Заземление - раздел Электротехника, Анализ электромагнитной совместимости Заземление Выполняет Важную Функцию В Электротехнических И Радиоэлектронных У...
Заземление выполняет важную функцию в электротехнических и радиоэлектронных устройствах, на промышленных предприятиях. Системы заземления несут обратные токи сигналов и питания, образуют опорные уровни для аналоговых и цифровых цепей, снимают заряды с оборудования, защищают людей и оборудование от аварий и молний.
Строго говоря, «заземление» означает электрическое соединение с массой Земли (планеты). В жилых домах, на промышленных предприятиях заземление осуществляют, соединяя систему общего заземления этих объектов с электродами заземления. Система общего заземления объединяет все защитные проводники, специальные шины заземления и металлоконструкции на объекте. Электроды заземления представляют собой металлические стержни или систему стержней и соединяющих их проводов, вбитых или зарытых в землю. Сопротивление соединения «электрод заземления – земля» на частоте сигнала определяет качество заземления, которое тем лучше, чем больше поверхность электрода заземления, контактирующая с землей, глубина, на которую погружен электрод, и чем выше проводимость почвы. Для некоторых типов передающих антенных систем в диапазонах ОНЧ, НЧ, СЧ и нижней части диапазона ВЧ эффективность работы зависит от качества заземления.
В радиотехнических и радиоэлектронных устройствах под системой заземления понимают электрическую цепь, несущую обратные токи, потенциал которой является уровнем отсчета для напряжений в других точках радиоэлектронных схем. Стационарное электрическое и радиоэлектронное оборудование обычно имеет постоянное соединение этой электрической цепи с системой общего заземления объекта, на котором оно установлено. Портативное (переносное) оборудование может заземляться посредством соединения клемм заземления, выводимых на переднюю или заднюю панель оборудования, с шинами заземления, входящими в систему заземления в местах эксплуатации переносного оборудования, или посредством специальных контактов в соединительных разъемах или штепсельной вилке.
Нерационально построенная система заземления в аппаратуре может явиться источником дополнительных помех и, наоборот, правильно организованная система заземления наряду с экранированием и фильтрацией является эффективным средством ослабления помех.
Идеальная система заземления должна представлять эквипотенциальную поверхность с нулевым сопротивлением. Она поддерживает постоянный потенциал земли независимо от значения тока, протекающего в землю или в обратном направлении. Реальные земли, используемые в радиоаппаратуре, обладают конечным комплексным сопротивлением, а две физически раздельные точки редко имеют один и тот же потенциал.
Поскольку земля в схемотехнике исполняет роль обратного провода и имеет конечное сопротивление, то при заземлении разных схем в разных точках земли, обратные токи этих схем могут создавать помехи друг другу за счет общего сопротивления земли, что иллюстрирует рис. 4.5 [76]. Наличие точек заземления с разным потенциалом приводит к образованию контуров заземления. Токи, протекающие по контурам в заземлении, создают дополнительные помехи работающим сигнальным цепям, особенно цепям с малым уровнем полезного сигнала.
В целом в аппаратуре можно выделить как минимум три раздельных цепи заземления:
1) заземление для сигнальных цепей с низким уровнем токов и напряжений;
2) заземление для силовых цепей с высокими уровнями потребляемой мощности (источники питания, выходные усилители мощности в радиоаппаратуре, двигатели и т. п.);
3) заземление для несущих конструкций: шасси, панелей, кожухов, крышек корпусов и т. п.
Заземление в аппаратуре осуществляют одним из следующих способов (рис. 4.6):
- одноточечное последовательное заземление;
- одноточечное параллельное заземление;
- многоточечное заземление.
Одноточечное последовательное заземление соответствует ситуации, когда электрические цепи последовательно соединяются с общей шиной «земля». В этом случае обратные токи цепей протекают через общие сопротивления, связывая эти цепи. Чем дальше от опорной точки удалена точка соединения с шиной заземления, тем выше потенциал этой точки. Потенциал точки заземления цепи 1 определяется не только ее обратным током через сопротивление Z1, но также обратными токами цепей 2 и 3 через это сопротивление. Хотя эта схема создает наибольший уровень помех, она находит применение в маломощной аппаратуре. Ее не рекомендуется применять для цепей с большим разбросом потребляемой мощности. При наличии достаточно мощных функциональных узлов и использовании последовательной схемы заземления, наиболее мощный узел следует подключать как можно ближе к точке опорного заземления.
Одноточечная параллельная система заземления конструктивно громоздка из-за значительного количества используемых проводных соединений. Она имеет преимущество перед последовательной схемой заземления на низких частотах, где влиянием реактивной составляющей сопротивлений можно пренебречь. Однако на высоких частотах ее применение вызывает определенные трудности, так как индуктивности заземляющих проводников увеличивают сопротивление земли, а между проводниками возникают емкостные и индуктивные связи. Для обеспечения малого сопротивления заземляющих проводов их длина должна быть как можно короче. При выборе между конфигурациями одноточечного заземления следует сначала определить помехозащищенность цепи через общее сопротивление. На практике в большинстве систем используют комбинацию обеих топологий заземления.
Многоточечную схему заземления используют на высоких частотах, подключая цепи к земле в точках, расположенных как можно ближе к опорной земле. При этом в качестве опорной земли используют заземляющую поверхность с малым сопротивлением: металлическое шасси, слой металла на печатной плате и т. п.
Если в системе имеется много путей для обратного тока или много соединений с заземлением, то в заземлении возникают контуры тока. Разности потенциалов в точках заземления можно моделировать источниками напряжений. Ток, протекающий в нагрузке такого источника, которая содержит элементы заземленных устройств, может создавать в них помехи, которые могут нарушать нормальную работу устройств, особенно устройств, работающих со слабыми сигналами: искажать полезные сигналы, вызывать ложные срабатывания в цифровых схемах, приводить к самовозбуждению усилительных устройств и т. п.
Для устранения контуров в заземлении стремятся использовать заземление в одной точке. Все металлические шасси обычно соединяют друг с другом и далее присоединяют в одной точке к электрической распределительной системе заземления. Рекомендация о том, чтобы проводить заземление в одной точке относится и к экранам кабелей, по крайней мере, на частотах до порядка 1 МГц. На более высоких частотах паразитные емкости создают скрытые пути для токов экранов, которые образуют контура в заземлении. При разводке кабелей цифровых схем, длина которых превышает 1/20 длину волны наивысшей частоты или нужной гармоники, экран кабеля часто заземляют на обоих концах, а иногда даже в нескольких точках между концами в зависимости от длины кабеля и присутствующих частот.
Устранение помех, связанных с контурами заземления, можно выполнить, разорвав контур, посредством изоляции цепей, входящих в этот контур.
Быстрое развитие радиоэлектроники создает окружение с растущим электромагнитным загрязнением. Правильное и рациональное использование методов экранирования, фильтрации и заземления обеспечивает устойчивую работу как каждого отдельного РЭС, так и совместную работу многих РЭС на промышленных предприятиях, стационарных и подвижных объектах, таких, как приемо-передающие центры или самолеты, корабли и т. д.
Все темы данного раздела:
Радиоэлектронных средств
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизац
Список использованных сокращений
АМ – амплитудная модуляция;
АРУ – автоматическая регулировка усиления;
АС – абонентская станция;
АФТ – антенно-фидерный тракт;
БЛ – боковой лепесток (диаграммы н
Причины появления проблемы ЭМС
Можно указать несколько факторов, которые приводят к появлению проблемы ЭМС РЭС.
1. Основной причиной, порождающей проблему электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, являетс
Источники и рецепторы электромагнитных помех (ЭМП)
2.1 Классификация ЭМП по связям с источником помехи и некоторые их характеристики
Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств определяется качеством работы
Естественные ЭМП.
· Земные ЭМП:
Атмосферная помеха – естественная помеха, источником которой являются электрические разряды в атмосфере. Частоты, на которых атмосферная помеха ока
К электростатическому разряду
№ п/п
Полупроводниковый прибор
Чувствительность к ЭСР, В
Полевые транзисторы (МОП-структуры)
1
Искусственные ЭМП
Станционная помеха – это непреднамеренная электромагнитная помеха, создаваемая излучениями выходных каскадов радиопередатчиков через антенну.
Индустриальная помеха – это элек
Рецепторы ЭМП. Внутрисистемная и межсистемная ЭМС
Рецептором называют техническое средство, которое реагирует на электромагнитный сигнал или электромагнитную помеху. По аналогии с источниками помех рецепторы делят на естественные и искусств
Измерение кондуктивных помех и восприимчивости к ним
Измерение помех, распространяющихся по проводам, должно происходить без разрыва цепей, в которых измеряют эти помехи. Основным прибором, который используется в качестве датчика при измерениях помех
Измерение помех излучения и восприимчивости к ним
Эталонная методика измерения напряженности электромагнитного поля в диапазоне частот 30….1000 МГц предписывает использование открытой измерительной площадки с идеальным проводящим покрытием,
Экранирование
Экранирование является средством защиты от помех излучения. Оно может быть использовано для снижения уровня помех, поступающих в окружающее пространство от источников помех, или для повышения помех
Фильтрация
Фильтры используют для борьбы с кондуктивными помехами. Фильтрация помех в каскадах радиоэлектронной аппаратуры препятствует передаче помех в другие узлы и устройства по проводам, соединяющим эти у
Радиочастотный спектр и диапазоны частот
Рекомендация Международного союза электросвязи (МСЭ) V.431-7 [58] разбивает спектр электромагнитных колебаний, частоты которых лежат в пределах от 0,03 Гц до 3000 ТГц, на диапазоны частот. Каждый д
Диапазоны частот электромагнитных колебаний
Номер диапазона
Наименование диапазона
(частотное)
Условное
обозначение
(частотное)
Диапазон
частот
Наименовани
Стандартизация и международная кооперация в области ЭМС
Электромагнитные волны не признают административных границ и могут создавать помехи радиоэлектронным средствам другой страны. Одним из путей смягчения проблемы ЭМС является стандартизация параметро
Требования к методам анализа ЭМС
Анализ ЭМС должен проводиться на всех этапах жизненного цикла РЭС, начиная с этапа разработки РЭС, ввода РЭС в эксплуатацию и в процессе функционирования РЭС. На этапе разработки изделие должно быт
Анализ параметров ЭМС систем на стадии разработки
Для анализа параметров ЭМС системы на стадии разработки может быть использован модульный подход, который дополняет существующие методологии конструирования электронных систем. Для этого разрабатыва
Анализ внутрисистемной и межсистемной ЭМС РЭС
Проблема ЭМС возникает тогда и только тогда, когда есть источник помехи, есть рецептор помехи и есть путь, по которому помеха поступает
Основные направления по решению проблемы ЭМС
К основным направлениям, по которым идет решение проблемы ЭМС, можно отнести:
1. Улучшение параметров ЭМС радиоаппаратуры.
Улучшение параметров ЭМС радиоаппаратуры может быть дост
Виды излучений радиопередатчиков
Если изобразить спектр излучений передатчика, то в общем случае он будет иметь вид похожий на вид, представленный на рис. 7.1.
Параметры и модели основного и внеполосных излучений
Основное излучение решает задачи функционального назначения РЭС. Однако при этом оно может создавать непреднамеренные помехи другим РЭС. Учитывая, что основное излучение является наиболее мощным из
И необходимой ширины полосы частот
Диапазон рабочих частот
Узкополосный случай
Bн < BL
BL ≤ Bн &#
Параметры модели (7.1)
Вид модуляции
Номер участка маски спектра, i
Граница участка, Dfi
M(Dfi),
дБ
Побочные излучения радиопередатчиков
В этом разделе рассмотрим способы описания побочных излучений радиопередатчиков на гармониках, субгармониках и комбинационные излучения. Интермодуляционные излучения рассматриваются при изучении не
Параметры модели (7.9)
Рабочая частота передатчика, f0T
Коэффициенты и СКО модели (7.9)
f < f0
Предельные значения мощности побочных излучений в контрольной полосе
Радиослужба или тип оборудования
Максимально допустимая мощность побочных излучений, дБм, в контрольной полосе
Все службы, за исключен
Шумовые излучения передатчика
Шумовые излучения передатчиков находятся за пределами необходимой полосы частот передатчика и непосредственно примыкают к ней. Уровень мощности шумовых излучений значительно меньше уровня мощности
Параметры эмпирической модели, представленной выражением (7.10)
Отстройка Δf
от центральной частоты, МГц
Диапазон рабочих частот передатчика, МГц
25…76
150…174
Основной канал приема радиоприемника и его описание
К параметрам ОКП, которые используются при анализе ЭМС, относятся частота основного канала приема и чувствительность РПУ. Кроме того, для оценки степени подавления помехи в радиоприемном устройстве
Побочные каналы приема и их описание
Побочные каналы приема (ПКП) образуются в смесителях приемника. ПКП можно разделить на:
- комбинационные побочные каналы приема;
- субгармонические побочные каналы приема;
Параметры модели (8.9)
Рабочая частота приемника, f0R
Коэффициенты и СКО модели (8.9)
f < f0
Оценка коэффициента частотной коррекции
При анализе ЭМС РЭС помеху, поступающую в приемник по основному или побочному каналам приема, обычно заменяют эквивалентной помехой, лежащей в полосе пропускания ОКП приемника на частоте его настро
Анализ нелинейных явлений в каскадах радиоаппаратуры
Нелинейные явления, которые влияют на качество работы РЭС и их электромагнитную совместимость (ЭМС), могут иметь место как в радиоприемных устройствах (РПУ), так и в радиопередатчиках (РПД).
Фазовый шум генератора
Фазовый шум является мерой кратковременной стабильности генератора в частотной области. На сигнал генератора гармонических колебаний влияют шумы различного происхождения. Сюда входят, прежде всего,
Перенос шумов гетеродина
В идеальном случае в смесителе приемника пр
Интермодуляция
9.5.1. Порядок интермодуляции. Наиболее опасные порядки интермодуляции
Интермодуляция – самый общий случай нелинейного преобразования электромагнитных колебаний. Инте
Интермодуляция в радиопередатчиках
Рекомендация МСЭ-Р SM.1146 [22] выделяет пять типов интермодуляции, которые могут возникать в радиопередатчиках.
Тип 1. Интермодуляция в одиночном передатчике. Интермодуляцио
Измерение и расчет точек пересечения
Точка пересечения является удобным параметром для оценки уровней интермодуляционных продуктов, возникающих в радиотехнических устройствах. Недостаток точки пересечения состоит в невозможности ее пр
Перекрестные искажения
Перекрестные искажения в РПУ – это изменение спектрального состава полезного сигнала на выходе радиоприемного устройства при наличии на его входе модулированной радиопомехи, частота которой не лежи
Оценка эффекта блокирования РПУ
Один из подходов к оценке эффекта блокирования радиоприемного устройства состоит в количественной оценке снижения отношения сигнал/шум на выходе приемника. Предполагается, что отношение сигнал/шум,
Характеристики блокирования приемников некоторых цифровых систем связи
Отстройка по частоте
GSM 400, GSM 900
DCS 1800 & PCS 1900
MC, дБм
БC, дБм
MC, дБм
Оценка интермодуляции в радиоприемниках
Интермодуляционные продукты в РПУ могут быть образованы очень большим числом частот, которые присутствуют в эфире. В связи с этим возникает вопрос, в какой полосе частот относительно частоты настро
Границы частотных интервалов для анализа нелинейных эффектов в приемнике
Частота настройки приемника f0R
f0R < 30 МГц
30 £ f0R
Эмпирические модели для оценки эффекта интермодуляции в радиоприемниках
№ п/п
Вид интермодуляции
Мощность продукта интермодуляции, дБм
1.
2f1 – f2
Оценка перекрестных искажений
Перекрестные искажения от модулированных мешающих сигналов проявляются в форме перекрестной амплитудной модуляции, амплитудно-фазовой конверсии или комбинации указанных видов искажений.
Ам
ДНА в области рабочих частот.
В этой области форма ДНА изменяется в допустимых пределах, и при расчетах эти изменения не учитывают, считая, что форма ДНА в рабочей полосе частот антенны не изменяется.
ДНА на нерабочих частотах
В диапазоне частот, который для антенны рассматривается как диапазон ее рабочих частот, максимальное значение коэффициента усиления антенны считают постоянным. Его значение всегда указывают в специ
Статистическое описание диаграмм направленности антенн
Детерминированное описание ДНА не может учесть влияния всех факторов на параметры и форму диаграммы направленности, особенно в области боковых и задних лепестков. Изменчивость характеристик антенны
Потери в антенно-фидерном тракте и потери рассогласования
Потери при передаче сигнала от передатчика к антенне или от антенны к входу радиоприемного устройства (РПУ) складываются из потерь непосредственно в антенно-фидерном тракте (АФТ) и потерь рассоглас
Учет поляризационных характеристик антенн и сигналов
В дальней зоне излучения фронт электромагнитной волны становится плоским, а плоская волна является поляризованной. Поляризация электромагнитной волны определяется траекторией и направлением движени
Ближняя зона
Оценка взаимодействия антенн, размещаемых на одном объекте, носит специфический характер, поскольку ситуация требует расчета взаимодействия между близко расположенными антеннами, в том числе между
Общие положения
Модели, описывающие ослабление радиоволн на трассах распространения, находят применение при решении широкого круга задач: расчетах радиолиний, частотно- территориальном планировании РЭС, оценке ЭМС
Графические модели
Как отмечено выше, графические модели могут иметь разный вид. Рассмотрим в общих чертах две графические модели, которые рекомендованы Международным союзом электросвязи (МСЭ) для оценки напряженност
Аналитические модели
Как уже отмечалось, уровень сигнала в точке приема является случайной величиной, испытывающей медленные и быстрые флюктуации, величина которых зависит от ситуации. Аналитические модели, оценивают м
Расчетные соотношения, используемые в модели COST 231 Хата
Условия распространения
Формулы для расчета потерь, дБ
Город
L = 46.3 + 33.9 lg f – 13.82 lg hb
Расчетные соотношения, используемые в модифицированной модели Хата
Условия распространения
Формулы для расчета потерь, дБ
Диапазон частот, МГц
Расстояние, км
Близкая зона
Среднеквадратическое отклонение (СКО) потерь на трассах распространения
Значения СКО
Диапазон частот, МГц
Расстояния,
м
s = 3.5 дБ
30…3000
d £ 40
Оценка потерь на дифракцию
Как отмечалось раннее, явление дифракции состоит в огибании радиоволнами препятствий, встречающихся на пути их распространения. При этом потери сигнала на трассе распространения возрастают. Обычно
Зоны Френеля.
При распространении радиоволн над неровной поверхностью на величину потерь на трассе распространения влияют:
1) величина просвета между прямым лучом и неровностями поверхности или величина
Дифракция на клине
Первоначально в прямоугольной системе координат с помощью картографической базы данных строят топографический профиль трассы, используя инфо
Дифракция на цилиндре
В большинстве ситуаций препятствия, встречающиеся на местности, не похожи на простой клин и аппроксимация их клином недооценивает потери на дифракцию. Существуют различные способы решения этой зада
Рабочие характеристики и оценка качества работы РЭС
Решение о совместимости радиоэлектронных средств, входящих в некоторую совокупность РЭС, принимают на основе анализа качества работы каждого РЭС совокупности в электромагнитной обстановке, формируе
Системы радиосвязи.
Радиовещание и телефония. Качество работы аналоговой системы, используемой для приема речевой информации, оценивают показателем разборчивости (AS) и/или индексом артикуляции (AI
Цифровые системы.
В современных цифровых системах связи передача информации производится с помощью символов, каждый из которых может передавать несколько бит информации. Число символов М, используемых для пер
Критерии ЭМС
Критерий ЭМС определяет правило, согласно которому выносят решение о наличии или отсутствии электромагнитной совместимости в анализируемой совокупности РЭС. Критерии ЭМС обычно носят пороговый хара
Защитные отношения для систем ТВ (625 строк), работающих в соседнем канале
Разность частот,
МГц
Защитное отношение, дБ
Постоянная помеха
Тропосферная помеха
ТВ системы
Защитные отношения для аналоговых каналов звукового сопровождения ТВ
Разность несущих частот полезного и мешающего сигналов, кГц
Полезный звуковой сигнал
Тропосферная помеха
Непрерывная поме
В зависимости от расстройки помехи, дБ
Полезный
сигнал
Помеха
Разность между несущими частотами сигнала и помехи (кГц)
Частотно-территориальное планирование
Электромагнитную совместимость РЭС обеспечивают, используя территориальный разнос их антенных систем и/или разнос их рабочих частот. Выбор необходимых частотно-территориальных разносов осуществляют
Управление параметрами радиосигналов
С целью обеспечения возможно большего числа пользователей качественной радиосвязью в мобильных сетях связи используют управление параметрами радиосигналов. Управление на системном уровне позволяет
Новости и инфо для студентов