CC BY
21УДК 621.396.6
DOI: 10.24412/2782-2141 -2022-3 -74-79
Помехозащищенность от электромагнитных помех с помощью экранирования
и сетевых фильтров
Хотченков А.С.
Аннотация. В статье изложены пути повышения помехозащищённости от электромагнитных (кондуктивных) помех, излучаемые самой радиоэлектронной аппаратурой при помощи сетевого фильтра и экранированного кабеля питания. Приведено описание причины возникновения помех и устранения их. Проведено испытание на эффективность сетевого фильтра при устранении помех в аппаратуре. Цель статьи - показать с помощью экспериментальных испытаний повышение помехозащищённости от электромагнитных (кондуктивных) помех в радиоэлектронной аппаратуре при помощи сетевого фильтра и экранированного кабеля питания. Проведено изучение современных методов построения сетевых фильтров, детальное изучение техники защиты от импульсных выбросов в сети и фильтрации помех во входных цепях модулей и блоков электропитания аналоговой и цифровой аппаратуры.
Ключевые слова: помехозащищенность, электромагнитные помехи, радиоэлектронная аппаратура, сетевой фильтр, фильтрация, электрические импульсные помехи.
Введение
Надежность и достоверность работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и систем зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам, эта проблема является актуальной, так как электрические импульсные помехи создают значительную угрозу для РЭА и ее данных. Последствия воздействия этих нарушений остаются одними и теми же: перебои, ухудшение свойств и повреждение аппаратуры, неизбежно приводящие к ее поломке. Поэтому, чтобы избежать такие неисправности, должны применяться сетевые фильтры в современной РЭА, которые позволяют исключить её поломку и улучшить многие её показатели, что приводит к повышению коэффициента полезного действия (КПД) работы РЭА. На рис. 1 представлена классификация помех в РЭА.
Рис. 1. Классификация помех в РЭА
Сетевые фильтры необходимы для достаточно дорогостоящих устройств, постоянно включенных в электрическую сеть, особенно это касается военной аппаратуры, которая чувствительна к перенапряжениям в сети и помехам.
Сетевой фильтр в радиоэлектронной аппаратуре
В качестве сетевого фильтра был выбран £С-фильтр отечественного производства «Александр Электрик», который является четырехполюсником, устанавливаемым между источником питания и нагрузкой и служащим для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот, являющимся одним из самых популярных фильтров в электронике.
На рис. 2 представлен одноэлементный £С-фильтр (для фильтрации используется конденсатор). Для ВЧ-динамика последовательно с динамиком соединяется конденсатор, который будет пропускать через себя ВЧ-сигнал почти без потерь, а низкие частоты будет глушить.
Рис. 2. Фильтр МРМ2-В5ДМУ
£С-фильтр предназначен для подавления высокочастотных помех (с частотой 100 Гц -100 МГц), которые искажают синусоиду переменного напряжения в сети и отрицательно сказываются на работе электрооборудования. Эффективность работы £С-фильтра в различных диапазонах частот измеряется в дБ. На рис. 3 представлена схема подключения модуля фильтра, А1 - модуль фильтра, 5А4 - тумблер, Х1 - вилка, ХГ2 — плата соединительная.
Рис. 3. Вариант схемы подключения модуля фильтра МРМ2-В5^^№ в блоке динамиков
£С-фиттр предназначен для подавления высокочастотных помех (с частотой 100 Гц -100 МГц), которые искажают синусоиду переменного напряжения в сети и отрицательно сказываются на работе электрооборудования. Эффективность работы £С-фильтра в различных диапазонах частот измеряется в дБ.
Подключение модуля к первичной сети, а также подключение нагрузки осуществляется пайкой выводов в соответствии с рис. 4.
Рис. 4. Схема обозначение выводов модуля, вид со стороны выводов
Анализ результатов экспериментальных испытаний на помехозащищенность
Испытания выполняются с целью комплексной проверки обеспечения технологическими процессами производства аппаратуры с требуемыми показателями их помехоустойчивости, предусмотренными в проектной документации на эту аппаратуру. В результате испытаний должны определяться фактические значения помех.
Для экспериментальных испытаний была выбрана РЭА, а именно блок динамиков производства ПАО «Интелтех», представленный на рис. 5.
Принцип проведения испытания на помехоустойчивость заключается в подаче напряжения 27 В на блок динамиков и анализ его помех, при этом необходимо задавать разные условия при проведении испытаний.
Рис. 5. Блок динамиков ВМИР 469435.112
Было проведено испытание на устранение электромагнитных (кондуктивных) помех, создаваемых в блоке динамиков. С помощью экспериментальных испытаний были получены графики помех блока динамиков.
Сначала проводился этап №1, блок динамиков подключался не экранированным кабелем питания и без сетевого фильтра. Результаты этапа №1 показаны на рис. 6: а) график помех в диапазоне от 30 МГц до 100 МГц, где наблюдается пиковая помеха, равная 53-55 дБ/мкВ; б) график помех в диапазоне от 150 МГц до 300 МГц, где наблюдается пиковая помеха, равная 30 дБ/мкВ.
а)
б)
Рис. 6. График помех при использовании кабеля без экранирования и без фильтра: а) график в диапазоне от 30 МГц до 100 МГц, б) график в диапазоне от 150 МГц до 300 МГц
На следующем этапе №2 блок динамиков подключался экранированным кабелем питания и без сетевого фильтра. Результаты этапа №2 показаны на рис. 7: а) график помех в диапазоне от 30 МГц до 50 МГц, где наблюдается пиковая помеха, равная 44 дБ/мкВ; б) график помех в диапазоне от 150 МГц до 300 МГц, где наблюдается пиковая помеха, равная 25 дБ/мкВ.
а) б)
Рис. 7. График помех при использовании кабеля с экранированием и без фильтра: а) график в диапазоне от 30 МГц до 100 МГц, б) график в диапазоне от 150 МГц до 300 МГц
Завершающим этапом является этап №3, на котором блок динамиков подключался экранированным кабелем питания, также был подключен сетевой фильтр. Результаты этапа №3 показаны на рис. 8: а) график помех в диапазоне от 30 МГц до 50 МГц, где наблюдается пиковая помеха, равная 42 дБ/мкВ; б) график помех в диапазоне от 150 МГц до 200 МГц, где наблюдается пиковая помеха, равная 21 дБ/мкВ.
а)
б)
Рис. 8. График помех при использовании кабеля с экранированием и с фильтром: а) график в диапазоне от 30 МГц до 100 МГц, б) график в диапазоне от 150 МГц до 200 МГц
Вывод
Массовое проникновение радиоэлектронной аппаратуры происходит в самые различные сферы общества, а особенно, в управление критичными системами в военной отрасли. Эта зависимость особенно опасна из-за уязвимости аппаратуры к воздействию электромагнитных (когнитивных) помех, поскольку их уровни непрерывно возрастают (с ростом плотности размещения, компоновки и трассировки, а также частот воздействия), а уровни восприимчивости компонентов РЭА снижаются (с уменьшением запаса помехозащищенности из-за снижения напряжения питания интегральных схем). Всё чаще выявляются ситуации, когда из-за этой зависимости удовлетворительное функционирование РЭА невозможно, что для критичных систем совершенно недопустимо, поскольку связано с риском больших материальных потерь.
Поэтому при разработке РЭА проблема помехозащищенности является актуальной, в статье эта задача рассмотрена с указанием путей её решения. Были проведены экспериментальное испытание на устранение электромагнитных (кондуктивных) помех, создаваемых в блоке динамиков. С помощью экспериментальных испытаний были получены графики помех блока динамиков, которые были проанализированы, и на основании этого анализа был определен наилучший вариант решения проблемы помехозащищённости блока динамиков. Исходя из этого анализа, блок динамиков будет излучать наименьшие электромагнитные (кондуктивные) помехи, если использовать его с сетевым фильтром и с экранированным кабелем совместно.
В таблице 1 представлены основные результаты, полученные в ходе проведения испытаний.
Таблица 1 - Полученные результаты испытаний
Условия испытаний Диапазон частот Пиковая помеха
Не экранированный кабель от 30 МГц до 100 МГц от 150 МГц до 300 МГц 53-55 дБ/мкВ 30 дБ/мкВ
Экранированный кабель от 30 МГц до 50 МГц от 150 МГц до 300 МГц 44 дБ/мкВ 25 дБ/мкВ
Экранированный кабель с сетевым фильтром от 30 МГц до 50 МГц от 150 МГц до 200 МГц 42 дБ/мкВ 21 дБ/мкВ
Литература
1. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электрические устройства / Под ред. А.Я. Шихина: Учебник. - М.: Энергоиздат, 2009. - 336 с.
2. Газизов Т.Р. Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях и влияний преднамеренных силовых электромагнитных воздействий. - Томск, 2010. - 357 с.
3. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вь^слительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. - М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.
4. Лебедев Ю.М., Коновалов Б.И. Теория автоматического управления: Учебное пособие. Томск: ТУ СУР. 2003. 227 с.
References
1. Alekseev O.V., Kitaev V.E., Shikhin A.Ya. Electrical devicesio. Edited by A.Ya.Shikhin: Textbook. Moscow. Energoizdat, 2009. 336 p.
2. Gazizov T.R. Reduction of distortion of electrical signals in interconnections and the effects of intentional electromagnetic force effects. Tomsk, 2010. 357 p.
3. Knyazev A.D. Design of radio-electronic and electronic computing equipment taking into account electromagnetic compatibility. A.D. Knyazev, L.N. Kechiev, B.V. Petrov. Moscow. Radio and Communications, 1989. 224 p.
4. Lebedev Yu.M., Konovalov B.I. Theory of automatic control: Textbook. Tomsk: TUSUR. 2003. 227 p.
Статья поступила 5 сентября 2022 г.
Информация об авторе
Хотченков Антон Сергеевич - Инженер ПАО «Интелтех». Тел.: 8-911-174-52-53.
E-mail: anto-h@bk.ru. Адрес: 197342, Россия, Санкт-Петерб^г, Кантемировская, 8.
Noise immunity from electromagnetic interference by means of shielding and network filters
A.S. Khotchenkov
Annotation. This paper describes ways to increase the noise immunity from conductive interference emitted by the radio electronic equipment itself using a network filter. A description of the nature of interference and their elimination is given. A test was carried out on the effectiveness of the network filter in eliminating interference in the equipment. The purpose of the article is to show with the help of experimental tests an increase in noise immunity from electromagnetic (conductive) interference in radio-electronic equipment using a mains filter and a shielded power cable. The study of modern methods of constructing network filters, a detailed study of the technique of protection against pulse emissions in the network and filtering interference in the input circuits of modules and power supply units of analog and digital equipment.
Keywords: Noise immunity, electromagnetic interference, electronic equipment, mains filter, filtration, electrical pulse interference.
Information about Authors
Anton Sergeevich Khotchenkov - Engineer of PJSC «Inteltech». Tel: 8-911-174-52-53. E-mail: anto-h@bk.ru. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, st. Kantemirovskaya, 8.
Для цитирования: Хотченков A.C. Помехозащищенность от электромагнитных помех с помощью экранирования и сетевых фильтров // Техника средств связи. 2022. № 3 (159). С. 74-79. DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-74-79.
For citation: Khotchenkov A.S. Noise immunity from electromagnetic interference by means of shielding and network filters. Means of Communication Equipment. 2022. No. 3 (159). Pp. 74-79. DOI: 10.24412/2782-2141-2022-3-74-79 (in Russian).
