Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №5

Защита промышленных приборов в соответствии с нормами по электромагнитной совместимости

Захаров Александр


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).

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.

нальные, 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 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 (L-, C-, LC-, RC-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 помехоэмиссии 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 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.

Таблица 1. Требования помехоустойчивости оборудования класса А
Таблица 1. Требования помехоустойчивости оборудования класса А

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 A, B или C.

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: Murata и Epcos. 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 разрядников 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.

Рис. 1. Основные типоразмеры газонаполненных разрядников фирмы Epcos
Рис. 1. Основные типоразмеры газонаполненных разрядников фирмы Epcos
Таблица 2. Основные характеристики газонаполненных разрядников фирмы Epcos
Таблица 2. Основные характеристики газонаполненных разрядников фирмы Epcos

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. Варисторы 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.

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.

Рис. 2. Основные типоразмеры и технические характеристики варисторов фирмы Epcos
Рис. 2. Основные типоразмеры и технические характеристики варисторов фирмы Epcos
Таблица 3. Основные характеристики российских варисторов
Таблица 3. Основные 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.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема блока ЭМС
Рис. 3. Обобщенная структурная схема блока ЭМС

Газоразрядники являются мощными и одновременно сравнительно медленными устройствами. 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, 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 наносекундных 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).

Рис. 4. Структурная схема блока ЭМС
Рис. 4. Структурная схема блока ЭМС

Создание принципиальной схемы блока ЭМС

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

Рис. 5. Принципиальная схема блока ЭМС
Рис. 5. Принципиальная схема блока ЭМС

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 наносекундных импульсов, и, как следствие, его постоянная времени должна быть сопоставима с длительностью импульса (50 нс). А второе звено фильтра предназначено для полного подавления наносекундных импульсов 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:

(1)

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

(2)

Так как соединенные последовательно конденсаторы С2 и С5 подключены параллельно С3, то емкость С2 и С5 принимаем равной полученной емкости Сμ, 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 необходимо уделять напряжению пробоя и максимальной рассеиваемой мощности. Для примера можно использовать варисторы 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.

Рис. 6. Моделируемая схема, где V1 — высоковольтный генератор; V2 — источник питания постоянного тока; R1, R2 — внутренние сопротивления источников напряжения; R3–R6 — внутренние активные сопротивления дросселей; R7 — эквивалентное сопротивление нагрузки
Рис. 6. Моделируемая схема, где V1 — высоковольтный генератор; V2 — источник питания постоянного тока; R1, R2 — внутренние сопротивления источников напряжения; R3–R6 — внутренние активные сопротивления дросселей; R7 — эквивалентное сопротивление нагрузки

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.

Рис. 7. Диаграммы напряжения в характерных точках при подаче наносекундного импульса
Рис. 7. Диаграммы напряжения в характерных точках при подаче наносекундного импульса

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

Рис. 8. Диаграммы напряжения в характерных точках при подаче микросекундного импульса
Рис. 8. Диаграммы напряжения в характерных точках при подаче микросекундного импульса

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.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке