Защита промышленных приборов в соответствии с нормами по электромагнитной совместимости Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Александр ЗАХАРОВ

[email protected]

Введение

Воздействие электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения на изделия электронной техники приводит к изменению их параметров как за счет непосредственного поглощения ими энергии, так и за счет воздействия на них наведенных в цепях импульсов токов и напряжений. Наиболее чувствительными к воздействию импульсных напряжений и токов, наведенных электромагнитными импульсами естественного и искусственного происхождения на проводах и кабелях, являются подключенные к ним устройства, в первую очередь, выполненные на интегральных микросхемах и дискретных полупроводниковых приборах.

Для защиты от воздействия указанных факторов принимается ряд специальных мер. Минимальная энергия, вызывающая функциональные повреждения полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, составляет 10-2...10-7 Дж. Для защиты цепей аппаратуры от воздействия электрических перегрузок могут применяться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.

Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональные конструирование и монтаж, состоящие в сокращении протяженности соединительных цепей, размещении наиболее чувствительных к электрическим перегрузкам элементов вдали от отверстий в экранах и т. п.; экранирование, являющееся основным способом защиты кабельных линий связи и сетей электроснабжения

Защита промышленных приборов

в соответствии с нормами по электромагнитной совместимости

В реальных условиях эксплуатации аппаратуры в ее цепях могут возникать различные виды электрических перегрузок, наиболее опасными из которых являются перегрузки по напряжению, создаваемые электромагнитными импульсами естественного происхождения (за счет мощных грозовых разрядов) и искусственного происхождения (за счет излучений передающих устройств, станций связи, высоковольтных линий передач, сетей электрифицированных железных дорог и т.п., а также за счет внутренних переходных процессов в аппаратуре при ее функционировании и статического электричества).

от действия внешних электромагнитных полей; заземление аппаратуры и ее отдельных узлов и блоков.

Группа структурно-функциональных методов включает в себя: рациональный выбор принципа действия аппаратуры, ее составных частей и элементной базы; выбор используемых систем сигналов.

Схемотехнические методы включают в себя пассивную и активную защиту. К пассивной защите относят различные фильтры ^-, С-, LC-, ИС-фильтры и т. п.). К активной защите — полупроводниковые ограничители напряжения, разрядники и варисторы.

Постановка задачи

В странах Европейского Союза проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) в настоящий момент достаточно хорошо изучена и выпущено много нормативных документов, регламентирующих требования к оборудованию. В результате, с 1996 года в Европе не допускается продажа технических средств без сертификата соответствия стандартам по электромагнитной совместимости. В России до начала 2001 года обязательной сертификации по ЭМС подлежало электротехническое и электронное оборудование, включенное в соответствующий реестр. С введением новых стандартов практически вся электротехническая продукция должна быть сертифицирована по ЭМС. Основным документом в России по вопросам ЭМС является федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» (принят Государственной Думой

1 декабря 1999 года). Кроме этого, выпущены и вступили в силу ГОСТы по ЭМС, разработанные, в основном, на базе международных европейских норм.

Данная статья ориентирована на решение вопросов ЭМС для приборов в соответствии с ГОСТ Р 51522-99 («Совместимость технических средств электромагнитная. Электрическое оборудование для измерения, управления и лабораторного применения. Требования и методы испытаний») и описывает защиту приборов от электромагнитных импульсных наносекундных и микросекундных помех, выработку соответствующих рекомендаций к проектированию блоков электромагнитной совместимости.

Нормативные документы

Требования электромагнитной совместимости в части помехоустойчивости и поме-хоэмиссии к электрическому оборудованию, используемому в промышленности, устанавливает ГОСТ Р 51522-99 (МЭК 61326-1-97). Данный стандарт распространяется на оборудование, получающее питание от электрических сетей напряжением не более 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока, а также от электрических цепей, в которых проводятся измерения.

Требования и методы испытаний приборов на устойчивость к наносекундным импульсным помехам устанавливает ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95). Согласно этому ГОСТу длительность фронта импульсов должна составлять 5 нс, длительность импульса (на уровне 50% пикового значения) — 50 нс, частота повторения импульсов при

Таблица 1. Требования помехоустойчивости оборудования класса А

Наименование порта Вид помехи Основополагающий стандарт Уровень испытательного воздействия

Порты электропитания постоянного тока Наносекундные импульсные помехи ГОСТ Р 51317.4.4 2 кВ

Микросекундные импульсные помехи большой энергии ГОСТ Р 51317.4.5 1 кВ «провод-провод» 2 кВ «провод-заземление»

Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями в полосе частот 150 кГц - 80 МГц ГОСТ Р 51317.4.6 3 В

амплитуде напряжения 2 кВ — 2,5 кГц, длительность пачки импульсов — 15 мс, период повторения пачек импульсов — 300 мс, выходное сопротивление испытательного генератора — 50 Ом.

Требования и методы испытаний приборов на устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии устанавливает ГОСТ Р 51317.4.5-99 (МЭК 61000-4-5-95). Согласно этому ГОСТу длительность фронта импульса должна быть равной 1 мкс, длительность импульса (на уровне 50% пикового значения) — 50 мкс, интервал между импульсами — 1 мин, выходное сопротивление испытательного генератора — 10 Ом (схема «провод-заземление») или 2 Ом (схема «провод-провод»).

Требования и методы испытаний приборов на устойчивость кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями, устанавливает ГОСТ Р 51317.4.6-99 (МЭК 61000-4-6-96).

Уровень испытательного воздействия определяется классом помехоустойчивости прибора, например, оборудование класса А предназначено для применения в промышленных зонах — местах размещения, не относящихся к жилым зонам, а также в местах размещения, в которых оборудование непосредственно не подключается к низковольтным распределительным электрическим сетям, снабжающим энергией здания в жилых зонах.

В таблице 1 приведены требования помехоустойчивости оборудования класса А.

Различают следующие критерии качества функционирования приборов:

• критерии качества функционирования А — прибор должен нормально функционировать при установленных уровнях помех во время проведения испытания;

• критерии качества функционирования В — в течение испытания допускаются временное ухудшение характеристик функционирования и (или) потеря каких-либо функций прибора, которые восстанавливаются после прекращения помехи без вмешательства оператора;

• критерии качества функционирования С — в течение испытания происходит временное ухудшение характеристик функционирования или потеря функций прибора, которые требуют вмешательства оператора или перезапуска системы;

• критерии качества функционирования D — ухудшение характеристик функционирования или потеря каких-либо функций

прибора, которые не восстанавливаются из-за повреждения оборудования, элементов, программного обеспечения или потери данных.

Оборудование считают выдержавшим испытания, если оно имеет необходимую помехоустойчивость — критерии А, В или С.

Обзор методов решения проблем ЭМС

Основным принципом защиты от перенапряжения является подавление импульсной помехи, для этого нужно, чтобы защитное устройство имело время реакции меньше длительности импульса перенапряжения, поглощало его энергию в количестве, достаточном для устранения его воздействия на систему, имело остаточное напряжение, близкое к номинальному значению напряжения защищаемой цепи.

До недавнего времени основным способом защиты было использование в защищаемой цепи фильтров низкой частоты (ФНЧ). Этот способ имеет один недостаток: ФНЧ представляет собой интегрирующую цепочку и, соответственно, уменьшая по амплитуде импульс, он увеличивает его длительность, тем самым энергия импульса остается без изменения. Современные системы защиты дополняются активными компонентами (полупроводниковые ограничители, металлооксидные варисторы, газоразрядные ограничители).

Так как фильтры низкой частоты в данном случае предназначаются для силовых цепей, то их в основном строят на элементах, имеющих минимальные потери активной энергии, то есть на конденсаторах и дросселях. Данные специализированные пассивные электронные компоненты для подавления электромагнитных помех на российский рынок поставляются двумя производителями: Мига1а и БрсоБ. Основные технические характеристики этих электронных компонентов можно почерпнуть на их официальных сайтах или на сайтах поставщиков электронных компонентов.

По сравнению с другими классами ограничителей газоразрядники имеют весьма высокие напряжения, большое значение допустимого тока и малые межэлектродные емкости, что позволяет их использовать для защиты цепей аппаратуры от ЭМИ искусственного и естественного происхождения, когда энергия, выделяемая в ограничителе, достаточно велика. Но применение одних только разряд-

ников из-за значительного времени их срабатывания (время реакции от сотен наносекунд до микросекунд) не решает проблемы защиты. Величина выброса напряжения у разрядников в значительной степени зависит от скорости нарастания фронта воздействующего импульса. При больших скоростях нарастания фронта импульса величина выброса напряжения может возрасти в 5-6 раз по сравнению со статическим напряжением возникновения разряда. Этот недостаток разрядников в меньшей степени проявляется у варисторов и совсем отсутствует у полупроводниковых ограничителей напряжения.

Основную долю газонаполненных разрядников, присутствующих на нашем рынке электронных компонентов, производят такие известные фирмы, как Epcos и Bourns, а также еще мало известная на нашем рынке фирма Nenshi. Газоразрядники выпускаются в различных конструктивных исполнениях, в том числе и в безвыводных корпусах, на широкий диапазон напряжений пробоя (от 75 В до 4,5 кВ) и высокий номинальный импульсный ток (от 2,5 кА до 20 кА). Основные характеристики газонаполненных разрядников фирмы Epcos иллюстрирует таблица 2. Параметры типоразмеров корпусов представлены на рис. 1.

Полупроводниковые ограничители напряжения и варисторы выгодно отличаются от разрядников тем, что напряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников оно значительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при применении полупроводниковых ограничителей защищаемые ими цепи не шунтируются после прохождения импульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников. Наличие низкого напряжения поддержания разряда у разрядников ограничивает их применение для защиты цепей постоянного тока, в которых напряжение источника выше напряжения поддержания разряда. Варисто-ры по своей сути являются резисторами с сопротивлением, зависящим от приложенного напряжения. При превышении напряжения выше номинального варисторы в течение времени реакции резко уменьшают сопротивление, ограничивая импульс напряжения.

Эффективность ограничения переходных процессов с помощью полупроводниковых ограничителей и варисторов определяется их динамическим сопротивлением на рабочем участке вольт-амперной характеристики (чем меньше динамическое сопротивление прибора, тем лучшими свойствами ограничения он обладает). Наличие у полупроводниковых ограничителей напряжения высокого показателя нелинейности определяет их дополнительное преимущество по сравнению с варисторами. По значению допустимого тока полупроводниковые ограничители напряжения несколько уступают варисторам.

Варисторы более широко представлены на нашем рынке электронных компонентов.

А71

1.71

АбО

ЯМ

1 =!

Г

1

£

Т80

Рис. 1. Основные типоразмеры газонаполненных разрядников фирмы Ерсов

Таблица 2. Основные характеристики газонаполненных разрядников фирмы Ерсов

Напр. пробоя, В Конструктив Двухэлектродные Трехэлектродные Гибридные

2,5 кА/2,5 А 5 кА/5 А 10 кА/10 А 20 кА/20 А 5 кА/5 А 10 кА/10 А 20 кА/10 А 20 кА/20 А 20 кА/10 А

75 В выв. ЕС75

ЕМ90Х М51-С90Х N81-A90X А81-С90Х ЕТ90Х Т81-А90Х

90 В ЕС90Х T83-A90XF1(F4)

без выв. М50-С90Х N80-C90X А80-С90Х Т90-А90Х Т30-А90Х

А83-С90 Т80-А90Х

150 В выв. ЕС150Х

ЕМ230Х М51-А230Х ЕС230Х N81-A230X А81-А230Х ЕТ230Х Т31-А230Х Т21-А230Х Т23-А230Х (F1/F4)

выв. Т81-А230Х

230 В T83-A230XF1 (F4)

без выв. М50-А230Х N80-A230X А80-А230Х А83-А230Х T90-A230X(F) Т30-А230Х Т20-А230Х (F)

Т80-А230Х

T80-A230XF

250 В выв. А81-А250Х T83-A250XF4 Т21-А250Х Т23-А250Х (F1/F4)

без выв. А80-А250Х T80-A250XF Т20-А250Х

260 В без выв. Т60-А260Х

270 В І.71-А270Х

300 В выв. ЕМ300Х

ЕМ350Х М51-А350Х ЕС350Х N81-A350X А81-А350Х ЕТ350Х Т31-А350Х Т21-А350Х Т23-А350Х ^1^4) Т61-С350Х Т63-С350Х T4N-A230XFV

выв. Т81-А350Х

350 В T83-A350XF1 (F4)

без выв. М50-А350Х N80-A350X А80-А350Х А83-А350Х T90-A350X(F) Т30-А350Х Т20-А350Х Т60-С350Х

Т80-А350Х

T80-A350XF

400 В выв. EM400XG

выв. Т23-А420Х (F4)

420 В без выв. Т30-А420 Т20-А420Х ^)

T80-A420XF

470 В выв. І.71-А470Х

М51-А600Х N81-A600X А81-А600Х ЕТ600Х Т87-С600Х Т61-С600Х

600 В ЕС600Х Т63-С600Х

без выв. М50-А600Х N80-A600X А80-А600Х Т83-С600Х Т60-С600Х

Т61-С650Х

650 В Т63-С650Х

без выв. Т60-С650Х

800 В выв. І.71-А800Х А71-Н08Х

1000 В выв. А71-Н10Х

1400 В выв. А71-Н14Х

1600 В выв. А71-Н16Х

2500 В выв. А71-Н25Х

3500 В выв. А71-Н35Х

4500 В выв. А71-Н45Х

ВАХ и графическое обозначение

SMD Дисковые Автомобильные

■ S © I Я ш т в • 0

CN си S SR CN...AUTO CU...AUTO S...AUTO SR...AUTO

1,2 10 1 I 2

23 410 12 I 25 100

0,25 1,0 0,i 03 0,2

<0,5 < 10 <25 <0,5 <10 <25

-55...+125 —40...+85 —40...+85 —55...+125 -40...+85 —55...+125 -40...+85

0603...2220 3225,4032 S05...S20 | 1210,2220 0805...2220 3225, 4032 S07...S20 1210, 1812,2220

Гип SIOV-

Импульсный ток (8/20 икс), кА Поглощаемая анергия, Дж Ср. рассей в. мощность, Вт Время срабатывания, не Диапазон раб. температур, *С Типоразмер

Типовая схема защиты телеком, линий связи

(D- і

-є*

Тип SIOV-

Импульсный ток (8/20 икс), кА Поглощаемая энергия, Дж Ср. рассе и в. мощность, Вт Время срабатывания, не Диапазон раб. температур, ‘С

Блочные/монтируемые, мощные диски — для тяжелых условий

Разрядные блоки

1,4

1,6

2,0

2,0

E32VR302, 602

т

Комбинация многослойного керамического конденсатора и варистора для подавления помех

0,03

Рис. 2. Основные типоразмеры и технические характеристики варисторов фирмы Epcos

Таблица 3. Основные характеристики российских варисторов

Параметр Тип варистора

A Б В

Классификационный ток, мА 1

Диапазон классификационных напряжений, В 100-1200

Точность, % ±5, ±10, ±20

Температурный коэффициент напряжения, %/х < -0,05

Допустимая энергия, рассеиваемая варистором при воздействии одиночного импульса 1 < 8...20 мкс, Дж 25-240 10-45 5,5-13 16-78

Макс. допустимая амплитуда одиночного импульса тока длительностью 8-20 мкс, А 4500 2000 1000 4500

Диапазон рабочих температур, °С -60...+85

Гарантийная наработка 10000 часов

Гарантийный срок хранения 10 лет

Размеры РхИхИ, мм 19x10x10112x4,5x618x4,5x3 116x6x7,5

В основном, это тайваньские производители (такие широко распространенные типы приборов, как TVR, CNR, FNR, JVR), фирма Epcos (основные конструкционные и электрические параметры варисторов типа SIOV представлены на рис. 2) и ухтинский завод «Прогресс». В таблице 3 приведены основные технические характеристики российских варисторов.

Структурная схема блока ЭМС и описание его работы

Каждый из описанных выше электронных компонентов не является идеальным подавителем электромагнитных помех, поэтому

в блоках электромагнитной совместимости необходимо использовать их комбинации. В наиболее мощных схемах применяется трехступенчатая система, использующая все три типа активной защиты с применением элементов пассивной защиты в качестве разделителей (рис. 3). Первым импульс перенапряжения, как самый мощный и высоковольтный электронный компонент защиты, принимает на себя газоразрядник, который срезает основную часть импульса до уровня горения разряда, оставляя высоковольтное «шило» перенапряжения в начале импульса из-за большого времени реакции. Далее в работу вступает варистор, обрезая «шило» перенапряжения и еще сильнее уменьшая амплитуду импульса. И уже на последней ступени применяют защитные стабилитроны, которые в основном защищают наиболее критичные участки схемы, так как имеют нулевое время срабатывания, еще более уменьшая амплитуду импульса перенапряжения. Электронные компоненты активной защиты разделяются элементами пассивной защиты (тококомпенсирующие дроссели, LC-фильтры) для выравнивания потенциалов и токов.

Газоразрядники являются мощными и одновременно сравнительно медленными уст-

ройствами. Кроме того, учитывая, что они подвержены старению, их применение в приборах неприемлемо. Да и особой необходимости в них нет, так как тестовые импульсы являются сравнительно слабыми, а их применение оправдано при мощных импульсах и нагрузках. А вот применение варисторов и ограничительных стабилитронов (полупроводниковых ограничителей) является необходимым для ограничения допустимого уровня напряжения питания приборов. Причем в цепях, где питающий и информационный сигнал совмещены, необходимо применение именно стабилитронов, а не варисторов, так как последние обладают большими токами утечки, и этот аспект довольно критичен с точки зрения точности приборов. Учитывая, что тестовый высоковольтный сигнал является двухполярным и подается не только между линиями, но и между линией и корпусом, то необходимо применять двухполярные электронные компоненты и защиту на корпус относительно линии.

Для приборов, в которых имеет наличие такое совмещение, в качестве элемента активной защиты между линиями применяют симметричные ограничительные стабилитроны, а между линиями и корпусом — варисторы,

БЛОК N БЛОК N БЛОК N БЛОК N БЛОК стабилитронов

газоразрядников 1/ 1/ 1/ И

Рис. 3. Обобщенная структурная схема блока ЭМС

причем высоковольтные, там, где приборы должны выдерживать испытательное напряжение определенного уровня относительно корпуса (например, взрывозащищенные приборы). В приборах без совмещения питающих и информационных линий применяются только низковольтные варисторы.

Так как энергия импульсов невелика, то предлагается применение одноступенчатой активной защиты. В основном данная защита эффективна для микросекундных импульсов, которые подаются с низкой частотой, что хорошо усредняет значительную пиковую мощность. А применение только активной защиты для наносекундных импульсов чревато высокими динамическими потерями на переключение (частота импульсов высока), что приведет к перегреву элементов и выходу их из строя. Кроме того, наносекундные импульсы имеют крутые фронты, а значит, применение варисторов может быть критично, так как у них хоть и малое время реакции, оно, тем не менее, сопоставимо с длительностью фронта импульса. Поэтому перед элементами активной защиты необходимо расположить пассивную защиту, служащую для подавления на-носекундных импульсов и затягивания фронтов микросекундных импульсов.

Тем самым мы получаем простую структурную схему блока электромагнитной совместимости (рис. 4). На входе применяем пассивную защиту (наиболее приемлемый вариант, с точки зрения массогабаритных параметров, — это применение Г-образных LC-фильтров), преобразующую форму импульса, а далее его энергию поглощаем элементами активной защиты (варисторы и защитные стабилитроны).

Проектирование принципиальной схемы блока электромагнитной совместимости основываем на структурной схеме устройства. Принципиальная схема блока изображена на рис. 5.

Принципиальная схема блока электромагнитной совместимости состоит из пассивной и активной защиты. В качестве пассивной защиты применен двухзвенный симметричный Г-образный фильтр. Первое звено фильтра предназначено для подавления наносе-кундных импульсов, и, как следствие, его постоянная времени должна быть сопоставима с длительностью импульса (50 нс). А второе звено фильтра предназначено для полного подавления наносекундных импуль-

сов и затягивания фронтов микросекундных. Соответственно, его постоянная времени принимается равной 1/10-1/5 длительности микросекундных импульсов (50 мкс). Такое разделение фильтра на два звена объясняется тем, что с увеличением значений номиналов реактивных элементов фильтра (а следовательно, увеличения его постоянной времени) увеличиваются паразитные параметры электронных компонентов. Как следствие, фильтр с большой постоянной времени может оказаться «прозрачным» для импульсов малой длительности с крутыми фронтами. Кроме емкостей между линией и корпусом (С1, С2, С4, С5) фильтр имеет емкость, расположенную непосредственно между линиями (С3).

В качестве активной защиты блока между линией и корпусом применяются варисторы (они являются более мощными компонентами по сравнению с полупроводниковыми ограничителями), а между линиями — ограничительный стабилитрон, так как имеет малые токи утечки, что критично в случае информационных линий.

Принципиальная схема блока электромагнитной совместимости для устройств без совмещения питающего и информационных линий аналогична описанной, только в качестве активной защиты возможно применение низковольтных варисторов — как относительно линии и корпуса, так и между линиями (для приборов не специального назначения).

Методика расчета элементов принципиальной схемы

Исходя из описания принципиальных схем блоков электромагнитной совместимости, составим обобщенную методику ее расчета.

Постоянную времени первого звена фильтра находим, приравнивая его постоянную времени к длительности наносекундного импульса:

\ = л1ЬпхСп=50хЮ">с. (1)

Постоянную времени второго звена фильтра принимаем равной 1/10-1/5 длительности микросекундного импульса:

тц = (0)1..Д2)хл/^ =

= (0,1...0,2)х50хЮ‘6с. (2)

Так как соединенные последовательно конденсаторы С2 и С5 подключены параллельно С3, то емкость С2 и С5 принимаем равной полученной емкости С^, а емкость С3 — половине от этой величины.

В данном случае в качестве С1 и С4 можно применить конденсаторы емкостью 1 нФ, а в качестве С2 и С5 — конденсаторы емкостью 68 нФ типа Y2 фирмы Epcos. Эти конденсаторы предназначены для подавления электромагнитных помех и используются там, где неисправность конденсатора может привести к удару электрическим током. Они имеют ограниченную емкость, повышенную электрическую и механическую надежность, подключаются между линией и корпусом и эффективны при подавлении асимметричной (дифференциальной) помехи.

В качестве С3 можно применить конденсатор емкостью 47 нФ типа Х2 фирмы Epcos. Данные конденсаторы предназначены для подавления симметричной (синфазной) помехи, используются там, где неисправность конденсатора не приведет к опасному удару электрическим током, и подключаются между линиями.

Номиналы индуктивностей рассчитываем в соответствии с формулами (1) и (2). При выборе типа индуктивности нужно опираться на величину среднего протекающего тока через нее и напряжение пробоя изоляции, в данном случае вполне могут подойти дроссели для подавления электромагнитных помех типа BLM, PLY.

В качестве варисторов, применяемых между корпусом прибора и питающей линией для специальных приборов, используем высоковольтные варисторы, которые позволяют при тестовом напряжении изоляции обеспечивать необходимое сопротивление изоляции, а при превышении напряжения резко уменьшают свое сопротивление, тем самым уменьшая значение амплитуды импульса напряжения, прикладываемого между корпусом и выводом. Для обычных приборов можно использовать низковольтные варисторы. При выборе варисторов особое внимание

пассивная N активная

( защита “ защита

1/

Рис. 4. Структурная схема блока ЭМС

Создание принципиальной схемы блока ЭМС

Рис. 6. Моделируемая схема, где V1 — высоковольтный генератор; V2 — источник питания постоянного тока;

1^1, [}2 — внутренние сопротивления источников напряжения; [}3—Рб — внутренние активные сопротивления дросселей; [}7 — эквивалентное сопротивление нагрузки

необходимо уделять напряжению пробоя и максимальной рассеиваемой мощности. Для примера можно использовать варисто-ры типа S, TVR, CNR.

В качестве симметричного стабилитрона применяем защитные диоды типа 1.5КЕ, рассчитанные на значительную пиковую мощность и необходимое напряжение пробоя, чтобы исключить шунтирование прибора при напряжениях питания и оказывать незначительное влияние на информационный канал при его наличии.

Электронное моделирование и его результаты

При электронном моделировании нас в основном интересует поведение фильтра при отработке наносекундных и микросекундных

высоковольтных импульсов. Как было обозначено ранее, фильтр должен хорошо сглаживать наносекундные импульсы и затягивать фронты микросекундных импульсов. Схема моделирования фильтра представлена на рис. 6.

Задавая наносекундный импульс (50 нс) генератором высоковольтного напряжения, получаем диаграммы напряжения в характерных точках (рис. 7). Первая диаграмма — импульс генератора высоковольтного напряжения амплитудой 2 кВ, вторая — напряжение между линиями питания после первого звена фильтра, третья — напряжение между линиями питания после второго звена фильтра. Как видим, после первого звена фильтра блока электромагнитной совместимости высоковольтный импульс изменяет свою форму: затягивается его

фронт, изменяется амплитуда, уменьшается частота, появляется колебательный переходной процесс. После второго звена переходной процесс превращается в апериодический с большой постоянной времени, на некоторое время повышая напряжение питания в пределах допустимого. То есть мы видим, что фильтр справляется со своей задачей по фильтрации наносекундных импульсов.

Диаграммы напряжений при подаче на вход фильтра микросекундного импульса (50 мкс) высокого напряжения представлены на рис. 8.

Как и предполагалось, первое звено фильтра практически никак не изменило форму импульса, так как обладает слишком малой постоянной времени по сравнению с длительностью импульса, а вот второе звено произвело заметные изменения. В нашем случае, основное изменение — это то, что фронт импульса из нулевого затянулся примерно на 20 мкс. То есть и с задачей, поставленной перед фильтром в отношении микросекунд-ных импульсов, он справился с хорошим результатом.

Замечания к проектированию печатной платы блока ЭМС

Основные требования по конструкции печатных плат блоков электромагнитной совместимости были изложены во введении к статье. К ним хотелось бы добавить следующее: так как электрическая схема симметрична, то и на плате элементы необходимо располагать симметрично с минимально возможным расстоянием между линиями и следует уменьшать паразитные параметры компонентов, делая их выводы как можно короче. Все свободное пространство на плате необходимо заполнять земляной шиной, чтобы уменьшить разность напряжений, которую необходимо присоединить с помощью конструкционных креплений к корпусу прибора.

Выводы

Данная статья представляет собой обобщение накопленного опыта: изучение нормативных документов, исследование приборов на электромагнитную совместимость, выбор и обоснование структурной схемы блока ЭМС, создание принципиальной схемы блока и ее расчет, электронное моделирование и его результаты. В качестве рекомендаций по упрощению можно порекомендовать изготовление блока электромагнитной совместимости, в котором отсутствуют элементы активной защиты между линией и корпусом, так как обычно изоляция, применяемая в приборах, должна выдерживать напряжение 2 кВ, а емкости фильтра обеспечат затягивание фронта импульса и уменьшение напряжения пробоя. ■