1. Основні терміни та визначення. Джерела та шляхи поширення завад

Вивчення характеру та джерел електромагнітних завад, шляхів їх поширення та впливу на роботу електронної апаратури, стосуються проблеми забезпечення електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів.

Згідно з ДСТУ-ІЕС 60050 (161) - ЕМС ? це спроможність обладнання чи системи задовільно функціонувати в навколишній електромагнітній обстановці та не створювати недопустимих електромагнітних завад будь-чому в цій електромагнітній обстановці.

Тобто проблема ЕМС має два складника: забезпечення штатного функціонування апаратури (несприйнятливість) та обмеження рівня створюваних завад (емісія). У процесі роботи джерел електроживлення, особливо ключового типу, виникають електромагнітні завади. Узагальнено - електромагнітна завада - це небажана дія електромагнітної енергії, яка може погіршити показники якості функціонування радіоелектронних засобів (РЕЗ).

Електромагнітна завада, яка створена електричними або електронними пристроями та не призначена для порушення функціонування радіоелектронних засобів (радіоелектронної боротьби) має назву індустріальна радіозавада.

Під радіозавадою мають на увазі електромагнітну заваду в діапазоні радіочастот 3Гц...3ТГц. До індустріальних радіозавад не відносять випромінювання, створювані високочастотними трактами радіотелевізійних передавачів, тощо.

ЕМЗ, середовищем поширення яких є предмети, які проводять електричний струм (проводи, силові кабелі, шасі й корпуси приладів, екрани, оплітки, оболонки, шини уземлення), а також паразитні кола, через які протікає електричний струм, називають завадами провідності, або кондуктивними завадами. Якщо струм завади протікає в прямому та зворотньому провідниках, то заваду називають симетричною (differential mode). Якщо струм завади протікає через один із силових провідників та коло уземлення, заваду називають несиметричною, (common mode) (рис. 8.1). Звісно, ці струми спричинено відповідними напругами.

Окрім того, застосовують поняття "загальна несиметрична напруга завад" - напруга індустріальних радіозавад між точкою, що має середній потенціал, то між потеціалами затискачів джерела індустріальних радіозавад, мережі живлення або будь-якої іншої електричної мережі та землею.

Симетрична й несиметрична напруги призводять до протікання відповідних струмів ЕМЗ. Симетричні струми і_з.см проходять через навантажувальний для джерела ЕМЗ опір (у даній ситуації - імпеданс мережі живлення Z_м та навантажувальне коло R_Н), несиметричні і_з.нс1 та u_з.нс2 - через опір уземлення ДВЕЖ Z_з, і_з.нсз та і_з.нсч через R_Н та паразитні ємності С_п. Симетричні струми у двопровідній системі однакові за значенням, протифазні й циркулюють за визначеним колом, тому їх небажану дію на електронну апаратуру послабити легше, ніж від несиметричних струмів, які протікають в однаковому напрямі, а кола їх циркуляції чітко не визначені. Тому зусилля розробників РЕА в процесі проектування протизавадових засобів зазвичай спрямовані на пошук і дослідження засобів усунення кондуктивних несиметричних завад.

ЕМЗ, середовищем поширення яких є навколишній простір, називають завадами випромінювання (в дальньому полі) та індукованими (в ближньому полі) (рис. 8.1).

Тобто для аналізу рівня і типу завад в навколишньому середовищі важливим є поняття ближньої та дальньої зони, що умовно розділені граничною відстанню:

r_гр = 2lІ/, (8.1)

де ? довжина хвилі завади, l ? конструктивний розмір емітувальника завади (провідники, компоненти, функціональні вузли тощо).

Рисунок 8.1 ? Шляхи поширення завад від ДВЕЖ

В ближній зоні (зоні індукції, наведення) коли рецептор розташовано поблизу джерела на відстані меншій r_гр = 2lІ/, електричний і магнітний складники визначають окремо.

В дальній зоні (зоні електромагнітної хвилі), якщо джерело завад розташовано на відстані більшій за r_гр = 2lІ/, емісією є електромагнітне випроміненння, яке характеризують потоком потужності (вектор Пойнтінга) або потужністю випромінення.

(8.2)

Джерела вторинного електроживлення ключового типу (ДВЕЖ КТ), оперують з крутими фронтами робочих імпульсів напруги і струму (за частоти у десятки, сотні кілогерц) у силових колах, а також колах керування, поповнили джерела ЕМЗ. Завади, які генерують ДВЕЖ КТ, характеризують високі рівні 70...120 дБ За базовий рівень 0 дБ прийняті для завад: в навколишньому середовищі - 1 мкВ/м, кондуктивних - 1 мкВ. (в окремих випадках до 140 дБ), широкий частотний спектр (від одиниць...десятків кілогерц до десятків...сотень мегагерц, одиниць...десятків гігагерц). Таким чином, застосування ДВЕЖ КТ, разом зі зменшенням маси й габаритних розмірів, призводить до генерації завад, що погіршує несприятливу в сучасних умовах насичення радіоелектронними засобами різних сфер діяльності людини, електромагнітну обстановку - сукупність електромагнітних явищ, наявних в даному місці.

У звязку з цим дослідження джерел і шляхів поширення ЕМЗ, які генерують ДВЕЖ КТ, з метою розроблення ефективних засобів зниження їх рівнів до встановлених відповідними нормувальними документами, стають не менш важливими, а в деяких випадках головними у проектуванні електронної апаратури різного призначення. Дуже важливо, щоб заходи та засоби забезпечення ЕМС були впроваджені саме на етапі проектування апаратури. Інакше витрати на забезпечення ЕМС в процесі налагодження суттєво перевищать витрати на початковій стадії проектування. Окрім того, якщо не передбачити заходи та засоби забезпечення ЕМС на етапі проектування, ця апаратура може взагалі бути непридатною для застосування, не дозволить нормально функціонувати близько розташованій апаратурі або апаратурі, яку живить та ж сама мережа та не отримає дозволу постачання на ринок країн Європейського співтовариства.

В узагальненому вигляді джерела, шляхи поширення та наслідки дії ЕМЗ наведено на рис. 8.2

Рисунок 8.2 ? Джерела, шляхи поширення та наслідки впливу ЕМЗ

Основними джерелами завад є активні елементи силових каскадів, що працюють у ключовому режимі; інші елементи силового кола (трансформатори, дроселі, конденсатори, проводи т. ін.) і кола керування також можуть створювати завади.

Основні механізми поширення завад такі:

- наведення на проводи за умов розміщення їх у електромагнітному полі завад і подальшим вплив завади на інші кола;

- звязок різних кіл через спільний опір - це основний шлях поширення завад по кола електроживлення (шини живлення, внутрішній опір джерела живлення, у тому числі для великих груп споживачів - внутрішній опір мережі живлення);

- електричне й магнітне поля, які формуються за умов руху електричних зарядів у всіх елементах електричних кіл, у тому числі й проводах.

Для аналізу процесів виникнення ЕМЗ у пристрої (генераторі завад) зазначають завадостворювальні елементи. Зазаначимо їх на прикладі ДВЕЖ з без трансформаторним входом з однотактним прямим перетворювачем із розмагнічувальною обмоткою (ПРО) (рис. 8.3).

Головна причина генерації електромагнітних завад джерелами електроживлення ключового типу - комутаційні процеси в силових колах, зумовлені ключовим характером роботи активних елементів, який визначає принцип роботи ДВЕЖ КТ. Перепади струму й напруги призводять до появи кондуктивних завад та завад в навколишньому середовищі. Іншими причинами ЕМЗ можна вважати: високочастотні коливання, які формуються внаслідок енергії, накопиченої в регулярних та паразитних реактивних елементах кола, що створюють резонансні контури; перехідні процеси за умов підключення-відключення ДВЕЖ від мережі; стрибкоподібні змінення напруги живлення та навантаження; наскрізні струми, а також властивості елементної бази в ключовому режимі роботи (наприклад, зворотний сплеск у діодах із зміною полярності випрямленої напруги тощо).

Рисунок 8.3 - Схема електрична ДВЕЖ КТ на основі ПРО, як джерела ЕМЗ

Елементами, які створюють завади є такі: вхідний випрямляч VD1…VD4 (генерує, головним чином, симетричну напругу завад із рівнем до 90 дБ, який стрімко знижується в діапазоні до 1 МГц); конденсатор вхідного фільтра С1 (генерує симетричну напругу завад, спричинену паразитними параметрами: активним опором R_C та індуктивністю відводів L_C за умови проходження через конденсатор змінних складників струму силового кола; L_C сприяє генерації завад на частотах мегагерцового діапазону); діоди: VD5 - розмагнічувальної обмотки, VD8 - захисного кола, VD6 - випрямного і VD7 - комутаційного вихідного кола (генерує кондуктивні завади в силове та навантажувальне кола); силовий трансформатор TV (генерує завади випромінювання, симетричні й несиметричні кондуктивні завади в силовому й навантажувальному колах); силовий транзистор VT1 (генерує, зазвичай, симетричну напругу завад через паразитні параметри R_C і L_C за проходження через конденсатор змінного складника імпульсів струму силового кола); коло керування КК (генерує елементами завади випромінювання низького рівня); дросель L1 (генерує, головним чином завади в навколишньому середовищі).

Крім того, всі силові проводи, якими протікають імпульсні струми, можна вважати “випромінювальними антенами”.

Далі зясуємо нормативну базу стосовно емісії ЕМЗ від апаратури різного призначення.