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, распространяющихся в проводах питания постоянного и переменного тока и проводах управления, является токосъемник в разных вариантах исполнения. Токосъемник работает как трансформатор тока. Первичной цепью этого трансформатора является испытуемый провод, по которому протекают токи помех. Вторичная обмотка трансформатора находится на торроидальном сердечнике токосъемника. Чтобы испытуемый провод можно было пропустить через торроидальный сердечник с вторичной обмоткой, сердечник сделан раскрывающимся (рис. 3.1).

Напряжение, возникающее на выходе вторичной обмотки, пропорционально магнитной проницаемости торроидального сердечника, площади его поперечного сечения, числу витков вторичной обмотки, току в испытуемом проводе и частоте. Поверхности половинок торроида, соединяемые встык, обработаны так, чтобы воздушный промежуток между ними был как можно меньше и не влиял на концентрацию магнитного потока в сердечнике. Размещение и число витков вторичной обмотки определяют индуктивность и паразитную емкость обмотки. Поскольку максимальная рабочая частота токосъемника должна быть ниже собственной резонансной частоты обмотки, то токосъемник имеет ограниченный диапазон рабочих частот. Однако, используя несколько токосъемников, можно перекрыть диапазон частот от 30 Гц до 1 ГГц.

Для измерения мощности токов электромагнитных помех в проводах используют поглощающие клещи. Поглощающие клещи имеют три особенности, к которым относятся (рис. 3.2):

· петля коаксиального кабеля, намотанная на два или три ферритовых кольца, которая работает как трансформатор тока. Любой высокочастотный ток, протекающий по испытуемому проводу, индуцирует в петле сигнал;

· поглощающая секция, изготовленная из дополнительного ряда колец, которая расположена за трансформатором тока и охватывает испытуемый провод. Кольца состоят из полуколец, торцы которых подогнаны друг к другу и скрепляются с помощью зажимного приспособления клещей. Секция поглощает основную часть мощности, излучаемой проводом, когда по нему протекает ток. При этом ток в секции будет пропорционален поглощаемой мощности. Назначение этой секции состоит в том, чтобы стабилизировать полное сопротивление испытуемого проводника и снизить его зависимость от оконечной нагрузки;

· дополнительная секция поглотителя поверх оболочки кабеля, идущего от трансформатора тока к измерительной аппаратуре. Секция предотвращает возникновение токов по поверхности кабеля и увеличивает полное сопротивление кабеля, снижая влияние любых колебаний этого сопротивления, которые могут быть связаны с паразитной емкостью между трансформатором и испытуемым проводом.

При измерениях испытуемый провод размещают в клещах, так чтобы трансформатор тока был ближе к прибору, от которого идет интересующий провод. Второй конец провода соединяют с источником питания (если измеряют токи высокочастотных помех в цепях питания) или с вспомогательным оборудованием. Выход клещей соединяют с измерительным приемником электромагнитных помех или анализатором спектра. Измерительная установка в целом должна быть откалибрована. В процессе калибровки определяют калибровочный коэффициент, который связывает мощность тока, протекающего по проводу, и выходное напряжение клещей, измеряемое приемником электромагнитной помехи или анализатором спектра.

Чтобы определить максимальную мощность электромагнитной помехи, поступающую в измеряемый провод, клещи перемещают вдоль провода, определяя максимумы показаний на любой данной частоте. При перемещении вдоль провода уровень на выходе периодически изменяется. Расстояние между пиками составляет примерно половину длины волны измеряемой частоты. Горизонтальный испытуемый провод вместе с землей действует как двухпроводная линия, в которой возникают стоячие волны, и клещи измеряют эти волны.

Диапазон рабочих частот, в котором для измерения электромагнитных помех в проводах используют поглощающие клещи, составляет от 30 МГц до 1 ГГц.

Еще одним устройством, которое используют для измерения электромагнитных помех в сетях питания, является эквивалент сети. Эквивалент сети может быть использован для измерения помех в проводах питания различных приборов, компьютеров и в сетях связи. При измерениях эквивалент сети выполняет следующие функции:

– обеспечивает подачу питания на испытуемый прибор от сети переменного или источника постоянного тока;

– обеспечивает защиту питающей сети или источника постоянного тока от помех, создаваемых в цепи питания испытуемым прибором;

– ослабляет внешнюю помеху, присутствующую в сети, на сетевом разъеме испытуемого прибора;

– обеспечивает стабильное высокочастотное сопротивление порядка 50Ω, к которому подключают приемник (или анализатор спектра) для измерения электромагнитных помех.

На рис. 3.3 представлена схема эквивалента сети, предложенная CISPR [73]. Схема обеспечивает на выходе, к которому подключен измерительный приемник с входным сопротивлением 50 Ω, сопротивление эквивалентное 50 Ω с параллельно подключенной индуктивностью 50 µH (или 50 Ω, 5 µH для приборов с большим потреблением тока). LC фильтры, входящие в состав эквивалента сети, не препятствуют подаче низкочастотного (50 Гц) или постоянного напряжения сети на испытуемый прибор, но обеспечивают развязку сети питания и разъемов питания испытуемого прибора по высокой частоте. Схемы эквивалентов сети, выпускаемые разными производителями, могут отличаться от схемы, рекомендованной CISPR, в части номиналов некоторых элементов и конструкцией индуктивностей. Однако в целом эти эквиваленты сети обладают всеми описанными выше свойствами.

Связь приемника, измеряющего электромагнитную помеху, с выходом эквивалента сети обычно осуществляют через фильтр высоких частот (ФВЧ). На входе приемника также может быть использован ограничитель. ФВЧ имеет частоту среза около 9 кГц и снижает амплитуду низкочастотного шума, порожденного сетью питания (частоту 50 Гц и ее гармоники), который поступает в приемник. Это позволяет избежать проблем перегрузки входа приемника. Ограничитель является нелинейной схемой, которая препятствует поступлению на вход приемника импульсов большой амплитуды, возникающих при переходных процессах. Такого рода процессы могут возникать в потенциальном и нейтральном проводах сети питания при выключении испытуемого оборудования. Ограничитель весьма полезен для предотвращения повреждения входа приемника.

Если измерения в линии не проводятся, эквивалент сети должен быть нагружен на сопротивление 50 Ω, что достигается соответствующим положением переключателя 50 Ω/вход ФВЧ (рис. 3.3).

Для двухпроводной силовой линии питания используют два эквивалента сети. При трехфазной четырехпроводной линии следует применять четыре одинаковых эквивалента сети. Эквивалент сети дублируют в каждой фазе питания и в каждой нейтрали (нулевом проводе).

Средства измерения, разработанные с использованием эквивалента сети, позволяют измерять напряжение как симметричных, так и несимметричных помех. Диапазон частот, в котором для измерений электромагнитных помех используют эквивалент сети, составляет от примерно 10 кГц до 30 МГц.

Наряду с испытаниями, связанными с измерением кондуктивных помех, создаваемых радиоаппаратурой, важную роль играют испытания, связанные с оценкой восприимчивости аппаратуры к кондуктивным помехам. На
рис. 3.4 представлена в общем виде схема испытаний аппаратуры на вос
приимчивость к кондуктивным помехам. Генератор сигналов формирует требуемый вид помехи, а устройство развязки-связи обеспечивает ввод помехи в испытуемую цепь. Цепь может быть представлена конкретной точкой аппаратуры или проводом питания, управления или коммутации, соединяющим испытуемую аппаратуру с источником питания или вспомогательным оборудованием. Цель испытаний – подтвердить, что электромагнитная помеха определенного вида и уровня, вводимая в провода, не приводит к искажениям полезного сигнала или ухудшению режимов работы аппаратуры. Кроме того, испытания позволяют установить уровень, при котором помеха определенного вида вызывает ухудшение качества работы радиоаппаратуры. Качество полезного сигнала на выходе испытуемой аппаратуры и состояние режимов ее работы определяют, используя соответствующую измерительную аппаратуру, подключенную к испытуемой аппаратуре. Результаты измерений позволяют, как оценить рабочую характеристику аппаратуры, так и определить граничные значения параметров мешающих сигналов, при которых начинается заметное ухудшение качества работы испытуемой аппаратуры.

Методы испытаний помехоустойчивости к кондуктивным помехам должны обеспечивать достаточно точный ввод высокочастотных напряжений или токов в испытуемое оборудование и его кабели. К устройствам развязки-связи, через которые вводят сигналы, имитирующие помехи, также предъявляют определенные требования. Они должны быть выполнены таким образом, чтобы не создавать помех в тех местах испытуемого прибора, которые не должны подвергаться действию помех в данном испытании. Обеспечивая связь источника помехи с конкретным проводом, устройство должно обеспечить развязку других элементов испытуемой аппаратуры от действия данной помехи.

Можно выделить три типа датчиков, с помощью которых обеспечивается ввод помех в испытуемую аппаратуру:

– прямой ввод помехи;

– ввод помехи в провода с использованием электромагнитных клещей;

– ввод помехи в провода посредством инжекции объемного тока.

Устройства прямого ввода помех могут иметь различную конструкцию. В частности, в качестве устройств прямого ввода используют контактные датчики напряжения, которые позволяют вводить высокочастотные сигналы непосредственно в проводники и провода компонентов через конденсатор. Значение емкости конденсатора, который применяют в качестве элемента связи между датчиком помехи и элементом, в который вводится помеха, зависит от частоты помехи: чем выше частота, тем меньше емкость конденсатора. Значение емкости может колебаться от 10 нФ до 10 пФ при изменении частоты помехи от 1 до 100 МГц.

Электромагнитные клещи индуцируют высокочастотное напряжение в испытуемых кабелях, используя индуктивную и емкостную связи. Электромагнитные клещи были разработаны специально для такого вида испытаний. Диапазон их рабочих частот обычно составляет 150…1000 МГц. Внешне электромагнитные клещи выглядят подобно поглощающим клещам, которые применяют для измерения уровней кондуктивных помех в проводах. Однако это совершенно другое устройство как по своему назначению, так и по ряду элементов конструкции. Клещи обеспечивают как индуктивную связь через цепочку ферритов, смыкающихся вокруг испытуемого кабеля (или провода), так и емкостную связь через электрод, расположенный вблизи испытуемого кабеля и идущий вдоль длины клещей. Два вида связи (индуктивную и емкостную) используют таким образом, что обеспечивают значительную направленность помехи (на некоторых частотах лучше, чем 10 дБ). В этом случае конец электромагнитных клещей, обращенный в сторону вспомогательного оборудования, достаточно хорошо развязан по помехе.

В методе испытаний посредством инжекции объемного тока в качестве датчика тока в испытуемый провод используют трансформатор тока. Разновидность схемы, реализующей этот метод, представлена на рис.3.5. В схеме использованы два трансформатора тока. Трансформатор Тр1 обеспечивает ввод помехи в кабель испытуемого оборудования. Трансформатор Тр2 используется для контроля и управления уровнем помехи, вводимой в кабель. Если в цепи измерений, содержащей транформатор Тр2, измерительный прибор –измеритель высокочастотной мощности или анализатор спектра – показывает, что значение измеренного
тока не соответствует требуемому значению, то по цепи обратной связи (цепи управления) поступает сигнал для управления усилителем мощности или генератором сигнала. Этот сигнал изменяет уровень вводимой помехи и гарантирует, что требуемый ток вводится в провод вне зависимости от полного сопротивления кабеля. Защиту вспомогательного оборудования или источника питания от вводимого тока помех осуществляют, используя набор ферритов, формирующих ферритовую трубку длиной от 200 мм и больше, которая обеспечивает поглощение помехи, поступающей в направлении оборудования, которое не должно подвергаться действию этой помехи.

Чтобы обойти проблемы, связанные с резонансными явлениями в кабелях, схему рис. 3.5 упрощают, изымая цепь управления с трансформатором Тр2. Для новой схемы заранее готовят и хранят записи напряжений возбуждения на разных частотах, которые позволяют получить необходимый испытательный ток в коротком (нерезонансном) кабеле. В процессе испытаний воспроизводят необходимые управляющие напряжения на каждой испытуемой частоте.

Результаты измерений уровней кондуктивных помех, создаваемых радиоаппаратурой, и восприимчивости к ним дают информацию, которая необходима для оценки и обеспечения ЭМС приборов различного назначения, которые размещаются на одном объекте и имеют между собой связи по проводам, например, при питании от одного источника постоянного тока или одной сети переменного тока.