Уменьшение связи через общее полное сопротивление

Возможны два варианта уменьшения связи через общее полное сопротивление, не влияя на источники помех:

· стратегия разомкнутой цепи (устранение общего обратного провода);

· стратегия короткозамкнутой цепи (уменьшение полного сопротивления обратного провода).

При рассмотрении контуров заземления, эти два метода иногда приводят к диаметрально противоположным результатам:

· устранение общего обратного провода подразумевает обеспечения каждой сети не более одного присоединения к земле, что ведет к концепции радиальной схемы заземления (схемы заземления звездой);

· уменьшение сопротивления обратного провода, ведет к увеличению числа проводников и увеличению количества точек заземления, как следствие приводит к образованию сложно замкнутой сети заземления.

Противоречие этих двух подходов может быть решено, если разделить заземление активных цепей, переносящих полезный сигнал и заземление металлических корпусов и экранирующих цепей.

В активных цепях следует применять стратегию разомкнутой цепи: общие обратные провода по возможности необходимо устранять. Такие цепи следует заземлять в одной точке.

Во всех оставшихся случаях применяется стратегия короткозамкнутой цепи, например при заземлении различных экранов.

Существуют два исключения, для которых связь через общее полное сопротивление не может быть устранена:

· сети электроснабжения;

· связи коаксиальными кабелями.

Через общее полное сопротивление передаются следующие виды помех:

· токи КЗ промышленной частоты в заземлителе, используемом в качестве нулевого потенциала;

· прямое попадание молнии в контур заземления, цепи или оборудования;

· разряд статического электричества непосредственно на оборудование;

· перекрестные помехи между цепями, имеющими общее сопротивление;

· гармонические составляющие, колебания и провалы напряжения в цепях электропитания.

Примером реализации стратегии разомкнутой цепи может являться эксперимент, который проводился в рамках НИР " Измерение высокочастотных перенапряжений на перемычке Т4-КРУЭ 500 кВ при коммутационных операциях выключателями 500 кВ и измерение характеристик частичных разрядов в изоляции Т4 под рабочим напряжением на Бурейской ГЭС" [4]. Для регистрации высокочастотных перенапряжений была собрана следующая схема (Рис.1.3).

Рис. 1.3Схема деления и регистрации фазного напряжения на трансформаторе

Цифрового осциллографа был подключен источнику бесперебойного питания (ИБП), что обеспечило его защиту от возможных помех, поступающих из питающей сети.

Магнитная связь

Магнитная связь довольно часто встречающийся вид проникновения помех. Данный тип связи возникает, когда две цепи объединены общим магнитным потоком. Это происходит, когда земля является частью обеих цепей и, хотя бы, по одному проводнику протекает ток.

На Рис.1.4 представлен простейший случай, между двумя параллельными проводниками образуется связь, земля служит обратным проводом для обоих контуров.

Рис. 1.4Магнитная связь

В случае если цепь с элементами E₂, R₂, L₂ - источник помех, цепь E₁, R₁, L₁, Z_L1– приемник, и ток в этой цепи значительно меньше, тока цепи создающей помеху, это позволяет не учитывать его влияние на вторую цепь. В таком случае зона внутри контура 1 пронизывается общим магнитным потоком и определяет значение взаимной индуктивности M между двумя контурами.

Решение уравнений, описывающих приведенную цепь, показывает, что напряжение U₁ это сумма напряжения полезного сигнала E₁Z_L1/(Z_L1+Z₁) и наведенного напряжения помехи

В случае, когда оба контура расположены на близком расстоянии друг от друга, значение М приближается к значению L₁, и при сравнении выражения на Рис. 1.2 с выражением на Рис. 1.4 можно сделать вывод, что и Z_C играют одинаковую роль в процессе проникновения помех. Это делает трудно различимым связь через общее полное сопротивление и через взаимную индуктивность.

Путем создание симметричной цепи, возможно, уменьшить площадь петли и устранить общие обратные проводники.

Симметричные цепи

Устранить общие обратные проводники и уменьшить площадь петли, если реализовать симметричную цепь, а именно использовать симметрирование контура 1 по отношению к земле (Рис.1.5).

Рис. 1.5 Ослабление индуктивной связи созданием симметричной цепи

Наиболее успешным способом симметрирования цепи является использование витых пар. В таком случае помехи, наводимые в каждой петле, компенсируют друг друга (Рис.1.6).

 

Рис. 1.6 Ослабление индуктивной связи с помощью витой пары

При увеличении количества витков на единицу длины, положительный эффект от применения витой пары в сравнении с обычными проводами растет, однако он начинает снижаться при росте сопротивления нагрузки.

Применение витой пары на низких частотах позволяет снизить уровень помех примерно на 40 дБ, однако на частотах 100 кГц и более положительный эффект стремительно снижается и на частоте единиц МГц практически незаметен.

Наиболее известным примером данного метода в борьбе с помехами является использование витой пары в локально вычислительных сетях.

Витая пара - изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины (Рис.1.7).

Рис. 1.7 Конструкция витой пары

Экранирование

Экранирование является одним из самых эффективных методов защиты от электрических, магнитных и электромагнитных полей. Под экранированием понимается размещение элементов, приборов, кабелей и помещений, создающих или принимающих электрические, магнитные и электромагнитные поля, в пространственно-замкнутых конструкциях [5].

Ослабление индуктивной связи между контурами 1 и 2 возможно реализовать с помощью прокладки короткозамкнутого контура 3 около второго проводника (Рис.1.8).

Рис. 1.8 Экранирование при помощи заземленного проводника

Контур 3 взаимодействует с магнитным потоком также как короткозамкнутая вторичная обмотка трансформатора. По закону Ленца ток в третьем контуре I₃ приводит к появлению магнитного потока равного по значению, вызвавшему его потоку, и противоположного по знаку, что в свою очередь приводит к его компенсации.

Для того чтобы обеспечить равенство потоков охватывающих контура 1 и 3, проводник 3 должен быть замкнутой формы и окружать проводник 1, что в результате даст экран заземленный на обоих концах (Рис.1.9).

Рис. 1.9 Экранирующее действие замкнутого проводника, окружающего цепь приемника

Для максимальной эффективности экран кабеля должен являться продолжением корпуса оборудования, и быть заземлен по всей его окружности. Это необходимо для того чтобы минимизировать не защищенные участки кабеля на его концах. Наиболее эффективный способ заземления экрана показан на Рис. 1.10.

Рис. 1.10Различие между заземлением экрана отдельным проводом и заземлением экрана через корпус оборудования

 

Емкостная связь

Емкостная связь проявляется под действием электрического поля источника помех.

В силу того, что емкости, через которые осуществляется связь, незначительны, то при больших расстояниях между источником и приемником помех, емкостная связь возникает только при достаточно большом нагрузочном сопротивление на концах кабеля, либо при их близком расположении.

Емкость между проводниками обратно пропорциональна расстоянию. К примеру, два проводника одного кабеля обладают взаимной емкостью порядка 100 пФ/м и проложены вплотную друг к другу. Увеличение расстояния между ними всего лишь на 5 сантиметров приводит к уменьшению взаимной емкости в 70 раз, в то время как дальнейшее увеличение расстояния до 50см вызывает уменьшение емкости менее чем в 2 раза [3].

Ослабления емкостной связи можно добиться, используя раздельную прокладку кабелей или уменьшением сопротивления (стратегия разомкнутой цепи).

Если реализация данных методов не доступна, тогда необходимо использовать экранирование защищаемого проводника с заземлением экрана в одной точке(Рис.1.11).

Рис. 1.11Емкостная связь и экранирование при емкостной связи

 

Снижение помех, источником которых является электрическое поле при помощи экрана, эффективно только на низких частотах, когда продольные сопротивления намного меньше по сравнению с поперечным емкостным.

На высоких частотах возникает необходимость заземления экрана более чем в одной точке, на обоих концах кабеля.

Гальваническая развязка

Гальваническая развязка — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними.

С помощью гальванической развязки решаются следующие проблемы:

· Защита измерительной аппаратуры от воздействия электрических напряжений и токов. Необходимо при эксплуатации оборудования в условиях, связанных с возможным влиянием на него несанкционированных электромагнитных воздействий, с невозможностью обеспечения качественного заземления, а также в условиях, где возможно возникновение субъективного фактора “человеческой” ошибки, приводящей к выводу дорогостоящего оборудования из строя.

· Защита пользователя от возможного электрического удара. Необходимость подобной защиты возникает при опасности воздействия электрического тока, опасного для здоровья человека, например, при построении систем медицинского применения.

· Обеспечение необходимой помехозащищённости. Эта проблема актуальна при построении измерительных прецизионных систем, например, в научных исследованиях и метрологических лабораториях.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили схемы, использующие два варианта гальванической развязки:

· трансформаторной;

· оптоэлектронной.

Гальваническая развязка трансформаторного типа предполагает использование магнитоиндукционного элемента с сердечником или без него, напряжение, на вторичной обмотке которого пропорционально напряжению на входе устройства. Принципиальная схема работы гальванической развязки представлена на Рис. 1.12.Однако применении трансформаторной гальванической развязки связанно со следующими её недостатками:

· несущий сигнал может создавать помехи, влияющие на выходной сигнал развязки;

· полоса пропускания ограничена частотой модуляции развязки;

· относительно большие габаритные размеры компонентов, реализующих развязку.

В тоже время неоспоримым её преимуществом является простота конструкции.

 

Рис. 1.12Схема с гальванической развязкой

В последнее время всё чаще встречаются гальванические развязки с использованием оптоэлектронных развязывающих устройств, оптических вентилей (оптронов), что обусловлено развитием полупроводниковых устройств и снижением их стоимости. Принцип работы оптрона проиллюстрирован на Рис. 1.13. Светоизлучающий диод, p-n-переход которого смещён в прямом направлении, излучает свет, воспринимаемый фототранзистором. Таким образом, осуществляется гальваническая развязка цепей, связанных со светодиодом, с одной стороны, и с фототранзистором, с другой.

Рис. 1.13 Принцип работы оптрона

К достоинствам оптоэлектронных развязывающих устройств можно отнести:

· способность осуществлять развязку в широком диапазоне напряжений, в том числе до 500 В.

· возможность передавать сигналы на высокой частоте (до десятков МГц);

· малые габаритные размеры.

Недостатком является необходимость внедрения в схему дополнительных элементов для обеспечения работы оптрона, что в определённых случаях может привести к снижению надёжности всей измерительной системы [6].

Фильтры

Электрические фильтры предназначены для пропускания полезного сигнала и подавления помех в цепях питания и связи. Помехоподавляющий фильтр устанавливается непосредственно у источника помех для уменьшения излучения, а помехозащитный фильтр – перед приемником для подавления входящих помех. Фильтры ослабляют распространение помех вдоль проводящих линий. Их беспроблемное применение предполагает, что спектр частот полезного сигнала отдален от спектра частот помех [7].

Фильтры подразделяются на две группы – по типу составляющих их элементов:

· пассивные;

· активные.

Пассивные фильтры строятся на основе пассивных элементов – резисторов, конденсаторов и дросселей (катушек индуктивности). В активных фильтрах наряду с упомянутыми элементами используются также полупроводниковые элементы, которые требуют дополнительного питания.

Самый простой синфазный дроссель состоит из двух катушек, намотанных на один сердечник, связанных общим магнитным полем. Когда через катушки протекают дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Следовательно, входной импеданс этих катушек равен нулю (если пренебречь их омическим сопротивлением) и теоретически они не влияют на дифференциальные сигналы. Но в случае появления синфазных токов магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению помех (Рис.1.14).

Рис. 1.14Принцип работы синфазного дросселя.

Наиболее распространенным способом применение пассивных фильтров является установка на измерительном кабеле ферритовых колец (Рис.1.15) выполняющих функцию высокочастотных дросселей.

Рис. 1.15 Высокочастотный дроссель на основе феритового кольца.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: