EMI урок
Източници и стойности на електромагнитни смущения
При систематизиране източниците на смущения могат да бъдат разделени на две големи групи:
- природни източници, причинени от природни електромагнитни явления;
- изкуствени, образувани от електромагнитни явления в ТС (електромагнитни процеси в ТС, ядрени експлозии).
Вътрешни източници на смущения в системата
Причините за появата на вътрешни смущения в системата, т.е. взаимно влияние на устройства или структурни елементи са:
- захранващо напрежение с честота 50 Hz;
- сигнали в контролни проводници или линии за данни;
- тактови сигнали с висока и ниска честота;
- процеси на превключване в индуктивности, например в рид ключове на печатни платки;
- искрови разряди по време на затваряне и отваряне на контакти.
Външни източници на смущения
Приблизително 2000 гръмотевични бури съществуват едновременно на Земята, причинявайки около 100 мълнии всяка секунда. Средно в Европа броят на дните с гръмотевични бури годишно е от 15 до 35, а броят на светкавиците на квадратен километър площ годишно е от 1 (в северните райони) до 5 - в южните. Енергия на разрядния канал от 10 J/m причинява:
- акустичен (гръм);
- топлинна;
- светлина;
- електромагнитно въздействие върху околната среда.
Ориз. 2.1. Щети в Горна Австрия причинени от мълния, по години: 1-директни щети; 2-странични щети.
Ориз. 2.2. Възможни ефекти от мълния: D - директен удар; F - дистанционен удар; PAS - шина за изравняване на потенциала; R - съпротивление на заземяване (0,5÷10 Ohm); S - контур, образуван от жици; W - разряд между облаци; 1 - защитен обект; 2 - част от защитеното устройство; 3-трафопост; 4 - кабел на контролни линии; 5 - кабел за ниско напрежение; 6 - въздушен електропровод.
Ориз. 2.3. Форма на импулса на тока на мълния по време на разреждане от облака към земята
Таблица 2.1. Характеристики на въздействието на мълния върху обекти
Удар в точката на удара
Увеличаващ се потенциал спрямо отдалечената земя
Индукция на напрежение в контури
Топя ме в точката на удара
Нагряване на проводници, през които протича ток на мълния
S=200 kA/µs; a=10 m; b=0,1 (10) m; U i =40V (216 kV)
При Q=300 С се стопяват алуминиеви стени с дебелина до 5 мм
При W / R \u003d 10 MJ / Ohm се стопяват медни проводници с напречно сечение 10 mm 2 и стоманени проводници - 25 mm 2
Разряди на статично електричество
Разрядите на статично електричество се разбират като процеси на изравняване на зарядите между отделни твърди тела, течни и газообразни среди, които носят различни електрически заряди. Те обикновено са придружени от явления на плъзгане, корона, искра или подобен на мълния разряд, но подравняването може да се случи единствено поради електрическата проводимост в точката на контакт, ако потенциалната разлика преди докосване на телата не надвишава 330V. Когато възникнат искри, горими газове или пари могат да се възпламенят или да се инициират експлозивни смеси, а токовете и полетата, причинени от разрядите, могат да повредят електронните компоненти, да деактивират или нарушат функциите на електронното оборудване (фиг. 2.4).
Ориз. 2.4. Примери за ефектите от разрядите на статично електричество върху електронни компоненти и устройства:
а) Повреда или разрушаване на вериги при пряко излагане на ток i или причинено от поле E, H при докосване с ръка илиинструмент.
b) Повреда на елементи или смущения, дължащи се на напрежение U st, шунтирано от магнитно поле в ниско съпротивление или електрическо поле в контури с високо съпротивление. G - корпус на електронното устройство; IC - интегрална схема; LP - печатна платка.
При производството и използването на електронни компоненти и устройства два механизма на електрификация са от съществено значение: поради индукция поради триене. Фиг. 2.5 ясно обяснява принципа на електрификация чрез индукция. Нека електрическото тяло B попадне в електростатично поле, образувано например от заредени тела A и C. В този случай поляризацията на заряда възниква в тялото B. Ако, например, след това отрицателните заряди на тялото B се прехвърлят към тялото C чрез проводяща връзка V (контакт или искра), тогава тялото C до B ще остане положително заредено дори ако външното поле изчезне. Ако тяло B влезе във верига, която генерира електрическо поле, тогава токовете, които вече са свързани с поляризационни ефекти, могат да причинят смущения или повреда във веригата.
Ориз. 2.5. Наелектризиране поради индукция: 1 - тяло B е електрически неутрално; 2 - поляризация на тялото в електрическо поле; 3 - отстраняване на отрицателни заряди при искров разряд или докосване на тяло С; 4 - тяло B е положително заредено.
Ориз. 2.6. Наелектризиране чрез триене: 1 - две вещества А и В в неутрално състояние; 2 - фаза на допир или триене; 3 - А е положително заредена; B - положителен.
Най-честата форма на паразитни електростатични заряди е наелектризирането чрез триене. Това се случва, ако две различни, първоначално неутрални тела (или две вещества) A и B (фиг. 2.6) влязат в контакт, търкат се едно в друго и след това се разделят. Едно тяло предава електрони на друго и е положително заредено, а тялотополучаването на електрони е отрицателно. Полярността и стойността на зарядите зависят, от една страна, от такива свойства на материалите на телата като структура на материала и повърхността, диелектрична константа, обемна и повърхностна електрическа проводимост, а от друга страна, от редица външни фактори, например от размера на контактната повърхност, интензитета на триене на силата на компресия преди разделяне, степента на разреждане, температура, влажност на въздуха, като последната има много голямо влияние. Фиг. 2.7 информира за влиянието на влажността на въздуха върху напрежението. Напреженията са в рамките на 0,1÷20 kV.
Ориз. 2.7. Увеличаване на потенциала на човешкото тяло при ходене по пода (а) и ефекта върху потенциала на относителната влажност на въздуха P при ходене на 6 m по пода с поливинилхлоридни (1) и гумени (2) покрития
Отстраняване на пластмасовия чип от найлоновия плик - измерена U стойност
20 Kv ( p =24%, T =21˚С). Човешкото тяло има капацитет спрямо земята C K =100÷300 pF. Ако човек ходи по под от синтетична трева, тогава този капацитет може да бъде зареден до U
15 kV, в този случай съхранената енергия: W=1/2 C K U max 2
(10÷35) mJ. Когато човек се доближи до заземен корпус на електронно устройство, ще възникне искров разряд и като обикновено се спазва условието, тогава ще протича апериодичен процес: - фронтът на токовия импулс се определя от времеконстантата τ=L/R . - спадът се определя от константата τ=RC K
Таблица 2.2. Възможни граници на стойност на смущение
Логаритмично представяне на шума и системните свойства
Както може да се види от таблицата по-горе, стойностите на смущенията и други параметри, характеризиращи EMC, е препоръчително да се дадат под формата на логаритъм на съотношенията. Има два вида логаритмични относителни стойности: ниво на сигнала и измерване на сигнала. Ниво - логаритъм на относителна стойност с постоянна основа - знаменател. С помощта на понятието "ниво" е възможно да се опишат системните величини, както и стойността на смущението (напрежение, ток, сила на полето на смущение и др.). При прилагане на десетичния логаритъм са валидни следните изрази за нивата: E=20LgU x /U o , dB, U o =1 μV, i=20LgI x /I o , dB, I o =1 μA, E=20LgE x /E o , dB, E o =1 μV / m, H=20LgH x /H o , dB, H o =1 μA/m, P=20LgP x /P o , dB, P o =1 pW, Нивото е безразмерна величина. Единицата на базовата величина обикновено се дава в скоби, напр. dB(µV), dB(µA) и т.н. Мярка - логаритъмът от съотношението на големината за обозначаване на измерените свойства на обекта (коефициент на предаване, усилване, затихване). В този случай съотношението на стойността в определена точка се взема при наличие и отсъствие на амортизиращ елемент (филтър, екран). Например, коефициентът на затихване, dB, въведен от филтъра, се изразява чрез десетичен логаритъм на отношението: A e =20Lg(U/U Ф ) , тук U Ф и Uсмущаващо напрежение на вода с и без филтър. Общ коефициент на затихване, dB, при наличие на екран: A s =20Lg(E 0 /E 1 ), където E 0 и E 1 са напрегнатостта на електрическото поле, засягаща съответно устройството без екран и с екран. Често използвани типични стойности на dB: 6dB - 2:1 20dB - 10:1 40dB - 100:1 60dB - 1000:1 80dB - 10000:1 100dB - 100000:1 120dB - 1000000:1 Ако вместо десетична лог рима се използва естествена, тогава се използва концепцията за "NEPER". Между непер и децибел има следните отношения: 1 Np=8.686 dB; 1 dB=0,115 Np.