Емкостное влияние

 

Причиной емкостного влияния могут быть паразитные емкости. Это влияние можно разделить на три случая:

1. Влияющий и испытывающий влияние контуры гальванически разделены;

2. Оба контура имеют общий провод опорного потенциала;

3. Провода токового контура имеют большую емкость относительно земли.

Рассмотрим все эти случаи в отдельности.

 

3.3.1. Гальванически разделенные контуры

 

На рис. 3.8. а показана упрощенная модель ёмкостного влияния, а на
рис. 3.8. б её схема замещения; отсюда нетрудно заметить, что напряжение помехи U_st равно нулю, если соблюдать условия симметрии . Это условие можно обеспечить попарным скручиванием проводников (проводов 1 и 2 и проводов 3 и 4).

Вторая возможность для снижения емкостного влияния – применение экранирующих проводов, экраны которых соединяются с одной стороны обратным проводом (см. рис. 3.8. в). Экранирующее воздействие тем лучше, чем больше емкость С₃₄ проводника относительно экрана по сравнению с емкостями С₁₃ и С₂₄.

 

Рис. 3.8. Емкостное влияние между гальванически разделенными контурами:

а – модель влияния; б – схема замещения; в – модель влияния при экранировании обоих контуров; г – схема замещения при наличии экранов

 

3.3.2.Контуры с общим проводом системы опорного потенциала

 

Такие контуры типичны для аналоговых и цифровых схем (рис 3.9.).

Принимая напряжение помехи равно:

;

При , то .

В этих уравнениях представляют собой постоянную скорость линейно вырастающего выходного напряжения элемента А в интервале .

 

Рис. 3.9. Емкостное влияние контуров с общим проводом системы опорного потенциала 2, 4:

а – схема с элементами логики; б – схема замещения; 1, 2 – влияющий контур; 3, 4 – контур, испытывающий влияние; С₁₃–паразитная емкость связи

 

Емкость связи С₁₃ определяется геометрическими размерами и топологией проводников. Два проводника диаметром D и длиной l расположены параллельно друг другу, на расстоянии d имеют следующую емкость связи:

.

Реальное значение С₁₃ = 5 ÷ 100 пФ/м. При С₁₃ = 100 пФ/м, R_Q = 50 Oм, l = 0,1 м и ΔU/Δt = 4 В/нс, U_st = 2 В.

Мероприятия по снижению емкостного влияния контуров с общим проводом опорного потенциала следующие:

- уменьшение емкости С₁₃ достигается уменьшением длины проводов, диаметра проводов, увеличением расстояния d, применением изоляционных проводов и печатных плат.

- увеличение емкости С₃₄ путем размещения сигнальных проводов между проводами системы опорного потенциала.

- выполнение предельно низкоомными токовых контуров, подверженных емкостному влиянию.

- ограничение скорости изменения напряжения ΔU/Δt, которое должно быть не выше, чем требуемая для функционирования (выбором микросхем).

 

3.3.2. Токовый контур с большой емкостью относительно земли

 

В длинных заземленных с одной стороны сигнальных линиях при появлении изменяющегося во времени напряжения ΔU протекает ток помехи i_st, обусловленный емкостями С₁ и С₂, и ΔU преобразуется в противофазное напряжение U_st, суммирующееся с напряжением сигнала, поступающего от источника (рис 3.10.)

Рис. 3.10. Односторонне заземленная линия с большими емкостями на землю С₁ и С₂ (а) и ее схема замещения (в) при R_S >> R_Q;
R_S – сопротивление помехи

Средства борьбы с помехами этого вида сводятся к:

- устранению соединения с землей приемной ступени;

- выполнению сигнального контура предельно низкоомным;

- экранированию сигнальной линии;

- введению на приемном конце элементов, разделяющих потенциалы (реле, оптическая развязка, разделительный трансформатор).

 

3.4. Индуктивная связь

 

Индуктивное влияние обусловлено паразитным потокосцеплением между контурами (рис 3.11.).

Если в контуре 1 имеет место быстрое изменение тока, например, при коммутационных переключениях, то в контуре 2 индуцируется напряжение помехи

,

где М₁₂ – коэффициент взаимоиндукции;

Ф – магнитный поток, пронизывающий контур 2,

.

Взаимная индуктивность зависит от конфигурации и размеров контуров. Погонная взаимная индуктивность в зависимости от отношения U/d может быть получена из табличных графиков. При l = 1 м, U/d = 0,1 и = 2,3 А/с, получаем напряжение помехи В.

 

Рис. 3.11. Принципиальная схема двух токовых контуров 1 и 2 с расстоянием d между ними

 

Мероприятия по уменьшению индуктированных напряжений предусматривают:

- Уменьшение М₁₂ за счет уменьшения площади контура, испытывающего воздействие, т. е. уменьшение l и а и увеличение d;

- Уменьшение скорости изменения во времени потока ΔФ/Δt при помощи короткозамкнутой петли, расположенной непосредственно у сигнального контура К. Короткозамкнутый контур испытывает большее влияние магнитного поля вследствие меньшего внутреннего сопротивления. В результате ток помехи i_st в сигнальном контуре уменьшается, по сравнению с отсутствием контура К;

- Расположение контуров 1 и 2 ортогонально направлениям силовых линий магнитного поля;

- Компенсация индуктируемого в контуре 2 напряжения путем скрутки проводов контура 2 (свитая пара);

- Экранирование кабелей.

 

3.5. Электромагнитное влияние

Причиной воздействия излучения являются электромагнитные волны, излучаемые токовым контуром и распространяющиеся в окружающем пространстве со скоростью света С = 300000 км/с (см. рис. 3.12. а). Между длиной волны и частотой f существует известная связь:

.

При х >или же x > С/2f соблюдаются условия дальнего поля. Эти условия необходимо учитывать при частоте 1 МГц на расстоянии х = 50 м, а при частоте 1 ГГц - на расстоянии х = 5 см от источника (при частоте 10 МГц, х = 5 м, а при частоте 100 МГц, х = 0,5 м). Напряженность электрического поля при расстоянии х от источника мощностью Р может быть определена из соотношения:

,

при этом Е_х выражается в В/м, Р - в кВт, х – в км. Например, при Р = 100 Вт и х = 3 м; Е_х = 10 В/м.

Рис. 3.12. Электромагнитное влияние на контур длиной l: а) без экрана; б) с экраном S толщиной d.

При воздействии электромагнитной волны на электропроводные объекты, вследствие антенного эффекта возникают высокочастотные напряжения, непосредственно или косвенно являющиеся помехами в сигнальных контурах. Приближенно, индуктируемая ЭДС в антенне рассчитывается следующим образом

,

где -эффективная длина антенны.

Длина зависит от размеров устройства, обладающего антенными свойствами (D_L и l на рис. 3.12. а) и длины падающей волны. Для конкретных объектов она определена в нормах DIN/VDE0848, ч.1. Например, при частоте f = 300 МГц, Е_х = 10 В/см, l = 0,1 м = 0,2 м, напряжение U_st = 2 Вт.

Защитой от электромагнитного поля, как для ослабления излучения, так и для уменьшения проникновения, служат экранирующие стенки, устанавливаемые между источником и приемником (рис. 3.12. б). Такой стенкой напряженность падающего поля уменьшается от значения Е_о до значения Е₁. Это обусловлено, с одной стороны, поглощением энергии поля в материале экрана, а с другой – отражением падающей волны. Затухание зависит от толщины экрана, электропроводности и магнитной проницаемости материала, частоты излучения.

 

 

Контрольные вопросы:

1. Чему равно отношение напряженности электрического и магнитного поля?

2. Что необходимо для снижения гальванического влияния?

3. Перечислите мероприятия по снижению емкостного влияния контуров с общим проводом опорного потенциала.

4. Перечислите мероприятия по изменению индуктированных напряже-ний.

5. С какой скоростью распространяются в окружающем пространстве электромагнитные волны?

6. Как рассчитывается индуктируемая ЭДС в антенне?