Стандарты и методы испытаний по ЭМС

Электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность технического средства (ТС) функционировать с заданным качеством в заданной э-м обстановке и не создавать недопустимых э-м помех другим ТС.

Устойчивость к э-м помехе (помехоустойчивость) - способность ТС сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров.

Центры сертификации во всех странах мира не допускают к производству и продаже оборудование, являющееся источником помех недопустимо высокого уровня. Однако помехи невозможно полностью исключить. Кроме того, на практике встречается достаточно много источников помех, связанных с неисправностями или применением не сертифицированного оборудования.

В России допустимый уровень помех и устойчивость оборудования к их воздействию (электромагнитная совместимость (ЭМС)) более 100 государственных стандартов. Стандарты делятся на гармонизированные с международными стандартами и негармонизированные, принятые до 1999 г. В стандартах устанавливаются как ограничения на излучаемую энергию, так и требования к помехоустойчивости. Далее перечислены основные стандарты по ЭМС в РФ.

Виды испытаний на помехоустойчивость установлены в общем стандарте ГОСТ Р 51317.4.1-2000. Для средств ПА существует специальный стандарт ГОСТ Р 51522-99 «Электрическое оборудования для измерения, управления и лабораторного применения. Требования и методы испытаний». Он распространяется на промышленные контроллеры, регуляторы, испытательное, измерительное и лабораторное оборудование.

В соответствии с этим стандартом для средств ПА используют следующие виды испытаний:

1) на электростатические разряды по ГОСТ Р 51317.4.2;

2) на излучаемое радиочастотное электромагнитное поле по ГОСТ Р 51317.4.3;

3) на наносекундные импульсные помехи по ГОСТ Р 51317.4.4;

4) на микросекундные импульсные помехи большой энергии по ГОСТ Р 51317.4.5;

5) на кондуктнвные помехи, наведенные радиочастотными э-м полями, по ГОСТ Р 51317.4.6;

6) на динамические изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 51317.4.11.

Стандарт ГОСТ Р 51522-99 устанавливает 4 критерия качества функционирования испытываемых устройств:

1) критерий А: устройство нормально функционирует в процессе испытаний;

2) критерий В - в процессе испытаний некоторые характеристики ухудшаются или некоторые функции не выполняются, но устройство полностью восстанавливает функционирование без вмешательства оператора;

3) критерий С - аналогично критерию А, но для восстановления функций требуется вмешательство оператора, например перезапуск системы;

4) критерий D — во время испытаний происходит ухудшение характеристик или потеря функционирования, которые не восстанавливаются даже после вмешательства оператора. Это может произойти, например, вследствие повреждения элементов, потери части программного кода или данных.

Требования к помехоустойчивости оборудования класса А

Таблица 16.4

Наименование порта	Вид помехи	Основополагающий стандарт	Уровень испытательного воздействия
Порт корпуса	Электростатические разряды	ГОСТ Р 51317.4.2	±4 кВ / ±8 кВ (контактный разряд/ воздушный разряд)
Радиочастотное э-м поле в полосе частот 80-1000 МГц	ГОСТ Р 51317.4.3	10В/м
Магнитное поле промышленной частоты (только для оборудования, чувствительного к магнитному полю).	ГОСТ Р 50648	30 В/м
Порты электропитания переменного тока	Динамические изменения напряжения электропитания: • провалы напряжения • прерывания напряжения • выбросы напряжения	ГОСТ Р 51317.4.11	70 % Uном,50 периодов < 5 % Uном, 5 периодов 120 % Uном, 50 периодов
Наносекундные импульсные помехи	ГОСТ Р 51317.4.4	±2 кВ
Микросекундные импульсные помехи большой энергии	ГОСТ Р 51317.4.5	±1 кB при подаче помехи по схеме «провод-провод». ±2 кВ при подаче помехи по схеме «провод-заземление».
Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями в полосе частот 150 кГц - 80 МГц (только в случае, когда длина кабеля превышает 3 м.)	ГОСТ Р 51317.4.6	3 В*
Порты электропитания постоянного тока**	Наносекундные импульсные помехи	ГОСТ Р 51317.4.4	±2 кВ
Микросекундные импульсные помехи большой энергии	ГОСТ Р 51317.4.5	±1 кB при подаче помехи по схеме «провод-провод». ±2 кВ при подаче помехи по схеме «провод-заземление»
Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными э-м полями в полосе частот 150 кГц - 80 МГц	ГОСТ Р 51317.4.6	3 В*
Наносекундные импульсные помехи	ГОСТ Р 51317.4.4	±1 кВ
Порты ввода-вывода	Микросекундные импульсные помехи большой энергии (только в случае протяженных линий)	ГОСТ Р 51317.4.5	±1 кВ при подаче помехи по схеме «провод-заземление».)
Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями в полосе частот 150 кГц - 80 МГц	ГОСТ Р 51317.4.6	3 В*
Порты ввода-вывода при передаче сигналов по электрическим сетям (ГОСТ Р 51317.3.	Наносекундные импульсные помехи	ГОСТ Р 51317.4.4	±2 кВ
Микросекундные импульсные помехи большой энергии	ГОСТ Р 51317.4.5	±1 кB при подаче помехи по схеме «провод-провод». ±2 кВ при подаче помехи по схеме «провод-заземление».
Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями в полосе частот 150 кГц - 80 МГц	ГОСТ Р 51317.4.6	3В*

*Уровень испытательного воздействия для кондуктивных помех, наведенных радиочастотными э-м полями, ниже, чем для радиочастотного э-м поля, поскольку первые имитируют условия резонанса на каждой частоте и поэтому являются более жестким испытанием.

**Соединения по постоянному току между частями оборудования или системы, которые не подключены к распределительной сети постоянного тока, рассматриваются как порты в-в.

Действуют также нормы на помехоэмиссию (излучение помех) для оборудования разных классов.

16.5. Источники внутренних помех в проводных каналах передачи сигналов

Помехи могут передаваться от источника помехи к ее приемнику через паразитные (т.е. нежелательные) связи: кондуктивные, емкостные и индуктивные.

Паразитные воздействия помех на процесс передачи сигнала в системах ПА делят на группы:

1) воздействия через кондуктивные связи;

2) влияние неэквипотенциальности земли;

3) наводки через взаимную индуктивность;

4) наводки через емкостные связи;

5) высокочастотные электромагнитные наводки.

Канал передачи электрических и информационных сигналов по проводам состоит из:

1) источника сигнала;

2) линии связи;

3) приемника сигнала.

Выбор этих компонентов существенно влияет на помехозащищенность канала. Далее приведены идеализированные модели источников и приемников сигнала, позволяющие понять их основные свойства.

Источники сигнала

Источники сигнала (например, датчики и измерительные преобразователи, передатчики физических интерфейсов, выходные каскады модулей вывода и др.) могут быть заземленными (рис.17.16а), незаземленными (рис. 14.17б) и балансными (парафазными) (рис.17.16в, г).

Рис.16.16. Источники напряжения сигнала: а - заземленный; б - плавающий; в, г - балансный

Рис.16.17. Осциллограммы напряжений на выходах балансного источника напряжения

Незаземленный (плавающий) источник напряжения (сигнала) – генерирует сигнал в виде разности потенциалов между выводами источника (V_Д) (рис.16.16б. Потенциал выводов относительно земли V_С является паразитным (синфазной помехой), поскольку не участвует в передаче информации от источника в линию связи. Получить плавающий источник в СА достаточно сложно, поскольку сам принцип построения датчика или схемы преобразования измеряемой ФВ в напряжение часто не позволяют этого сделать. Поэтому плавающие источники конструктивно и схемотехнически часто сложнее, чем заземленные. Примеры: аккумуляторы, источники сигнала с батарейным питанием, термопары, трансформаторы, изолированные ОУ, изолирующие DC-DC преобразователи

Заземленный источник напряжения -один из выводов заземлен (рис.16.16а), и напряжение 2-ого вывода измеряется относительно земли. Может быть получен из плавающего, если один из его выводов заземлить.

Балансный источник напряжения (рис.16.16в,г) является комбинацией 2-х источников напряжения, работающих синхронно. Сигналы источников симметричны (сбалансированы) относительно некоторого уровня напряжения (рис.16.17): если на выходе одного источника высокий уровень, то на другом - низкий, и наоборот. Размах напряжения между клеммами источника равен удвоенной разности напряжений U_Д = е₁ – e₂. Синфазное напряжение V_С = (e₁ + е₂)/2.

Балансный источник напряжения можно представить эквивалентной цепью, показанной на рис.16.16г, где е_Д = е₁ – e₂, е_С = (e₁ + е₂)/2. Эта цепь более наглядно показывает смысл термина балансный источник: напряжения на его клеммах симметричны относительно напряжения источника е_С. Пример: выходные каскады передатчиков интерфейса RS-485.

Источники сигнала могут быть не только источниками напряжения, но и источниками тока (рис.17.18), которые также могут быть заземленными или плавающими. Балансный источник тока, в котором токи обоих выводов равны и противоположно направлены (рис. 16.18в) полностью эквивалентен незаземленному источнику (рис.16.18б), поскольку разность одинаковых токов равна нулю. Примеры источников тока: источники стандартного сигнала 0...20 мА, 4...20 мА, источники тока интерфейсов токовая петля и HART.

Рис. 16.18. Источники тока: а - заземленный; б - плавающий; в - балансный

Рис. 16.19. Источник сигнала с переключением ток/напряжение (например, CAN-интерфейс)

Особо следует отметить источник сигнала интерфейса CAN, который в режиме передачи доминантного состояния (логической единицы) является балансным источником напряжения, а при передаче рецессивного состояния (логического нуля) является источником тока нулевой величины. Модель источника содержит ключи (рис. 17.19) для переключения между режимами источника напряжение и тока. Для обнаружения нулевого тока в такой цепи принципиально необходимо наличие сопротивления R_И в противном случае при размыкании ключа напряжение между клеммами источника становится неопределенным.

Приемники сигнала

Приемник сигнала (например, система сбора данных) может быть:

1) с одиночным (недифференциальным) входом - принимать (измерять) напряжение относительно «земли» (рис.16.20а),

2) дифференциальным - принимать (измерять) напряжение относительно потенциала на 2-м своем входе (рис. 16.20б).

Аналогичные разновидности существуют для приема тока (рис. 16.21).

Дифприемник сигнала измеряет разность потенциалов между 2-мя проводниками. Потенциалы отсчитываются относительно общего провода (земли) приемника. Таким образом, дифприемник сигнала имеет 3 входных зажима: 2 сигнальных и 1 общий (земляной). Для анализа помех земля источника и приемника сигнала в общем случае должны рассматриваться как разные земли, поскольку имеют разные потенциалы в абсолютной системе отсчета потенциалов и в дальнейшем на схемах будут обозначаться разными условными обозначениями.

Рис.16.20. Приемники напряжения сигнала: а - однополярный; б - дифференциальный; в - с плавающим источником питания

Рис.16.21. Приемники токового сигнала: а - однополярный; б - плавающий; в - балансный

Дифприемники могут быть 2-х типов:

· с незаземленным (плавающим) источником питания - могут измерять дифференциальный сигнал, не имея связи с землей (рис. 16.21в), (например, тестер или малогабаритный осциллограф с батарейным питанием),

· вычитателем - вычисляющим разность напряжений между 2-мя узлами электрической цепи после измерения каждого напряжения относительно земли (например, цепи с инструментальным дифусилителем с большим коэф-том подавления синфазного сигнала).

Особенностью дифприемников с незаземленным источником питания является теоретически бесконечный коэф-т подавления синфазного сигнала, поскольку сигнал V_С (рис.16.21в) на выход усилителя не проникает. Его недостаток - асимметрия входов относительно земли: емкости на землю входа, соединенного с незаземленным источником питания, всегда больше, чем емкость входа усилителя. Асимметрия приемника играет существенную роль в балансных цепях передачи сигнала, в которых степень асимметрии определяет качество подавления принимаемых и излучаемых помех.

Коэф-т ослабления синфазного сигнала К_ОСС - основной параметр дифприемников характеризующий ослабление синфазного сигнала, поступающего на вход реальных приемников наряду с дифференциальным. Под ослаблением понимается относительно меньшее усиление синфазного сигнала по сравнению с дифференциальным.

К_ОСС зависит от частоты. Наибольший интерес для систем ПА представляет К_ОСС сигнала с частотой 50 Гц, характеризующий чувствительность приемника к э-м наводке из электросети 220/380В.

Напряжение на выходе дифприемника сигнала V₀ составляет:

V₀ = К₀ (V₁ - V₂ ) + К_ОСС V_С (16.4)

где V_С = (V₁ + V₂)/2 - синфазное напряжение, К₀ - дифференциальный коэф-т усиления.

Мультипликативная погрешность приемника СА - включает погрешность коэф-та усиления, напряжение смещения нуля, погрешность АЦП, шумы электронных приборов, э-м и кондуктивные помехи, погрешность методов сглаживания данных в СПУ, т.е. весь спектр погрешностей от источника сигнала до приемника.

При измерении малых дифференциальных напряжений (например, сигналов термопар) и при большом синфазном сигнале отношение V_С /V_Д может достигать нескольких порядков, в такое же число раз возрастает мультипликативная погрешность ξ.

Эта проблема является общей для многих приложений, и ее иногда называют проблемой малых разностей. Для ее решения нужно снижать величину ξ, что возможно только при использовании дифусилителей, которые вычитают сигналы как можно ближе к их источнику. Поэтому операцию вычитания необходимо делать до АЦП и без разделения во времени моментов захвата значений входного сигнала на обоих входах, чтобы мгновенные значения напряжения помех (или реализаций случайных процессов) для обоих входов дифусилителя были одинаковы.

Идея снижения уровня помех путем их вычитания лежит в основе построения балансных цепей передачи сигнала. Для обеспечения равенства мгновенных значений напряжения помехи на обоих входах дифусилителя приемника должны быть идентичны не только входы приемника, но и линии передачи, а также выходные каскады передатчика. Это возможно при использовании витой пары проводов и балансного источника напряжения.