Глава третья. ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ЦТС К ВНЕШНИМ ПОМЕХАМ

3.1. Воздействие кратковременных импульсных помех

Воздействие несимметричных импульсных помех из сети питания

Механизм воздействия несимметричных импульсных помех из сети питания на аппаратуру ЦТС можно представить себе следующим образом. Совокупность проводов питания, входящих внутрь корпуса ЦТС, связана через паразитные емкости со всеми элементами и проводами аппаратуры ЦТС. Пусть выход некоторого элемента (передатчика сигнала в аппаратуре ЦТС) и вход элемента (приемника ) соединены однопроводной линией связи. Обратным проводом служат нулевые (общие, земляные) проводники системы вторичного питания. Упомянутые проводники в одной точке соединены с физической землей. Эквивалентная схема связей для этого случая изображена на рис. 3.1. Распределенные емкости на схеме показаны сосредоточенными.

Схема представляет собой сложный мост. Когда мост уравновешен или совершенно симметричен, то на входе элемента-приемника нет падения напряжения от источника помех. Однако такой случай практически невозможен хотя бы потому, что в аппаратуре ЦТС всегда найдется пара элементов, соединенных информационной линией связи, по отношению к которой провод заземления присоединен несимметрично.

В неуравновешенной и несимметричной схеме на входе элемента-приемника появляется падение напряжения от источника помехи искажающее полезный сигнал.

Рис. 3.1 Эквивалентная схема связей, иллюстрирующая воздействие несимметричных импульсных помех из сети питания на аппаратуру ЦТС: источник и приемник информационных сигналов; источник импульсных помех и его внутреннее сопротивление; источник полезных сигналов и его внутреннее сопротивление; индуктивность и сопротивление прямого провода линии связи; индуктивность и сопротивление обратного провода линии связи (включая систему проводов земли вторичного питания); индуктивность и сопротивление провода заземления; — входное сопротивление элемента-приемника; паразитные емкости

Для упрощения анализа примем следующие допущения: в широком диапазоне частот полные сопротивления провода заземления, информационной линии связи и проводников вторичного питания существенно меньше сопротивлений паразитных емкостей. Выходное сопротивление элемента-передатчика весьма мало, а входное сопротивление элемента-приемника очень велико. Кроме того, примем, что индуктивность одной из двух цепей (информационной линии связи или системы проводников вторичного питания) существенно меньше индуктивности другой, а омическим сопротивлением этих цепей можно пренебречь. Тогда схема связей принимает вид, показанный на рис. 3.2. Операторное выражение напряжения помехи для этой схемы (в изображениях по Карсону) имеет вид

где

Рис. 3.2. Упрощенная схема связей: — внутренние индуктивность и сопротивление источника помехи; — индуктивность информационной линии связи или проводников земли вторичного питания; С — паразитная емкость

Пусть сигнал на источнике представляет собой единичный скачок напряжения, т. е. . Введем обозначения тогда

Вид временной функции (оригинала) зависит от значений параметров L, R, С. Для предельного случая апериодического процесса, когда тивности проводов малы, паразитные емкости велики), напряжение помехи

Если то и имеет место другой предельный случай апериодического процесса, для которого

Общий случай апериодического процесса:

Если (индуктивности проводов велики, паразитные емкости малы), то имеет место колебательный процесс ( — мнимая величина). В этом случае напряжение помехи

где

Рис. 3.3. Вид сигнала помехи на входе приемника; 1 — при при

В предельном случае

Вид сигналов помех, описываемых зависимостями (3.3), (3.4) и (3.7) для некоторых конкретных значений параметров R, L, С, показан на рис. 3.3.

Максимальное значение амплитуды процессов во всех случаях равно:

Найдем вольт-секундную площадь V всего процесса, когда первой полуволны, когда и второй полуволны, когда (полагая ):

Интегрирование для указанных выше условий дает соответственно

Определим эквивалентную длительность прямоугольного импульса, имеющего такую же амплитуду и вольт-секундную площадь, как и исходный сигнал:

Для указанных выше условий получаем

Из (3.10) — (3.12) следует, что при колебательном процессе вольт-секундная площадь импульсов на входе приемника является наименьшей.

Полученные соотношения могут быть полезны для оценки помехозащищенности аппаратуры ЦТС, если известны ориентировочные значения параметров.

Пусть, например, известно, что в сети питания возможны импульсы напряжения с амплитудой до 1000 В и длительностью более 1 мкс. Известно также, что . Примем, что допустимая вольт-секундная площадь сигналов помех на входах элементов не превышает Следует ли ожидать сбоев аппаратуры ЦТС?

Импульс в сети можно рассматривать как два разнопо лярных единичных скачка, сдвинутых по отношению друг к другу на время длительности импульса.

Найдем значение . Сравнивая со значением Ом, убеждаемся, что будет иметь место колебательный процесс. Тогда согласно (3.12)

Получившееся значение более чем на три порядка превышает допустимое; следовательно, сбои возможны.

Оценим другие параметры сигнала помехи. Амплитуда , эквивалентная длительность

Частота колебаний

Постоянная времени затухания процесса

Что можно предпринять, чтобы снизить восприимчивость аппаратуры ЦТС к импульсным помехам из сети питания? Из (3.8) следует, что целесообразно уменьшать, насколько это возможно, индуктивность линий связи и цепей вторичного питания. Первое достигается путем уменьшения площади контура, образованного прямым и обратным проводами связи, т. е. применения витых пар

(бифиляров) коаксиальных кабелей или плоских кабелей, в которых каждой линии связи отводится два или три лровода (один активный и два-три нулевых). Второе достигается путем увеличения сечения и площади занимаемой проводниками и проводящими поверхностями системы цепей вторичного питания, особенно нулевых соединений.

Следующее важнейшее условие — уменьшение, насколько это возможно, паразитной емкости между проводами первичного питания и аппаратурой ЦТС. Эту емкость можно представить состоящей из двух параллельно включенных составляющих: — емкость между вводами и выводами вторичных источников питания (главным образом — это межобмоточная емкость силовых трансформаторов); — распределенная емкость проводов сети питания по отношению к аппаратуре ЦТС. Воздействие источника помех через емкость можно рассматривать как воздействие на ЦТС импульсного электрического поля. Для уменьшения первой составляющей целесообразно между первичной и вторичной обмотками силовых трансформаторов устанавливать экран.

Для уменьшения значений следует экранировать участки проводов сети питания, которые входят внутрь корпуса ЦТС, а также улучшать экранирующие свойства корпуса ЦТС. Уменьшению упомянутых выше паразитных емкостей также способствует применение симметричных информационных линий связи между элементами ЦТС (бифиляров, коаксиальных и плоских кабелей) и экранирование линий связи, выходящих за пределы корпуса ЦТС.

Эффективным средством защиты ЦТС от импульсных помех из сети питания являются сетевые фильтры нижних частот на вводах первичного питания в ЦТС. По существу, установка фильтра — это способ изменения внутреннего сопротивления источника помех. Рассмотрим эффективность нескольких вариантов построения и включения фильтра (рис. 3.4). В общем случае сетевой фильтр — это совокупность трехполюсников, состоящих из емкостей и индуктивностей, которые включаются в разрывы всех сетевых проводов, вводимых внутрь корпуса ЦТС.

Предположим, что фильтр содержит только индуктивность При этом увеличивается общая индуктивность L контура, по которому протекает ток помехи и, следовательно, уменьшается амплитуда помехи на входе приемника [см. (3.8)]. Одновременно облегчаются условия возникновения колебательного процесса. Однако это справедливо

только при пренебрежимо малой распределенной паразитной емкости При невыполнении данного условия одной только установкой сетевого фильтра не удается существенно улучшить помехозащищенность ЦТС.

Рис. 3.4. Включение сетевого фильтра

Рассмотрим фильтр, содержащий только конденсатор При этом источник помехи шунтируется емкостью что вызывает дополнительное падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника и, следовательно, уменьшение амплитуды тока и напряжения помехи Но такой фильтр дает эффект при условии, что полное внутреннее сопротивление источника помех велико, а полное сопротивление заземляющего провода мало.

Если фильтр содержит индуктивность и конденсатор то эффективность конденсатора сохраняется и в том случае, когда полное внутреннее сопротивление источника помех мало, поскольку оно искусственно увеличено введением индуктивности

Введем в состав фильтра конденсатор Как и для фильтра, состоящего только из одного конденсатора, здесь эффективность зависит от полных сопротивлений источника помех и заземляющего провода. Если к тому же подсоединение конденсаторов к «земле» выполнено некачественно и вследствие этого между точками тип имеется некоторое сопротивление, то цепочка из последовательно соединенных конденсаторов начинает шунтировать индуктивность и эффективность фильтра становится даже хуже, чем в случае, когда он состоит из одной индуктивности. Поэтому предпочтительно иметь фильтр, состоящий из индуктивности и высокочастотной емкости причем последняя должна иметь низкоомное присоединение к цепям «земли» (хорошие результаты дают, например, проходные конденсаторы). Для исключения уменьшения индуктивности дросселей фильтров вследствие насыщения сердечников низкочастотными токами первпчного питания ЦТС дроссели часто выполняются режекторными. Под режекторным здесь имеется в виду дроссель с двумя идентичными обмотками, включенными

встречно в разрывы прямого и обратного проводов питания.

Несколько замечаний о цепях заземления. Рассматривая схему на рис. 3.3, может создаться впечатление, что воздействие источника помехи на ЦТС будет исключено, если изъять цепь заземления, т. е. контур протекания тока будет разорван. На самом деле большая паразитная емкость между физической землей (или корпусом устройства) и аппаратурой ЦТС (емкость на рис. 3.1) предопределяет наличие хотя и большего, чем у цепи заземления, но все же конечного сопротивления.

И, наконец, применение парафазных информационных сигналов и линий связи, а также соответствующей элементной базы (например, токовых ключей или других элементов с дифференциальным входом) в значительной степени симметрирует схему связей, что также снижает восприимчивость ЦТС к несимметричным импульсным помехам.

Воздействие несимметричных импульсных помех из внешних линий связи

Внешние (выходящие за пределы корпуса ЦТС) линии связи можно подразделить на гальванически развязанные от аппаратуры ЦТС (с помощью трансформаторов или оптронов) и имеющие гальваническую связь. Кроме того, их можно подразделить на линии, передающие информацию, принимающие информацию и приемно-передающие (двунаправленные).

Механизм воздействия несимметричных импульсных помех из внешней линии связи с гальванической развязкой совершенно аналогичен механизму воздействия несимметричных импульсных помех из сети питания. К особенностям данного случая можно отнести существенно меньшие значения паразитных емкостей между проводами внешней линии связи и аппаратурой ЦТС, а также меньшие значения амплитуд помех в линии.

Воздействие помех из гальванически неразвязанной передающей линии связи более опасно, поскольку обратный провод линии непосредственно соединяется с системой нулевых проводников вторичного питания. Это равносильно введению проводящей перемычки вместо паразитной емкости С на рис. 3.2. Тогда реакция на входах приемников аппаратуры ЦТС на скачок напряжения в источнике помех описывается выражениями (3.3), (3.8), (3.10) и

(3.14). Вольт-секундная площадь и эквивалентная длительность реакции при прочих равных условиях в этом случае самые большие.

Еще более опасным является воздействие помех из гальванически неразвязанной приемной или приемно-передающей внешней линии связи, так как при этом индуктивность линии связи, на которой образуется падение напряжения от тока помехи, гораздо больше, чем в предыдущих случаях.

Меры снижения восприимчивости к несимметричным помехам из внешних линий связи, касающиеся конструктивного выполнения аппаратуры ЦТС, в основном схожи с мерами снижения восприимчивости к помехам из сети питания.

Что касается исполнения самих линий связи, то здесь полезно следующее: гальваническая развязка проводов линий от аппаратуры ЦТС (если этим не вносятся ограничения на длительность передаваемых сигналов), парафазная передача сигналов, экранирование линий связи, ввод проводов линий внутрь ЦТС через специальные фильтрующие разъемы или через ферритовые кольца [61—63].

Воздействие симметричных импульсных помех из сети питания и внешних линий связи

Кратковременные симметричные импульсные помехи из сети питания не оказывают заметного воздействия на логические схемы ЦТС, так как они сильно ослабляются силовыми трансформаторами, емкостными фильтрами и стабилизаторами вторичных источников питания. Следует, однако, иметь в виду, что если амплитуда такого рода помех велика, то может последовать пробой изоляции между обмотками трансформаторов, а также в конденсаторах емкостных фильтров. Для защиты ЦТС от воздействия высоковольтных симметричных помех можно применять сетевые фильтры (но не режекторного типа) или разрядники.

Симметричные импульсные помехи из приемных и приемно-передающих информационных линий связи, вообще говоря, являются одним из наиболее опасных видов помех, поскольку они поступают непосредственно на входы приемников и могут восприниматься последними как полезные сигналы. При больших амплитудах помех возможны пробои входных цепей элементов-приемников. Бороться с влиянием симметричных помех можно, только применяя информационные и статистические методы (избыточные

Рис. 3.5. Схемы замещения стабилизированных вторичных источников питания с последовательными регулирующими элементами: непрерывным (а) и импульсным (б)

коды, повторение сообщений и т. п.). Поэтому следует при проектировании систем стремиться к тому, чтобы исключить возможность появления симметричных помех во внешних линиях связи. Следует также помнить, что при нарушении симметрии линий связи несимметричные помехи в них частично преобразуются в симметричные.