырость, высокая температура, металлические полы и др). Большим он быть не может в силу соображений безопасности для людей. Соответственно, недопустимо присутствие электромагнитных наводок, соизмеримых или больших по уровню, чем уровень протокола связи.

4. Мощные импульсные преобразователи и другие мощные генерирующие приборы должны быть снабжены средствами автоматического отключения в случае отклонения выдаваемых частот от нормативных и в случае генераций паразитных частот больше допустимых уровней. Поэтому уровень паразитных частот и их диапазон должны быть выражены в абсолютных цифрах и соответствовать среднему процентному соотношению к уровню используемых протоколов связи. То есть для примера ИБП, на выходе которого присутствуют, помимо 220 В, помехи, не должен выдавать этих помех больше 1,5 В на «фазном» проводе. И полный нуль на «земляном» и «нулевом». Почему? Потому что 25% от 6 В протокола связи системы безопасности — это именно 1,5 В, а не проценты от напряжения, выдаваемого в питающую сеть ИБП. Опять же, почему 25%? Потому что колебания уровня протокола в плюс-минус 25% от его размаха не вызовут сбоя передачи данных. Конечно же, есть и более нетерпимые к помехам системы передачи данных, чем пожарные. В частности, аналоговые системы передачи звука и изображения. Следовательно, и уровень помех должен быть соизмерим. 5. В правилах построения электроустановок следует учесть, что проводка силовых питающих цепей от ИБП и прочих генерирующих помехи источников зачастую многие метры, а то и километры находится вблизи сигнальных линий систем безопасности, что вызывает присутствие на сигнальных линиях помех того же уровня, что выдается упомянутыми генераторами помех. Следовательно, выходные силовые цепи подобных ИБП и генераторов должны быть надежно экранированы, если их уровень генераций превышает допустимый, полученный с помощью приведенного выше анализа.

Далее приводятся несколько фотопримеров правильного построения цепей заземления и других подключений.

На данном примере (рис. 3) с другого объекта (в Израиле) показано, как перед каждым распределительным шкафом установлена шина для выравнивания потенциала проводов контура заземления. Данные провода в Израиле всегда устанавливаются без изоляции, так как на них всегда нулевой потенциал.

Каждый металлический кабель-канал обязательно жестко подключается к контуру заземления специальным крепежом, как показано на рисунке 4. На данном примере -хомутом с гайками и подошвой. Данные кабели также соединены с арматурой здания.

На рисунке 5 показано подключение контура заземления к шасси прибора прием-но-контрольного пожарного. Заземление подключено к шасси, а потом распределяется от данной точки к остальным цепям, требующим заземления.

Рис. 5. Подключение заземления к шасси прибора приемно-контрольного

Экран провода связи линии RS485 подключается в точке, обозначенной «shd» (рис. 6), но не к заземлению. Также виден переключатель SW2, который переводится в положение END REM в случае, если модуль является последним на радиальном шлейфе связи.

Рис. 6. Точка подключения экранировки линии RS485 (shd)

На рисунке 7 желто-зеленым цветом обозначены провода заземления, черным -экранировка кабелей связи между модулями системы, красным — провода адресных и безадресных шлейфов, к которым подключены пожарные извещатели.

Рис. 7. Подключение заземления и экранировки линии RS485 к системе

В заключение хотелось бы сказать, что только четкое соблюдение стандартов проектировщиками, монтажниками и покупателями всех систем, установленных на объекте, избавляет от непредвиденных проблем, борьба с которыми отнимает ино-

гда больше времени и средств, нежели проектирование и установка. И только от органов стандартизации зависит, насколько данные стандарты учитывают наличие на защищаемых объектах оборудования, о котором еще и не мечтали в 70-90-х годах, а то и на пороге тысячелетий.

Источник: «Алгоритм Безопасности» № 3, 2010 год.

www.aktivsb.ru

Защита РЭА от помех. Цифровые схемы — МегаЛекции


Для уменьшения помех возникающих в цифровых логических схемах необходимо работать с сигналами имеющими большие времена нарастания и спада, а также малую амплитуду. Также необходимо ограничивать число одновременных переключений сигналов.

Традиционным способом шунтирования, применяемого для цифровых схем, являются: оксидный шунтирующий конденсатор большой емкости (от 10 до 100 мкФ) или не менее одного микрофарада на каждый корпус микросхемы. Конденсатор помещается вблизи источника питания. Рядом с каждым корпусом располагают керамические шунтирующие конденсаторы емкостью 0.1 мкФ. А в быстродействующих схемах подсоединяют так же керамические конденсаторы малой ёмкости от 100 до 1000 нФ.

Каждая схема передающая сигнал за пределы печатной платы, на которой она находится или принимающая сигнал из-за пределов печатной платы имеет керамический шунтирующий конденсатор 0.1 мкФ между источником питания и линией обратного тока сигнала.

На долю остальных микросхем с малым быстродействием приходится шунтирующий керамический конденсатор от 0.01 до 0.1 мкФ по одному на каждые 5 корпусов.




7. Защита источников питания от помех

Импульсные источники питания являются основными источниками помех с частотой до 30 МГц.

Линейные источники питания также могут при малых Iвых генерировать низкочастотные поразитные сигналы с пилообразным изменением амплитуды.

Другой причиной низкой помехоустойчивости является плохая изоляция между входом и выходом. Тогда помехи с шины питания попадают в схему через источник питания, и создаваемые помехи через источник питания попадают на шину питания.

Эти проблемы удается преодолеть при тщательном подборе компонентов и топологии схемы, а также правильного шунтирования, фильтрации и экранирования.

Рассмотрим пути улучшения помехоустойчивости ИП.

Наиболее важным является устранение помех, возникающих в цепи первичного питания, поскольку они могут вывести схему из строя.


На 1 изображении типичный фильтр для защиты от сетевых помех.

L1, L2 – блокирует высокочастотные и импульсные помехи высокого напряжения.
С2, C3 – защищает от высокочастотных дифференциальных помех.
С4,
C5 – защищает от высокочастотных синфазных помех.

R1 – стабилизирующее, а также служит для разряда C2 и C3.

Типовые номиналы

При выборе фильтра для источника питания с импульсным регулированием необходимо, чтобы резонансная частота фильтра была меньше частоты переключения.

Когда требуется незначительная фильтрация можно использовать схему 2.

C2, C3–бумажные или пленочные конденсаторы.

C4, C5 – дисковые кирамические

R1-R3 – композитные резисторы

Рекомендуется делать короткие выводы конденсаторов.

Все компоненты фильтра должны выдерживать переменное напряжение 2-ую нагрузку по току. Если ИП линейный отсечка(частота отсечки) фильтра должна в 1,5 раза превышать частоту переменного напряжения на входе.


Целесообразно экранировать силовые транзисторы. Обычно емкость транзистора составляет 10-50 пФ. Для транзисторов с электростатическим экранированием эта емкость создает до 0.01 пФ. Также рекомендуется выполнять обмотки на разных стержнях трансформатора, либо 2-х секционные обмотки.

Защита вторичных цепей от помех

L3-L5 –ферритовые кольца
C8 –проходной конденсатор
R1 –варистор (полупроводниковый резистор.

При включении выпрямителей в источник питания возникает выброс напряжения, а при выключении выброс тока. Эти импульсы можно ослабить применив диоды с плавным возрастанием или диоды рассчитанные на большие токи и напряжения.Нужно также ограничить ток, текущий через выпрямительный диод.


Б и В — уменьшение скорость изменения тока схемы

Г и Д — Гашение высокочастотных импульсов
а) – в) также препятствует попаданию в схему внешних помех либо отводят их на землю.

На схеме ферритовые кольца L3 и L4 служат для подавления импульсных помех, способствует более медленному нарастанию амплитуды импульсов тока, а также уменьшению выбросов при выключении выпрямителя.

Варистор R1 служит для подавления высоковольтных импульсов.

CC7 – дополнительно шунтируют высокочастотные помехи.

Для предотвращения помех создаваемых на ИП рекомендуется использовать переходной конденсатор C8и ферритовое кольцо L5.

Проводной монтаж можно разделить на 6 видов:

1. Провода электропитания переменного тока и низкочастотного сигнала.

2. Провода питания постоянного тока (провода опорного напряжения)

3. Провода высокочастотных сигналов, создающие помехи

4. Провода чувствительные к высокочастотным помехам

5. Провода антенные

6. Провода цифровых сигналов




8. система питания

Для сглаживающих пульсаций выпрямленного напряжения на выходе напряжения используют фильтры низких частот.
Rф – для ограничения пикового тока(1-2Ом)
Cф–служит как наполнитель энергии
При этом происходит ослабление пульсации за счет того, что время разряда конденсатора на сопротивление нагрузки значительно больше чем на подзарядку Cф.

При работе на RCнагрузку период проводимости вентилей значительно уменьшается, а амплитуда импульса тока возрастает до (за счет того что сопротивление ёмкости при заряде равна 0).

При этом среднее значение тока не значительно отличается от (ток прямой средний максимальный)

Следует иметь ввиду, что в справочниках данные о средних значениях тока для выпрямительных диодов соответствуют работе в составе однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку и При этом .

Момент включения выпрямителя импульсы тока достигают значения тока перегрузки величина которого определяется по следующей формуле:

Необходимо иметь ввиду, что в справочниках при использовании диода совместно с радиатором определенной площади.

При отсутствии радиатора данный показатель существенно снижается примерно в 5 раз.

Простые нестабилизированные источники питания типа: «трансформатор – выпрямитель – конденсатор» для питания РЭА непригодны, поскольку их выходное напряжение значительно зависит от нагрузки, напряжение питающей сети, и пульсирующий с частотой от 100 до 300 Гц. Поэтому на практике применяют различные схемы стабилизирования.


9. Линейные параметрические стабилизаторы напряжения

Простейшим стабилизатором является стабилитрон

Стабилитроны имеют конечное Rдиф.

При широком диапазоне изменения тока нагрузки стабилитрон необходимо выбирать на повышенную мощность рассеивания. Т.к. при малом токе нагрузки он должен рассеивать максимальную мощность.

Для предыдущей схемы коэффициент стабилизатора 10-30. Часто это является недостаточным.

Параметры стабилизатора улучшаются, если стабилитрон отделен от нагрузки эмиттерным повторителем. Транзистор может быть составным (схема Дарлингтона). Ток стабилитрона относительно не зависит от нагрузки. Мощность, выделяемая на стабилитроне в h21Э раз меньше чем без повторителя. Резистор Rн предохраняет транзистор VTот выхода из строя при к/з за счет ограничения тока коллектора. Диод VD1, VD2 служит для ступенчатой регулировки выходного напряжения величина которого определяется по формуле:


10. Линейный компенсационный стабилизатор


Для получения стабилизации с коэффициентом от 1000 и более применяется компенсационный стабилизатор.

VT9 совместно с VT1 образуют составной регулируемый транзистор. Составной транзистор применяется при больших токах нагрузки для ограничения допустимого тока компаратора DA2(сравнитель сигналов)

R99,R98, RP11 – датчик выходной величины с регулятором коэфициента передачи.

На повторителе DA1 собрана схема источника опорного напряжения. Рабочая точка стабилитрона задается источником тока J, при этом повторитель обеспечивает дополнительную развязку VZ от цепей нагрузки.

Опорное напряжение (VREF) – с выхода DA1 через R92 поступает на вход DA2, где сравнивается с напряжением потенциометра RP11(через 2).

С30 (1мкФ)(неэлектролитический) используется для фильтрации помех опорного напряжения.

C31 – корректирующий конденсатор(неэлектролит) для исключения паразитных пульсаций (1нФ)

VT2 совместно с R94 защищает схему при к/з нагрузки.

Работа схемы:

— в установившемся режиме напряжение на входе стабилизатора определяется равенством между инвертируемым и неинвертируемым входами компаратора DA2:

При увеличении тока нагрузки при падении напряжения в сети(и т.п.), напряжение на выходе стабилизатора уменьшается. При этом для поддержания неизменным выходное напряжение стабилизатора необходимо уменьшить падение напряжения UКЭ VTЭ.

Это происходит:

— в первый момент после увеличения тока нагрузки, напряжение на DA2 (инв. вход) не единицы мВ становиться меньше UОП на неинвертирующем входе. При этом компаратор подключается т.о. что VT1 и VT9 открываются сильнее(сопротивление перехода КЭ уменьшается). При уменьшении IНАГР потенциал на инвертируемом входе DA2 в первый момент становиться больше UОП на неинвертированном входе. При этом DA2 переключается в обратную полярность, закрывая VT1 и VT9(сопротивление перехода КЭ увеличивается).

При возникновении аварийных режимов в нагрузке, на шунте R94 выдается напряжение(0,4 В) достаточное для отпирания VT2, который шунтирует выход DA2 и приводит к запиранию VT1 и VT9, и уменьшению выходного напряжения.

При исчезновении аварийного режима – работы схемы востанавливается автоматически.

Аналогично схемы стабилизации может быть реализованы на дискретных элементов, где в роли устройства сравнения может выступать биполярный транзистор, дифференцированный каскад.

Для повышения стабильности схемы источника UОПФН м питаться отдельного ИП.

Если от источник питания требуются большие значения входного тока, то возможно применение нескольких проходных транзисторов включенных параллельно.

R – для выравнивания нагрузок.

Из-за разброса параметров база-эмиттерного перехода (напряжение) включает сопротивление R, которое приблизительно одинаково распределяет токи между транзисторами. Величина Rтакая, чтоб в при максимальном токе.

 

Составной транзистор

 



Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru

причины возникновения и способы защиты

Помехи в электросети препятствуют или затруднят принимать сигналы. Источниками таких препятствий могут служить не только внешние, но и внутренние факторы. Понимание и осознание основных причин возникновения данного явления позволит избежать многих проблем, а также поможет в выборе и размещении оборудования. Поэтому прежде чем приступать к устранению помех в сети, необходимо знать, как убрать их и какие источники возникновения существуют.

Классификация помех

Существует два типа помех в электрической сети: импульсные и высокочастотные. Первые возникают при включении или выключении прибора в электросеть. Они являются опасными, так как могут за короткое время вывести из строя всю электронную технику в доме. Высокочастотные помехи существуют в сети всегда, но считаются не такими опасными, как импульсные.

Причины возникновения явления:

  • колебания и отклонения напряжения;
  • импульсные напряжения;
  • гармоники;
  • отклонения частоты;
  • короткие провалы напряжения.

Электрическая сеть, в которой присутствует помеха, может подвергаться отклонению и колебанию напряжения. Более подробно узнать о том, что собой представляют перепады напряжения и как от них защититься, вы можете из нашей статьи.

Электрическая сеть подвергается и импульсным напряжениям. Причиной могут служить природные явления в виде грозы или коммутационные операции, что проводятся в сети.

Кратные гармоники – это синусоидальный ток или напряжение. Разница частоты такого явления будет во много раз отличаться от основной частоты. Если электросеть обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой, то возникает данный вид помехи. Основные источники: телевизоры, люминесцентные лампы, преобразовательные установки, индукционные печи.

Электросеть с некратной гармоникой может подключаться к трансформатору через статические преобразователи частоты. Периодичность и длительность гармоник будет зависеть от того, какая выходная частота у преобразователя.

Отклонение частоты появляется за счет того, что мощность генераторов, которые вырабатывают электроэнергию, не соответствует потребляемой нагрузке. Электросеть, в которой повышается мощность нагрузки, повышает частоту и скорость генератора.

Если электрическая сеть получила неожиданное и резкое снижение напряжения, то это означает, что возникла такая помеха, как короткие провалы напряжения. Электросеть восстанавливает нормальную работу через определенное время. Такое явление возникает в энергосистемах из-за коммутационных процессов, которые связаны с запуском и работой двигателей сильных мощностей, а также связаны с коротким замыканием.

Потребители должны учитывать тот факт, что устранить или уменьшить количество помех, которые порождены работой энергосистем по устранению коротких замыканий, невозможно.

Способы защиты

Возникновение помех в электрической сети может произойти в любой момент, что приведет за собой неприятные моменты и потери. Например, если работаешь за компьютером, то важные текстовые данные могут исчезнуть. Чтобы этого избежать, необходима защита от подобных явлений.

Отличным решением в этом случае будет защита с помощью источника бесперебойного питания (ИБП). После того как электросеть отключилась, батарея остается работоспособной не менее десяти минут. Этого будет вполне достаточно, чтобы сохранить все важные документы и программы. Также такой источник питания служит защитой от перепадов напряжения. О том, как выбрать бесперебойник, мы рассказывали в отдельной статье.

Защита от помех в сети может осуществляться и более дешевым способом: применение сетевых фильтров. Такое устройство сможет спасти приборы, которые подключены в электросеть, от отключений питания и помех. Защита такими способами позволит уберечь приборы и помеха в сети им будет неопасна.

Методы измерения

Измерение шумов в сети осуществляется специальными приборами. Но если таких приборов нет, то следует применять дополнительные конкретные меры.

Как правило, прибор, которым необходимо измерить помехи в электросети, будет питаться от того же источника, измерение которого необходимо произвести. Если неправильно подключить провода, то возникнут погрешности при снятии показаний. На рисунке ниже изображена схема подключения прибора, с помощью которого будет осуществляться измерение:

Чтобы измерить помехи используют и осциллограф. При наличии запоминающей трубки, прибор способен будет сделать измерение. О том, как пользоваться осциллографом мы рассказывали в отдельной публикации.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Теперь вы знаете, из-за чего возникают помехи в электросети и как защититься от них. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Наверняка вы не знаете:

samelectrik.ru